采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像方法及系统

技术领域

本发明属于雷达高分辨成像技术领域，尤其涉及一种采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像方法。

背景技术

地下成像技术在地球物理探测应用中具有重要作用。尽管合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)在遥感成像应用中得到广泛认可，但它对射频干扰非常敏感，而且地下成像过程中土壤和空气之间的介电常数不同，会使信号的传播路径发生弯曲。此外，地面多径反射会带来非平稳干扰导致成像性能下降。Rosenberg等人验证了非平稳干扰可以通过快时间空时自适应处理(Fast-time space time adaptive processing,STAP)来抑制，而不会造成明显的成像性能损失。

在SAR成像技术中，高距离分辨率可采用宽带波形来实现，而方位向分辨率则受限于天线的有效孔径，这意味着要获得高方位角分辨率，就必须使用大孔径天线，但在地下成像中难以实现，这是因为地下SAR成像中应采用低于1GHz的相对较低载频，否则由于土壤的低通电磁传播效应会造成严重的信号衰减。而且，不同于机载和星载SAR，地下SAR成像时土壤和空气之间不同的介电常数会使电磁波在其界面处的传播路径发生弯曲。更为严重的是，复杂地下介质中的多径传播效应会降低地下成像性能。

频控阵可看作是一种综合空间复用和频率复用的复合技术，与传统相控阵和MIMO不同，频控阵在其阵元间采用小频偏来产生与距离有关的波束方向图。Cetinepe等人研究表明，在多径环境下，如果适当设置频控阵的带宽，可以在期望的范围内形成准平台干涉效应。Jingwei Xu等人研究表明，前视频控阵SAR可以缓解成像中的多普勒与距离关系。因此，频控阵的这些特性使频控阵SAR在地下高分辨成像中具有应用优势。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：复杂地下介质中的多径传播效应会降低地下成像性能。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明将快时间STAP和频控阵相结合，用于SAR地下高分辨成像，主要采用快时间STAP抑制成像中的不良干扰，并采用频控阵距离依赖性波束方向图减少多径干扰环境下的回波信号波动效应，从而提高SAR地下成像方位分辨率。

本发明是这样实现的，一种采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像方法，包括以下步骤：

S1：构建频控阵SAR地下成像信号模型；

S2：快时间自适应波束形成；

S3：快时间STAP处理：对频控阵SAR回波信号做快时间STAP处理，对频控阵SAR的每个脉冲回波数据进行快时间维度的自适应波束形成处理；

S4：基于目标散射点定位的目标反射系数估计：

S5：地表与地下折射效应估计与补偿；

S6：地下高分辨成像折射效应补偿，对地下目标高分辨成像时的折射效应进行补偿；

S7：地下目标二维高分辨成像，到此完成折射效应补偿后的快时间-慢时间二维图像，即最后获得的地下目标二维高分辨成像结果。

进一步，S1中具体包括：第m个阵元发射载频为：

f

其中，f

则第n个接收阵元接收到的频控阵SAR回波信号可表示为：

其中，

x(t,τ)＝[x

T为转置算子。

进一步，S2具体包括：为了抑制多径干扰，在快时间维采用自适应波束形成：

y(t,τ)＝w

其中，H是共轭转置算子，方位慢时间τ依赖的接收阵列加权向量由下式计算：

其中R

其中-1为矩阵求逆运算，多径干扰可以逐脉冲地采用快时间STAP来抑制。

进一步，S4具体包括：假设目标由K个散射点构成，第k个散射点到第n个接收阵元在方位时间τ时的距离为R

地下高分辨成像等效为目标散射点在P个方位位置的反射系数，假设高斯噪声，则采用最大似然估计算法：

相应地，目标散射系数可估计为：

式中，

进一步，S5具体包括：根据Snell定律，r

r

r

r

则折射效应引起的时延可计算为：

本发明的另一目的在于提供一种应用所述采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像方法的采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像系统，包括：

信号模型构建模块，用于构建频控阵SAR地下成像信号模型；

波束形成模块，用于进行快时间自适应波束形成；

快时间STAP处理模块，用于对频控阵SAR回波信号做快时间STAP处理，对频控阵SAR的每个脉冲回波数据进行快时间维度的自适应波束形成处理；

反射系数估计模块，用于基于目标散射点定位进行目标反射系数估计：

折射效应估计模块，用于进行地表与地下折射效应估计与补偿；

折射效应补偿模块，对地下目标高分辨成像时的折射效应进行补偿；

高分辨成像模块，用于完成折射效应补偿后的快时间-慢时间二维图像，即最后获得的地下目标二维高分辨成像结果。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像方法的步骤。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现所述的采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像系统。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，本发明将新体制频控阵引入地下目标雷达二维高分辨成像，并结合频控阵发射波束的距离依赖性，利用快时间STAP有效抑制地下目标成像时的多径传播干扰；同时，利用频控阵波束的距离依赖性，可提升成像分辨率，并可有效补偿地下成像中的地表与地下折射效应带来的成像误差问题。

第二，本发明方法相对现有技术在抑制多径传播干扰、提升成像分辨率和补偿地表与地下折射效应方面具有技术优势。

第三，本发明提供的新的地下目标二维高分辨成像方法采用了自适应处理的概念，具有以下的优点：

1)优化成像信号模型：通过构建频控阵SAR地下成像信号模型，可以精确描述地下目标的回波信号特性，从而提高成像结果的准确性。

2)提高信号处理效率：利用快时间自适应波束形成和快时间STAP处理，可以提高频控阵SAR回波信号的处理效率，从而缩短成像时间。

3)提高目标定位精度：基于目标散射点定位的目标反射系数估计，可以提高目标的定位精度，从而提高成像结果的精度。

4)提高成像质量：通过地表与地下折射效应估计与补偿以及地下高分辨成像折射效应补偿，可以消除成像过程中的折射效应，从而提高成像质量。

5)实现高分辨率成像：最后，完成折射效应补偿后的快时间-慢时间二维图像，即最后获得的地下目标二维高分辨成像结果，实现了高分辨率的地下目标成像。

综上，这种采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像方法，由于其在成像信号模型优化、信号处理效率提高、目标定位精度提高、成像质量提高以及高分辨率成像等方面的显著优点，取得了显著的技术进步。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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。

图1是本发明实施例提供的采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像方法流程图；

图2是本发明实施例提供的采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像系统结构示意图；

图3是本发明实施例提供的快时间SATAP处理原理框图；

图4是本发明实施例提供的频控阵地下高分辨成像时的折射效应示意图；

图5是本发明实施例提供的频控阵地下高分辨成像处理流程图；

图6是本发明实施例提供的本发明成像方法与常规SAR成像方法的成像结果对比图；其中，(a)常规SAR成像方法，(b)本发明成像方法。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像方法，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像方法，包括以下步骤：

S1：构建频控阵SAR地下成像信号模型；

S2：快时间自适应波束形成；

S3：快时间STAP处理：对频控阵SAR回波信号做快时间STAP处理，对频控阵SAR的每个脉冲回波数据进行快时间维度的自适应波束形成处理；

S4：基于目标散射点定位的目标反射系数估计：

S5：地表与地下折射效应估计与补偿；

S6：地下高分辨成像折射效应补偿，对地下目标高分辨成像时的折射效应进行补偿；

S7：地下目标二维高分辨成像，到此完成折射效应补偿后的快时间-慢时间二维图像，即最后获得的地下目标二维高分辨成像结果。

如图2所示，本发明实施例提供的采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像系统，包括：

信号模型构建模块，用于构建频控阵SAR地下成像信号模型；

波束形成模块，用于进行快时间自适应波束形成；

快时间STAP处理模块，用于对频控阵SAR回波信号做快时间STAP处理，对频控阵SAR的每个脉冲回波数据进行快时间维度的自适应波束形成处理；

反射系数估计模块，用于基于目标散射点定位进行目标反射系数估计：

折射效应估计模块，用于进行地表与地下折射效应估计与补偿；

折射效应补偿模块，对地下目标高分辨成像时的折射效应进行补偿；

高分辨成像模块，用于完成折射效应补偿后的快时间-慢时间二维图像，即最后获得的地下目标二维高分辨成像结果。

本发明将快时间STAP和频控阵相结合，用于SAR地下高分辨成像，主要采用快时间STAP抑制成像中的不良干扰，并采用频控阵距离依赖性波束方向图减少多径干扰环境下的回波信号波动效应，从而提高SAR地下成像方位分辨率。

本发明实施例提出了一种综合快时间STAP和频控阵的SAR地下高分辨成像方法。主要步骤如下：

步骤1：构建频控阵SAR地下成像信号模型：第m个阵元发射载频为

f

其中，f

则第n个接收阵元接收到的频控阵SAR回波信号可表示为

其中，

x(t,τ)＝[x

T为转置算子。

步骤2：快时间自适应波束形成：为了抑制多径干扰，在快时间维采用自适应波束形成：

y(t,τ)＝w

其中，H是共轭转置算子，方位慢时间τ依赖的接收阵列加权向量由下式计算：

其中R

其中-1为矩阵求逆运算。这样，多径干扰可以逐脉冲地采用快时间STAP来抑制。

步骤3：快时间-STAP处理：对频控阵SAR回波信号做快时间STAP处理，如图3所示，即利用式(7)对频控阵SAR的每个脉冲回波数据进行快时间维度的自适应波束形成处理。

步骤4：基于目标散射点定位的目标反射系数估计：假设目标由K个散射点构成，第k个散射点到第n个接收阵元在方位时间τ时的距离为R

地下高分辨成像等效为目标散射点在P个方位位置的反射系数。假设高斯噪声，则采用最大似然估计算法：

相应地，目标散射系数可估计为

式中，

步骤5：地表与地下折射效应估计与补偿：如图4所示，与传统SAR成像不同，地下高分辨成像会出现折射效应。为了提升成像性能，有必要进行折射效应补偿。根据Snell定律，图4中所示的r

r

r

r

则折射效应引起的时延可计算为

x(t,τ)＝[x

步骤6：地下高分辨成像折射效应补偿：利用式(15)对地下目标高分辨成像时的折射效应进行补偿。

步骤7：地下目标二维高分辨成像：到此，如图3所示，完成折射效应补偿后的快时间-慢时间二维图像便是最后获得的地下目标二维高分辨成像结果。

假设有16个频控阵发射阵元，16个接收天线，频控阵平台离地高度1米，参考载频f

步骤1：构建频控阵SAR地下成像信号模型，即将全部阵元接收信号统一写成矩阵形式：

x(t,τ)＝[x

步骤2：快时间STAP抑制多径干扰，即利用如下的自适应接收阵列加权向量：

对频控阵发射信号的每个脉冲回波数据进行快时间维度的自适应波束形成处理。

步骤3：基于目标散射点定位的目标反射系数估计，即目标散射系数可估计为：

步骤4：地表与地下折射效应估计与补偿，即折射效应引起的时延可计算为：

步骤5：依据图5，完成折射效应补偿后获得地下目标二维高分辨成像结果。

如图6所示为一个目标和两个多径干扰散射点时的常规SAR成像方法图6(a)与本发明方法图6(b)获得的成像对比结果。可见，常规SAR成像方法对地下目标成像会出现鬼影，而本发明方法有效抑制了多径干扰，没有出现鬼影，而且成像分辨率更高。

本发明的应用实施例提供了一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像方法的步骤。

本发明的应用实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像方法的步骤。

本发明的应用实施例提供了一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现采用自适应处理的地下目标二维高分辨成像系统。

实施例1：基于自适应处理的地下石油储藏探测

1)构建频控阵SAR地下成像信号模型：构建专门针对石油储藏的频控阵SAR地下成像信号模型，包括石油储藏的电磁特性、地层的折射率等参数。

2)快时间自适应波束形成：根据石油储藏的特性，设计快时间自适应波束，以提高信号处理的效率。

3)快时间STAP处理：对频控阵SAR回波信号做快时间STAP处理，提高石油储藏的探测精度。

4)基于目标散射点定位的目标反射系数估计：根据地下石油储藏的散射特性，定位散射点并估计其反射系数，进一步提高探测精度。

5)地表与地下折射效应估计与补偿：通过计算地面和地下的折射效应，进行相应的补偿，以减小折射对成像的影响。

6)地下高分辨成像折射效应补偿：针对地下高分辨成像，在折射效应补偿的基础上，进一步优化图像质量。

7)地下目标二维高分辨成像：最终，得到地下石油储藏的二维高分辨成像结果，为石油勘探提供准确的信息。

实施例2：基于自适应处理的地下考古遗址探测

1)构建频控阵SAR地下成像信号模型：构建专门针对考古遗址的频控阵SAR地下成像信号模型，包括遗址的电磁特性、地层的折射率等参数。

2)快时间自适应波束形成：根据考古遗址的特性，设计快时间自适应波束，以提高信号处理的效率。

3)快时间STAP处理：对频控阵SAR回波信号做快时间STAP处理，提高考古遗址的探测精度。

4)基于目标散射点定位的目标反射系数估计：根据地下考古遗址的散射特性，定位散射点并估计其反射系数，进一步提高探测精度。

5)地表与地下折射效应估计与补偿：通过计算地面和地下的折射效应，进行相应的补偿，以减小折射对成像的影响。

6)地下高分辨成像折射效应补偿：针对地下高分辨成像，在折射效应补偿的基础上，进一步优化图像质量。

7.地下目标二维高分辨成像：最终，得到地下考古遗址的二维高分辨成像结果，为考古研究提供准确的信息。

8.应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。