一种利用极地探冰雷达提取极地冰层位方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用极地探冰雷达提取冰层位的方法，对在多层介质中传播的雷达回波信号进行二维傅立叶变换，得到在多层介质中传播的雷达回波信号的二维频谱；对所述二维频谱乘以参考相位因子，得到受距离徙动影响的雷达回波信号；采用尺度逆傅立叶变换对受距离徙动影响的雷达回波信号进行距离徙动校正并变换到距离多普勒域，得到消除了距离徙动因子线性项影响的雷达回波信号；利用二次及三次距离频率补偿函数和方位向压缩的参考函数对消除了距离徙动因子线性项影响的雷达回波信号进行处理，得到完全补偿后的雷达回波信号；之后进行方位向傅立叶反变换，得到聚焦图像，通过对聚焦图像进行距离向坐标收缩，得到极地探冰雷达探测的分层目标的层位。
【专利说明】一种利用极地探冰雷达提取极地冰层位方法
【技术领域】
[0001]本发明属于极地探冰雷达成像【技术领域】，涉及一种利用极地探冰雷达提取极地冰层位方法。
【背景技术】
[0002]极地探冰雷达利用一个发射天线发射高频宽频带的电磁脉冲，并通过一个接收天线接收来自(地下)介质层面的反射波。当电磁波在介质中传播时，其路径、电磁场强度及波形、相位等随所穿越介质的电磁特性及几何形态而变化。因此，通过检测回波时间、幅度、相位等参量，能够解算出目标深度、介质特性及结构等信息。在数据可视化上，可运用数字图像的恢复与重建技术，对冰下目标进行成像处理，以期达到对冰下目标真实和直观的显示效果。
[0003]极地探冰雷达应用于极地探测等情况下，需要对冰川的厚度和沉积过程进行探测与分析，因此，得到冰川的准确层位十分重要。所以，冰川层位的有效提取是目标识别和参数提取等一系列技术成功应用的基础。
[0004]传统的极地探冰雷达合成孔径均通过匹配滤波来实现，该方法需多次求解成像点与雷达之间的距离，同时匹配滤波固有的运算量巨大等问题，要求研究一种快速成像方法。基于stolt变换的距离徙动算法由于采用了回波信号的精确形式，因此可适用于所有斜视角及孔径长度下的精确处理，同时该算法可以很好地解决距离向和方位向的耦合问题，能对整个区域基于散射点模型而不加其它近似条件实现无几何形变的完全聚焦，从而有能力处理宽波束雷达数据。但传统的基于stolt变换的距离徙动算法仅适用于单层介质成像，不能适应电磁波波速的变化，同时，stolt插值的精度直接影响到成像质量，而其运算量则降低了算法的效率。本发明在基于stolt变换的距离徙动算法上进行修正，建立了正下视雷达成像几何模型，同时使用尺度逆傅立叶变换(ISFT)将stolt插值和IFFT变换结合在一起同步完成。本方法能对电磁波的折射效应和传播速度的变化进行自动补偿，同时能有效改善散射点的聚焦性能，提高算法的运算效率，是一种高质量的极地探冰雷达提取极地冰层位方法。
【发明内容】
[0005](一 )要解决的技术问题
[0006]为了解决传统的基于stolt变换的距离徙动算法仅适用于单层介质成像，不能适应电磁波波速的变化以及算法的效率低的问题，本发明目的是提供一种利用极地探冰雷达能获得有效冰层位提取效果，同时能在冰层位提取中去除噪声的提取极地冰层位的方法。
[0007]( 二 )技术方案
[0008]为实现上述目的，本发明提供利用极地探冰雷达提取冰层位的方法，提取冰层位的步骤包括:
[0009]步骤S1:对在多层介质中传播的雷达回波信号进行二维傅立叶变换，将雷达回波信号变换到二维频域，得到在多层介质中传播的雷达回波信号的二维频谱；
[0010]步骤S2:对多层介质中传播的雷达回波信号的二维频谱乘以参考相位因子，得到受距离徙动影响的雷达回波信号，所述参考相位因子具有将多层介质中传播的雷达回波信号的二维频谱进行匹配滤波和中心距离处距离徙动校正、二次距离压缩及方位向匹配滤波功能；
[0011]步骤S3:采用尺度逆傅立叶变换一方面对受距离徙动影响的雷达回波信号进行距离徙动校正，得到消除了距离徙动因子线性项影响的雷达回波信号，另一方面将消除了距离徙动因子线性项影响的雷达回波信号变换到距离多普勒域；所述变换对受距离徙动影响的雷达回波信号进行线性距离频率项补偿，得到需要进行二次及三次距离频率项补偿以及方位向压缩的雷达回波信号；
[0012]步骤S4:在距离多普勒域，利用二次及三次距离频率补偿函数对需要进行二次及三次距离频率项补偿以及方位向压缩的雷达回波信号的二次及三次距离频率项进行补偿，得到需要方位向压缩的雷达回波信号，之后利用方位向压缩的参考函数对需要方位向压缩的雷达回波信号进行方位向压缩，得到需要方位向傅立叶反变换雷达回波信号；
[0013]步骤S5:对得到的需要方位向傅立叶反变换雷达回波信号进行方位向傅立叶反变换，得到聚焦图像，通过对聚焦图像进行距离向坐标收缩，得到极地探冰雷达探测的层位目标的真实层位。
[0014]本发明的有益效果:本发明在基于stolt变换的距离徙动算法上进行修正，建立了正下视雷达成像几何模型，同时使用尺度逆傅立叶变换(ISFT)将stolt插值和IFFT变换结合在一起同步完成。本方法能对电磁波的折射效应和传播速度的变化进行自动补偿，同时能有效改善散射点的聚焦性能，提高算法的运算效率。本发明可用于极地冰下层位提取，也可应用于探地雷达的工程探测、水文地质探测、生态环境探测，以及火星冰下探测等数据处理方面。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为本发明适用的雷达系统的工作几何关系示意图；
[0016]图2为本发明的算法流程图；
[0017]图3为待处理的极地探冰雷达图像；
[0018]图4为本发明进行层位提取后的极地探冰雷达层位图像。
【具体实施方式】
[0019]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合附图和【具体实施方式】对本发明做进一步详细的解释。
[0020]需要说明的是，在实际应用中，步骤SI之前还包括一些前序步骤，例如将极地探冰雷达采集到的多层介质中传播的雷达回波信号输入到处理设备中，所述的处理设备是具有数字运算能力的各种计算设备，如个人计算机、服务器等。
[0021]本发明提出了一种基于距离徙动算法的极地探冰雷达层位提取方法，通过实测数据对该算法进行了验证。极地探冰雷达系统参数如下表I所示:
[0022]表I
【权利要求】
1.一种利用极地探冰雷达提取冰层位的方法，其特征在于，所述提取冰层位的步骤如下: 步骤S1:对在多层介质中传播的雷达回波信号进行二维傅立叶变换，将雷达回波信号变换到二维频域，得到在多层介质中传播的雷达回波信号的二维频谱； 步骤S2:对多层介质中传播的雷达回波信号的二维频谱乘以参考相位因子，得到受距离徙动影响的雷达回波信号，所述参考相位因子具有将多层介质中传播的雷达回波信号的二维频谱进行匹配滤波和中心距离处距离徙动校正、二次距离压缩及方位向匹配滤波功倉泛; 步骤S3:采用尺度逆傅立叶变换一方面对受距离徙动影响的雷达回波信号进行距离徙动校正，得到消除了距离徙动因子线性项影响的雷达回波信号，另一方面将消除了距离徙动因子线性项影响的雷达回波信号变换到距离多普勒域；所述变换对受距离徙动影响的雷达回波信号进行线性距离频率项补偿，得到需要进行二次及三次距离频率项补偿以及方位向压缩的雷达回波信号； 步骤S4:在距离多普勒域，利用二次及三次距离频率补偿函数对需要进行二次及三次距离频率项补偿以及方位向压缩的雷达回波信号的二次及三次距离频率项进行补偿，得到需要方位向压缩的雷达回波信号，之后利用方位向压缩的参考函数对需要方位向压缩的雷达回波信号进行方位向压缩，得到需要方位向傅立叶反变换雷达回波信号； 步骤S5:对得到的需要方位向傅立叶反变换雷达回波信号进行方位向傅立叶反变换，得到聚焦图像，通过对聚焦图像进行距离向坐标收缩，得到极地探冰雷达探测的层位目标的真实层位。
2.根据权利要求1所述的极地探冰雷达提取冰层位的方法，其特征在于，多层介质中传播的雷达回波信号的二维频谱表示如下:
3.根据权利要求2所述的极地探冰雷达提取冰层位的方法，其特征在于，步骤S3中采用尺度逆傅立叶变换对受距离徙动影响的雷达回波信号进行距离徙动校正的处理步骤如下: 尺度逆傅立叶变换之前的信号相位函数
4.根据权利要求2所述的极地探冰雷达提取冰层位的方法，其特征在于，步骤S4中所述的补偿函数表示如下:
5.根据权利要求2所述的极地探冰雷达提取冰层位的方法，其特征在于，步骤S4中所述方位向压缩的参考函数(人表示为:
6.根据权利要求1所述的极地探冰雷达提取冰层位的方法，其特征在于，步骤S5中，通过对距离向坐标进行niM倍的收缩，得到极地探冰雷达探测的层位目标的真实层位。
【文档编号】G01S7/41GK103605118SQ201210298890
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2012年8月21日 优先权日:2012年8月21日
【发明者】赵博, 稂时楠, 刘小军, 张峰, 陈秀伟, 李俊, 柳青, 方广有 申请人:中国科学院电子学研究所