[發(fā)明專利]基于加權(quán)迭代最小稀疏貝葉斯重構(gòu)算法的SAR成像方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711338266.7
• 申請日: 2017-12-14
• 公開（公告）號: CN108226927B
• 公開（公告）日: 2020-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張曉玲;黨麗薇;韋順軍;師君;左林電
• 申請（專利權(quán)）人: 電子科技大學(xué)
• 主分類號: G01S13/90
• 分類號: G01S13/90
• 代理公司: 電子科技大學(xué)專利中心 51203
• 代理人: 曾磊

1.一種基于加權(quán)迭代最小稀疏貝葉斯重構(gòu)算法的SAR成像方法，其特征是它包括以下步驟：

步驟1、初始化SAR系統(tǒng)參數(shù)：

初始化SAR系統(tǒng)參數(shù)包括：平臺速度矢量記為線陣天線各陣元初始位置矢量，記做其中n為天線各陣元序號為自然數(shù)，n＝1,2,...,N，N為線陣天線的陣元總數(shù)，線陣天線長度，記做L；雷達(dá)發(fā)射信號載頻f_c；雷達(dá)發(fā)射信號的調(diào)頻斜率f_dr；脈沖重復(fù)時間記為PRI；雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率PRF；雷達(dá)發(fā)射信號帶寬B_r；電磁波在空氣中的傳播速度C；距離向快時間記做t，t＝1,2...T，T為距離向快時刻總數(shù)，方位向慢時刻記做l，l＝1,2,...K，K為方位向慢時刻總數(shù)；上述參數(shù)均為SAR系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，其中雷達(dá)發(fā)射信號載頻f_c，雷達(dá)發(fā)射信號的調(diào)頻斜率f_dr，脈沖重復(fù)時間PRI，雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率PRF，雷達(dá)發(fā)射信號帶寬B_r，線陣天線的陣元總數(shù)N，線陣天線長度L在線陣SAR系統(tǒng)設(shè)計過程中已經(jīng)確定；平臺速度矢量記為線陣天線各陣元初始位置矢量，記做在SAR觀測方案設(shè)計中已經(jīng)確定；根據(jù)SAR成像系統(tǒng)方案和觀測方案，SAR成像方法需要的初始化成像系統(tǒng)參數(shù)均為已知；

步驟2、初始化SAR的觀測場景目標(biāo)空間參數(shù)：

初始化SAR的觀測場景目標(biāo)空間參數(shù)包括：以雷達(dá)波束照射場區(qū)域地平面和垂直于該地平面向上的單位向量所構(gòu)成的空間直角坐標(biāo)系作為線陣SAR的觀測場景目標(biāo)空間Ω；將觀測場景目標(biāo)空間Ω均勻劃分為大小相等的立體單元格，也可稱為分辨單元，單元網(wǎng)格在水平橫向、水平縱向和高度向邊長分別記為d_x,d_y和d_z，單元網(wǎng)格在水平橫向、水平縱向和高度向單元格數(shù)分別為M_x,M_y和M_z，單元格大小選擇為線陣SAR系統(tǒng)傳統(tǒng)理論成像分辨率；水平橫向和水平縱向構(gòu)成陣列維成像空間，在陣列平面維成像空間上第m個單元格的坐標(biāo)矢量，記做m表示陣列平面維成像空間第m個單元格，m＝1,2...M，M為陣列平面維成像空間的單元格總數(shù)，M＝M_x·M_y；陣列平面維成像空間中所有單元格的散射系數(shù)按位置順序排列成向量，記做δ，向量δ由M行1列組成；散射系數(shù)向量δ中第t個距離單元中第m個元素的散射系數(shù)，記做初始化SAR的觀測場景目標(biāo)空間參數(shù)在SAR成像方案設(shè)計中已經(jīng)確定；

步驟3、建立線陣SAR的線性觀測矩陣：

根據(jù)步驟1中初始化得到的平臺速度矢量線陣天線各陣元初始位置矢量和雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率PRF，采用公式計算得到第n個線陣天線在第l個方位向慢時刻的位置矢量，記為其中N為步驟1中線陣天線陣元總數(shù)，K為步驟1的方位向慢時刻總數(shù)；

采用公式計算得到在第l個方位向慢時刻線陣SAR觀測場景目標(biāo)空間Ω中第m個單元格到第n個天線陣元的距離，記為其中||·||₂表示范數(shù)，為步驟2中初始化得到的陣列平面維成像空間中第m個單元格的坐標(biāo)矢量，M為步驟2中初始化的陣列平面維成像空間中單元格總數(shù)；

采用公式計算得到在第l個方位向慢時刻線陣SAR觀測場景目標(biāo)空間Ω中第m個單元格到第n個線陣陣元的時間延時，記為其中C為步驟1中初始化得到的電磁波在空氣中的傳播速度；

在第l個方位向慢時刻和第t個距離向快時刻中線陣SAR第n個線陣天線陣元的原始回波數(shù)據(jù)記做s(t,l,n)，t＝1,2,...T，T為步驟1初始化得到的距離向快時刻總數(shù)；在線陣SAR實際成像中，s(t,l,n)由數(shù)據(jù)接收機提供；

采用標(biāo)準(zhǔn)合成孔徑雷達(dá)回波數(shù)據(jù)距離向脈沖壓縮方法對原始回波數(shù)據(jù)進行距離向脈沖壓縮后，得到距離向壓縮后的線陣合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)；記做s_AC(t,l,n)；

將所有線陣SAR第t個距離單元陣列平面維回波信號s_AC(t,l,n)按順序排列組成向量，記為原始回波信號向量S，S由W行1列組成，其中W＝K·N，K是步驟1初始化的慢時刻總數(shù)，N為步驟1初始化的線陣天線的陣元總數(shù)；

采用公式得到陣列平面中第m個單元格在慢時間l到原始回波信號向量S中第i個元素信號對應(yīng)的時延函數(shù)Φ_i(m)，其中，為在第l個方位向慢時刻線陣SAR觀測場景目標(biāo)空間Ω中第m個單元格到第n個線陣陣元的時間延時，t＝1,2,...T，l＝1,2,...K，n＝1,2,...,N，m＝1,2,...M，i＝1,2,...W；

令矩陣Ψ為原始回波信號向量S與散射系數(shù)向量δ之間的測量矩陣，測量矩陣由線陣SAR陣列平面維成像空間所有單元格對應(yīng)的時延函數(shù)構(gòu)成，具體表達(dá)式為：

其中，Φ₁(1)表示陣列平面中第1個單元格在原始回波信號向量S中第1個元素信號對應(yīng)的時延函數(shù)，Φ₁(2)表示陣列平面中第2個單元格在原始回波信號向量S中第1個元素信號對應(yīng)的時延函數(shù)，Φ₁(M)表示陣列平面中第M個單元格在原始回波信號向量S中第1個元素信號對應(yīng)的時延函數(shù)，Φ₂(1)表示陣列平面中第1個單元格在原始回波信號向量S中第2個元素信號對應(yīng)的時延函數(shù)，Φ₂(2)表示陣列平面中第2個單元格在原始回波信號向量S中第2個元素信號對應(yīng)的時延函數(shù)，Φ₂(M)表示陣列平面中第M個單元格在原始回波信號向量S中第2個元素信號對應(yīng)的時延函數(shù)，Φ_W(1)表示陣列平面中第1個單元格在原始回波信號向量S中第W個元素信號對應(yīng)的時延函數(shù)，Φ_W(2)表示陣列平面中第2個單元格在原始回波信號向量S中第W個元素信號對應(yīng)的時延函數(shù)，Φ_W(M)表示陣列平面中第M個單元格在原始回波信號向量S中第W個元素信號對應(yīng)的時延函數(shù)；

步驟4、設(shè)定基于加權(quán)迭代最小稀疏貝葉斯重構(gòu)算法的初始參數(shù)：

初始化加權(quán)迭代最小稀疏貝葉斯重構(gòu)算法的迭代次數(shù)n＝0，采用公式初始化線陣SAR平面維成像空間散射系數(shù)向量其中t＝1,2,...T，m＝1,2…M；

采用公式初始化系統(tǒng)噪聲方差值β⁽⁰⁾，其中T為步驟1中初始化的快時間總數(shù)，Ψ為步驟3中的測量矩陣，S為步驟3中得到的原始回波信號向量，H為轉(zhuǎn)置運算符號，W是步驟3中計算得到的原始回波信號向量S的行數(shù)；

定義：初始化指數(shù)分布中的參數(shù)為λ，初始化迭代誤差門限為ε₀，初始化迭代次數(shù)門限為I_iter；

步驟5、估計散射系數(shù)向量和系統(tǒng)噪聲方差：

當(dāng)n＝1時，其中和β⁽⁰⁾由步驟4中初始化得到，采用公式計算得到Λ⁽¹⁾；

根據(jù)Λ⁽¹⁾和采用公式計算得到第t個距離單元上第m個分辨單元第1次迭代后散射系數(shù)向量

再根據(jù)采用公式計算得到β⁽¹⁾；其中，λ是步驟4中初始化的指數(shù)分布中的參數(shù)，Ψ是步驟3中計算得到的測量矩陣，S是步驟3中得到的原始回波信號向量，H是矩陣轉(zhuǎn)置符號，η是根據(jù)基于加權(quán)迭代最小稀疏貝葉斯重構(gòu)算法的穩(wěn)健性來選擇，η選擇為10^-6，N是步驟1初始化得到的線陣天線的陣元總數(shù)，W是步驟3中計算得到的原始回波信號向量S的行數(shù)；

當(dāng)n＝k,k∈(1,N)，采用公式計算得到Λ^(k)；

根據(jù)Λ^(k)和采用公式計算得到第t個距離單元上第m個分辨單元第k次迭代后散射系數(shù)向量

再根據(jù)采用公式計算得到β^(k)；其中，λ是步驟4中初始化的指數(shù)分布中的參數(shù)，Ψ是步驟3中計算得到的測量矩陣，S是步驟3中得到的原始回波信號向量，H是矩陣轉(zhuǎn)置符號，η是根據(jù)基于加權(quán)迭代最小稀疏貝葉斯重構(gòu)算法算法的穩(wěn)健性來選擇，η選擇為10^-6，N是步驟1初始化得到的線陣天線的陣元總數(shù)，W是步驟3中計算得到的原始回波信號向量S的行數(shù)；

當(dāng)n＝N，采用公式計算得到Λ^(N)；

根據(jù)Λ^(N)和采用公式計算得到第t個距離單元上第m個分辨單元第N次迭代后散射系數(shù)向量

再根據(jù)采用公式計算得到β^(N)；其中，λ是步驟4中初始化的指數(shù)分布中的參數(shù)，Ψ是步驟3中計算得到的測量矩陣，S是步驟3中得到的原始回波信號向量，H是矩陣轉(zhuǎn)置符號，η是根據(jù)基于加權(quán)迭代最小稀疏貝葉斯重構(gòu)算法的穩(wěn)健性來選擇，η選擇為10^-6，N是步驟1初始化得到的線陣天線的陣元總數(shù)，W是步驟3中計算得到的原始回波信號向量S的行數(shù)；

步驟6、迭代終止判斷：

如果并且n≤I_iter，則繼續(xù)執(zhí)行步驟5；

若不滿足和n≤I_iter任一條件，則基于加權(quán)迭代最小稀疏貝葉斯重構(gòu)算法的迭代終止，輸出得到的基于加權(quán)迭代最小稀疏貝葉斯重構(gòu)算法第n次迭代得到的散射系數(shù)向量值δ_t即為線陣SAR平面維成像空間最終的散射系數(shù)向量，其中，m＝1,2…M,t＝1,2,...,T，其中ε₀、I_iter是步驟4中初始化得到的；

步驟7、構(gòu)建三維目標(biāo)全場景目標(biāo)成像空間：

如果t≤T，則執(zhí)行步驟5到步驟6，得到所有距離單元所對應(yīng)的陣列平面維成像空間散射系數(shù)向量A＝[δ₁,δ₂...δ_T]，其中T是步驟1初始化得到的距離向快時間總數(shù)；

采用公式B＝t×t×A將所有距離單元所對應(yīng)的陣列平面維成像空間散射散射系數(shù)向量轉(zhuǎn)換成三維矩陣形式，記為B，最終得到線陣SAR觀測場景目標(biāo)空間的三維成像結(jié)果，t為距離向快時間，T為距離向快時間總數(shù)。