專利名稱：一種加權(quán)稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦sar成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷達(dá)成像技術(shù)領(lǐng)域，它特別涉及了合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種高分辨率的微波成像系統(tǒng)，它依靠雷達(dá)和目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來形成合成陣列來獲得橫向高分辨率，利用大帶寬信號(hào)實(shí)現(xiàn)縱向高分辨率。合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像依賴于觀測(cè)過程的觀測(cè)模型，由于運(yùn)動(dòng)誤差引入的模型誤差，會(huì)導(dǎo)致回波數(shù)據(jù)存在一定的相位誤差，進(jìn)而使重構(gòu)所得圖像散焦。圖像散焦后將嚴(yán)重影響重構(gòu)的質(zhì)量，將會(huì)出現(xiàn)虛假目標(biāo)和高的旁瓣。為了解決圖像散焦問題產(chǎn)生了自聚焦方法。目前比較著名的一種自聚焦方法是相位梯度自聚焦(PGA)方法(詳見參考文獻(xiàn)“D. E. Wahl, P.H. Eichel, D. C. Ghiglia, and C. V. Jakowatz, Jr. , iPhase Gradient Autofocus - A robusttool for high resolution SAR phase correction,，IEEE Trans. Aerosp. Electron. Sys t. ,Vol. 30, No. 7,827 - 835, 1994. ”)，是一種傳統(tǒng)的自聚焦方法。稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦(SDA)是近年來出現(xiàn)的一種自聚焦方法(詳見參考文獻(xiàn)“OnhonN. Ozben, ^et in Miijdat. ‘A Sparsity-driven Approach for Joint SAR Imaging andPhase Error Correction’ ·IEEE Transactions on Image Processing, v 21, n 4,p2075-2088，April 2012”)。稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦(SDA)采用最優(yōu)化方法解決相位誤差估計(jì)和圖像重構(gòu)。稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦(SDA)是一種迭代求解方法，首先根據(jù)觀測(cè)模型和最優(yōu)化問題的約束條件獲得一個(gè)目標(biāo)場(chǎng)景的散射系數(shù)的估計(jì)值，然后根據(jù)這個(gè)估計(jì)值獲得觀測(cè)模型的相位誤差，然后根據(jù)這個(gè)相位誤差修正觀測(cè)模型，再次對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景的散射系數(shù)進(jìn)行估計(jì)，循環(huán)往復(fù)，直到當(dāng)前目標(biāo)場(chǎng)景的散射系數(shù)的估計(jì)值與前次估計(jì)值的差小于預(yù)設(shè)門限后終止循環(huán)。在場(chǎng)景稀疏的情況下，稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦(SDA)方法能更好的對(duì)合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像進(jìn)行重構(gòu)，比傳統(tǒng)的自聚焦方法(如相位梯度自聚焦(PGA)方法)聚焦效果要好且旁瓣更低，且稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦(SDA)能獲得具有增強(qiáng)特征的高分辨圖像。由于稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦(SDA)采用的是LI范數(shù)約束以及其采用LI范數(shù)的近似方式不夠精確，在數(shù)據(jù)量一定的條件下，其不能更好的對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行圖像重構(gòu)，在此情況下其獲得的圖像的聚焦效果和旁瓣抑制效果還可以進(jìn)一步提聞。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了進(jìn)一步提高在稀疏場(chǎng)景的條件下合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像的聚焦效果以及降低合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像的旁瓣。本發(fā)明提出了一種加權(quán)稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦SAR成像方法，采用本發(fā)明方法獲得的合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像比傳統(tǒng)的聚焦方法(如PGA)以及稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦(SDA)方法重構(gòu)所得的合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像旁瓣更低、聚焦效果更好。為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先做以下術(shù)語定義定義I、稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦(SDA)方法
稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦方法在稀疏場(chǎng)景的條件下，首先建立理想情況下回波數(shù)據(jù)與觀測(cè)場(chǎng)景的線性模型，從而獲得線性測(cè)量矩陣，再構(gòu)造最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對(duì)目標(biāo)函數(shù)中的LI范數(shù)進(jìn)行光滑近似，然后使用最速下降法求解這個(gè)最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)得到的解向量估計(jì)相位誤差，并用這個(gè)相位誤差修正線性測(cè)量矩陣，再將這個(gè)修正后的線性測(cè)量矩陣代入最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)中再次求解最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，重復(fù)上述過程，直至相鄰兩次迭代求解得到的解向量之間的誤差小于預(yù)先設(shè)定的誤差門限時(shí)方終止循環(huán)。詳細(xì)方法可參見參考文獻(xiàn)“Onhon N. Ozben, QetinMiijdat. ‘k Sparsity-driven Approach for Joint SAR Imagingand Phase Error Correction’ . IEEE Transactions on Image Processing, v 21, n4, p2075-2088,April 2012。，，定義2、正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)是將單陣元固定于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，利用平臺(tái)飛行速度合成一維陣列，可以對(duì)測(cè)繪區(qū)域進(jìn)行二維成像的一種合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)。
定義3、正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)理論分辨率正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)理論分辨率是指根據(jù)正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，包括發(fā)射信號(hào)帶寬，合成孔徑長(zhǎng)度以及天線長(zhǎng)度決定的正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)所能達(dá)到的最大分辨率，包括方位維分辨率與距離維分辨率。定義4、正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)觀測(cè)場(chǎng)景正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)觀測(cè)場(chǎng)景是指現(xiàn)實(shí)空間中所有待觀測(cè)的場(chǎng)景目標(biāo)點(diǎn)的集合，是一個(gè)與正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)運(yùn)動(dòng)軌跡平行的二維條帶。在不同空間坐標(biāo)系下有不同的表示，但一旦坐標(biāo)系確立以后其表示是唯一的。一般情況下為了方便成像取地面坐標(biāo)系。定義5、正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)空間正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)空間是指正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)回波數(shù)據(jù)所構(gòu)成的回波信號(hào)空間。定義6、正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)成像空間正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)成像空間是指運(yùn)用成像方法由正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)空間所得到的二維合成孔徑雷達(dá)的圖像空間。定義7、正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)成像場(chǎng)景參考點(diǎn)正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)場(chǎng)景參考點(diǎn)是指正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)成像空間中的某個(gè)散射點(diǎn)，作為分析和處理場(chǎng)景中其他散射點(diǎn)的參照。定義8、飛行孔徑飛行孔徑是指對(duì)于測(cè)繪場(chǎng)景中的一個(gè)散射點(diǎn)從收發(fā)波束共同照射到開始到發(fā)射波束或接收波束任意一個(gè)照射不到結(jié)束收發(fā)波束中心所走過的距離。定義9、慢時(shí)間與快時(shí)間慢時(shí)間是指收發(fā)平臺(tái)飛過一個(gè)飛行孔徑所需要的時(shí)間，由于雷達(dá)以一定的重復(fù)周期IV發(fā)射接收脈沖，在慢時(shí)刻η可以表示為一個(gè)離散化的時(shí)間變量ts(n)=nl；, n=l, 2，…，Na, Na表示為一個(gè)合成孔徑內(nèi)慢時(shí)間的離散個(gè)數(shù)?？鞎r(shí)間是指雷達(dá)發(fā)射接收脈沖的一個(gè)周期的時(shí)間，由于雷達(dá)接收回波是以采樣率fs進(jìn)行米樣，在快時(shí)刻m可以表不為一個(gè)離散化的時(shí)間變量
權(quán)利要求
1.一種加權(quán)稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦合成孔徑雷達(dá)成像方法，其特征是它包括以下幾個(gè)步驟步驟I、初始化正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)與加權(quán)稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦方法的參數(shù) 初始化成像系統(tǒng)參數(shù)包括光速，記做C ;平臺(tái)速度矢量，記做P;平臺(tái)初始位置矢量，記做^ :平臺(tái)初始位置到觀測(cè)條帶的最短距離，記做R0 ;雷達(dá)發(fā)射電磁波的波數(shù)，記做Ktl ；雷達(dá)發(fā)射基帶信號(hào)的信號(hào)帶寬，記做B ;雷達(dá)發(fā)射信號(hào)脈沖寬度，記做Tp ;雷達(dá)接收波束持續(xù)寬度，記做T。；雷達(dá)接收系統(tǒng)的采樣頻率，記做fs ;雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率，記做PRF ；雷達(dá)接收系統(tǒng)接收波門相對(duì)于發(fā)射信號(hào)發(fā)射波門的延遲，記做Td ;雷達(dá)的合成孔徑長(zhǎng)度，記做1^_ ;二維觀測(cè)場(chǎng)景距離維的觀測(cè)范圍，記做[rmin，rmax]，其中rmin為二維觀測(cè)場(chǎng)景距離維觀測(cè)范圍的下限，rmax為二維觀測(cè)場(chǎng)景距離維觀測(cè)范圍的上限；二維觀測(cè)場(chǎng)景方位維的觀測(cè)范圍，記做[amin，amax]，其中amin為二維觀測(cè)場(chǎng)景方位維觀測(cè)范圍的下限，amax為二維觀測(cè)場(chǎng)景方位維觀測(cè)范圍的上限；合成孔徑雷達(dá)距離維分辨率，記做Ar ;合成孔徑雷達(dá)方位維分辨率，記做Λ X ;方位維采樣點(diǎn)數(shù)，記做N1 ;距離維采樣點(diǎn)數(shù)，記做N2 ;上述參數(shù)均為正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，其中，平臺(tái)初始位置到場(chǎng)景參考點(diǎn)的距離R。，雷達(dá)發(fā)射電磁波的波數(shù)Ktl,雷達(dá)發(fā)射基帶信號(hào)的信號(hào)帶寬B，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)脈沖寬度ΤΡ，雷達(dá)接收波束持續(xù)寬度Τ。，雷達(dá)接收系統(tǒng)的采樣頻率fs，雷達(dá)系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率PRF，雷達(dá)接收系統(tǒng)接收波門相對(duì)于發(fā)射信號(hào)發(fā)射波門的延遲TD，雷達(dá)的合成孔徑長(zhǎng)度Lsm，合成孔徑雷達(dá)距離維分辨率Ar，合成孔徑雷達(dá)方位維分辨率Λχ，方位維采樣點(diǎn)數(shù)N1 ;距離維采樣點(diǎn)數(shù)N2，在正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)確定；其中，平臺(tái)速度矢量| ，平臺(tái)初始位置矢量P,二維觀測(cè)場(chǎng)景方位維的觀測(cè)范圍[amin，a_]及二維觀測(cè)場(chǎng)景距離維的觀測(cè)范圍[rmin，rmax]在正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)觀測(cè)方案設(shè)計(jì)中已經(jīng)確定；根據(jù)已有的正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)和正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)觀測(cè)方案，正側(cè)視條帶模式合成孔徑雷達(dá)成像方法需要的初始化成像系統(tǒng)參數(shù)均為已知；初始化加權(quán)稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦方法參數(shù)包括拉格朗日系數(shù)，記做λ ;L1范數(shù)逼近常數(shù)，記做β ;加權(quán)稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦方法求解誤差門限，記做ε ;最大迭代次數(shù)，記做MC;上述參數(shù)為加權(quán)稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦方法所需的參數(shù)，其中，拉格朗日系數(shù)λ ,LI范數(shù)逼近常數(shù)β，加權(quán)稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦方法求解誤差門限ε，最大迭代次數(shù)MC，均為已預(yù)先提供； 步驟2、構(gòu)造雷達(dá)回波信號(hào)與觀測(cè)場(chǎng)景散射系數(shù)的線性觀測(cè)模型 包括以下步驟 步驟2. I: 將二維觀測(cè)場(chǎng)景距離維的觀測(cè)范圍[rmin，rmax]以距離維分辨率Ar為間隔等間隔的劃分成N個(gè)距離維單元，記做距離維單元I、距離維單元2、…、距離維單元N，其中N為正整數(shù)；同理，將二維觀測(cè)場(chǎng)景方位維的觀測(cè)范圍[amin，a_]以方位維分辨率ΛΧ為間隔等間隔劃分成M個(gè)方位維單元，記做方位維單元1，方位維單元I的位置矢量記做耳、方位維單元2,方位維單元2的位置矢量記做〒··、方位維單元Μ,方位維單元M的位置矢量記做L其中M為正整數(shù)；經(jīng)過上述處理后，二維觀測(cè)場(chǎng)景被劃分為K個(gè)單元格，觀測(cè)場(chǎng)景單元格個(gè)數(shù)K = N · Μ，K個(gè)單元格中包含M個(gè)方位維單元和N個(gè)距離維單元，M個(gè)方位維單元中的第i個(gè)方位維單元與N個(gè)距離維單元中的第I個(gè)距離維單元所確定的單元格的位置矢量記做= 1，2，···，Μ，1 = 1，2，···，N;將二維觀測(cè)場(chǎng)景的散射系數(shù)表示為向量α =[a i, *··, a i,…，ct M]T，其中 ct i 為 Ct 的 i 個(gè)子向量，a j = [ a ia, ···，a ^1, ···，α iN]為方位維單元i的散射系數(shù)向量，Ct1Si = I時(shí)Cti值，αΜ為i=M時(shí)Cti值，aia為的第I個(gè)元素，a 表示單元格反,的電磁散射系數(shù)，a ^為I = I時(shí)a u值，a i,N為I =N 時(shí) ^;1值，1 = 1，2^··，Μ，1 = 1，2，…，N，(·)τ 為矩陣轉(zhuǎn)置； 步驟2. 2:將合成孔徑雷達(dá)回波數(shù)據(jù)向量記做
全文摘要
本發(fā)明公開了一種加權(quán)稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦SAR成像方法，它是通過建立回波數(shù)據(jù)與觀測(cè)場(chǎng)景的線性觀測(cè)模型，構(gòu)造最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，使用加權(quán)的L1范數(shù)，然后使用一種L1范數(shù)近似方式對(duì)目標(biāo)函數(shù)中L1范數(shù)進(jìn)行近似，然后迭代求解最優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，估計(jì)線性觀測(cè)模型的相位誤差并對(duì)線性觀測(cè)模型進(jìn)行修正得到一個(gè)更準(zhǔn)確的觀測(cè)模型，從而實(shí)現(xiàn)合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像的聚焦。本發(fā)明方法獲得的合成孔徑雷達(dá)圖像比傳統(tǒng)的聚焦方法(如PGA)以及稀疏驅(qū)動(dòng)自聚焦(SDA)方法重構(gòu)所得的合成孔徑雷達(dá)(SAR)圖像旁瓣更低、聚焦效果更好。
文檔編號(hào)G01S13/90GK102854505SQ20121033122
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者張曉玲, 彭文杰 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)