[發(fā)明專利]一種基于最大銳度的線陣SAR快速自聚焦成像方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710932740.2
• 申請(qǐng)日: 2017-10-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107748362A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 韋順軍;張曉玲;周黎明;田博坤;師君
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S13/90
• 分類號(hào): G01S13/90
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心51203
• 代理人: 曾磊

1.一種基于最大銳度的線陣SAR快速自聚焦成像方法，其特征是它包括以下幾個(gè)步驟：

步驟1、初始化線陣SAR的系統(tǒng)參數(shù)和回波數(shù)據(jù)：

初始化線陣SAR系統(tǒng)參數(shù)包括：線陣SAR系統(tǒng)中第n個(gè)陣元在第l個(gè)慢時(shí)刻的位置矢量，記做P_n(l)，其中n為線陣天線的陣元序號(hào)，n為自然數(shù)，n＝1,2,...,N，N為線陣天線的陣元總數(shù)，l為線陣SAR方位向慢時(shí)刻的序號(hào)，l為自然數(shù)，l＝1,2,...,K，K為方位向慢時(shí)刻的總數(shù)；線陣天線的總長(zhǎng)度，記做L；雷達(dá)工作的中心頻率，記做f_c；雷達(dá)工作的載頻波長(zhǎng)，記做λ；雷達(dá)發(fā)射基帶信號(hào)的信號(hào)帶寬，記做B_r；雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度，記做T_P；雷達(dá)接收系統(tǒng)的采樣頻率，記做f_s；雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率，記做PRF；雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)時(shí)間，記為PRI；光在空氣中的轉(zhuǎn)播速度，記做c；距離向快時(shí)刻的總數(shù)，記為T，距離向快時(shí)刻序列記為t＝1,2,…,T，其中t為第t個(gè)距離向快時(shí)刻；上述參數(shù)均為線陣SAR系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，其中線陣天線的陣元總數(shù)N，線陣天線總長(zhǎng)度L，雷達(dá)中心頻率f_c，雷達(dá)載頻波長(zhǎng)λ，雷達(dá)發(fā)射基帶信號(hào)的信號(hào)帶寬B_r，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)脈沖寬度T_P，雷達(dá)接收系統(tǒng)的采樣頻率f_s,雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率PRF在線陣SAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)確定；線陣SAR系統(tǒng)中第n個(gè)陣元在第l個(gè)慢時(shí)刻的位置矢量P_n(l)在線陣SAR成像觀測(cè)方案中已經(jīng)確定；根據(jù)線陣SAR成像系統(tǒng)方案和觀測(cè)方案，線陣SAR成像方法需要的初始化成像系統(tǒng)參數(shù)均為已知；

線陣SAR第n個(gè)陣元在第l個(gè)方位向慢時(shí)刻和第t個(gè)距離向快時(shí)刻采樣得到的原始回波數(shù)據(jù)，記為s(t,l,n)，t＝1,2,…,T，l＝1,2,…,K，n＝1,2,...,N；在實(shí)際線陣SAR系統(tǒng)中，原始回波數(shù)據(jù)s(t,l,n)由線陣SAR系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收機(jī)提供；在仿真線陣SAR成像過(guò)程中，原始回波數(shù)據(jù)s(t,l,n)根據(jù)線陣SAR成像系統(tǒng)參數(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)合成孔徑雷達(dá)原始回波仿真方法產(chǎn)生得到；在線陣SAR數(shù)據(jù)進(jìn)行成像之前，原始回波數(shù)據(jù)s(t,l,n)均已知；

步驟2、對(duì)線陣SAR原始回波信號(hào)進(jìn)行距離向脈沖壓縮：

采用標(biāo)準(zhǔn)合成孔徑雷達(dá)距離壓縮方法對(duì)步驟1中得到的線陣SAR原始回波數(shù)據(jù)s(t,l,n)，t＝1,2,…,T，l＝1,2,…,K，n＝1,2,...,N進(jìn)行距離向脈沖壓縮，得到距離向脈沖壓縮后的線陣SAR回波數(shù)據(jù)，記為s_r(t,l,n)，t＝1,2,…,T，l＝1,2,…,K，n＝1,2,...,N，其中T為步驟1中得到的距離向快時(shí)刻總數(shù)，K為步驟1中得到的方位向慢時(shí)刻總數(shù)，N為步驟1中得到的線陣天線的陣元總數(shù)；

步驟3、初始化線陣SAR后向投影成像空間的參數(shù)：

初始化線陣SAR后向投影成像空間的參數(shù)，包括：以雷達(dá)波束照射場(chǎng)區(qū)域地平面和垂直于該地平面向上的單位向量所構(gòu)成的三維空間直角坐標(biāo)作為線陣SAR的后向投影成像空間，記為Ω；后向投影成像空間Ω在水平橫向、水平縱向和高度向的長(zhǎng)度范圍分別記為W_x、W_y和W_z；將后向投影成像空間Ω均勻劃分成大小相等的立體單元格，后向投影成像空間Ω中的單元格總數(shù)，記為M；后向投影成像空間Ω中第m個(gè)單元格的坐標(biāo)矢量，記為Q_m，m表示后向投影成像空間Ω中第m個(gè)單元格，m為正整數(shù)，m＝1,2,…,M，其中M為后向投影成像空間Ω中的單元格總數(shù)；

步驟4、構(gòu)造線陣SAR后向投影成像算法的基矩陣：

對(duì)步驟1初始化得到的線陣SAR系統(tǒng)參數(shù)、步驟2得到的距離向脈沖壓縮后的線陣SAR回波數(shù)據(jù)s_r(t,l,n)和步驟3初始化得到的后向投影成像空間Ω，采用標(biāo)準(zhǔn)合成孔徑雷達(dá)后向投影成像算法構(gòu)造線陣SAR后向投影成像算法的基矩陣，得到線陣SAR后向投影算法的基矩陣，記為B，其中矩陣B的維數(shù)為M×KN，M為步驟3初始化得到的線陣SAR后向投影成像空間Ω中的單元格總數(shù)，K為步驟1初始化得到的方位向慢時(shí)刻總數(shù)，N為步驟1初始化得到的線陣天線的陣元總數(shù)；

步驟5、初始化最大銳度相位誤差迭代估計(jì)的參數(shù)：

初始化最大銳度相位誤差迭代估計(jì)的參數(shù)，包括：迭代相位誤差估計(jì)過(guò)程的最大迭代次數(shù)，記為MaxIter；k記為相位誤差迭代估計(jì)過(guò)程的第k次迭代次數(shù)，k為自然數(shù)，k初始值設(shè)置為k＝0，并且k的取值范圍為k＝0,1,2,…,MaxIter；相位誤差迭代估計(jì)的判定閾值，記為δ_T；第k次迭代估計(jì)得到的線陣SAR相位誤差向量，記為φ^(k)，k＝0,1,2,…,MaxIter，其中φ^(k)為列向量且φ^(k)維數(shù)大小為(K·N)×1；初始化線陣SAR相位誤差向量的初值為φ⁽⁰⁾＝0；

步驟6、獲取線陣SAR后向成像空間的成像結(jié)果：

當(dāng)?shù)辔徽`差估計(jì)過(guò)程的迭代次數(shù)k＝0時(shí)，采用公式F⁽⁰⁾＝B·exp(-jφ⁽⁰⁾)計(jì)算得到初次迭代過(guò)程中線陣SAR后向成像空間的成像結(jié)果，記為F⁽⁰⁾，其中F⁽⁰⁾為列向量且F⁽⁰⁾維數(shù)大小為M×1，B為步驟4得到的線陣SAR后向投影算法的基矩陣，φ⁽⁰⁾為步驟5初始化得到的線陣SAR相位誤差向量初值φ⁽⁰⁾＝0，M為步驟3初始化得到的后向投影成像空間Ω中的單元格總數(shù)，exp(·)為自然常數(shù)e為底的指數(shù)運(yùn)算符號(hào)，j表示虛部；向量F⁽⁰⁾中的第m個(gè)元素值，記為F⁽⁰⁾(m)，m＝1,2,…,M；

當(dāng)?shù)辔徽`差估計(jì)過(guò)程的迭代次數(shù)k＞0時(shí)，采用公式F^(k)＝B·exp(-jφ^(k))計(jì)算得到第k次迭代過(guò)程中線陣SAR后向成像空間的成像結(jié)果，記為F^(k)，其中F^(k)為列向量且F^(k)維數(shù)大小為M×1，φ^(k)為第k次迭代估計(jì)得到的線陣SAR相位誤差向量；向量F^(k)的第m個(gè)元素值，記為F^(k)(m)，m＝1,2,…,M；

步驟7、計(jì)算線陣SAR圖像銳度的偏導(dǎo)數(shù)：

采用公式計(jì)算得到第k次迭代估計(jì)的線陣SAR后向投影成像圖像銳度，記為E^(k)，其中F^(k)(m)為步驟6得到的向量F^(k)的第m個(gè)元素值，F(xiàn)^(k)為步驟6得到的第k次迭代過(guò)程中線陣SAR后向成像空間的成像結(jié)果，表示元素1至元素M的絕對(duì)值求和運(yùn)算；

采用公式計(jì)算得到線陣SAR后向投影成像圖像銳度E^(k)對(duì)相位誤差向量φ^(k)的偏導(dǎo)數(shù)，記為▽E^(k)，其中Im{·}表示取虛部運(yùn)算，表示向量點(diǎn)乘運(yùn)算，conj(·)表示取共軛運(yùn)算，上標(biāo)T表示轉(zhuǎn)置運(yùn)算，|·|表示取絕對(duì)值運(yùn)算，B為步驟4得到的線陣SAR后向投影算法的基矩陣，φ^(k)為第k次迭代估計(jì)得到的線陣SAR相位誤差向量；

步驟8、利用共軛梯度方法估計(jì)相位誤差向量：

采用標(biāo)準(zhǔn)共軛梯度方法對(duì)方程組▽E^(k)＝0求解相位誤差向量，得到相位誤差估計(jì)向量賦值與第k+1次迭代估計(jì)的線陣SAR相位誤差向量φ^(k+1)，其中▽E^(k)為步驟7得到的線陣SAR后向投影成像圖像銳度E^(k)對(duì)相位誤差向量φ^(k)偏導(dǎo)數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)；

步驟9、更新線陣SAR后向成像空間的成像結(jié)果：

采用公式F^(k+1)＝B·exp(-jφ^(k+1))計(jì)算得到第k+1次迭代過(guò)程中線陣SAR后向成像空間的成像結(jié)果，記為F^(k+1)，其中F^(k+1)為列向量且F^(k+1)維數(shù)大小為M×1，B為步驟4得到的線陣SAR后向投影算法的基矩陣，φ^(k+1)為步驟8得到的第k+1次迭代估計(jì)的線陣SAR相位誤差向量；

步驟10、最大銳度相位誤差估計(jì)迭代終止判定：

如果||F^(k+1)-F^(k)||₂＞δ_T且k≤MaxIter，則k←k+1，重新執(zhí)行步驟6至步驟10；如果||F^(k+1)-F^(k)||₂≤δ_T或k＞MaxIter，則終止相位誤差估計(jì)迭代，此刻第k+1次迭代得到的相位誤差向量φ^(k+1)即為最終的線陣SAR相位誤差向量估計(jì)結(jié)果，第k+1次迭代得到的線陣SAR后向成像空間成像結(jié)果F^(k+1)即為最終的線陣SAR后向成像空間成像結(jié)果，其中k+1表示最大銳度相位誤差估計(jì)過(guò)程中的第k+1迭代次數(shù)，MaxIter為步驟5中初始化得到的迭代相位誤差估計(jì)過(guò)程的最大迭代次數(shù)，δ_T為步驟5初始化得到的相位誤差迭代估計(jì)的判定閾值，F(xiàn)^(k)為步驟6得到的第k次迭代過(guò)程中線陣SAR后向成像空間的成像結(jié)果，||·||₂表示向量的L2范數(shù)運(yùn)算符號(hào)，←表示賦值運(yùn)算符號(hào)；最后將第k+1次迭代得到的線陣SAR后向成像空間成像結(jié)果F^(k+1)轉(zhuǎn)換成三維矩陣形式，得到線陣SAR成像空間的最終三維成像結(jié)果。