CN117554955A - 一种探地雷达成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种探地雷达成像方法,属于地球物理探测领域,对回波信号进行距离向脉冲压缩,得到距离向脉冲压缩后的多个子带回波数据并进行后向投影算法处理,得到图像域数据表达式;构建补偿函数对距离变量进行补偿,得到校正后的图像域数据;通过傅里叶变换将校正后的图像域数据转换到距离频域,得到多个子带图像距离向空间谱;对各个子带图像距离向空间谱进行频移,判断频移后的各子带距离向空间谱是否重叠;如果重叠需要进行截断处理,并叠加重叠的子带距离向空间谱,获取频移叠加后的图像域数据并对其进行傅里叶逆变换,得到合成后的探地雷达空间域图像。该方法能够对距离变量进行补偿,得到的图像分辨率更高。
Description
技术领域
本发明涉及地球物理探测领域,更具体的涉及一种时域快速拼接的探地雷达成像方法。
背景技术
探地雷达GPR是一种地球物理探测工具,常被用于探测浅层地下结构。利用高频电磁波对地表的强穿透能力,探地雷达向地表发射电磁波,并接收发射或反向反射信号,实现对地下目标体的探测。在实际勘探中,探地雷达发射信号频率的选取直接影响着探测的深度和空间分辨率。探地雷达为了获得高分辨率可以采用步进调频信号,通过带宽合成技术实现距离向高分辨率。
现有技术中,针对步进调频波形的频带合成,美国人D. R. Wehnert提出了一种有效的距离向合成算法SRP,但受限于照射点的能量不能完全聚焦,发生泄漏,获得的图像分辨率差,从而导致出现严重的模糊现象。南非开普敦大学的R.T.Lord提出了基于调频步进SAR的时域带宽合成方法,能够解决SRP出现的不能完全聚焦的问题,然而,该时域带宽合成方法会出现相位不连续的问题,没有考虑开脉冲组内斜距误差的补偿问题,因此必须进行过采样才能实现完全聚焦,严重影响了图像合成的分辨率。
综上,现有技术中无论是时域带宽合成方法还是频域合成方法,没有考虑开脉冲组内斜距误差的补偿问题,导致合成的图像分辨率差。
发明内容
针对上述领域中存在的问题,本发明提出了一种探地雷达成像方法,能够解决现有技术中无论是时域带宽合成方法还是频域合成方法,没有考虑开脉冲组内斜距误差的补偿问题,导致合成的图像分辨率差的技术问题。
为解决上述技术问题,本发明公开了一种探地雷达成像方法,包括以下步骤:
获取探地雷达照射场景中目标点的多个子带回波数据;
根据获取的多个子带回波数据,对回波信号进行距离向脉冲压缩,得到距离向脉冲压缩后的多个子带回波数据;
对距离向脉冲压缩后的多个子带回波数据进行后向投影算法处理,得到图像域数据表达式;将距离向脉冲压缩后的多个子带回波数据代入图像域数据表达式,利用频域上距离徙动校正原理,构建补偿函数对距离变量进行补偿,得到校正后的图像域数据;
通过傅里叶变换将校正后的图像域数据转换到距离频域,得到多个子带图像距离向空间谱;对各个子带图像距离向空间谱进行频移,判断频移后的各子带距离向空间谱是否重叠;如果重叠需要进行截断处理,并叠加重叠的子带距离向空间谱,获取频移叠加后的图像域数据;
对频移叠加后的图像域数据进行傅里叶逆变换,得到合成后的探地雷达空间域图像。
优选地,所述获取探地雷达照射场景中目标点的多个子带回波数据为假设在照射场景中有一目标点,其在斜距平面的坐标为/>,假设散射系数为1,则在慢时间/>下第/>个子带脉冲脉压后的探地雷达回波信号表达式为:
其中,为慢时间/>下第/>个子带的目标点/>与雷达位置的距离;,k表示距离单元编号,/>表示距离单元的间隔,/>表示场景中心的距离,/>是窗宽,i表示散射点序号,j表示虚数,/>表示慢时间时刻,B表示信号带宽,c表示光速,fc表示载频。
优选地,所述得到图像域数据表达式,包括以下步骤:
对探地雷达回波数据进行后向投影算法处理,得到图像域数据表达式为:
其中,表示/>点附近的像素点/>的图像域数据,像素点/>的坐标为(r,y),代表在慢时间/>时刻下第/>个子带的网格中像素点/>和雷达位置的距离;
将在慢时间下第/>个子带脉冲脉压后的回波信号表达式代入图像域数据表达式,得到/>表达式:
式中,
其中,和/>分别为斜距平面内在/>时刻下雷达平台到/>和/>的距离,v为雷达平台运动速度;
对在方位时间中心/>进行泰勒展开并只保留到一次项,得到/>的表达式为:
其中,为方位时间中心。
优选地,所述补偿函数为:
其中,补偿函数,Ts为合成孔径时间,/>为方位带宽,/>为斜视角,/>为方位频率。
优选地,所述得到校正后的图像域数据,包括以下步骤:
利用频域上距离徙动校正的原理,得到表达式转换后的表达式为:
通过积分运算,得到:
令、/>,则:
分别对和/>进行分析。
优选地,所述对进行分析,由于/>点和/>距离很近,定义/>,则:
其中,为合成孔径时间,/>为波束宽度,根据合成孔径原理,得到/>表达式:
多普勒带宽的表达式为:
其中,为波长;
将多普勒带宽的表达式与表达式带入/>表达式,得到:
优选地,所述对进行分析,不考虑位置差异,假设/>,则有:
多普勒频率的表达式为:
由于远远小于/>与/>,定义/>,将多普勒频率代入/>表达式得到:
整理得到校正后的图像域数据成像表达式为:
。
优选地,所述频移叠加后的图像域数据的获取,包括以下步骤:
其中,,/>为空间频率,/>为校正后的图像域数据;
在转换到距离频域后,将各子带图像空间谱进行频移叠加得到高分辨率的图像表达式为:
其中,,/>为子带频率差值,N为子带总个数;
对高分辨率的图像表达式整理得到,指数项中相位为,将代入指数项中相位得到/>;
其中,f0为起始频率;
高分辨率的图像表达式整理得到简化的频移叠加后的图像域数据为:
其中,为方位频率。
优选地,所述得到合成后的探地雷达空间域图像为:
其中,为图像域幅度,Bhc为合成后带宽,/>为距离分辨率,/>为方位分辨率,为方位频率。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明通过对回波信号进行距离向脉冲压缩,对压缩后的子带数据进行后向投影算法处理,为带宽合成提供理论基础;通过构建补偿函数对子带图像距离变量进行补偿,并通过距离向傅里叶变换转换到距离频域,得到频域转换后的图像与数据,对子带图像距离向空间谱频移,通过判断子带频谱是否重叠,如果空间谱重叠需要进行截断处理,子带距离向空间谱叠加,得到合成后的图像域数据表达式;对合成后的图像域数据表达式进行傅里叶逆变换,得到合成后高分辨率的图像,该方法可以在不增加雷达***与信号处理复杂度的同时,完成对相位不连续问题的解决,使得图像的质量更好,合成分辨率更高的图像。
附图说明
图1为本发明的斜距平面几何示意图;
图2为本发明基于时域BP算法的带宽合成方法流程图;
图3为本发明的补偿前合成数据距离向剖面图;
图4为本发明的补偿后合成数据距离向剖面图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图1-4,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。
实施例
如图2所示,本发明实施例提供一种探地雷达成像方法,包括以下步骤:
第一步、对探地雷达回波信号进行距离向脉冲压缩,通过脉冲压缩可以提高信噪比的同时提高分辨率;
如图1所示,假设在照射场景中有一目标点,其在斜距平面的坐标为/>,假设散射系数为1,则在慢时间/>下第/>个子带脉冲脉压后的回波信号表达式为:
(1)
其中,为慢时间/>下第/>个子带的目标点/>与雷达位置的距离;,k表示距离单元编号,/>表示距离单元的间隔,/>表示场景中心的距离,/>是窗宽,i表示散射点序号,j表示虚数,/>表示慢时间时刻,B表示信号带宽,c表示光速,fc表示载频。
对回波数据进行后向投影算法处理,得到了粗分辨后的图像域数据表达式为:
(2)
其中,表示/>点附近的像素点/>的图像域数据,像素点/>的坐标为(r,y),代表在慢时间/>时刻下第/>个子带的网格中像素点/>和雷达位置的距离;
将在慢时间下第/>个子带脉冲脉压后的回波信号表达式(1)代入图像域数据表达式(2),得到/>表达式为:
(3)
式中,
(4)
其中,和/>分别为斜距平面内在/>时刻下雷达平台到/>和/>的距离,v为雷达平台运动速度;
对在方位时间中心/>进行泰勒展开并只保留到一次项,得到/>的表达式为:
(5)
其中,为方位时间中心。
第二步、对脉压后的探地雷达子带数据进行后向投影算法处理,可以实现2维场景成像;
利用频域上距离徙动校正的原理,可知徙动校正后如果又对同一个相位因子进行补偿,相当于没有处理,得到式(3)的表达式转换后的表达式为:
(6)
通过积分运算,得到:
(7)
令、/>,则:
(8)
(9)
对进行分析,由于/>点和/>距离很近,近似可以认为/>,则:
(10)
其中,为合成孔径时间,/>为波束宽度,根据合成孔径原理,得到/>表达式:
(11)
多普勒带宽的表达式为:
(12)
其中,为波长;
将多普勒带宽的表达式(12)与表达式(11)带入/>表达式(10),得到:
(13)
对进行分析,根据上面推导,不考虑位置差异,即/>,则有:
(14)
多普勒频率的表达式为:
(15)
根据上面的分析,由于点和/>距离很近,且/>远远小于/>与/>,则认为,将多普勒频率代入/>表达式可得:
(16)
整理得到后向投影算法处理的解析成像表达式为:
(17)
由式(17)可得,多普勒频率只和方位相位有关,不影响距离向。距离相位除了与窄带中心频率有关,只和网格中的像素点相对位置有关。即相比时域频域合成方法,图像域合成已经在成像过程中完成了斜距误差补偿,所有目标在每一副子图像中已经完成了位置配准,建立了图像自动配准模型,为后续的带宽合成建立了基础。
第三步、对子带图像相位补偿并通过距离向傅里叶变换转换到距离频域;
式(17)中,指数相位中有关于r的项,而将式(17)转换到距离频域后,矩形包络会出现载频,通过频率移动然后叠加,这样不会达到增加带宽的效果,所以必须在进行变换到频域之前将距离变量r补偿,得到校正后图像域数据为:
(18)
其中,补偿函数,Ts为合成孔径时间,/>为方位带宽,/>为斜视角,/>为方位频率。
通过傅里叶变换将图像转换到距离频域:
(19)
其中,,/>为空间频率,/>为校正后的图像域数据。
第四步、对子带图像距离向空间谱频移,通过判断子带频谱是否重叠,如果空间谱重叠需要进行截断处理,子带距离向空间谱叠加,得到合成后的图像域数据表达式;
在转换到距离频域后,将各子带图像空间谱进行频移叠加实现带宽的合成,得到高分辨率的图像:
(20)
其中,,/>为子带频率差值,N为子带总个数。
对式(20)整理可得指数项中相位为,将/>代入可得上式为/>,f0为起始频率,可以发现相位与子带序号无关,可作为常数/>代入,其中,/>为方位频率;
从而式(20)整理可得:
(21)
由式(21)可知,合成后的距离向带宽为,相比原来的图像分辨率提升了N倍。
第五步、对上一步的合成的图像域数据表达式进行傅里叶逆变换,得到合成后的高分辨率探地雷达空间域图像。
对式(21)作傅里叶逆变换,得到最后合成的空间域图像:
(22)
其中,为图像域幅度,Bhc为合成后带宽,/>为距离分辨率,/>为方位分辨率,为方位频率。
即得到合成带宽的探地雷达SAR图像,从而实现了超宽带的带宽合成提高了分辨率,获得更高质量的图像。
数据分析
如图3和图4所示,分别给出了子带频谱重叠补偿前后的距离向剖面图,未经补偿时合成信号的峰值旁瓣比为-12.11dB,积分旁瓣比为-8.21dB,如图3所示。在经过补偿后,子带的峰值旁瓣比变为-12.68dB,积分旁瓣比变为-9.76dB,如图4所示。分析可知,通过子带频谱重叠补偿后,峰值旁瓣比和积分旁瓣比分别提高了0.57dB、1.55dB。
通过对比补偿前后合成信号在峰值旁瓣比和积分旁瓣比,本申请提出的方法均有改善,更接近于标准函数,可以发现补偿对合成性能有较好的提升,可以获得更高质量的成像效果,从而可以实现更高质量的目标检测性能,进而验证了本申请的补偿算法的有效性。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
另外,除非另有说明,否则本发明使用的所有技术和科学术语具有本发明所属领域的常规技术人员通常理解的相同含义。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。
Claims (9)
1.一种探地雷达成像方法,其特征在于,包括以下步骤:
获取探地雷达照射场景中目标点的多个子带回波数据;
根据获取的多个子带回波数据,对回波信号进行距离向脉冲压缩,得到距离向脉冲压缩后的多个子带回波数据;
对距离向脉冲压缩后的多个子带回波数据进行后向投影算法处理,得到图像域数据表达式;将距离向脉冲压缩后的多个子带回波数据代入图像域数据表达式,利用频域上距离徙动校正原理,构建补偿函数对距离变量进行补偿,得到校正后的图像域数据;
通过傅里叶变换将校正后的图像域数据转换到距离频域,得到多个子带图像距离向空间谱;对各个子带图像距离向空间谱进行频移,判断频移后的各子带距离向空间谱是否重叠;如果重叠需要进行截断处理,并叠加重叠的子带距离向空间谱,获取频移叠加后的图像域数据;
对频移叠加后的图像域数据进行傅里叶逆变换,得到合成后的探地雷达空间域图像。
2.根据权利要求1所述的探地雷达成像方法,其特征在于,所述获取探地雷达照射场景中目标点的多个子带回波数据为假设在照射场景中有一目标点,其在斜距平面的坐标为,假设散射系数为1,则在慢时间/>下第/>个子带脉冲脉压后的探地雷达回波信号表达式为:
其中,为慢时间/>下第/>个子带的目标点/>与雷达位置的距离;,k表示距离单元编号,/>表示距离单元的间隔,/>表示场景中心的距离,/>是窗宽,i表示散射点序号,j表示虚数,/>表示慢时间时刻,B表示信号带宽,c表示光速,fc表示载频。
3.根据权利要求2所述的探地雷达成像方法,其特征在于,所述得到图像域数据表达式,包括以下步骤:
对探地雷达回波数据进行后向投影算法处理,得到图像域数据表达式为:
其中,表示/>点附近的像素点/>的图像域数据,像素点/>的坐标为(r,y),/>代表在慢时间/>时刻下第/>个子带的网格中像素点/>和雷达位置的距离;
将在慢时间下第/>个子带脉冲脉压后的回波信号表达式代入图像域数据表达式,得到表达式:
式中,
其中,和/>分别为斜距平面内在/>时刻下雷达平台到/>和/>的距离,v为雷达平台运动速度;
对在方位时间中心/>进行泰勒展开并只保留到一次项,得到/>的表达式为:
其中,为方位时间中心。
4.根据权利要求3所述的探地雷达成像方法,其特征在于,所述补偿函数为:
其中,补偿函数,Ts为合成孔径时间,/>为方位带宽,/>为斜视角,为方位频率。
5.根据权利要求4所述的探地雷达成像方法,其特征在于,所述得到校正后的图像域数据,包括以下步骤:
利用频域上距离徙动校正的原理,得到表达式转换后的表达式为:
通过积分运算,得到:
令、/>,则:
分别对和/>进行分析。
6.根据权利要求5所述的探地雷达成像方法,其特征在于,所述对进行分析,由于/>点和/>距离很近,定义/>,则:
其中,为合成孔径时间,/>为波束宽度,根据合成孔径原理,得到/>表达式:
多普勒带宽的表达式为:
其中,为波长;
将多普勒带宽的表达式与表达式带入/>表达式,得到:
。
7.根据权利要求6所述的探地雷达成像方法,其特征在于,所述对进行分析,不考虑位置差异,假设/>,则有:
多普勒频率的表达式为:
由于远远小于/>与/>,定义/>,将多普勒频率代入/>表达式得到:
整理得到校正后的图像域数据成像表达式为:
。
8.根据权利要求7所述的探地雷达成像方法,其特征在于,所述频移叠加后的图像域数据的获取,包括以下步骤:
其中,,/>为空间频率,/>为校正后的图像域数据;
在转换到距离频域后,将各子带图像空间谱进行频移叠加得到高分辨率的图像表达式为:
其中,,/>为子带频率差值,N为子带总个数;
对高分辨率的图像表达式整理得到,指数项中相位为,将/>代入指数项中相位得到/>;
其中,f0为起始频率;
高分辨率的图像表达式整理得到简化的频移叠加后的图像域数据为:
其中,为方位频率。
9.根据权利要求8所述的探地雷达成像方法,其特征在于,所述得到合成后的探地雷达空间域图像为:
其中,为图像域幅度,Bhc为合成后带宽,/>为距离分辨率,/>为方位分辨率,/>为方位频率。
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CN107544068A (zh) * | 2017-07-14 | 2018-01-05 | 电子科技大学 | 一种基于频域bp的图像域宽带合成方法 |
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胡克彬: "SAR高精度成像方法研究", 中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑, 15 February 2018 (2018-02-15), pages 1 - 3 * |
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PB01 | Publication | ||
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