星载合成孔径雷达数据流式分景方法、装置、设备及介质

技术领域

本发明涉及合成孔径雷达数据接收与处理技术领域，尤其涉及一种星载合成孔径雷达数据流式分景方法、装置、设备及介质。

背景技术

星载SAR（合成孔径雷达）是当前遥感领域的重要成像手段之一。多型星座式SAR卫星，通常同一时间段内多颗星过境对同一目标进行长时间拍摄，并相继进行数据传输，数据量巨大而处理时效要求高、响应速度快。地面系统自接收到数据至生成图像产品，时效要求日益提高。

现有技术中，地面处理系统对一轨数据根据成像任务逐段数据落盘、提取辅助数据与成像参数；再依次针对每段数据的成像模式、幅宽的要求和成像处理的性能，在保持每景图像按正方形投影到地图上的情况下，对每一段数据进行逻辑上的分景，再根据星地几何关系进行景四角点定位，完成景元。分景完成后，将景元信息、分段后数据等一起推送至成像处理软件，进行以景为单位的成像处理选择相应的分景策略进行逻辑分景、四角点定位，后续根据分景结果进行成像处理，最终得到当前轨数据的图像产品。然而，当前方案在成像处理过程中的一系列步骤均采用串行操作模式，导致整个处理过程过于繁琐和耗时，大大降低了工作效率，这与其面临日益增长的数据处理时效性需求之间存在着明显矛盾。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种星载合成孔径雷达数据流式分景方法、装置、设备及介质。

根据本发明的第一个方面，提供了一种星载合成孔径雷达数据流式分景方法，包括：获取星载合成孔径雷达数据；解析出星载合成孔径雷达数据中的成像参数；提取出星载合成孔径雷达数据中的辅助数据；根据辅助数据，分别计算在目标时间下合成孔径雷达载荷波束与地面交点的近距经纬度和远距经纬度，得到四角点经纬度；根据成像参数和四角点经纬度，对星载合成孔径雷达数据进行分景处理，得到景元数据。

根据本发明的实施例，解析出星载合成孔径雷达数据中的成像参数包括：解析出星载合成孔径雷达数据中的成像模式字、脉冲重复频率计数结果和成像次序。

根据本发明的实施例，提取出星载合成孔径雷达数据中的辅助数据包括：逐帧提取出星载合成孔径雷达数据中的卫星位置信息、卫星姿态信息和卫星轨道信息；将卫星位置信息、卫星姿态信息和卫星轨道信息写入对应的TXT文件。

根据本发明的实施例，根据成像参数和四角点经纬度，对星载合成孔径雷达数据进行分景处理，得到景元数据包括：根据成像模式和标称的距离向幅宽，计算方位向幅宽；逐帧读取星载合成孔径雷达数据的脉冲重复频率计数结果；响应于星载合成孔径雷达数据积累至满足方位向幅宽，进行一次分景判定，得到景元数据。

根据本发明的实施例，根据辅助数据，分别计算在目标时间下合成孔径雷达载荷波束与地面交点的近距经纬度和远距经纬度，得到四角点经纬度包括：利用卫星位置信息、卫星姿态信息和卫星轨道信息，计算合成孔径雷达载荷波束与地面的交点信息；根据交点信息，分别计算近距交点和远距交点的经纬度；根据当前成像任务的第一帧数据和最后一帧数据，在目标时间下分别计算出对应的近距交点和远距交点的经纬度，得到四角点经纬度。

根据本发明的实施例，方法基于环形缓冲器队列实现。

根据本发明的实施例，方法还包括：预先构造string型队列；将星载合成孔径雷达数据逐帧推入string型队列进行分段处理。

本发明的第二方面提供了一种星载合成孔径雷达数据流式分景装置，包括：获取模块，用于获取星载合成孔径雷达数据；分段模块，用于解析出星载合成孔径雷达数据中的成像参数；提辅模块，用于提取出星载合成孔径雷达数据中的辅助数据；四角点定位模块，用于根据辅助数据，分别计算在目标时间下合成孔径雷达载荷波束与地面交点的近距经纬度和远距经纬度，得到四角点经纬度；分景模块，用于根据成像参数和四角点经纬度，对星载合成孔径雷达数据进行分景处理，得到景元数据。

本发明的第三方面提供了一种电子设备，包括：一个或多个处理器；存储器，用于存储一个或多个程序，其中，当一个或多个程序被一个或多个处理器执行时，使得一个或多个处理器执行上述方法。

本发明的第四方面还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有可执行指令，该指令被处理器执行时使处理器执行上述方法。

根据本发明提供的星载合成孔径雷达数据流式分景方法、装置、设备及介质，至少具有以下有益效果：

（1）根据本发明提供的星载合成孔径雷达数据流式分景方法，通过将传统星载合成孔径雷达数据串行处理的方式优化为并行流式处理，来提高时效性，由于并行流式处理的过程中包含多个环形处理步骤，因此，对整轨数据仅需进行一次数据内存的IO，将原有的先分段再分景的接收方式改变为数据实时分景，从结构上优化了数据处理的时效性。

（2）根据本发明提供的星载合成孔径雷达数据流式分景方法，通过多线程环形缓冲器框架对星载合成孔径雷达数据进行流式处理，不仅解开了读取端与处理端的强耦合，同时大幅度减少了内存的开辟与释放操作，显著提升了从卫星原始数据下传到开始成像处理之间的数据传输与处理效率。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述内容以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1示意性示出了根据本发明实施例的星载合成孔径雷达数据流式分景方法的流程图；

图2示意性示出了根据本发明实施例的星载合成孔径雷达数据流式分景装置的结构图；

图3示意性示出了根据本发明实施例的星载合成孔径雷达数据流式分景方法与传统分景方法的对比图；

图4示意性示出了根据本发明实施例的适于实现星载合成孔径雷达数据流式分景方法的电子设备的方框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“长度”、“周向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的子系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。可能导致本发明的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状、尺寸、位置关系不反映真实大小、比例和实际位置关系。

类似地，为了精简本发明并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分到单个实施例、图或者对其描述中。参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体的限定。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。

在本发明的技术方案中，所涉及的数据（如包括但不限于用户个人信息）的收集、存储、使用、加工、传输、提供、公开和应用等处理，均符合相关法律法规的规定，采取了必要保密措施，且不违背公序良俗。

图1示意性示出了根据本发明实施例的星载合成孔径雷达数据流式分景方法的流程图。

如图1所示，该实施例的星载合成孔径雷达数据流式分景方法包括操作S1~操作S5。

在操作S1，获取星载合成孔径雷达数据。

在本实施例中，预先获取星载合成孔径雷达数据，也即原始数据。

在操作S2，解析出星载合成孔径雷达数据中的成像参数。

在本实施例中，对星载合成孔径雷达数据中的三个参数进行判断和解析，分别解析出星载合成孔径雷达数据中的成像模式字、脉冲重复频率计数结果和成像次序。

成像模式字是针对不同的成像模式，每种成像模式对应一个特定的字节，例如通过不同的成像模式字以区分条带、扫描等成像模式。每种成像模式根据不同的载荷性能，对应不同的距离向幅宽与卫星波束宽度。

脉冲重复频率计数器PRF（pulse repetition frequency），PRF表示星载合成孔径雷达载荷每秒钟发射的脉冲数目，PRF除以一段时间即为此时间内的雷达发射脉冲数。PRF计数器（PRF Counter）在每帧合成孔径雷达脉冲原始数据中有专用的字段，合成孔径雷达载荷每发射一条信号脉冲，PRF计数会自动累加1，当PRF计数由大变化到小时，证明本次成像已完成，即将开始下一次成像。

成像次序表示当前数据是本次侦照数据的第几次成像。

在操作S3，提取出星载合成孔径雷达数据中的辅助数据。

在本实施例中，提取出星载合成孔径雷达数据中的辅助数据包括：

逐帧提取出星载合成孔径雷达数据中的卫星位置信息（GPS）、卫星姿态信息（欧拉角）和卫星轨道信息（六根数）。

将卫星位置信息、卫星姿态信息和卫星轨道信息写入对应的TXT文件。

在操作S4，根据辅助数据，分别计算在目标时间下合成孔径雷达载荷波束与地面交点的近距经纬度和远距经纬度，得到四角点经纬度。

在本实施例中，对当前帧数据的辅助数据进行解析之后，根据星地位置信息计算当前时间合成孔径雷达载荷波束与地面的近距、远距交点经纬度。当前成像任务的第一帧数据与最后一帧数据对应的近距、远距交点经纬度，则为四角点经纬度，具体包括：

利用卫星位置信息、卫星姿态信息和卫星轨道信息，计算合成孔径雷达载荷波束与地面的交点信息。

根据交点信息，分别计算近距交点和远距交点的经纬度。

根据当前成像任务的第一帧数据和最后一帧数据，在目标时间下分别计算出对应的近距交点和远距交点的经纬度，得到四角点经纬度。

在操作S5，根据成像参数和四角点经纬度，对星载合成孔径雷达数据进行分景处理，得到景元数据。

在本实施例中，自接收到原始数据开始，根据当前数据的成像模式与标称的距离向幅宽，计算方位向幅宽，即为一景数据的大小。逐帧读取数据的PRF计数，当数据积累满足方位向幅宽时，即完成一次分景判定，则将积累的数据分为一景输出，同时，在并行流式的处理过程中，也几乎不存在“等待”导致的耗时问题。

根据本发明的实施例，上述方法可以基于环形缓冲器队列实现，录入可以预先构造string型队列，然后将星载合成孔径雷达数据逐帧推入string型队列进行分段处理。

为了更加详细的介绍本发明，以下将具体列举一种优选实施例，具体如下：

1.开辟20个1G的内存空间，用于构建环形缓冲器队列，将数据处理后释放的1G缓冲器索引设置为sq_front，将数据读取存入内存占用的1G缓冲器索引设置为sq_rear。

2.创建读取线程：根据硬件IO性能，每次读取5-10Mb数据，存入sq_rear缓冲器中，当存满1G数据时，sq_rear加1，后与20计算余数。

3.开始读取数据前，首次获取原始数据文件的大小。每次读取时统计读取的字节数，当总读取字节数等于原始数据文件大小时，再次获取原始文件大小，如果文件数据量变大则重复步骤2中的操作，否则等待半分钟确定文件大小不变，则认为所有数据已读入内存，此时退出读取线程。

创建数据处理线程，构造string型的队列，将内存中的数据逐帧推入队列进行分段处理；每当对内存中数据处理超过1G时，释放当前缓冲器，sq_front加1后计算余数。

4.在读取线程中，每收到1G数据后，判断sq_front 和sq_rear是否相等，如果相等，则说明20G的缓冲器已被占满，等待数据处理线程释放当前缓冲器后，再进行读取。

5.创建数据落盘线程：处理线程每推入一帧数据到string型的队列中，落盘线程即将当前帧写出，落盘到指定位置。

6.当步骤4的数据处理线程判断发现数据需要分段时，创建该段数据的分景提辅解析处理队列：

（1）与步骤4类似，构建string型分景队列；在步骤6落盘线程中，每写出一帧数据同时，将当前数据的512字节辅助数据推入分景队列。

（2）对相应的姿态、轨道、位置等数据进行提辅处理。

（3）对第一帧辅助数据，提取关键参数，包括成像模式幅宽与成像处理的参数，计算并记录要保持每景图像按正方形投影的情况下，每景所需要的方位向帧数Az。

（4）逐帧记录PRF计数值，当PRF计数值等于Az时，则一景数据量足够，对当前帧提取成像参数，包括采样时间、传输时间、起始扫描角、结束扫描角等，并生成对应的景元文件。

（5）数据量满足一景后，再次重新自0开始记录帧计数，直到数据量再次满足Az，则重复步骤（4）。

（6）再次收到数据需要分段的信号时，说明该段数据已处理完，将未满一景的数据单独生成一景，重复步骤（4），并结束该段数据的分景提辅处理。

7.重复步骤4～6，直到读取线程结束，不再向内存中推送更多数据。

8.将内存中已有的数据处理完，结束分段处理、数据落盘线程。

图2示意性示出了根据本发明实施例的星载合成孔径雷达数据流式分景装置的结构图。

如图2所示，该实施例的星载合成孔径雷达数据流式分景装置包括：获取模块201、分段模块202、提辅模块203、四角点定位模块204和分景模块205。

获取模块201用于获取星载合成孔径雷达数据。

分段模块202用于解析出星载合成孔径雷达数据中的成像参数。

提辅模块203用于提取出星载合成孔径雷达数据中的辅助数据。

四角点定位模块204用于根据辅助数据，分别计算在目标时间下合成孔径雷达载荷波束与地面交点的近距经纬度和远距经纬度，得到四角点经纬度。

分景模块205用于根据成像参数和四角点经纬度，对星载合成孔径雷达数据进行分景处理，得到景元数据。

根据本发明的实施例，获取模块201、分段模块202、提辅模块203、四角点定位模块204和分景模块205中的任意多个模块可以合并在一个模块中实现，或者其中的任意一个模块可以被拆分成多个模块。或者，这些模块中的一个或多个模块的至少部分功能可以与其他模块的至少部分功能相结合，并在一个模块中实现。根据本发明的实施例，获取模块201、分段模块202、提辅模块203、四角点定位模块204和分景模块205中的至少一个可以至少被部分地实现为硬件电路，例如现场可编程门阵列（FPGA）、可编程逻辑阵列（PLA）、片上系统、基板上的系统、封装上的系统、专用集成电路（ASIC），或可以通过对电路进行集成或封装的任何其他的合理方式等硬件或固件来实现，或以软件、硬件以及固件三种实现方式中任意一种或以其中任意几种的适当组合来实现。或者，获取模块201、分段模块202、提辅模块203、四角点定位模块204和分景模块205中的至少一个可以至少被部分地实现为计算机程序模块，当该计算机程序模块被运行时，可以执行相应的功能。

图3示意性示出了根据本发明实施例的星载合成孔径雷达数据流式分景方法与传统分景方法的对比图。

如图3所示，本发明实施例的星载合成孔径雷达数据流式分景装置，将传统星载合成孔径雷达数据串行处理的方式优化为了并行流式处理方式来提高时效性，并行流式处理的过程中包含多个环形处理步骤，对整轨数据仅需进行一次数据内存的IO。

当读取n个数据块进入后，逐帧经过分段处理、提辅与四角点定位解析，进入分景判定模块，当数据累积到满足一景的大小时，则将数据写出，得到一景数据。

从耗时角度建立对比：将成像处理模块的耗时简化为分段提辅与逻辑分景两个核心模块的耗时之和。

在传统方案中，t0时刻的n个数据块需要经过数据读入模块与分段提辅模块完成一个串行处理流程，才能在t1时刻开始进入逻辑分景模块，继续串行处理。

对比之下，本发明实施例的方法中，假设n个数据块中的每一个数据块的读入时间均为x（x约等于1/t1），则第1个数据块经过数据读入模块与分段提辅模块（即t0+x时刻）后，即可以进入逻辑分景模块。与之同步的，此时第2个数据块也会并行的开启数据读入及后续的处理过程，依次类推。由此可见，本发明将成像处理的速度提升了t1-t0-x的时间。当数据块数量n的数值越大时，x的数值基本可以忽略，成像效率提升则愈加显著。

同时该方法采用环形缓冲器多线程并行处理的思路，解开处理端与读取段的强耦合，允许多景数据的流式处理与写出，在数据接收时，内存中仅需要开辟一次有限的内存空间，在处理大量数据时提高了速度，节省了多次开辟、释放内存空间的步骤。

图4示意性示出了根据本发明实施例的适于实现星载合成孔径雷达数据流式分景方法的电子设备的方框图。

如图4所示，根据本发明实施例的电子设备400包括处理器401，其可以根据存储在只读存储器（ROM）402中的程序或者从存储部分408加载到随机访问存储器（RAM）403中的程序而执行各种适当的动作和处理。处理器401例如可以包括通用微处理器（例如CPU）、指令集处理器和/或相关芯片组和/或专用微处理器（例如，专用集成电路（ASIC））等等。处理器401还可以包括用于缓存用途的板载存储器。处理器401可以包括用于执行根据本发明实施例的方法流程的不同动作的单一处理单元或者是多个处理单元。

在RAM 403中，存储有电子设备400操作所需的各种程序和数据。处理器 401、ROM402以及RAM 403通过总线404彼此相连。处理器401通过执行ROM 402和/或RAM 403中的程序来执行根据本发明实施例的方法流程的各种操作。需要注意，程序也可以存储在除ROM402和RAM 403以外的一个或多个存储器中。处理器401也可以通过执行存储在一个或多个存储器中的程序来执行根据本发明实施例的方法流程的各种操作。

根据本发明的实施例，电子设备400还可以包括输入/输出（I/O）接口405，输入/输出（I/O）接口405也连接至总线404。电子设备400还可以包括连接至I/O接口405的以下部件中的一项或多项：包括键盘、鼠标等的输入部分406；包括诸如阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）等以及扬声器等的输出部分407；包括硬盘等的存储部分408；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分404。通信部分404经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器410也根据需要连接至I/O接口405。可拆卸介质411，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器410上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分408。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的设备/装置/系统中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该设备/装置/系统中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被执行时，实现根据本发明实施例的方法。

根据本发明的实施例，计算机可读存储介质可以是非易失性的计算机可读存储介质，例如可以包括但不限于：便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本发明中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。例如，根据本发明的实施例，计算机可读存储介质可以包括上文描述的ROM 402和/或RAM 403和/或ROM 402和RAM 403以外的一个或多个存储器。

本发明的实施例还包括一种计算机程序产品，其包括计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。当计算机程序产品在计算机系统中运行时，该程序代码用于使计算机系统实现本发明实施例所提供的方法。

在该计算机程序被处理器401执行时执行本发明实施例的系统/装置中限定的上述功能。根据本发明的实施例，上文描述的系统、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。

在一种实施例中，该计算机程序可以依托于光存储器件、磁存储器件等有形存储介质。在另一种实施例中，该计算机程序也可以在网络介质上以信号的形式进行传输、分发，并通过通信部分404被下载和安装，和/或从可拆卸介质411被安装。该计算机程序包含的程序代码可以用任何适当的网络介质传输，包括但不限于：无线、有线等等，或者上述的任意合适的组合。

在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分404从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质411被安装。在该计算机程序被处理器401执行时，执行本发明实施例的系统中限定的上述功能。根据本发明的实施例，上文描述的系统、设备、装置、模块、单元等可以通过计算机程序模块来实现。

根据本发明的实施例，可以以一种或多种程序设计语言的任意组合来编写用于执行本发明实施例提供的计算机程序的程序代码，具体地，可以利用高级过程和/或面向对象的编程语言、和/或汇编/机器语言来实施这些计算程序。程序设计语言包括但不限于诸如Java，C++，python，“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算设备上执行、部分地在用户设备上执行、部分在远程计算设备上执行、或者完全在远程计算设备或服务器上执行。在涉及远程计算设备的情形中，远程计算设备可以通过任意种类的网络，包括局域网（LAN）或广域网（WAN），连接到用户计算设备，或者，可以连接到外部计算设备（例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接）。

附图中的流程图和框图，图示了按照本发明各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。