地基合成孔径雷达动目标成像方法及装置

1.本发明涉及合成孔径雷达成像技术领域，尤其涉及地基合成孔径雷达动目标成像方法及装置。


背景技术：

2.本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明实施例提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。
3.地基合成孔径雷达gbsar，即地基sar，是一种能够长时间连续实时监测区域形变的sar系统，具有全天时、全天候高分辨率成像的能力。然而，当矿区内车辆连续运行时，运动目标会在方位向和距离向上具有不同的速度，从而导致动目标图像发生散焦。
4.为了能够去除动目标车辆对地基sar图像、形变监测方面的影响，需要对动目标进行重聚焦处理。与传统的机载星载sar平台相比，gbsar系统成像的显著区别在于合成孔径受轨道长度的限制，无法形成完整的孔径。现有方法面向机载和星载平台，且满足完整合成孔径条件，因此不能直接应用于gbsar系统。
5.因此，亟需一种可以克服上述问题的地基合成孔径雷达动目标成像方案。


技术实现要素：

6.本发明实施例提供一种地基合成孔径雷达动目标成像方法，用以进行地基合成孔径雷达动目标成像，有效对散焦的动目标进行重聚焦成像，该方法包括：
7.获得地基合成孔径雷达动目标速度信息和位置信息；
8.根据所述速度信息和位置信息，以及预先建立的动目标信号模型，确定基于相对速度的回波信号；
9.对所述基于相对速度的回波信号进行距离徙动校正；
10.对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换；
11.对变换后的回波信号进行重聚焦处理，得到地基合成孔径雷达动目标图像。
12.本发明实施例提供一种地基合成孔径雷达动目标成像装置，用以进行地基合成孔径雷达动目标成像，有效对散焦的动目标进行重聚焦成像，该装置包括：
13.动目标信息获得模块，用于获得地基合成孔径雷达动目标速度信息和位置信息；
14.回波信号确定模块，用于根据所述速度信息和位置信息，以及预先建立的动目标信号模型，确定基于相对速度的回波信号；
15.距离徙动校正模块，用于对所述基于相对速度的回波信号进行距离徙动校正；
16.傅里叶变换模块，用于对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换；
17.重聚焦处理模块，用于对变换后的回波信号进行重聚焦处理，得到地基合成孔径雷达动目标图像。
18.本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述地基合成孔
径雷达动目标成像方法。
19.本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述地基合成孔径雷达动目标成像方法。
20.本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述地基合成孔径雷达动目标成像方法。
21.本发明实施例通过获得地基合成孔径雷达动目标速度信息和位置信息；根据所述速度信息和位置信息，以及预先建立的动目标信号模型，确定基于相对速度的回波信号；对所述基于相对速度的回波信号进行距离徙动校正；对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换；对变换后的回波信号进行重聚焦处理，得到地基合成孔径雷达动目标图像。本发明实施例引入基于相对速度的动目标信号模型，从而根据速度信息和位置信息得到基于相对速度的回波信号，将动目标等效为静止目标信号进行进一步距离徙动校正，对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换后进行重聚焦处理，实现方位时域的二次相位补偿，得到地基合成孔径雷达动目标图像，从而有效对散焦的动目标进行重聚焦成像。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
23.图1为本发明实施例中地基合成孔径雷达动目标成像方法示意图；
24.图2为本发明实施例中另一地基合成孔径雷达动目标成像方法示意图；
25.图3a～图3d为本发明实施例中根据几何关系确定旋转角度的四种情况示意图；
26.图4为本发明实施例中另一地基合成孔径雷达动目标成像方法示意图；
27.图5为现有技术得到的gbsar动目标散焦图像；
28.图6为本发明实施例提供的方法得到的gbsar动目标重聚焦图像；
29.图7为本发明实施例中地基合成孔径雷达动目标成像装置结构图。
具体实施方式
30.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
31.为了进行地基合成孔径雷达动目标成像，有效对散焦的动目标进行重聚焦成像，本发明实施例提供一种地基合成孔径雷达动目标成像方法，如图1所示，该方法可以包括：
32.步骤101、获得地基合成孔径雷达动目标速度信息和位置信息；
33.步骤102、根据所述速度信息和位置信息，以及预先建立的动目标信号模型，确定基于相对速度的回波信号；
34.步骤103、对所述基于相对速度的回波信号进行距离徙动校正；
35.步骤104、对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换；
36.步骤105、对变换后的回波信号进行重聚焦处理，得到地基合成孔径雷达动目标图像。
37.由图1所示可以得知，本发明实施例通过获得地基合成孔径雷达动目标速度信息和位置信息；根据所述速度信息和位置信息，以及预先建立的动目标信号模型，确定基于相对速度的回波信号；对所述基于相对速度的回波信号进行距离徙动校正；对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换；对变换后的回波信号进行重聚焦处理，得到地基合成孔径雷达动目标图像。本发明实施例引入基于相对速度的动目标信号模型，从而根据速度信息和位置信息得到基于相对速度的回波信号，将动目标等效为静止目标信号进行进一步距离徙动校正，对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换后进行重聚焦处理，实现方位时域的二次相位补偿，得到地基合成孔径雷达动目标图像，从而有效对散焦的动目标进行重聚焦成像。
38.发明人发现，运动目标会在方位向和距离向上具有不同的速度，从而导致动目标图像发生散焦。与传统sar相比，gbsar系统成像的显著区别在于合成孔径受轨道长度的限制，无法形成完整的孔径。相比之下，传统方法是针对全合成孔径提出的，因此不能直接应用于gbsar系统。并且由于地基雷达移动速度缓慢，动目标速度往往大于平台速度，导致运动情况更加复杂，直接对动目标模型进行分析难度较大。发明人针对上述问题进行研究，认为地基系统下的动目标信号模型过于复杂直接进行成像处理难度较大。理由是动目标的运动参数未知，无法构造距离徙动校正函数对其进行校正。因此无法直接运用距离多普勒算法(rda)对校正后的信号进行成像处理。所以需要引入基于相对速度的动目标信号模型，从而对动目标回波进行距离徙动校正。接着对校正后的信号对其方位时域的二次相位进行补偿，从而得到重聚焦后的图像。发明人经过进一步的研究在本发明中提供了一种基于相对速度重聚焦的地基sar动目标成像方法。
39.在步骤101～步骤102中，获得地基合成孔径雷达动目标速度信息和位置信息，根据所述速度信息和位置信息，以及预先建立的动目标信号模型，确定基于相对速度的回波信号。
40.在一个实施例中，如图2所示，按如下方式预先建立动目标信号模型：
41.步骤201、根据几何关系，确定基于相对速度的速度信息和位置信息；
42.步骤202、根据所述基于相对速度的速度信息和位置信息，确定基于相对速度的瞬时斜距；
43.步骤203、根据所述基于相对速度的瞬时斜距，建立动目标信号模型。
44.需要说明的是，可以利用已有算法或者已有的信息获得动目标的位置和速度，在没有获得速度和位置信息时，可以利用迭代调参的形式完成成像。
45.具体实施时，假设雷达处于坐标原点，运动速度为vs，其坐标为(0,vs×
(tr ta))。场景中的动目标起始于任意位置(x0,y0)，其沿方位向和距离向的速度分别为va和vr，因此该动目标的坐标可以表示为(x0 vr×
(tr ta),y0 va×
(tr ta))。按如下方式根据几何关系，确定基于相对速度的速度信息和位置信息：基于相对速度的雷达移动速度和动目标坐标分别为v's和(x'0,y'0)，表达式为：x'0＝x0cosθ-y0sinθ，y'0＝x0sinθ y0cosθ。由于旋转角度θ会根据两者之间运动关系的不同而发生改变，因此，需要按如下方式根据几何关系确定θ：
46.如图3a～图3d所示，设目标速度沿坐标轴正向取正，反之取负。由图3a可知当雷达速度vs大于目标方位向速度va，且目标距离向速度分量vr＜0时，合速度v's位于坐标系第一象限内，与y轴正半轴夹角为θ，因此为了和引入相对速度前的坐标系保持一致，需要逆时针旋转θ。由图3b可知当雷达速度vs大于目标方位向速度va，且目标距离向速度分量vr＞0时，合速度v's位于坐标系第二象限内，与y轴正半轴夹角为θ，为和引入相对速度前的坐标系保持一致，需要顺时针旋转θ。由图3c可知当雷达速度vs小于目标方位向速度va，且目标距离向速度分量vr＞0时，合速度v's位于坐标系第三象限内，与y轴负半轴夹角为θ，为和引入相对速度前的坐标系保持一致，需要逆时针旋转θ。由图3d可知当雷达速度vs小于目标方位向速度va，且目标距离向速度分量vr＜0时，合速度v's位于坐标系第四象限内，与y轴负半轴夹角为θ，为和引入相对速度前的坐标系保持一致，需要顺时针旋转θ。
47.进而，得到基于相对速度的瞬时斜距表达式为：
[0048][0049]
其中，a＝x0cosθ-y0sinθ，b＝x0sinθ y0cosθ，cosθ，
[0050]
将基于相对速度的瞬时斜距表达式带入如下表达式：
[0051][0052]
从而得到基于相对速度的动目标信号模型为：
[0053][0054]
其中，tr为距离向快时间，ta为方位向慢时间，kr为距离向调频率，r
ref
为参考斜距。
[0055]
在步骤103中，对所述基于相对速度的回波信号进行距离徙动校正。
[0056]
在一个实施例中，对所述基于相对速度的回波信号进行距离徙动校正，包括：
[0057]
根据基于相对速度的回波信号和预先建立的距离徙动校正函数，进行距离徙动校正。
[0058]
具体实施时，发明人考虑到插值法运算量大，因此构造距离徙动校正函数公式h
rcmc
，与回波信号形式相乘即可完成距离徙动校正，方法简单，处理效率高。预先建立的距离徙动校正函数为：
[0059]
[0060]
其中，为零时刻目标与多普勒中心(坐标原点)间的距离，θ'为零时刻目标与多普勒中心(坐标原点)连线与x轴正半轴夹角。
[0061]
在步骤104中，对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换。
[0062]
在一个实施例中，对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换之后，对变换后的回波信号进行视频残余相位校正(residual video phase，rvp)。
[0063]
在本实施例中，将变换后的回波信号与预先建立的视频残余相位校正函数相乘。视频残余相位校正函数为：
[0064][0065]
其中，kr为距离向调频率。
[0066]
步骤105中，对变换后的回波信号进行重聚焦处理，得到地基合成孔径雷达动目标图像。
[0067]
在一个实施例中，如图4所示，对变换后的回波信号进行重聚焦处理，得到地基合成孔径雷达动目标图像，包括：
[0068]
步骤401、将变换后的回波信号与预先建立的重聚焦补偿函数相乘；
[0069]
步骤402、对相乘的结果进行方位向傅里叶变换，得到地基合成孔径雷达动目标图像。
[0070]
具体实施时，对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换完成距离向脉冲压缩。将回波信号与重聚焦补偿函数相乘并进行方位向傅里叶变换，从而得到重聚焦后的sar图像。发明人发现，在基于相对速度的动目标信号模型中，第一个指数项为方位向的相位历程，决定方位向的聚焦效果，经分析可得，如果以静止场景的参数进行成像处理，则由于动目标方位向速度的存在，会造成动目标成像的方位散焦。其原因在于该二次相位会导致目标信号的主瓣向两侧延展，从而造成图像在方位向上散焦，因此有必要对该二次相位进行补偿。考虑到gbsar系统是在方位频域进行成像，所以需要在方位时域针对该二次相位进行补偿，也即将变换后的回波信号与预先建立的重聚焦补偿函数相乘，对相乘的结果进行方位向傅里叶变换，得到地基合成孔径雷达动目标图像。
[0071]
在一个实施例中，所述重聚焦补偿函数为：
[0072][0073]
图5为现有技术得到的gbsar动目标散焦图像，图6为本发明实施例提供的方法得到的gbsar动目标重聚焦图像，从图5可以看出利用现有技术得到的图像在方位向和距离向均有不同程度的散焦，有图6可以看出通过本发明实施例提供的方法得到的图像在方位向和距离向的聚焦效果有明显提升。
[0074]
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种地基合成孔径雷达动目标成像装置，如下面的实施例所述。由于这些解决问题的原理与地基合成孔径雷达动目标成像方法相似，因此地基合成孔径雷达动目标成像装置的实施可以参见方法的实施，重复之处不再赘述。
[0075]
图7为本发明实施例中地基合成孔径雷达动目标成像装置的结构图，如图7所示，该地基合成孔径雷达动目标成像装置包括：
[0076]
动目标信息获得模块701，用于获得地基合成孔径雷达动目标速度信息和位置信息；
[0077]
回波信号确定模块702，用于根据所述速度信息和位置信息，以及预先建立的动目标信号模型，确定基于相对速度的回波信号；
[0078]
距离徙动校正模块703，用于对所述基于相对速度的回波信号进行距离徙动校正；
[0079]
傅里叶变换模块704，用于对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换；
[0080]
重聚焦处理模块705，用于对变换后的回波信号进行重聚焦处理，得到地基合成孔径雷达动目标图像。
[0081]
在一个实施例中，按如下方式预先建立动目标信号模型：
[0082]
根据几何关系，确定基于相对速度的速度信息和位置信息；
[0083]
根据所述基于相对速度的速度信息和位置信息，确定基于相对速度的瞬时斜距；
[0084]
根据所述基于相对速度的瞬时斜距，建立动目标信号模型。
[0085]
在一个实施例中，所述重聚焦处理模块705进一步用于：
[0086]
将变换后的回波信号与预先建立的重聚焦补偿函数相乘；
[0087]
对相乘的结果进行方位向傅里叶变换，得到地基合成孔径雷达动目标图像。
[0088]
基于前述发明构思，本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述地基合成孔径雷达动目标成像方法。
[0089]
基于前述发明构思，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述地基合成孔径雷达动目标成像方法。
[0090]
本发明实施例还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述地基合成孔径雷达动目标成像方法。
[0091]
本发明实施例通过获得地基合成孔径雷达动目标速度信息和位置信息；根据所述速度信息和位置信息，以及预先建立的动目标信号模型，确定基于相对速度的回波信号；对所述基于相对速度的回波信号进行距离徙动校正；对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换；对变换后的回波信号进行重聚焦处理，得到地基合成孔径雷达动目标图像。本发明实施例引入基于相对速度的动目标信号模型，从而根据速度信息和位置信息得到基于相对速度的回波信号，将动目标等效为静止目标信号进行进一步距离徙动校正，对校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换后进行重聚焦处理，实现方位时域的二次相位补偿，得到地基合成孔径雷达动目标图像，从而有效对散焦的动目标进行重聚焦成像。
[0092]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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，本发明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。
[0093]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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。
[0094]
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。
[0095]
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。
[0096]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。