基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法技术

本发明专利技术公开了一种基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法，包括：通过雷达发射天线以变重频采样模式发射信号脉冲，接收目标反射回波信号，初始化参数及变量；执行非均匀线频调变标过程得到成像场景的场景散射强度矩阵；利用软阈值操作更新场景散射强度矩阵，得到第i次迭代的结果；执行非均匀逆线频调变标过程得到模拟的回波数据；计算模型误差变化率，判断模型误差变化率或迭代次数是否满足迭代终止条件，满足迭代终止条件，则输出当前迭代得到的场景散射强度矩阵作为合成孔径雷达成像结果，不满足迭代终止条件，则迭代次数i加1继续迭代。该方法可以实现对稀疏场景的高分辨率、宽测绘带成像，降低了硬件成本，提高了运行效率。

【技术实现步骤摘要】
基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法
本专利技术涉及合成孔径雷达成像
，特别涉及一种基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法。
技术介绍
合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)通过发射和接收特定的电磁波信号，实现对目标场景的主动式微波成像。SAR成像系统受到的外界自然条件影响小，可以实现全天时、全天候对地观测，已经越来越广泛地应用于地理测绘、灾害评估、地质勘测、目标定位等民用和军用领域。SAR的特点是将雷达设备搭载在卫星或飞机上，使其具有相对于地面的运动速度，雷达发射电磁波信号并将在不同位置接收到的回波信号进行相干处理，实现高分辨成像。随着合成孔径雷达技术的发展，对高分辨率和宽测绘带成像性能的要求日益提高。然而传统的线频调变标(CSA)成像方法很难同时实现高分辨率和宽测绘带成像，根据奈奎斯特采样定理，需要较高的脉冲重复频率(PRF)来获得方位向高分辨率；另一方面，更大的测绘带宽下距离向回波信号的持续时间更长，为了完整接收雷达回波信号，需要确保脉冲重复间隔(PRI)大于采样窗时间长度，这意味着需要较低的PRF。同时，随着SAR系统分辨率和测绘带宽的不断提高，由数据规模增加引起的数据传输、处理、存储的困难日益凸显，利用欠采样数据实现高分宽幅成像成为了当前的研究热点。根据奈奎斯特采样定理，均匀欠采样会引起方位向混叠现象，无法实现准确的SAR成像。研究表明，非均匀采样方法可以将这种混叠现象转化为非结构性的噪声，再通过压缩感知方法可以实现对成像场景的精确重构。采用方位向Poissondisk采样和压缩感知方法，得到了较好的SAR成像结果，但在这种采样模式下任意两个采样点的间隔都不相同，采样器成本高，硬件实现困难，不易在实际系统中应用。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的目的在于提出一种基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法，该方法采用方位向变重频采样模式和压缩感知技术，实现高分辨率、宽测绘带SAR成像，有效降低了采样器硬件实现难度。为达到上述目的，本专利技术实施例提出了一种基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法，包括：S1，通过雷达发射天线以变重频采样模式发射信号脉冲，接收目标反射回波信号，初始化参数及变量；S2，根据所述目标反射回波信号执行非均匀线频调变标过程得到成像场景的场景散射强度矩阵；S3，利用软阈值操作更新所述场景散射强度矩阵，得到第i次迭代的场景散射强度矩阵；S4，根据所述场景散射强度矩阵执行非均匀逆线频调变标过程得到模拟的回波数据；S5，根据所述模拟的回波数据更新残差矩阵，根据所述残差矩阵和当前散射强度矩阵计算模型误差，根据所述模型误差计算模型误差变化率，判断所述模型误差变化率或迭代次数是否满足迭代终止条件，在满足迭代终止条件时，输出当前迭代得到的场景散射强度矩阵作为合成孔径雷达成像结果，在不满足迭代终止条件时，将当前迭代次数i加1，转至S2继续迭代，直至满足所述迭代终止条件。本专利技术实施例的基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法，针对高分辨率、宽测绘带雷达成像场景，在方位向以变重频采样模式发射欠采样信号脉冲，并接收目标的回波信号；利用SAR观测场景的稀疏性及压缩感知技术，通过软阈值迭代法进行稀疏恢复得到目标散射强度，实现对观测场景的高分辨率、宽测绘带成像。本专利技术附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1为根据本专利技术一个实施例的基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法流程图；图2为根据本专利技术一个实施例的基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法流程框图；图3为根据本专利技术一个实施例的变重频采样方案示意图；图4为根据本专利技术一个实施例的线频调变标算法对实测数据的成像结果示意图；图5为根据本专利技术一个实施例的方位向Poissondisk欠采样方法得到的宽幅稀疏成像结果示意图；图6为根据本专利技术一个实施例方法的宽幅稀疏成像结果示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参照附图描述根据本专利技术实施例提出的基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法。图1为根据本专利技术一个实施例的基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法流程图。图2为根据本专利技术一个实施例的基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法流程框图。如图1和图2所示，该基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法包括以下步骤：步骤S1，通过雷达发射天线以变重频采样模式发射信号脉冲，接收目标反射回波信号Y，初始化参数及变量。合成孔径雷达的测绘带宽W与脉冲重复频率(PRF)之间的关系如式(1)所示：其中，Tp为发射脉冲的持续时间，c为光速。由式(1)可知，通过降低系统的PRF可以获得更大的距离向测绘带宽W。然而根据奈奎斯特采样定理，均匀采样模式下的PRF应大于方位向多普勒带宽，否则会产生混叠现象，不能实现方位向高分辨成像。研究表明，非均匀采样方法可以将这种混叠现象转化为非结构性的噪声，再通过压缩感知方法可以实现对成像场景的精确重构。为了增加测绘带宽，本专利技术采用如图3所示的变重频采样模式发射信号脉冲，变重频采样模式的特点是方位向的脉冲重复频率每N个脉冲变化一次(N是大于1的正整数)，第q组发射脉冲的重复频率为PRFq，在同组的N个脉冲内，脉冲发射间隔是均匀的。接收到由目标反射的非均匀采样回波信号Y，矩阵维度为M×Nr，其中M为方位向发射脉冲数，Nr为距离向采样点数。初始化成像结果矩阵X(0)＝0、残差矩阵R(0)＝Y。给定迭代阈值参数δ，正则化参数k和最大迭代次数Imax，初始化迭代计数器i＝1。初始化模型误差ε(0)：其中||·||F是矩阵的Frobenius范数，||·||1是矩阵的1范数。步骤S2，根据目标反射回波信号执行非均匀线频调变标过程得到成像场景的场景散射强度矩阵S21，构造方位向非均匀傅里叶变换矩阵Fη：Fη＝[α1,α2,…,αM](3)Fη由M个列向量构成，M为方位向发射脉冲数，第m个列向量形式为：其中，(·)T表示矩阵的转置操作，tm为方位向第m个采样时刻，m＝1,2,…,M，表示方位向频率的第n个采样点，n＝1,2,…,Na，Na为大于奈奎斯特采样定理要求的方位向均匀采样点数。通过矩阵相乘完成对回波信号Y的方位向非均匀傅里叶变本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1，通过雷达发射天线以变重频采样模式发射信号脉冲，接收目标反射回波信号，初始化参数及变量；/nS2，根据所述目标反射回波信号执行非均匀线频调变标过程得到成像场景的场景散射强度矩阵；/nS3，利用软阈值操作更新所述场景散射强度矩阵，得到第i次迭代的场景散射强度矩阵；/nS4，根据所述场景散射强度矩阵执行非均匀逆线频调变标过程得到模拟的回波数据；/nS5，根据所述模拟的回波数据更新残差矩阵，根据所述残差矩阵和当前散射强度矩阵计算模型误差，根据所述模型误差计算模型误差变化率，判断所述模型误差变化率或迭代次数是否满足迭代终止条件，在满足迭代终止条件时，输出当前迭代得到的场景散射强度矩阵作为合成孔径雷达成像结果，在不满足迭代终止条件时，将当前迭代次数i加1，转至S2继续迭代，直至满足所述迭代终止条件。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，通过雷达发射天线以变重频采样模式发射信号脉冲，接收目标反射回波信号，初始化参数及变量；
S2，根据所述目标反射回波信号执行非均匀线频调变标过程得到成像场景的场景散射强度矩阵；
S3，利用软阈值操作更新所述场景散射强度矩阵，得到第i次迭代的场景散射强度矩阵；
S4，根据所述场景散射强度矩阵执行非均匀逆线频调变标过程得到模拟的回波数据；
S5，根据所述模拟的回波数据更新残差矩阵，根据所述残差矩阵和当前散射强度矩阵计算模型误差，根据所述模型误差计算模型误差变化率，判断所述模型误差变化率或迭代次数是否满足迭代终止条件，在满足迭代终止条件时，输出当前迭代得到的场景散射强度矩阵作为合成孔径雷达成像结果，在不满足迭代终止条件时，将当前迭代次数i加1，转至S2继续迭代，直至满足所述迭代终止条件。


2.根据权利要求1所述的基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法，其特征在于，以变重频采样模式发射信号脉冲为方位向的脉冲重复频率每N个脉冲变化一次，N为大于1的正整数，在同一组的N个脉冲内，脉冲发射间隔均匀。


3.根据权利要求1所述的基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法，其特征在于，所述S1进一步包括：
接收到由目标反射的非均匀采样回波信号Y，所述目标反射回波信号Y矩阵维度为M×Nr，其中，M为方位向发射脉冲数，Nr为距离向采样点数；
初始化成像结果矩阵X(0)＝0、残差矩阵R(0)＝Y、给定迭代阈值参数δ，正则化参数k和最大迭代次数Imax，初始化迭代计数器i＝1，初始化模型误差ε(0)，
其中，||·||F是矩阵的Frobenius范数，||·||1是矩阵的1范数。


4.根据权利要求1所述的基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法，其特征在于，所述S2进一步包括：
S21，构造方位向非均匀傅里叶变换矩阵Fη，
Fη＝[α1,α2,…,αM]
Fη由M个列向量构成，M为方位向发射脉冲数，第m个列向量形式为：



其中，(·)T表示矩阵的转置操作，tm为方位向第m个采样时刻，m＝1,2,…,M，表示方位向频率的第n个采样点，n＝1,2,…,Na，Na为大于奈奎斯特采样定理要求的方位向均匀采样点数；
通过矩阵相乘完成对回波信号Y的方位向非均匀傅里叶变换，得到距离多普勒域信号矩阵Y1：
Y1＝Fη·Y
S22，计算所述距离多普勒域信号矩阵Y1和变标相位矩阵Sc的哈达玛积，完成变标操作，再经过距离向傅里叶变换，得到二维频域信号Y2，
Y2＝FFTτ(Y1⊙Sc)
其中，⊙表示哈达玛积，FFTτ(·)表示距离维快速傅里叶变换；
S23，计算所述二维频域信号矩阵Y2和距离压缩相位矩阵Pτ的哈达玛积，完成距离压缩操作，再经过距离向傅里叶逆变换，得到距离多普勒域信号矩阵Y3：
Y3＝IFFTτ(Y2⊙Pτ)
其中，IFFTτ(·)表示距离维快速傅里叶逆变换；
S24，计算所述距离多普勒域信号矩阵Y3和方位压缩相位矩阵Pη的哈达马积，完成方位压缩操作，再经过方位向傅里叶逆变换，得到场景散射强度矩阵



其中，Pη是方位压缩相位矩阵。


5.根据权利要求4所述的基于变重频采样模式的合成孔径雷达宽幅稀疏成像方法，其特征在于，所述变标相位矩阵Sc的具体形式为：



其中，为距离向采样时间，fη为方位向频率，Rs为参考距离单元，γe(fη；Rs)是考虑二次距离压缩后的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李刚，刘瑜，董博远，
申请(专利权)人：清华大学，中国人民解放军海军航空大学，
类型：发明
国别省市：北京;11