[發明專利]一種基于SBRIM算法的多基線層析SAR三維成像方法

有效

• 申請號: 202010467200.3
• 申請日: 2020-05-28
• 公開（公告）號: CN111679277B
• 公開（公告）日: 2022-05-03
• 發明（設計）人: 張曉玲;陳益飛;張星月;師君;韋順軍
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01S13/90
• 分類號: G01S13/90;G01S7/41
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 曾磊

1.一種基于SBRIM算法的多基線層析SAR三維成像方法，其特征是它包括以下步驟：

步驟1、初始化多基線層析SAR系統參數

初始化多基線層析SAR系統參數包括：航過次數，記為N；垂直基線，記為b_⊥n，平行基線，記為b_||n，n＝1,2,…,N，其中N為航過次數；雷達發射信號載頻為f_c；雷達發射信號的調頻斜率為f_dr；雷達系統的脈沖重復頻率為PRF；雷達發射信號帶寬記做B_r；電磁波在空氣中的傳播速度記做C；距離向快時刻記做t，t＝1,2,…,T，T為距離向快時刻總數，方位向慢時刻記做l，l＝1,2,…,K，K為方位向慢時刻總數；上述參數均為SAR系統標準參數，在多基線層析SAR觀測方案設計中已經確定；根據多基線層析SAR成像系統方案和觀測方案，SAR成像方法需要的初始化成像系統參數均為已知；

步驟2：初始化多基線層析SAR的觀測場景目標空間參數

初始化多基線層析SAR的觀測場景目標空間參數包括：以雷達波束照射區域地平面和垂直于該地平面向上的單位向量所構成的空間直角坐標系作為多基線層析SAR的觀測場景目標空間Ω，Ω為M_x×M_y×M_z像素；將觀測場景目標空間Ω均勻劃分為大小相等的立體單元網格，稱為分辨單元，立體單元網格在水平橫向、水平縱向和高度向邊長分別記為d_x，d_y和d_z，觀測場景目標空間在水平橫向、水平縱向和高度向單元網格數分別為M_x,M_y和M_z，單元網格大小為多基線層析SAR系統傳統理論成像分辨率；水平橫向和水平縱向構成二維平面成像空間，在二維平面維成像空間上第t個等距離立體單元網格第m個元素的位置，記做其中m＝(m_y-1)M_x+m_x＝1,…,M，M為二維平面維成像空間的第t個等距離立體單元網格高度向立體單元網格總數，M＝M_x·M_y，m_x＝1,…,M_x，m_y＝1,…,M_y，t＝1,…,T，T為步驟1中初始化得到距離向快時刻總數；

將觀測場景目標空間中第t個等距離立體單元網格第m個元素的散射系數記為采用公式計算得到散射系數矩陣，記做δ，散射系數矩陣δ由M行T列組成，其中T為步驟1中初始化得到的距離向快時刻總數，M為二維平面維成像空間的第t個等距離立體單元網格陣列向立體單元網格總數，M＝M_x·M_y；根據多基線層析SAR基于SBRIM算法的SAR成像方法處理方案，本發明所需的初始化多基線層析SAR的觀測場景目標空間參數均為已知；

步驟3、生成原始回波數據，并對每個航過獲取的回波數據進行距離-方位二維SAR成像

在第l個方位向慢時刻和第t個距離向快時刻中多基線SAR第n個航過的原始回波數據記做s(t,l,n)，t＝1,2,…,T，l＝1,2,…,K，n＝1,2,…,N；在多基線層析SAR實際成像中，原始回波數據s(t,l,n)由數據接收機提供；

采用二維SAR成像方法對原始回波數據s(t,l,n)進行距離-方位二維SAR成像，得到各航過的圖像數據其中T為步驟1中初始化得到的距離向快時刻總數，t為距離向快時刻，K為步驟1中初始化得到的方位向慢時刻總數，l為方位向慢時刻，N為步驟1中初始化得到的航過次數，n為各航過序號；

步驟4、對得到的SAR成像進行圖像配準，并進行去斜處理，得到觀測向量

采用傳統的圖像配準方法對步驟3中各航過獲取的圖像序列進行配準，使得同一距離-方位單元對應目標場景中的同一散射點，得到配準后的圖像序列h(t,l,n)，t＝1,2,…,T，l＝1,2,…,K，n＝1,2,…,N；

采用公式計算各航過平臺與參考點的斜距R_n(s)，其中層析向點目標位置為(r₀,s)，各航過雷達平臺位置為(b_||n,b_⊥n)；采用公式計算得到去斜后的觀測信號向量g(t,l,n)，其中h(t,l,n)為配準后的圖像序列，R_n(0)為參考點(r₀,0)到各航過雷達平臺的參考斜距，t＝1,2,…,T，l＝1,2,…,K，n＝1,2,…,N，其中T為步驟1中初始化得到的距離向快時刻總數，t為距離向快時刻，K為步驟1中初始化得到的方位向慢時刻總數，l為方位向慢時刻，N為步驟1中初始化得到的航過總數，n為航過序號；

步驟5：構建觀測向量矩陣

采用g＝[g₁,g₂,...,g_N]^T，構建觀測向量矩陣，其中g_n＝g(t,l,n)，t＝1,2,…,T，l＝1,2,…,K，n＝1,2,…,N，為步驟4中去斜處理后的信號，T為步驟1中初始化得到的距離向快時刻總數，t為距離向快時刻，K為步驟1中初始化得到的方位向慢時刻總數，l為方位向慢時刻，N為步驟1中初始化得到的航過次數，n為航過序號；

步驟6、離散化場景目標，構建測量矩陣

采用公式計算得到第n個軌道層析向的空間頻率，記為ξ_n，n＝1,2,…,N；然后將場景目標在層析向位置離散化D個均勻的點s_d，d＝1,2,…,D，采用公式計算得到測量矩陣，記為Φ；其中層析向點目標位置為(r₀,s)，b_⊥n為步驟1中初始化的第n個軌道副圖像相對于主圖像的垂直基線，b_||n為步驟1中初始化的第n個軌道副圖像相對于主圖像的平行基線，f_c為步驟1中初始化的雷達發射信號載頻，C為步驟1中初始化的電磁波在空氣中的傳播速度；

步驟7、初始化SBRIM算法參數

SBRIM算法初始化參數包括：加權系數，記為α；重構誤差門限，記為ε；噪聲功率，記為β；迭代總數，記為I_iter；迭代次數，記為k；平滑因子，記為η；對角矩陣控制參數，記為p；采用公式計算得到初始化的信號估計值，記為其中g為步驟5中的觀測向量矩陣，Φ為步驟6中的測量矩陣，H為共軛轉置運算符號；

步驟8、計算對角矩陣

首先更新迭代次數，采用公式k＝k+1，計算得到更新后迭代次數，記為k；采用公式計算得到第k次迭代的對角矩陣，記為Λ^(k)；其中

N為步驟1中初始化得到的航過次數，p為步驟7中初始化的對角矩陣控制參數，η為步驟7中初始化的平滑因子，為在第k-1次迭代循環中第i個衛星軌道數據的散射系數估計值，diag{·}為對角矩陣運算符號；

步驟9、估計散射系數向量

采用公式α^(k)＝αβ^(k)，計算得到第k次迭代加權系數，記為α^(k)；采用公式計算得到第k次迭代的散射系數向量，記為其中α為步驟7中初始化的加權系數，β^(k)為第k次迭代的噪聲功率，g為步驟5中的觀測向量矩陣，Φ為步驟6中的測量矩陣，Λ^(k)為步驟7中的第k次迭代的對角矩陣，H為共軛轉置運算符號，(·)^-1為矩陣求逆運算符；

步驟10、估計噪聲功率

采用公式計算得到第k次迭代噪聲功率，記為β^(k)；其中N為步驟1中初始化得到的航過次數，g為步驟5中的觀測向量矩陣，Φ為步驟6中的測量矩陣，為步驟9中第k次迭代的散射系數向量，||·||₂為L₂范數求解運算符；

步驟11、判斷迭代終止條件是否符合，重建出高度向信息，得到最終的三維成像結果

如果并且k≤I_iter，則繼續執行步驟8～11；

若不滿足和k≤I_iter任一條件，算法迭代終止，則輸出得到的SBRIM算法第k次迭代散射系數即為多基線層析SAR最終的三維成像結果；其中ε為步驟7中初始化的重構誤差門限，I_iter為步驟7中初始化的迭代總數，為步驟9中第k次迭代的散射系數向量，||·||₂為L₂范數求解運算符；經過以上步驟，得到基于SBRIM算法的多基線層析SAR三維成像結果。