一种快速压缩传感三维SAR稀疏成像方法技术

本发明专利技术提供了一种快速压缩传感三维SAR稀疏成像方法，它是先进行距离压缩成像并对距离压缩后回波数据进行分维处理获得各等距离子段数据，再通过目标场景分块和散射目标位置预测逐步提高图像分辨率，然后通过压缩传感稀疏重建得到各个等距离子平面空间图像，最后将各等距离子平面空间图像合成为三维成像结果。由于本发明专利技术通过回波数据等距离分维和目标场景稀疏分块降低了压缩传感三维SAR成像模型中测量矩阵及重构信号的维数，并且只利用粗预测位置的分辨单元构造测量矩阵，无需全场景目标空间的分辨单元构造测量矩阵，提高了压缩传感三维SAR稀疏成像的成像效率。本发明专利技术可以应用于圆周SAR、层析SAR和阵列SAR等合三维成孔径雷达成像领域。

【技术实现步骤摘要】
—种快速压缩传感三维SAR稀疏成像方法
:本技术专利技术属于雷达
，它特别涉及了合成孔径雷达(SAR)成像
。
技术介绍
:由于具有全天时、全天候和大场景观测等优势，合成孔径雷达(SAR)已成为当前大面积地形测绘的一项重要遥感技术，在地形测绘、自然灾害监测和自然资源调查等领域发挥越来越大的作用。三维SAR是传统二维SAR成像技术的扩展，可以获得观测场景目标的三维雷达成像，能够更加精细地描述观测场景中目标的几何和散射特征，非常有利于目标特征提取和识别，成为了 SAR成像技术未来发展的必然趋势及热点研究课题。三维SAR成像的基本原理是通过天线的运动合成一个大的虚拟二维面阵天线，获得面阵平面内二维高分辨，再结合脉冲压缩技术获得雷达视线方向高分辨率，实现对观测场景目标的三维成像。现有的三维SAR成像体制主要有圆周SAR、层析SAR和阵列SAR等。压缩传感稀疏重构作为一种近几年新提出的信号处理理论，突破了传统Nyquist采样定理约束，可利用远低于Nyquist采样率精确重构原始稀疏信号(详见参考文献“D.L.Donoh0.Compressed sensing.1EEE Transactions on InformationTheory, 2006, 52 (4): 1289-1306” )，在降低三维SAR系统采样率和提高成像质量等方面有着巨大的应用潜力。然而，压缩传感理论应用于三维SAR成像有大量关键问题没有解决，成像过程的计算量和运算时间正是这些关键问题之一。现有压缩传感SAR成像模型把三维场景的反射系数重组成一维待重建信号，再把全三维回波数据重组成一维观测信号，其对应的测量矩阵维数为待重建信号和观测信号维数乘积，故现有压缩传感SAR成像模型的测量矩阵维数往往非常大，造成压缩传感稀疏成像时运算量巨大甚至无法重建(详见参考文献“V.M.Patel, G.R.Easley, D.M.Healy, et al..Compressed synthetic aperture radar.1EEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 2010，4 (2): 244-254”)。因此,目前大部分压缩感知SAR成像方法都是针对小幅场景，离实际大场景成像应用需求还有较大差距。
技术实现思路
:为了解决三维SAR大数据量处理及三维场景稀疏重构运算量过大的问题，本专利技术提供了一种快速压缩传感三维SAR稀疏成像方法，本专利技术根据三维SAR回波数据结构特性及三维场景稀疏特征，采用回波数据等距离分维和目标场景稀疏分块共同处理的思路，对压缩传感三维SAR成像模型中的测量矩阵及重构信号进行降维处理，降低压缩传感三维SAR稀疏成像的运算量。本专利技术提出的方法适用于圆周SAR、层析SAR和阵列SAR等三维SAR成像技术以及其它SAR成像
。为了方便描述本专利技术的内容，首先作以下术语定义:定义1、稀疏信号如果一个离散信号中非零值的个数远小于信号本身的长度，则该信号可认为是稀疏的。设X= [Xl，X2，…，xN]T为N个离散信号组成的列向量，其中X1表示向量X中的第I个元素，X2表示向量X中的第2个元素，Xn表示向量X中的第N个元素，右上角正体符号T为转置运算符号。如果向量X中仅有Ktl个元素非零或远大于零，则向量X定义为Ktl稀疏向量。详见文献“S.Mallat.A Wavelet Tour of Signal Processing:The Sparse Way.AccessOnline via Elsevier, 2008，，。定义2、等效天线相位中心等效天线相位中心是天线所发射电磁波在离开天线一定距离后，其等相位面会近似为一个球面，该球面的球心即为等效天线相位中心位置。在远场条件下，收发分置的两个天线的等效天线相位中心可近似为两个天线的中心位置。定义3、范数设X是数域c上线性空间C表示复数域，若它满足如下性质:| Ixl I≥0，且Ixl I = O 仅有 X = 0，I IaXl I = Ial I Xl I, a 为任意常数，| X^X2 I ( I X1I I+ X2I |，则称I |x| I为X空间上的范数，11.11表示范数符号，其中X1和X2SX空间上的任意两个值。对于定义I中的NX I维离散信号向量X = [X1, X2,…，xN]T，向量X的LP范数表达式为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速压缩传感三维SAR稀疏成像方法，其特征是它包括以下步骤：步骤1、初始化三维SAR系统参数：初始化三维SAR系统参数包括：一个孔径长度内等效天线相位中心的位置矢量，记做其中n为第n个等效天线相位中心的序号，n为自然数，n＝1,2,...,N，N为等效天线相位中心的总数；雷达工作中心频率，记做fc；雷达载频波长，记做λ；雷达发射基带信号的信号带宽，记做Br；雷达发射信号脉冲宽度，记做TP；雷达发射信号的调频斜率，记做fdr；雷达接收波门持续宽度，记做To；雷达接收系统的采样频率，记做fs；光在空气中的传播速度，记做C；距离向快时刻序列，记做t，t＝1,2,…,T，T为距离向快时刻总数；上述参数均为三维SAR系统标准参数，在三维SAR系统设计和观测过程中已经确定；根据三维SAR成像系统方案和观测方案，三维SAR成像方法需要的初始化系统参数均为已知；步骤2、初始化观测场景目标参数以及产生原始回波数据：初始化三维SAR的观测场景目标空间，以雷达波束照射场区域地平面和垂直于该地平面向上的单位向量所构成的空间直角坐标作为三维SAR的观测场景目标空间；初始化观测场景目标空间的中心坐标位置位于[0,0,0]，观测场景目标空间在三维SAR成像方案设计中已经确定；三维SAR在距离向第t个快时刻第n个等效天线相位中心的原始回波数据，记为s0(t,n)，t＝1,2,…,T，n＝1,2,…,N，其中T为步骤1初始化得到的距离向快时刻总数，N为步骤1初始化得到的等效天线相位中心总数；在三维SAR实际成像中，原始回波数据s0(t,n)，t＝1,2,…,T，n＝1,2,…,N，可由三维SAR系统数据接收机提供；在仿真过程中，在观测场景目标空间里加入散射点目标，散射点目标的总数记为Ntarget，散射点目标的位置记为l＝1,2,…,Ntarget，散射点目标的散射系数为αtarget(l)，l＝1,2,…,Ntarget，原始回波数据s0(t,n)，t＝1,2,…,T，n＝1,2,…,N，采用传统的合成孔径雷达原始回波仿真方法产生得到；步骤3、对三维SAR原始回波数据进行距离压缩：采用传统的合成孔径雷达标准距离压缩方法对步骤2中得到的三维SAR原始回波s0(t,n)，t＝1,2,…,T，n＝1,2,…,N，进行距离压缩处理，得到距离压缩后的三维SAR回波数据，记为s1(t,n)，t＝1,2,…,T，n＝1,2,…,N，其中T为步骤1初始化得到的距离向快时刻总数，N为步骤1初始化得到的等效天线相位中心总数；步骤4、对距离压缩后数据进行距离徙动校正：采用传统的合成孔径雷达标准距离徙动校正方法对步骤3所得三维SAR距离压缩后数据s1(t,n)，t＝1,2,…,T，n＝1,2,…,N，进行距离徙动校正处理，得到距离徙动校正后三维SAR数据，记为s2(t,n)，t＝1,2,…,T，n＝1,2,…,N，其中T为步骤1初始化得到的距离向快时刻总数，N为步骤1初始化得到的等效天线相位中心总数；步骤5、将三维SAR距离徙动校正后数据划分为各等距离子段数据：将步骤4所得三维SAR距离徙动校正数据按距离向快时刻划分为T份相互独立的等距离子段数据，将其按顺序存到向量G中，其中G＝[g1,g2,…,gT]，g1＝[s2(1,1),s2(1,2),…,s2(1,N)]是t＝1时距离徙动校正数据，g2＝[s2(2,1),s2(2,2),…,s2(2,N)]是t＝2时距离徙动校正数据，gT＝[s2(T,1),s2(T,2),…,s2(T,N)]是t＝T时距离徙动校正数据，s2(1,1)是步骤4得到的t＝1时第1个等效相位中心的距离徙动校正数据，s2(1,2)是步骤4得到的t＝1时第2个等效相位中心的距离徙动校正数据，s2(1,N)是步骤4得到的t＝1时第N个等效相位中心的距离徙动校正数据，s2(2,1)是步骤4得到的t＝2时第1个等效相位中心的距离徙动校正数据，s2(2,2)是步骤4得到的t＝2时第2个等效相位中心的距离徙动校正数据，s2(2,N)是步骤4得到的t＝2时第N个等效相位中心的距离徙动校正数据，s2(T,1)是步骤4得到的t＝T时第1个等效相位中心的距离徙动校正数据，s2(T,2)是步骤4得到的t＝T时第2个等效相位中心的距离徙动校正数据，s2(T,N)是步骤4得到的t＝T时第N个等效相位中心的距离徙动校正数据，T为步骤1初始化得到的距离向快时刻总数，N为步骤1初始化得到的等效天线相位中心的总数；步骤6、初始化等距离子段数据对应的等距离子平面空间参数：初始化所有等距离子段数据对应的等距离子平面空间参数，包括等距离子平面空间X轴和Y轴范围大小，分别记为WX和WY，第i个等距离子段数据对应的等距离子平面空间记为Ωi，i为自然数，i＝1,2,…,T，平面空间Ωi中心坐标位置位于[...

【技术特征摘要】
1.一种快速压缩传感三维SAR稀疏成像方法，其特征是它包括以下步骤: 步骤1、初始化三维SAR系统参数: 初始化三维SAR系统参数包括:一个孔径长度内等效天线相位中心的位置矢量，记做Ρλ ()，其中η为第η个等效天线相位中心的序号，η为自然数，η = I, 2,..., N, N为等效天线相位中心的总数；雷达工作中心频率，记做f。；雷达载频波长，记做λ ;雷达发射基带信号的信号带宽，记做4 ;雷达发射信号脉冲宽度，记做Tp ;雷达发射信号的调频斜率，记做U ;雷达接收波门持续宽度，记做τ。;雷达接收系统的采样频率,记做fs ;光在空气中的传播速度，记做C ;距离向快时刻序列，记做t，t = 1，2，…，T，T为距离向快时刻总数；上述参数均为三维SAR系统标准参数，在三维SAR系统设计和观测过程中已经确定；根据三维SAR成像系统方案和观测方案，三维SAR成像方法需要的初始化系统参数均为已知； 步骤2、初始化观测场景目标参数以及产生原始回波数据: 初始化三维SAR的观测场景目标空间，以雷达波束照射场区域地平面和垂直于该地平面向上的单位向量所构成的空间直角坐标作为三维SAR的观测场景目标空间；初始化观测场景目标空间的中心坐标位置位于[0，0, 0]，观测场景目标空间在三维SAR成像方案设计中已经确定；三维SAR在距离向第t个快时刻第η个等效天线相位中心的原始回波数据，记为S(l(t，n)，t = 1，2，…，T，n = 1，2，…，N，其中T为步骤I初始化得到的距离向快时刻总数，N为步骤I初始化得到的等效天线相位中心总数；在三维SAR实际成像中，原始回波数据S0 (t, n)，t = 1， 2，…，Τ,η = I, 2，…，N，可由三维SAR系统数据接收机提供；在仿真过程中，在观测场景目标空间里加入散射点目标，散射点目标的总数记为Ntmgrt,散射点目标的位置记为 Ρκ_(0，I = 1，2，…，Ntarget,散射点目标的散射系数为 a target (1)，I = I, 2, **., Ntarget,原始回波数据sjt，n), t = 1，2，…，Τ, η = 1，2，…，N,采用传统的合成孔径雷达原始回波仿真方法产生得到； 步骤3、对三维SAR原始回波数据进行距离压缩: 采用传统的合成孔径雷达标准距离压缩方法对步骤2中得到的三维SAR原始回波s0(t,n),t = I,2,-,Τ,η= 1，2，…，N，进行距离压缩处理，得到距离压缩后的三维SAR回波数据，记为S1 (t, n), t = 1，2，…，Τ,η = 1，2，…，N,其中T为步骤I初始...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦顺军，张晓玲，罗煜川，陈思远，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51