本发明涉及信号处理技术领域，尤其涉及一种滑动聚束模式图像的雷达回波反演方法、装置及计算机存储介质。
背景技术
星载合成孔径雷达(syntheticapertureradar,sar)是一种可以对地球进行观测的高分辨率遥感探测雷达。由于星载sar能克服雨雾和暗夜条件的影响，可全天候、全天时工作，因此在海洋，农业，军事，灾害监测，3d绘图等领域具有广阔的应用前景。
滑动聚束模式(slidingspotlightsar)是星载sar一种高分辨率对地观测模式，同传统条带观测模式相比具有更高的空间分辨率，同单纯的聚束模式相比具有更大的方位向宽度。目前，滑动聚束模式的数据处理方法主要分为两步成像算法和子孔径处理算法两种，其中两步成像算法是针对聚束模式提出的，因此应用在滑动聚束模式下具有一定局限性；子孔径算法适用于并行高速运算系统，但难以实现一次成像。
电磁逆散射是逆问题研究中的一个重要分支。在电磁逆散射研究中，正问题是已知入射场分布和散射体的信息，求解散射场分布的过程。相对地，逆问题是已知入射场和散射场分布，求解散射体信息的问题。如今电磁逆散射问题在生物医学成像、地质勘测、无伤探测、微波遥感等领域都有广泛应用。
目前，将电磁逆散射和星载合成孔径雷达结合的技术领域还没有被深入探索。若将两种技术结合，则同时集中了合成孔径成像全天候全天时工作、探测范围广和电磁逆散射具有更高分辨率的优势。将合成孔径雷达获得的原始数据，即雷达回波作为已知信息，通过电磁逆散射的技术反演散射体信息，即能获得散射体的电磁特性等信息，由于电磁逆散射问题的模型为非线性模型，因此较之被近似考虑为线性系统的合成孔径雷达，能够达到更高的分辨率，获取散射体更多的信息。而电磁逆散射由于采用的是非线性系统模型，因此计算速度远远小于合成孔径雷达成像，而电磁逆散射重要的意义在于提供更高的分辨率。因此亟待提供一种基于滑动聚束模式图像的雷达回波反演方法，能够从合成孔径雷达成像得到的广阔场景中截取需要研究的具体目标，对目标附近的图像进行精确反演得到回波，从而可以对回波进行电磁逆散射以更多地获取目标信息。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决现有技术中的至少一部分技术问题，提供了一种滑动聚束模式图像的雷达回波反演方法、装置及计算机存储介质。
为了解决上述技术问题，本发明第一方面，提供了一种滑动聚束模式图像的雷达回波反演方法，所述方法包括：
s1、对滑动聚束模式成像的sar图像进行逆去斜处理；
s2、对逆去斜后的图像进行聚焦成像逆处理；
s3、对聚焦成像逆处理后的图像进行逆解旋处理得到雷达回波。
可选地，所述步骤s1包括：
获取滑动聚束模式成像的sar图像；
对图像进行方位向傅里叶逆变换；
对方位向傅里叶逆变换的结果在方位向上进行逆去斜处理，乘以逆去斜因子。
可选地，所述步骤s2包括：
对逆去斜后的图像在方位向进行傅里叶变换，将图像变换到距离多普勒域；
进行方位向压缩和残留相位补偿的逆处理；
进行距离向傅里叶变换，将图像变换到二维频域；
在二维频域乘以距离补偿因子完成距离向压缩及距离徙动校正的逆处理；
进行距离向傅里叶逆变换，将图像变换到距离多普勒域；
将傅里叶逆变换后的数据乘以cs变标因子的倒数；
进行方位向傅里叶逆变换，将图像变换到时域。
可选地，所述步骤s3包括：
进行方位向傅里叶逆变换，并乘以二次相位因子；
进行方位向傅里叶逆变换；
将方位向傅里叶逆变换后的数据乘以新的线性调频因子。
本发明第二方面，提供了一种滑动聚束模式图像的雷达回波反演装置，包括：
逆去斜处理单元，用于对滑动聚束模式成像的sar图像进行逆去斜处理；
聚焦成像逆处理单元，用于对逆去斜后的图像进行聚焦成像逆处理；
逆解旋处理单元，用于对聚焦成像逆处理后的图像进行逆解旋处理得到雷达回波。
本发明第三方面，提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有可被计算机设备执行的指令代码；
所述指令代码在被计算机设备执行时，执行如前任一项所述的方法。
实施本发明的滑动聚束模式图像的雷达回波反演方法、装置和存储介质，具有以下有益效果：本发明基于sar滑动聚束模式，该模式下图像具有较高分辨率，因此反演后的回波包含更多信息，更适合电磁逆散射计算，在实际情况中应用性强；并且本发明每一步对滑动聚束三步成像法进行严格的逆操作，每一个步骤中的幅度和相位信息可以精确还原。
附图说明
图1为根据本发明优选实施例滑动聚束模式图像的雷达回波反演方法流程图；
图2为根据本发明另一优选实施例提供的滑动聚束模式图像的雷达回波反演装置的示意图；
图3是点目标滑动聚束模式成像图像的中心截取部分；
图4是点目标仿真的雷达回波原始数据实部图；
图5是点目标图像用本发明反演得到的雷达回波数据实部图；
图6是点目标仿真的雷达回波原始数据虚部图；
图7是点目标图像用本发明反演得到的雷达回波数据虚部图；
图8是仿真和反演得到的雷达数据实部图的差值图；
图9是仿真和反演得到的雷达数据虚部图的差值图。
具体实施方式
下面将详细描述本发明的各个方面的特征和示例性实施例，为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应理解，此处所描述的具体实施例仅被配置为解释本发明，并不被配置为限定本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以在不需要这些具体细节中的一些细节的情况下实施。下面对实施例的描述仅仅是为了通过示出本发明的示例来提供对本发明更好的理解。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
请参阅图1，为根据本发明优选实施例滑动聚束模式图像的雷达回波反演方法流程图。如图1所示，该实施例提供的方法包括：
步骤s1：对滑动聚束模式成像的sar图像进行逆去斜处理。该步骤为图像逆去斜处理步骤，包括：读取所需数据，对图像进行方位向傅里叶逆变换；乘以逆去斜因子。
步骤s2：对逆去斜后的图像进行聚焦成像逆处理。该步骤为聚焦成像逆处理步骤。该步骤的聚焦成像逆处理可基于多种处理内核，如ω-k算法、fs(frequencyscaling，频率定标)算法、cs(chirpscaling，线频调变标)算法等，其中cs算法具有计算精度高、无需插值的优点，因此本发明采用以cs算法作为处理内核的滑动聚束三步成像法来进行逆处理。
该步骤需要对逆去斜后的图像依次进行以下处理：方位向傅里叶变换；方位向压缩和残留相位补偿的逆处理；距离向傅里叶变换；在二维频域乘以距离补偿因子完成距离向压缩及距离徙动校正的逆处理；距离向傅里叶逆变换；傅里叶逆变换后的数据乘以cs变标因子的倒数；方位向傅里叶逆变换。
步骤s3：对聚焦成像逆处理后的图像进行逆解旋处理得到雷达回波。该步骤为逆解旋处理步骤，本质是和一个参考调频信号卷积的逆处理，分以下三步进行处理：乘以一个线性调频因子；方位向傅里叶逆变换；乘以一个新的线性调频因子。
本发明可以实现滑动聚束模式下，从合成孔径雷达成像场景中截取的图像精确反演为雷达回波的过程。该方法首先从合成孔径滑动聚束模式成像算法得到的图像中截取需要研究的区域，对截取图像进行滑动聚束成像的逆操作，分逆去斜(deramp)操作、逆聚焦成像处理和逆解旋(de-rotation)三个步骤进行回波反演，最终得到所研究区域的回波数据。本发明得到的雷达回波可用于电磁逆散射。相比于传统的基于条带模式的反演方法，本发明具有更高的空间分辨率，而电磁逆散射需要较多的回波信息，因而本方法也比条带模式更适用于电磁逆散射的操作，相比于传统的两步成像法，本发明基于增加了一步去斜操作的三步成像法，该成像算法克服了方位向图像域混叠的局限性。在本发明的一种具体实施方式中，上述步骤s1可以通过以下步骤实现：
(1)获取滑动聚束模式成像的sar图像，即滑动聚束模式成像后的sar单视复图像s。
优选地，该步骤中还可以读取以下相关参数，包括：方位向总脉冲数m，距离向总采样点数n，滑动聚束旋转因子a，参考斜距rref为场景中心处的斜距，线性信号调频率kr，工作波长λ，采样频率prf，多普勒中心频率fd0，多普勒中心调频率fr0，并根据成像时的多普勒信息生成不同距离门的多普勒调频率fr,temp(n)，其中用m和n表示图像方位向和距离向的坐标。
计算雷达等效速度
计算滑动聚束模式中特殊参数deramp因子斜率
(2)对上述图像s，即时域图像进行方位向傅里叶逆变换；
(3)对方位向傅里叶逆变换的结果在方位向上进行逆去斜处理，乘以如下逆去斜因子：
其中,ta为方位向时间，fr,ref为滑动聚束模式中去斜因子斜率，fr,temp为多普勒调频率，j为虚数。
至此，对滑动聚束模式成像的sar图像进行逆去斜操作完毕。
在本发明的一种具体实施方式中，上述步骤s2可以通过以下步骤实现：
(1)对逆去斜后的图像在方位向进行傅里叶变换，将图像变换到距离多普勒域。
(2)进行方位向压缩和残留相位补偿的逆处理。
该步骤具体为在方位向上乘以下方位补偿因子的倒数，即成像时乘方位补偿因子的逆操作：
其中，rref为参考斜距，λ为工作波长，
式中，c为光速，cs(fa)为cs变标因子，r为斜距，rref为参考斜率，fa为方位向频率，kr为线性信号调频率，
(3)进行距离向傅里叶变换，将图像变换到二维频域。
(4)在二维频域乘以距离补偿因子完成距离向压缩及距离徙动校正的逆处理。
该步骤具体为在二维频域乘上以下距离补偿因子：
其中，fr为距离向频率，fa为方位向频率，cs(fa)为cs变标因子，rref为参考斜率。该式中第一项在成像中用于完成二次距离压缩和距离向聚焦，第二项用于完成距离徙动校正。
(5)进行距离向傅里叶逆变换，将图像变换到距离多普勒域。
(6)将傅里叶逆变换后的数据乘以cs变标因子的倒数。
该步骤具体为乘以以下cs变标因子的倒数：
其中，tr表示距离向时间，cs(fa)为cs变标因子，c为光速，rref为参考斜率。
(7)进行方位向傅里叶逆变换，将图像变换到时域。
在本发明的一种具体实施方式中，上述步骤s3可以通过以下步骤实现：
(1)进行方位向傅里叶逆变换，并乘以下二次相位因子：
h5(t)＝exp(-jπfr,reft2)
此时时间t按等效采样频率prf′进行采样，fr,temp为多普勒调频率；
(2)进行方位向傅里叶逆变换；
(3)将方位向傅里叶逆变换后的数据乘以如下新的线性调频因子：
h6(t)＝exp(-j(πfr,reft2+2πfd0t))
此时t按雷达信号采样频率prf进行采样，fd0为多普勒中心频率。该指数项为方位向去斜处理中与回波信号具有相反调频率的线性调频信号。
至此，基于滑动聚束模式的sar回波反演完毕。
请参阅图2，为根据本发明优选实施例的滑动聚束模式图像的雷达回波反演装置的程序模块框图。如图2所示，基于相同的发明构思，本发明实施例提供的sar图像辐射分辨率提升装置包括：
逆去斜处理单元201，用于对滑动聚束模式成像的sar图像进行逆去斜处理。该逆去斜处理单元201执行的处理过程与前述逆去斜处理步骤s1相同。
聚焦成像逆处理单元202，用于对逆去斜后的图像进行聚焦成像逆处理。该聚焦成像逆处理单元202执行的处理过程与前述聚焦成像逆处理步骤s2相同。
逆解旋处理单元203，用于对聚焦成像逆处理后的图像进行逆解旋处理得到雷达回波。该逆解旋处理单元403执行的处理过程与前述逆解旋处理步骤s3相同。
可选地，所述逆去斜处理单元201通过以下方法进行逆去斜处理：
(1)获取滑动聚束模式成像的sar图像；
(2)对图像进行方位向傅里叶逆变换；
(3)对方位向傅里叶逆变换的结果在方位向上进行逆去斜处理，乘以如下逆去斜因子：
其中,ta为方位向时间，fr,ref为滑动聚束模式中去斜因子斜率，fr,temp为多普勒调频率，j为虚数。
可选地，所述聚焦成像逆处理单元202通过以下方法进行聚焦成像逆处理：
(1)对逆去斜后的图像在方位向进行傅里叶变换，将图像变换到距离多普勒域；
(2)进行方位向压缩和残留相位补偿的逆处理；
具体地，在方位向上乘以下方位补偿因子的倒数：
其中，rref为参考斜距，λ为工作波长，
式中，c为光速，cs(fa)为cs变标因子，r为斜距，rref为参考斜率，fa为方位向频率，kr为线性信号调频率，
(3)进行距离向傅里叶变换，将图像变换到二维频域；
(4)在二维频域乘以距离补偿因子完成距离向压缩及距离徙动校正的逆处理；
具体地，在二维频域乘上以下距离补偿因子：
其中，fr为距离向频率，fa为方位向频率，cs(fa)为cs变标因子，rref为参考斜率。
(5)进行距离向傅里叶逆变换，将图像变换到距离多普勒域；
(6)将傅里叶逆变换后的数据乘以cs变标因子的倒数；
具体地，乘以以下cs变标因子的倒数：
其中，tr表示距离向时间，cs(fa)为cs变标因子，c为光速，rref为参考斜率。
(7)进行方位向傅里叶逆变换，将图像变换到时域。
可选地，所述逆解旋处理单元203通过以下方法进行逆解旋处理：
(1)进行方位向傅里叶逆变换，并乘以下二次相位因子：
h5(t)＝exp(-jπfr,reft2)
此时时间t按等效采样频率prf′进行采样，fr,temp为多普勒调频率；
(2)进行方位向傅里叶逆变换；
(3)将方位向傅里叶逆变换后的数据乘以如下新的线性调频因子：
h6(t)＝exp(-j(πfr,reft2+2πfd0t))
此时t按雷达信号采样频率prf进行采样，fd0为多普勒中心频率。
关于上述实施例中的装置，其中各个模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
本领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。上述描述功能模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序指令，当计算机程序指令被处理器执行时实现如上述实施方式中滑动聚束模式图像的雷达回波反演方法。
以上所述的程序模块框图中所示的功能块可以实现为硬件、软件、固件或者它们的组合。当以硬件方式实现时，其可以例如是电子电路、专用集成电路(asic)、适当的固件、插件、功能卡等等。当以软件方式实现时，本发明的元素是被用于执行所需任务的程序或者代码段。程序或者代码段可以存储在机器可读介质中，或者通过载波中携带的数据信号在传输介质或者通信链路上传送。“计算机可读存储介质”可以包括能够存储或传输信息的任何介质。计算机可读存储介质的例子包括电子电路、半导体存储器设备、rom、闪存、可擦除rom(erom)、软盘、cd-rom、光盘、硬盘、光纤介质、射频(rf)链路，等等。代码段可以经由诸如因特网、内联网等的计算机网络被下载。
需要明确的是，本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定配置和处理。为了简明起见，这里省略了对已知方法的详细描述。在上述实施例中，描述和示出了若干具体的步骤作为示例。但是，本发明的方法过程并不限于所描述和示出的具体步骤，本领域的技术人员可以在领会本发明的精神后，作出各种改变、修改和添加，或者改变步骤之间的顺序或者若干步骤同时执行。
为了说明本发明的有效性，首先对点目标进行仿真和滑动聚束成像，并在此基础上进行雷达回波的反演，并将仿真的回波和反演得到的回波进行对比，选取仿真参数如下
工作波长：0.03125米
脉冲重复频率：4000hz
信号带宽：50mhz
场景中心斜距：696千米
视角：30
旋转因子：0.177
天线长度：4米
点目标放置在场景中心
图3为该回波滑动聚束成像得到的图像截取的中心部分，图4和图5分别为点目标仿真得到的原始回波数据实部图和虚部图，图6和图7分别为该图像用本发明的算法反演的雷达回波的实部和虚部图，将图6和图4，图7和图3分别进行对比，可知该算法可以精确反演出雷达回波原始数据的实部和虚部，也即可以准确地还原信号的幅度和相位信息。图8和图9为反演前后的实部对减结果和虚部对减结果，可以看到绝大部分点能够完全对消，平均到每个像素差值仅为0.01级灰度，进一步证实了该方法的准确性。
综上所述，本发明具有以下特点：
(1)实用性强。本发明基于sar滑动聚束模式，该模式下图像具有较高分辨率，因此反演后的回波包含更多信息，更适合电磁逆散射计算，在实际情况中应用性强。
(2)准确度高。本发明每一步对滑动聚束三步成像法进行严格的逆操作，每一个步骤中的幅度和相位信息几乎可以精确还原。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；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：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。