圆周SAR子孔径图像相干快速成像算法、装置和存储介质

圆周sar子孔径图像相干快速成像算法、装置和存储介质
技术领域
1.本文件涉及雷达技术领域，尤其涉及一种圆周sar子孔径图像相干快速成像算法、装置和存储介质。


背景技术：

2.圆周sar(合成孔径雷达，synthetic aperture radar)通过控制雷达天线沿圆周曲线轨迹运动，保持天线波束始终指向观测场景，能获得更加精细、全方位的观测目标信息。
3.圆周sar二维成像方法按照信号的处理域不同，可分为时域算法和频域算法两类。相较于频域算法，时域成像算法对复杂几何具有很强的适应性，因此时域成像算法得到了更广泛的应用。
4.然而，现有的时域算法很难与现有自聚焦方法结合，从而降低了成像的准确度。


技术实现要素：

5.鉴于上述的分析，本技术旨在提出一种圆周sar子孔径图像相干快速成像算法、装置和存储介质，以解决上述技术问题中的至少一个。
6.第一方面，本说明书一个或多个实施例提供了一种圆周sar子孔径图像相干快速成像算法，包括：
7.接收雷达的回波数据，所述回波数据包括：方位向数据；
8.根据方位向数据，将所述回波数据划分为多个子回波数据；
9.根据预设相干的角度，将各所述子回波数据划分为多个子孔径图像数据；
10.在拟极坐标系下，分别对各所述子孔径图像数据成像，得到子孔径图像；
11.基于几何约束，对将各所述子孔径图像进行相干叠加，得到所述子回波数据对应的图像。
12.进一步地，所述得到所述子回波数据对应的图像之后，所述方法还包括：
13.将各所述所述子回波数据对应的图像从所述拟极坐标系下转换至直角坐标系，并进行非相干叠加得到圆周sar图象。
14.进一步地，以雷达波发射装置为圆心建立第一坐标系，以所述雷达波发射装置观测的目标的中心为圆心建立第二坐标系；其中，所述第一坐标系为拟极坐标系；
15.将所述子孔径图像数据从所述第二坐标系转换至所述第一坐标系下；
16.基于所述第一坐标系，将所述子孔径图像数据转化成所述子孔径图像。
17.进一步地，所述子孔径图像具体为：
[0018][0019]
其中，点p的圆周sar回波，可表示为：
[0020][0021]fr
＝γ
·
tr表示距离频率，与距离向快时间tr呈线性关系，γ为常数，表示频率变化率；br为信号带宽；w为sar平台运行的角速率，tc表示当前子孔径中心时刻，ts为当前子孔径波束照射时间，j为虚数符号，fc表示发射信号的中心频率，c＝3*108，点p为被观测点。
[0022]
进一步地，对于任意两个相邻的第一图像和第二图像，所述第一图像对应第三坐标系，所述第二图像对应第四坐标系；
[0023]
根据所述第三坐标系和所述第四坐标系得到第五坐标系；
[0024]
基于所述第五坐标系，将所述第一图像对应的子孔径图像数据从所述第三坐标系转化至所述第四坐标系。
[0025]
第二方面，本技术实施例提供了一种圆周sar子孔径图像相干快速成像装置，包括：接收模块、数据处理模块和叠加模块；
[0026]
所述接收模块用于接收雷达的回波数据，所述回波数据包括：方位向数据；
[0027]
所述数据处理模块用于根据方位向数据，将所述回波数据划分为多个子回波数据；根据预设相干的角度，将各所述子回波数据划分为多个子孔径图像数据；在拟极坐标系下，分别对各所述子孔径图像数据成像，得到子孔径图像；
[0028]
所述叠加模块用于基于几何约束，对将各所述子孔径图像进行相干叠加，得到所述子回波数据对应的图像。
[0029]
进一步地，所述叠加模块还用于将各所述所述子回波数据对应的图像从所述拟极坐标系下转换至直角坐标系，并进行非相干叠加得到圆周sar图象。
[0030]
进一步地，所述数据处理模块用于以雷达波发射装置为圆心建立第一坐标系，以所述雷达波发射装置观测的目标的中心为圆心建立第二坐标系；其中，所述第一坐标系为拟极坐标系；将所述子孔径图像数据从所述第二坐标系转换至所述第一坐标系下；基于所述第一坐标系，将所述子孔径图像数据转化成所述子孔径图像。
[0031]
进一步地，所述叠加模块还用于对于任意两个相邻的第一图像和第二图像，所述第一图像对应第三坐标系，所述第二图像对应第四坐标系；根据所述第三坐标系和所述第四坐标系得到第五坐标系；基于所述第五坐标系，将所述第一图像对应的子孔径图像数据从所述第三坐标系转化至所述第四坐标系。
[0032]
第三方面，本技术实施例提供了一种存储介质，包括：
[0033]
用于存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时实现以下流程：
[0034]
接收雷达的回波数据，所述回波数据包括：方位向数据；
[0035]
根据方位向数据，将所述回波数据划分为多个子回波数据；
[0036]
根据预设相干的角度，将各所述子回波数据划分为多个子孔径图像数据；
[0037]
在拟极坐标系下，分别对各所述子孔径图像数据成像，得到子孔径图像；
[0038]
基于几何约束，对将各所述子孔径图像进行相干叠加，得到所述子回波数据对应的图像。
[0039]
与现有技术相比，本技术至少能实现以下技术效果：
[0040]
1、基于预设相干的角度将回波数据划分为多个子孔径图像数据，使每一个子孔径图像中各目标的散射特性近似相同，以降低后续图像处理的难度，从而为合并图像创造条
件。
[0041]
2、整个方案不涉及时域算法与自聚焦方法的结合，因此克服了现有技术中两者不易结合的问题。
[0042]
3、基于预设相干的角度将回波数据划分为多个子孔径图像数据，还能降低时域算法与自聚焦方法的结合难度。
附图说明
[0043]
为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0044]
图1为本说明书一个或多个实施例提供的一种圆周sar子孔径图像相干快速成像算法的流程图；
[0045]
图2为本说明书一个或多个实施例提供的拟极坐标系的示意图；
[0046]
图3为本说明书一个或多个实施例提供的子孔径图像叠加的拟极坐标系的示意图。
具体实施方式
[0047]
为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。
[0048]
圆迹sar是近年来提出并发展起来的一种sar精细观测模式，通过传感器平台的圆周运动，获取被观测场景360
°
全方位信息。圆迹sar具有以下优点：1)具有更大的相干累积角，能够实现更高的分辨率；2)圆迹sar随着平台速度方向的变化，数据采集平面不断改变，能够实现对观测场景的三维重建；3)圆迹sar的全方位观测能够获得照射场景中散射体随方位角变化的后向散射信息，对于更深入地理解散射体的散射特性，提高目标识别精度具有重要意义。
[0049]
现有自聚焦算法主要基于图像域与相位历程域之间的快速傅里叶变换关系，而快速傅里叶变换关系无法直接描述导致时域算法很难与现有自聚焦方法结合。
[0050]
本说明书实施例提供了一种圆周sar子孔径图像相干快速成像算法，如图1所示，包括以下步骤：
[0051]
步骤1、接收雷达的回波数据。
[0052]
步骤2、根据方位向数据，将回波数据划分为多个子回波数据。
[0053]
在本技术实施例中，如图2所示，sar平台(雷达波发射装置)围绕观测场景进行圆周定高飞行。根据方位向数据将sar平台的运动轨迹划分为多个圆弧，每一个圆弧对应的回波数据为子回波数据。
[0054]
步骤3、根据预设相干的角度，将各子回波数据划分为多个子孔径图像数据。
[0055]
在本技术实施例中，散射特性与检测目标的形状、表面粗糙度和光线亮度有关。如果存在多个散射特性不同的检测目标，会影响目标在图像中的成像效果，例如颜色相混，边界不清楚。根据预设相干的角度，将回波数据转化成多个子孔径图像，以便于得到优质的干涉图样可以提高成像效果。同时，子孔径图像对应的观测区域小，近似于一个点，使得在小区域中各检测目标的形状、表面粗糙度和光线亮度近似相同，即各子孔径图像种的检测目标具有相同散射特性。因此，预设相干的角度，将回波数据划分为多个子孔径图像可以提高成像效果。
[0056]
具体地，根据场景中成像目标的散射特性，将圆周sar的原始回波数据划分为n个子孔径(确保子孔径相干角范围内目标的散射特性保持一致，大多数目标散射相干角小于20
°
，不失一般性，取n＝20)。优选地，根据ffbp(快速因子分解时域反向投影，fast factorized back-projection)因式分解原理确定每个子孔径对应圆弧的数据长度l和每次合并的子图像个数i，则n＝l
×ip
，其中p为ffbp因式分解层数。
[0057]
步骤4、在拟极坐标系下，分别对各子孔径图像数据成像，得到子孔径图像。
[0058]
在本技术实施例中，步骤4包括：
[0059]
以雷达波发射装置为圆心建立第一坐标系，以雷达波发射装置观测的目标的中心为圆心建立第二坐标系；其中，第一坐标系为拟极坐标系；
[0060]
将子孔径图像数据从第二坐标系转换至第一坐标系下；
[0061]
基于第一坐标系，将子孔径图像数据转化成子孔径图像。
[0062]
具体地，如图2所示，sar平台a(雷达波发射装置)围绕观测场景进行圆周定高飞行。半径为ra，以sar平台位置a为原点，建立拟极坐标系x`-a-y`(第一坐标系)，其中，x`正半轴为参考方向，则观测场景中心坐标为观测区域中任意点目标p在以观测场景中心(观测目标中心)为原点的坐标系(第二坐标)中，坐标为(r
p
,r
p
cosθ)，其中r
p
和θ分别表示p点在xoy平面投影点的径向半径和以x轴正半轴为参考方向的转角。将p点坐标转化到拟极坐标后，p点坐标为
[0063]
则，sar平台在运动过程中到点目标p的瞬时斜距可表示为：
[0064][0065]
此时p点在x`-a-y`的转角余弦为：
[0066][0067]
其中，sign(
·
)表示符号函数。
[0068]
则p点的子孔径图像具体为：
[0069][0070]
其中，点p的圆周sar回波，可表示为：
[0071][0072]fr
＝γ
·
tr表示距离频率，与距离向快时间tr呈线性关系，γ为常数，表示频率变化率；br为信号带宽；w为sar平台运行的角速率，tc表示当前子孔径中心时刻，ts为当前子孔径波束照射时间，j为虚数符号，fc表示发射信号的中心频率，c＝3*108，点p为被观测点。
[0073]
需要说明的是，为简化计算过程，子孔径图像分辨率近似为：
[0074][0075]
其中，ρ
p
和ρ
⊥
分别表示拟极坐标系中平行和垂直于x轴的分辨率。bw是发射信号的带宽。对每个子孔径按照拟极坐标系bp算法进行成像，得到i
p
幅低分辨率子孔径图。
[0076]
步骤5、基于几何约束，对将各子孔径图像进行相干叠加，得到子回波数据对应的图像。
[0077]
在本技术实施例中，步骤5包括：
[0078]
对于任意两个相邻的第一图像和第二图像，第一图像对应第三坐标系，第二图像对应第四坐标系；
[0079]
根据第三坐标系和第四坐标系得到第五坐标系；
[0080]
基于第五坐标系，将第一图像对应的子孔径图像数据从第三坐标系转化至第四坐标系。
[0081]
具体地，如图3所示，对于观测场景中任意一点p，以a点为子孔径局部拟极坐标系(第四坐标系)坐标为,以b点为子孔径局部拟极坐标系(第三坐标系)坐标为。将以b点为子孔径局部拟极坐标系原点的坐标转换到以a点为子孔径局部拟极坐标系原点的坐标系，对应关系如下：
[0082][0083][0084]
其中，r
am
和分别为以a点坐标轴y`a延长线和b点坐标轴x`b延长线建立的新局部坐标系(第五坐标)中，点p的斜距和转角，可表示如下：
[0085][0086][0087]
其中，r
am
和r
bm
分别表示点a、点b到点m的距离。
[0088]
[0089]
在本技术实施例中，得到子回波数据对应的图像后，将各子回波数据对应的图像从拟极坐标系下转换至直角坐标系，并进行非相干叠加得到圆周sar图象。
[0090]
需要说明的是，步骤5所述相干叠加为逐步叠加，例如，存在a、b和c三组/个子孔径图像，想叠加a和b，再将a和b叠加后的结果与c叠加。叠加过程中，相邻两次合并后的图像的清晰度存在如下关系：
[0091][0092]
在本技术实施例中，基于预设相干的角度将子回波数据划分为多个子孔径图像数据，还能降低时域算法与自聚焦方法的结合难度。具体地，距离向数据与方位向数据存在映射关系，在处理图像时，由于该映射关系和距离向误差不容易得到，因此时域算法与自聚焦方法结合时，很难保证图像的精确程度。而将子回波数据划分为多个子孔径图像数据，使得子孔径图像中方位向数据不受方位影响，以实现方位向数据可以近似地视为定值。上述方式为消除上述映射关系提供基础，进而降低了时域算法与自聚焦方法的结合难度。
[0093]
本技术实施例还提供了一种圆周sar子孔径图像相干快速成像装置，包括：接收模块、数据处理模块和叠加模块；
[0094]
所述接收模块用于接收雷达的回波数据，所述回波数据包括：方位向数据；
[0095]
所述数据处理模块用于根据方位向数据，将所述回波数据划分为多个子回波数据；根据预设相干的角度，将各所述子回波数据划分为多个子孔径图像数据；在拟极坐标系下，分别对各所述子孔径图像数据成像，得到子孔径图像；
[0096]
所述叠加模块用于基于几何约束，对将各所述子孔径图像进行相干叠加，得到所述子回波数据对应的图像。
[0097]
在本技术实施例中，所述叠加模块还用于将各所述所述子回波数据对应的图像从所述拟极坐标系下转换至直角坐标系，并进行非相干叠加得到圆周sar图象。
[0098]
在本技术实施例中，所述数据处理模块用于以雷达波发射装置为圆心建立第一坐标系，以所述雷达波发射装置观测的目标的中心为圆心建立第二坐标系；其中，所述第一坐标系为拟极坐标系；将所述子孔径图像数据从所述第二坐标系转换至所述第一坐标系下；基于所述第一坐标系，将所述子孔径图像数据转化成所述子孔径图像。
[0099]
在本技术实施例中，所述叠加模块还用于对于任意两个相邻的第一图像和第二图像，所述第一图像对应第三坐标系，所述第二图像对应第四坐标系；根据所述第三坐标系和所述第四坐标系得到第五坐标系；基于所述第五坐标系，将所述第一图像对应的子孔径图像数据从所述第三坐标系转化至所述第四坐标系。
[0100]
本技术实施例提供了一种存储介质，包括：
[0101]
用于存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被执行时实现以下流程：
[0102]
接收雷达的回波数据，所述回波数据包括：方位向数据；
[0103]
根据方位向数据，将所述回波数据划分为多个子回波数据；
[0104]
根据预设相干的角度，将各所述子回波数据划分为多个子孔径图像数据；
[0105]
在拟极坐标系下，分别对各所述子孔径图像数据成像，得到子孔径图像；
[0106]
基于几何约束，对将各所述子孔径图像进行相干叠加，得到所述子回波数据对应的图像。
[0107]
上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
[0108]
在20世纪30年代，对于一个技术的改进可以很明显地区分是硬件上的改进(例如，对二极管、晶体管、开关等电路结构的改进)还是软件上的改进(对于方法流程的改进)。然而，随着技术的发展，当今的很多方法流程的改进已经可以视为硬件电路结构的直接改进。设计人员几乎都通过将改进的方法流程编程到硬件电路中来得到相应的硬件电路结构。因此，不能说一个方法流程的改进就不能用硬件实体模块来实现。例如，可编程逻辑器件(programmable logic device，pld)(例如现场可编程门阵列(field programmable gate array，fpga))就是这样一种集成电路，其逻辑功能由用户对器件编程来确定。由设计人员自行编程来把一个数字系统“集成”在一片pld上，而不需要请芯片制造厂商来设计和制作专用的集成电路芯片。而且，如今，取代手工地制作集成电路芯片，这种编程也多半改用“逻辑编译器(logic compiler)”软件来实现，它与程序开发撰写时所用的软件编译器相类似，而要编译之前的原始代码也得用特定的编程语言来撰写，此称之为硬件描述语言(hardware description language，hdl)，而hdl也并非仅有一种，而是有许多种，如abel(advanced boolean expression language)、ahdl(altera hardware description language)、confluence、cupl(cornell university programming language)、hdcal、jhdl(java hardware description language)、lava、lola、myhdl、palasm、rhdl(ruby hardware description language)等，目前最普遍使用的是vhdl(very-high-speed integrated circuit hardware description language)与verilog。本领域技术人员也应该清楚，只需要将方法流程用上述几种硬件描述语言稍作逻辑编程并编程到集成电路中，就可以很容易得到实现该逻辑方法流程的硬件电路。
[0109]
控制器可以按任何适当的方式实现，例如，控制器可以采取例如微处理器或处理器以及存储可由该(微)处理器执行的计算机可读程序代码(例如软件或固件)的计算机可读介质、逻辑门、开关、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器的形式，控制器的例子包括但不限于以下微控制器：arc 625d、atmel at91sam、microchip pic18f26k20以及silicone labs c8051f320，存储器控制器还可以被实现为存储器的控制逻辑的一部分。本领域技术人员也知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现控制器以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得控制器以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器和嵌入微控制器等的形式来实现相同功能。因此这种控制器可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构。或者甚至，可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
[0110]
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机。具体的，计算机例如可
以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
[0111]
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本说明书实施例时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
[0112]
本领域内的技术人员应明白，本说明书一个或多个实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本说明书一个或多个实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本说明书可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0113]
本说明书是参照根据本说明书实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0114]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0115]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0116]
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接口、网络接口和内存。
[0117]
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是计算机可读介质的示例。
[0118]
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
[0119]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的
包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0120]
本说明书一个或多个实施例可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本说明书的一个或多个实施例，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
[0121]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0122]
以上所述仅为本文件的实施例而已，并不用于限制本文件。对于本领域技术人员来说，本文件可以有各种更改和变化。凡在本文件的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本文件的权利要求范围之内。