合成孔径雷达微波视觉三维成像方法、装置及电子设备

1.本发明涉及信号处理技术领域，尤其是涉及一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法、装置及电子设备。


背景技术：

2.合成孔径雷达sar(synthetic aperture radar)三维成像技术可以消除目标和地形在二维图像上产生的叠掩，显著提升目标的发现、识别和三维建模能力。sar微波视觉成像是由sar三维成像技术发展而来的，sar微波视觉成像是在现有sar三维成像几何物理信息的基础上，充分挖掘sar回波的散射机制和图像的视觉语义信息，增加三维成像的可用信息量，从而降低对观测次数的要求，最终实现高效能、低成本的三维成像。
3.在相关技术中，通常会利用tomosar(tomographic sar，层析合成孔径雷达)三维成像系统的几何模型来进行三维成像，但在成像过程中会忽略相位项的影响，从而导致在斜距垂向上成像时造成的散焦问题。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法、装置及电子设备，通过在合成孔径雷达二维信号影像的成像区域为菲涅耳衍射区时，对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，避免了在斜距垂向上成像时造成的散焦问题。
5.第一方面，本发明实施例提供了一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法，包括：获取合成孔径雷达二维信号影像；基于预先确定的菲涅耳数确定合成孔径雷达二维信号影像的成像区域；若成像区域为菲涅耳衍射区，则基于合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，得到补偿后的合成孔径雷达二维信号影像；对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像。
6.在本发明较佳的实施例中，上述基于预先确定的菲涅耳数确定合成孔径雷达二维信号影像的成像区域，包括：基于微波的波长、微波成像的距离、合成孔径雷达在斜距垂向的合成孔径大小确定菲涅耳数；基于菲涅耳数确定合成孔径雷达二维信号影像的成像区域。
7.在本发明较佳的实施例中，上述基于合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，包括：基于微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离确定微波在斜距垂向的信号频率；基于信号频率和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿。
8.在本发明较佳的实施例中，上述基于信号频率和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，包括：通过以下算式基于微波在斜距垂向上成像的范围、微波的波长
和微波成像的距离确定微波在斜距垂向的最大信号频率：其中，f
max
为最大信号频率，2a为微波在斜距垂向上成像的范围，λ为微波的波长，r为微波成像的距离；基于最大信号频率、信号频率和目标函数确定初始补偿因子；对初始补偿因子进行频谱归一化处理得到相位补偿因子；基于相位补偿因子对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿。
9.在本发明较佳的实施例中，上述基于最大信号频率、信号频率和目标函数确定初始补偿因子，包括：通过以下算式基于最大信号频率对信号频率进行重写：其中，fs为信号频率，f
max
为最大信号频率，2a为微波在斜距垂向上成像的范围，λ为微波的波长，r为微波成像的距离；通过以下算式基于重写后的信号频率和目标函数确定初始补偿因子：其中，p(fs)为初始补偿因子，为重写后的信号频率，*为取共轭操作。
10.在本发明较佳的实施例中，上述对初始补偿因子进行频谱归一化处理得到相位补偿因子，包括：通过以下算式将最大信号频率和信号频率进行归一化处理得到归一化频率：其中，f为归一化频率，fs为信号频率，f
max
为最大信号频率；通过以下算式基于归一化频率和初始补偿因子得到相位补偿因子：其中，p(f)为相位补偿因子。
11.在本发明较佳的实施例中，上述合成孔径雷达二维信号影像为多个，对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像，包括：基于多个补偿后的合成孔径雷达二维信号影像确定补偿后的合成孔径雷达二维信号影像向量；对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像向量进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像。
12.第二方面，本发明实施例还提供一种合成孔径雷达微波视觉三维成像装置，包括：影像获取模块，用于获取合成孔径雷达二维信号影像；成像区域确定模块，用于基于预先确定的菲涅耳数确定合成孔径雷达二维信号影像的成像区域；相位补偿模块，用于若成像区域为菲涅耳衍射区，则基于合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，得到补偿后的合成孔径雷达二维信号影像；压缩感知成像模块，用于对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像。
13.第三方面，本发明实施例还提供一种电子设备，包括处理器和存储器，存储器存储有能够被处理器执行的计算机可执行指令，处理器执行计算机可执行指令以实现上述第一方面的自移动设备的合成孔径雷达微波视觉三维成像方法。
14.第四方面，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现上述第一方面的合成孔径雷达微波视觉三维成像方法。
15.本发明实施例带来了以下有益效果：
16.本发明实施例提拱了一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法、装置及电子设备，通过获取合成孔径雷达二维信号影像，在合成孔径雷达二维信号影像的成像区域为菲涅耳衍射区时，利用合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像，避免了在斜距垂向上成像时造成的散焦问题。
17.本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。
18.为使本公开的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
20.图1为本发明实施例提供的tomosar三维成像系统的几何模型示意图；
21.图2为本发明实施例提供的衍射的几何关系示意图；
22.图3为本发明实施例提供的另一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法的流程图；
23.图4为本发明实施例提供的又一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法的流程图；
24.图5为本发明实施例提供的一种合成孔径雷达微波视觉三维成像装置的结构示意图；
25.图6为本发明实施例提供的一种电子设备的结构示意图。
具体实施方式
26.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
27.合成孔径雷达sar(synthetic aperture radar)三维成像技术可以消除目标和地形在二维图像上产生的叠掩，显著提升目标的发现、识别和三维建模能力。sar微波视觉成像是由sar三维成像技术发展而来的，sar微波视觉成像是在现有sar三维成像几何物理信息的基础上，充分挖掘sar回波的散射机制和图像的视觉语义信息，增加三维成像的可用信息量，从而降低对观测次数的要求，最终实现高效能、低成本的三维成像。
28.在相关技术中，通常会利用tomosar(tomographic sar，层析合成孔径雷达)三维成像系统的几何模型来进行三维成像，但在成像过程中会忽略相位项的影响，从而导致在斜距垂向上成像时造成的散焦问题。
29.为了方便理解，对发现技术问题的推导过程进行详细说明。
30.图1为本发明实施例提供的tomosar三维成像系统的几何模型示意图。如图1所示，其中，b表示沿斜距垂向的最长基线，αi表示第i个相位中心si的基线倾角，s为斜距垂向，斜距垂向s与垂直基线方向b平行。
31.进一步地，由tomosar三维成像系统的几何模型可知，在斜距垂向s上的所有地物散射点都会落在同一距离-方位单元内，则第i个sar二维信号影像接收器获取的sar图像的三维数学模型经简化可以表示为算式(1)：
[0032][0033]
其中，ri(r,s)表示斜距垂向s上的散射点σ(x,r,s)到相位中心si的距离，si(x,r)表示二维成像之后的sar二维信号影像，a表示斜距垂向的取值区间。
[0034]
由于算式(1)没有显示反映斜距垂向作为变量时的数学关系，因此，根据图1所示的几何关系，tomosar三维成像的距离可以表示为算式(2)：
[0035][0036]
进一步的，在sar三维成像系统的几何模型中，斜距垂向s是第三维，对算式(2)在s＝0处进行二阶泰勒展开，可以sar三维成像的距离的数学等效模型近似算式(3)：
[0037][0038]
其中，由于且ri(r,0)≈r，ri(r,0)＞＞s，因此有算式(4)：
[0039][0040]
进一步地，sar图像的三维数学模型可以表示为算式(5)：
[0041][0042]
其中，表示tomosar三维成像系统的几何模型的基线到相位中心的斜距形成的相位因子，与斜距垂向s无关，所以可以通过算式(6)对算式(5)进行去斜，经过去斜之后，再对第三维进行层析成像，此时与第三维空间变量s有关的部分可以单独写成算式(7)：
[0043][0044][0045]
令则算式(7)可以写作算式(8)：
[0046][0047]
由此可见，g(x,r,fi)是对复后向散射γ(s)的傅里叶变换在f＝fi时候的取值。将n
个sar二维影像写成向量的形式，则有算式(9)：
[0048]
g＝[g(x,r,f0),g(x,r,f1),
…
,g(x,r,f
n-1
)]
t
ꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0049]
将算式(9)离散化得到算式(10)：
[0050][0051]
考虑二维影像的噪声问题，算式(10)可以简写为算式(10)：
[0052]
g＝an×
l
γ+n
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0053]
其中，
[0054][0055]
γ＝[γ(s0) γ(s1)
…
γ(s
l-1
)]
t
[0056]
n＝[n
0 n1…nn-1
]
t
[0057]
其中，通过对n个sar二维信号影像进行预处理以获得向量g，矩阵an×
l
由n个sar二维影像构成的tomosar三维成像系统的几何模型构建，n为噪声。因此，通过求解算式(11)中的γ向量，对γ向量的每个元素取模值，就可以构建出某一距离-方位单元内在斜距垂向的后向散射σ(x,r,si)(i＝0,1,
…
,l-1)。之后基于压缩感知方法例如l1范数法可以直接求解算式(11)中的γ向量的每个元素的模值，即σ(s,x,si)(i＝0,1,
…
,l-1)，从而得到三维影像。
[0058]
但发明人通过光学成像中的衍射原理发现，对复后向散射γ(s)＝进行求解时，忽略了相位项的影响，因此可能会导致在斜距垂向上成像时造成的散焦问题。
[0059]
为了方便理解，图2为本发明实施例提供的衍射的几何关系示意图。如图2所示，在光学成像中，衍射孔径处于(ξ,η)平面内，在正z方向被光照射，衍射孔径的波场表示为u(ξ,η,0)，根据惠更斯-菲涅耳原理，与(ξ,η)平面平行且与法向距离为z的(x,y)平面上的波场可以表示为算式(12)：
[0060][0061]
其中，k为波数。
[0062]
进一步地，利用算式(13)对算式(12)进行变换，得到算式(14)：
[0063][0064][0065]
其中，l
ξ
，l
η
分别表示(ξ,η)平面中孔径的长度。
[0066]
具体地，根据算式(14)可知，在合成孔径雷达层析成像中，考虑了距离向r和斜距垂向s，距离向等效为图2中的z方向，斜距垂向s等效图2中的y方向，方位向x等效为图2中的x方向。由于在进行成像时，距离向和方位向已经完成成像，因此只需考虑斜距垂向s，因此得到算式(15)：
[0067][0068]
将算式(15)两边对斜距垂向s在有限区间[-a,a]做傅里叶变换，并进行重写，得到算式(16)：
[0069][0070]
可以理解的是，算式(16)可以看作斜距垂向上掉落在同一距离方位单元内的散射点γ(s)的傅里叶变换式，也可以看作距离-方位单元内叠掩的散射点σ[x,r,u(s,r)]＝1与一个线性调频信号作用后的回波的傅里叶变换。因此可知，要获得斜距垂向聚焦的散射点σ(x,r,s)，需要进行匹配滤波，否则，会出现成像结果散焦的问题，而匹配滤波的核心问题是相位补偿。
[0071]
具体地，对在菲涅耳衍射区内和在夫琅禾费衍射区内的情况进行讨论：
[0072]
1)如果在菲涅耳衍射区内，算式(14)可以简单写为算式(17)：
[0073][0074]
将波数代入算式(17)中，得到算式(18)：代入算式(17)
[0075][0076]
其中，表示菲涅耳积分，可通过计算获得。由于在菲涅耳衍射区，局域空间频率和空间频率等价，因此将算式(19)代入算式(18)中得到算式(20)：
[0077][0078][0079]
令算式(20)等于g(f)得到算式(21)：
[0080][0081]
给算式(20)两边对斜距垂向s在有限区间[-a,a]做傅里叶变换，得到算式(22)：
[0082][0083]
2)如果在夫琅禾费衍射区内，算式(14)可以表示为算式(23)：
[0084][0085]
将波数代入算式(23)中，得到算式(24)：
[0086][0087]
给算式(24)两边对斜距垂向s在有限区间[-a,a]做傅里叶变换，得到算式(25)：
[0088][0089]
通过对算式(22)和算式(25)进行比较，可知，两种情况下，斜距垂向傅里叶变换的结果中，相位有很大不同，由于2a sin c(2πaf)为实数，引起的相位快速变化导致散焦问题的主要因素是g(f)。
[0090]
因此在三维成像时，由于常常无法在斜距垂向进行等间隔采样，因此利用压缩感知方法进行反演。当满足夫琅禾费衍射条件时，采用压缩感知方法可以直接进行反演，但是，当菲涅耳衍射条件满足时，首先要对g(f)进行相位补偿，然后再采用压缩感知成像方法进行反演，才能获得聚焦的成像结果。
[0091]
基于此，本发明实施例提供的一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法、装置及电子设备，可以通过获取合成孔径雷达二维信号影像，在合成孔径雷达二维信号影像的成像区域为菲涅耳衍射区时，利用合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像，避免了在斜距垂向上成像时造成的散焦问题。
[0092]
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法进行详细介绍。
[0093]
实施例1
[0094]
本发明实施例提供一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法，参见图3所示的一
种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法的流程图，该合成孔径雷达微波视觉三维成像方法可以包括如下步骤：
[0095]
步骤s301，获取合成孔径雷达二维信号影像。
[0096]
合成孔径雷达二维信号影像为通过tomosar三维成像系统的几何模型直接获取，具体地，合成孔径雷达二维信号影像为上述算式(9)中n个sar二维影像的任意sar二维影像。
[0097]
步骤s302，基于预先确定的菲涅耳数确定合成孔径雷达二维信号影像的成像区域。
[0098]
具体地，基于预先确定的菲涅耳数确定合成孔径雷达二维信号影像的成像区域可以包括：基于微波的波长、微波成像的距离、合成孔径雷达在斜距垂向的合成孔径大小确定菲涅耳数；基于菲涅耳数确定合成孔径雷达二维信号影像的成像区域。
[0099]
其中，可以通过算式(26)基于微波的波长、微波成像的距离、合成孔径雷达在斜距垂向的合成孔径大小确定菲涅耳数：
[0100][0101]
其中，f
sar
表示菲涅耳数，λ表示微波的波长，r表示微波成像的距离，ls表示合成孔径雷达在斜距垂向的合成孔径大小。
[0102]
具体地，合成孔径雷达在斜距垂向的合成孔径大小根据图1可知，可以是沿斜距垂向的最长基线的长度。微波的波长、微波成像的距离可以通过输入tomosar三维成像系统的几何模型的参数直接获得。
[0103]
其中，合成孔径雷达二维信号影像的成像区域可以是夫琅禾费衍射区和菲涅耳衍射区，具体地，当f
sar
《1时，成像区域为夫琅禾费衍射区，当f
sar
》1时，成像区域为菲涅耳衍射区。
[0104]
步骤s303，若成像区域为菲涅耳衍射区，则基于合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，得到补偿后的合成孔径雷达二维信号影像。
[0105]
其中，在成像区域为菲涅耳衍射区时，则认为需要对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，在成像区域为夫琅禾费衍射区时，则认为不需要对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿。
[0106]
具体地，通过微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离确定微波在斜距垂向的信号频率，通过微波在斜距垂向的信号频率和目标函数确定相位补偿因子，通过相位补偿因子对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿。
[0107]
其中，目标函数为上述算式(21)。
[0108]
步骤s304，对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像。
[0109]
具体地，合成孔径雷达二维信号影像为多个，对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像可以包括：基于多个补偿后的合成孔径雷达二维信号影像确定补偿后的合成孔径雷达二维信号影像向量；对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像向量进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像。
[0110]
其中，合成孔径雷达二维信号影像为多个，该多个合成孔径雷达二维信号影像即为上述算式(9)中的n个sar二维影像。
[0111]
本发明实施例提供的合成孔径雷达微波视觉三维成像方法，可以通过获取合成孔径雷达二维信号影像，在合成孔径雷达二维信号影像的成像区域为菲涅耳衍射区时，利用合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像，避免了在斜距垂向上成像时造成的散焦问题。
[0112]
实施例2
[0113]
本发明实施例还提供又一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法；该方法在上述实施例方法的基础上实现；该方法重点描述基于合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿的具体实现方式。
[0114]
如图4所示的又一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法的流程图，该合成孔径雷达微波视觉三维成像可以包括如下步骤：
[0115]
步骤s401，基于微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离确定微波在斜距垂向的信号频率。
[0116]
具体地，可以通过算式(27)基于微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离确定微波在斜距垂向的信号频率：
[0117][0118]
其中，fs表示微波在斜距垂向的信号频率，s表示微波在斜距垂向上成像的位置，λ表示微波的波长，r表示微波成像的距离。
[0119]
步骤s402，基于信号频率和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿。
[0120]
具体地，可以通过步骤a1-步骤a4基于信号频率和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿。
[0121]
步骤a1，通过算式(28)基于微波在斜距垂向上成像的范围、微波的波长和微波成像的距离确定微波在斜距垂向的最大信号频率：
[0122][0123]
其中，f
max
表示最大信号频率，2a表示微波在斜距垂向上成像的范围，λ表示微波的波长，r表示微波成像的距离。
[0124]
步骤a2，基于最大信号频率、信号频率和目标函数确定初始补偿因子。
[0125]
具体地，可以通过步骤a21-步骤a22基于最大信号频率、信号频率和目标函数确定初始补偿因子。
[0126]
步骤a21，通过算式(29)基于最大信号频率对信号频率进行重写：
[0127]
[0128]
其中，fs表示信号频率，f
max
表示最大信号频率，2a表示微波在斜距垂向上成像的范围，λ表示微波的波长，r表示微波成像的距离。
[0129]
具体地，微波在斜距垂向上成像的范围由沿斜距垂向的最小基线决定，通过算式(30)基于最小基线确定微波在斜距垂向上成像的范围：
[0130][0131]
其中，2a表示微波在斜距垂向上成像的范围，λ表示微波的波长，r表示微波成像的距离，b1表示最小基线。
[0132]
步骤a22，通过算式(31)基于重写后的信号频率和目标函数确定初始补偿因子：
[0133][0134]
其中，p(fs)表示初始补偿因子，表示重写后的信号频率，*表示取共轭操作。
[0135]
步骤a3，对初始补偿因子进行频谱归一化处理得到相位补偿因子。
[0136]
具体地，可以通过步骤a31-步骤a32对初始补偿因子进行频谱归一化处理得到相位补偿因子。
[0137]
步骤a31，通过算式(32)将最大信号频率和信号频率进行归一化处理得到归一化频率：
[0138][0139]
其中，f表示归一化频率，fs表示信号频率，f
max
表示最大信号频率。
[0140]
步骤a32，通过算式(33)基于归一化频率和初始补偿因子得到相位补偿因子：
[0141][0142]
其中，p(f)表示相位补偿因子。具体地，相位补偿因子可以由算式(34)表示：
[0143][0144]
其中，表示菲涅耳积分，可通过计算获得。
[0145]
进一步地，利用对算式(34)进行等效，得到算式(35)：
[0146][0147]
步骤a4，基于相位补偿因子对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿。
[0148]
具体地，对上述算式(9)中的每个合成孔径雷达二维信号影像g(x,r,fi)进行相位补偿，即完成g(x,r,fi)p(fi)的操作，则认为完成相位补偿。
[0149]
其中，fi的值可以通过算式(36)计算获得：
[0150][0151]
其中，fi表示归一化的频谱，b1表示最小基线，b表示沿斜距垂向的最长基线。
[0152]
本发明实施例提供的合成孔径雷达微波视觉三维成像方法，明确了基于合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿的具体算式，从而对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，避免了在斜距垂向上成像时造成的散焦问题。
[0153]
实施例3
[0154]
对应于上述方法实施例，本发明实施例提供了一种合成孔径雷达微波视觉三维成像装置，如图5所示的一种合成孔径雷达微波视觉三维成像装置的结构示意图，该合成孔径雷达微波视觉三维成像装置包括：
[0155]
影像获取模块501，用于获取合成孔径雷达二维信号影像。
[0156]
成像区域确定模块502，用于基于预先确定的菲涅耳数确定合成孔径雷达二维信号影像的成像区域。
[0157]
相位补偿模块503，用于若成像区域为菲涅耳衍射区，则基于合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，得到补偿后的合成孔径雷达二维信号影像。
[0158]
压缩感知成像模块504，用于对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像。
[0159]
本发明实施例提供的合成孔径雷达微波视觉三维成像装置，可以通过获取合成孔径雷达二维信号影像，在合成孔径雷达二维信号影像的成像区域为菲涅耳衍射区时，利用合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像，避免了在斜距垂向上成像时造成的散焦问题。
[0160]
在一些实施例中，成像区域确定模块，还用于基于微波的波长、微波成像的距离、合成孔径雷达在斜距垂向的合成孔径大小确定菲涅耳数；基于菲涅耳数确定合成孔径雷达二维信号影像的成像区域。
[0161]
在一些实施例中，相位补偿模块，还用于基于微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离确定微波在斜距垂向的信号频率；基于信号频率和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿。
[0162]
在一些实施例中，相位补偿模块，还用于通过以下算式基于微波在斜距垂向上成像的范围、微波的波长和微波成像的距离确定微波在斜距垂向的最大信号频率：其中，f
max
为最大信号频率，2a为微波在斜距垂向上成像的范围，λ为微波的波长，r为微波成像的距离；基于最大信号频率、信号频率和目标函数确定初始补偿因子；对初始补偿因子进行频谱归一化处理得到相位补偿因子；基于相位补偿因子对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿。
[0163]
在一些实施例中，相位补偿模块，还用于通过以下算式基于最大信号频率对信号频率进行重写：其中，fs为信号频率，f
max
为最大信号频率，2a为微波在斜距垂向上成像的范围，λ为微波的波长，r为微波成像的距离；通过以下算式基于重写后的信号频率和目标函数确定初始补偿因子：其中，p(fs)为初始补偿因子，为重写后的信号频率，*为取共轭操作。
[0164]
在一些实施例中，相位补偿模块，还用于通过以下算式将最大信号频率和信号频率进行归一化处理得到归一化频率：其中，f为归一化频率，fs为信号频率，f
max
为最大信号频率；通过以下算式基于归一化频率和初始补偿因子得到相位补偿因子：其中，p(f)为相位补偿因子。
[0165]
在一些实施例中，压缩感知成像模块，还用于基于多个补偿后的合成孔径雷达二维信号影像确定补偿后的合成孔径雷达二维信号影像向量；对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像向量进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像。
[0166]
本发明实施例所提供的装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施例相同，为简要描述，装置实施例部分未提及之处，可参考前述方法实施例中相应内容。
[0167]
实施例4
[0168]
本发明实施例还提供了一种电子设备，用于运行上述合成孔径雷达微波视觉三维成像方法；参见图6所示的一种电子设备的结构示意图，该电子设备包括存储器600和处理器601，其中，存储器600用于存储一条或多条计算机指令，一条或多条计算机指令被处理器601执行，以实现上述合成孔径雷达微波视觉三维成像方法。
[0169]
进一步地，图6所示的电子设备还包括总线602和通信接口603，处理器601、通信接口603和存储器600通过总线602连接。
[0170]
其中，存储器600可能包含高速随机存取存储器(ram，random access memory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。通过至少一个通信接口603(可以是有线或者无线)实现该系统网元与至少一个其他网元之间的通信连接，可以使用互联网，广域网，本地网，城域网等。总线602可以是isa总线、pci总线或eisa总线等。总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图4中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
[0171]
处理器601可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器601中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器601可以是通用处理器，包括中央处理器(central processing unit，简称cpu)、网络处理器(network processor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理
器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器600，处理器601读取存储器600中的信息，结合其硬件完成前述实施例的方法的步骤。
[0172]
本发明实施例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存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，计算机可执行指令促使处理器实现上述合成孔径雷达微波视觉三维成像方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
[0173]
本发明实施例所提供的进行合成孔径雷达微波视觉三维成像方法的计算机程序产品，包括存储了处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行前面方法实施例中所述的方法，具体实现可参见方法实施例，在此不再赘述。
[0174]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0175]
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0176]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0177]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0178]
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个处理器可执行的非易失的计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0179]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：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，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻
易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法，其特征在于，包括：获取合成孔径雷达二维信号影像；基于预先确定的菲涅耳数确定所述合成孔径雷达二维信号影像的成像区域；若所述成像区域为菲涅耳衍射区，则基于合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、所述微波的波长、所述微波成像的距离和目标函数对所述合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，得到补偿后的合成孔径雷达二维信号影像；对所述补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于预先确定的菲涅耳数确定所述合成孔径雷达二维信号影像的成像区域，包括：基于所述微波的波长、所述微波成像的距离、所述合成孔径雷达在斜距垂向的合成孔径大小确定所述菲涅耳数；基于所述菲涅耳数确定所述合成孔径雷达二维信号影像的成像区域。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、所述微波的波长、所述微波成像的距离和目标函数对所述合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，包括：基于所述微波在斜距垂向上成像的位置、所述微波的波长、所述微波成像的距离确定所述微波在斜距垂向的信号频率；基于所述信号频率和所述目标函数对所述合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述基于所述信号频率和所述目标函数对所述合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，包括：通过以下算式基于所述微波在斜距垂向上成像的范围、所述微波的波长和所述微波成像的距离确定所述微波在斜距垂向的最大信号频率：其中，f
max
为所述最大信号频率，2为所述微波在斜距垂向上成像的范围，λ为所述微波的波长，r为所述微波成像的距离；基于所述最大信号频率、所述信号频率和所述目标函数确定初始补偿因子；对所述初始补偿因子进行频谱归一化处理得到相位补偿因子；基于所述相位补偿因子对所述合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述基于所述最大信号频率、所述信号频率和所述目标函数确定初始补偿因子，包括：通过以下算式基于所述最大信号频率对所述信号频率进行重写：其中，f
s
为所述信号频率，f
max
为所述最大信号频率，2为所述微波在斜距垂向上成像的范围，λ为所述微波的波长，r为所述微波成像的距离；通过以下算式基于重写后的信号频率和所述目标函数确定初始补偿因子：其中，p(f
s
)为所述初始补偿因子，为所述重写后的信号频率，*为取共轭操作。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对所述初始补偿因子进行频谱归一化处理得到相位补偿因子，包括：通过以下算式将所述最大信号频率和所述信号频率进行归一化处理得到归一化频率：其中，f为所述归一化频率，f
s
为所述信号频率，f
max
为所述最大信号频率；通过以下算式基于所述归一化频率和所述初始补偿因子得到相位补偿因子：其中，p(f)为所述相位补偿因子。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合成孔径雷达二维信号影像为多个，所述对所述补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像，包括：基于多个所述补偿后的合成孔径雷达二维信号影像确定补偿后的合成孔径雷达二维信号影像向量；对所述补偿后的合成孔径雷达二维信号影像向量进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像。8.一种合成孔径雷达微波视觉三维成像装置，其特征在于，包括：影像获取模块，用于获取合成孔径雷达二维信号影像；成像区域确定模块，用于基于预先确定的菲涅耳数确定所述合成孔径雷达二维信号影像的成像区域；相位补偿模块，用于若所述成像区域为菲涅耳衍射区，则基于合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、所述微波的波长、所述微波成像的距离和目标函数对所述合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，得到补偿后的合成孔径雷达二维信号影像；压缩感知成像模块，用于对所述补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像。9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机可执行指令，所述处理器执行所述计算机可执行指令以实现权利要求1至7任一项所述的合成孔径雷达微波视觉三维成像方法、装置及电子设备方法。10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令在被处理器调用和执行时，所述计算机可执行指令促使处理器实现权利要求1至7任一项所述的合成孔径雷达微波视觉三维成像方法、装置及电子设备方法。

技术总结
本发明提供了一种合成孔径雷达微波视觉三维成像方法、装置及电子设备，涉及信号处理技术领域，包括：获取合成孔径雷达二维信号影像；基于预先确定的菲涅耳数确定合成孔径雷达二维信号影像的成像区域；若成像区域为菲涅耳衍射区，则基于合成孔径雷达发射的微波在斜距垂向上成像的位置、微波的波长、微波成像的距离和目标函数对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，得到补偿后的合成孔径雷达二维信号影像；对补偿后的合成孔径雷达二维信号影像进行压缩感知成像，得到合成孔径雷达三维信号影像。通过在合成孔径雷达二维信号影像的成像区域为菲涅耳衍射区时，对合成孔径雷达二维信号影像进行相位补偿，避免了在斜距垂向上成像时造成的散焦问题。时造成的散焦问题。时造成的散焦问题。


技术研发人员：刘慧 董振阳 赵春萌 史洪印 黎芳
受保护的技术使用者：北京建筑大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/8/13