專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于相變圖分析的稀疏微波成像雷達(dá)性能評(píng)估方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，是一種適用于稀疏微波成像雷達(dá)的性能評(píng)估方法。它借用相變曲面刻畫(huà)出稀疏微波成像雷達(dá)性能隨信噪比、稀疏度和采樣比的變化關(guān)系，并利用相變邊界將相變圖劃分為可重建區(qū)域和不可重建區(qū)域，從而定量分析得出稀疏微波成像雷達(dá)性能。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種可全天時(shí)、全天候工作的主動(dòng)式高分辨率微波遙感設(shè)備。它被廣泛應(yīng)用于國(guó)防建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的諸多領(lǐng)域，如高精度測(cè)繪與資源環(huán)境勘察、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)與突發(fā)事件應(yīng)對(duì)、偵察監(jiān)視與預(yù)警等。隨著雷達(dá)系統(tǒng)分辨率增高，測(cè)繪帶增大·，系統(tǒng)數(shù)據(jù)率隨之增大，系統(tǒng)也越來(lái)越復(fù)雜。傳統(tǒng)微波成像技術(shù)基于雷達(dá)分辨理論和奈奎斯特采樣定理，它決定了微波成像系統(tǒng)的規(guī)模和復(fù)雜度。奈奎斯特采樣定理指出，對(duì)于有限帶寬的實(shí)信號(hào)，無(wú)失真恢復(fù)信號(hào)所需的采樣率不低于兩倍的信號(hào)帶寬，不可避免地產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)。隨著壓縮感知(Compressed Sensing,簡(jiǎn)稱(chēng)CS)理論的快速發(fā)展，以及數(shù)學(xué)家在稀疏信號(hào)處理領(lǐng)域獲得最新成果，稀疏微波成像成為了當(dāng)前微波成像技術(shù)的前沿研究熱點(diǎn)。稀疏微波成像是指將稀疏信號(hào)處理理論引入微波成像并有機(jī)結(jié)合形成的微波成像新理論、新體制和新方法，即通過(guò)尋找被觀測(cè)對(duì)象的稀疏表征域，在空間、時(shí)間、頻譜或極化域稀疏采樣獲取被觀測(cè)對(duì)象的稀疏微波信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理和信息提取，獲取被觀測(cè)對(duì)象的空間位置、散射特征和運(yùn)動(dòng)特性等幾何與物理特征。稀疏微波成像雷達(dá)利用Iq(O <q^ D優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行精確重建，大大減少數(shù)據(jù)采集，降低系統(tǒng)復(fù)雜度，并實(shí)現(xiàn)高分辨率微波成像。稀疏微波成像適用于原始信號(hào)具有稀疏特征的雷達(dá)成像領(lǐng)域，如海洋寬幅測(cè)繪、海面艦船監(jiān)控、空中目標(biāo)ISAR成像等；也可以應(yīng)用于雷達(dá)功率圖像在變換域具有稀疏特征的觀測(cè)領(lǐng)域，如功率圖像在小波域稀疏的情況等。傳統(tǒng)成像評(píng)估方法不再適用于稀疏微波成像雷達(dá)性能評(píng)估，有必要建立適用于稀疏微波成像雷達(dá)的性能評(píng)估體系。對(duì)背景技術(shù)的了解可以參考下面四篇文章以及它們的引用文章。[1]D. L. Donoho, “Compressed sensing，，，IEEE Trans.1nform. Theory,2006，52，(4)，pp. 1289—1306.[2]E. Candes, J. Romberg, and T. Tao, “Robust uncertainty principles exact signal reconstruction from highly incomplete frequencyinformation, ”Information Theory,IEEE Transactions on, vol. 52, no. 2,pp.489-509,Feb. 2006.[3]D.L. Donoho, and J. Jin,“Feature selection by higher criticismthresholding achieves the optimal phase diagram”，Phil. Trans. Roy.Soc.A(2009)367，4449-4470.
[4] D. L. Donoho, and J. Tanner, “Observed universality of phasetransitions in high-dimensional geometry, with implications for modern dataanalysis and signal processing”，Phil.Trans. Roy. Soc. A 367 (2009),4273-4293.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開(kāi)一種基于相變圖分析的稀疏微波成像雷達(dá)性能評(píng)估方法，借用物理學(xué)中相變圖的概念，提出適用于稀疏微波成像的雷達(dá)系統(tǒng)和雷達(dá)圖像性能評(píng)估方法。本發(fā)明采用正確重建率和相對(duì)均方誤差作為判別標(biāo)準(zhǔn)，大大降低了計(jì)算量，為稀疏微波成像雷達(dá)性能分析提供了一種高效評(píng)估方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種基于相變圖分析的稀疏微波成像雷達(dá)性能評(píng)估方法，其包括步驟a)針對(duì)稀疏微波成像雷達(dá)機(jī)理，將信噪比引入分析圖中建立以信噪比、稀疏度和采樣比為坐標(biāo)軸的雷達(dá)成像性能相變圖；b)分別計(jì)算不同信噪比、稀疏度和采樣比的條件下，稀疏微波成像雷達(dá)性能隨這三維變量的變化趨勢(shì)，繪制三維分析圖；c)在滿(mǎn)足雷達(dá)圖像性能，符合觀測(cè)要求的情況下，選取正確重建閾值，采用曲面擬合的方法繪制相變曲面，用相變邊界衡量雷達(dá)成像性能；d)利用邊界曲面將相變圖劃分為可重建區(qū)域和不可重建區(qū)域，比較可重建區(qū)域大小，定量分析稀疏微波成像雷達(dá)性能。所述的基于相變圖分析的稀疏微波成像雷達(dá)性能評(píng)估方法，其所述a)步，雷達(dá)成像性能相變圖的坐標(biāo)軸中，信噪比是雷達(dá)接收端信號(hào)功率和噪聲功率的比值，稀疏度是場(chǎng)景非零目標(biāo)數(shù)K和場(chǎng)景總目標(biāo)數(shù)N的比 值K/N ;采樣比是雷達(dá)采樣數(shù)M和場(chǎng)景總目標(biāo)數(shù)N的比值M/N;以信噪比、稀疏度、采樣比為軸的雷達(dá)成像相變圖可劃分為三個(gè)截面圖，每個(gè)截面圖中可重建區(qū)域和不可重建區(qū)域隨信噪比、稀疏度、采樣比三個(gè)參量變化。所述的基于相變圖分析的稀疏微波成像雷達(dá)性能評(píng)估方法，其所述b)步，選取目標(biāo)場(chǎng)景正確重建率作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)衡量重建結(jié)果，定量分析稀疏微波成像雷達(dá)性能，包括以下步驟步驟1:將觀測(cè)場(chǎng)景離散化之后表示成列向量的形式X = [X1 X2 …xN]τX(jué)G Rn，其中有K個(gè)非零元素。把X中所有的非零元素按先后次序組成一個(gè)新的向量為X' = [x/ X21 …χκ' ]τ ；步驟2 :利用Iq(O < q≤I)優(yōu)化算法對(duì)觀測(cè)場(chǎng)景后向散射系數(shù)的恢復(fù)，重建目標(biāo)表示為$ X = [X1 X2 ··· Xn1^相應(yīng)的，將重建后支撐域非零元素恢復(fù)的結(jié)果表示為X= Χχ K ··· Xk步驟3 :采用相對(duì)重建誤差作為評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，檢測(cè)支撐域第k個(gè)非零元素重建結(jié)果，表示為
權(quán)利要求
1.一種基于相變圖分析的稀疏微波成像雷達(dá)性能評(píng)估方法，其特征在于，包括步驟 a)針對(duì)稀疏微波成像雷達(dá)機(jī)理，將信噪比引入分析圖中建立以信噪比、稀疏度和采樣比為坐標(biāo)軸的雷達(dá)成像性能相變圖； b)分別計(jì)算不同信噪比、稀疏度和采樣比的條件下，稀疏微波成像雷達(dá)性能隨這三維變量的變化趨勢(shì)，繪制三維分析圖； c)在滿(mǎn)足雷達(dá)圖像性能，符合觀測(cè)要求的情況下選取正確重建閾值，采用曲面擬合的方法繪制相變曲面，用相變邊界衡量雷達(dá)成像性能； d)利用邊界曲面將相變圖劃分為可重建區(qū)域和不可重建區(qū)域，比較可重建區(qū)域大小，定量分析稀疏微波成像雷達(dá)性能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相變圖分析的稀疏微波成像雷達(dá)性能評(píng)估方法，其特征在于，所述a)步，雷達(dá)成像性能相變圖的坐標(biāo)軸中，信噪比是雷達(dá)接收端信號(hào)功率和噪聲功率的比值，稀疏度是場(chǎng)景非零目標(biāo)數(shù)K和場(chǎng)景總目標(biāo)數(shù)N的比值K/N ;采樣比是雷達(dá)采樣數(shù)M和場(chǎng)景總目標(biāo)數(shù)N的比值M/N ；以信噪比、稀疏度、采樣比為軸的雷達(dá)成像相變圖劃分為三個(gè)截面圖，截面圖中可重建區(qū)域和不可重建區(qū)域隨信噪比、稀疏度、采樣比三個(gè)參量變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相變圖分析的稀疏微波成像雷達(dá)性能評(píng)估方法，其特征在于，所述b)步，選取目標(biāo)場(chǎng)景正確重建率作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)衡量重建結(jié)果，定量分析稀疏微波成像雷達(dá)性能，包括以下步驟 步驟1:將觀測(cè)場(chǎng)景離散化之后表示成列向量的形式 X — [X1 X2... Xn] XGM^，其中有K個(gè)非零元素。把X中所有的非零元素按先后次序組成一個(gè)新的向量為X, = [X1, X2' ...Χκ, ]T ; 步驟2 :利用1,(0 <q^ I)優(yōu)化算法對(duì)觀測(cè)場(chǎng)景后向散射系數(shù)的恢復(fù)，重建目標(biāo)表示為1:/VΓ /V/V/V ~\ΓX = IX1 X2 ... Xn \ 相應(yīng)的，將重建后支撐域非零元素恢復(fù)的結(jié)果表示為
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于相變圖分析的稀疏微波成像雷達(dá)性能評(píng)估方法，其特征在于，所述b)步，采用相對(duì)均方誤差作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)衡量觀測(cè)場(chǎng)景后向散射系數(shù)重建結(jié)果，定量分析稀疏微波成像雷達(dá)性能，表示為
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于相變圖分析的稀疏微波成像雷達(dá)性能評(píng)估方法，其特征在于所述目標(biāo)場(chǎng)景重建正確率，表示不同信噪比、稀疏度和采樣比的條件下，重新生成觀測(cè)場(chǎng)景，對(duì)觀測(cè)區(qū)域做了一次重建過(guò)程，用目標(biāo)場(chǎng)景重建正確率代替準(zhǔn)確重建概率。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于相變圖分析的稀疏微波成像雷達(dá)性能評(píng)估方法，涉及雷達(dá)成像技術(shù)，根據(jù)稀疏微波成像雷達(dá)原理，建立以信噪比、稀疏度和采樣比為坐標(biāo)軸的雷達(dá)成像性能相變圖；借用相變曲面刻畫(huà)出稀疏微波成像雷達(dá)性能隨信噪比、稀疏度和采樣比的變化趨勢(shì)；并利用該邊界曲面將相變圖劃分為可重建區(qū)域和不可重建區(qū)域，從而定量分析得出稀疏微波成像雷達(dá)性能。本發(fā)明方法采用正確重建率和相對(duì)均方誤差作為判別標(biāo)準(zhǔn)，大大降低了計(jì)算量，為稀疏微波成像雷達(dá)性能分析提供了一種高效評(píng)估方法。
文檔編號(hào)G01S7/40GK103048649SQ20111030997
公開(kāi)日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2011年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月13日
發(fā)明者洪文, 張冰塵, 吳一戎, 田野 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所