一种单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法技术

本发明专利技术提出了一种单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法，具体为：对SAR回波信号进行低速率压缩采样，再对采样数据进行数字正交解调，得到基带压缩采样数据；对基带压缩采样数据进行单比特量化，得到单比特数据。基于Chirp Scaling算法稀疏表示回波信号，采用复数型二元迭代硬阈值算法，根据单比特数据快速成像。本发明专利技术将SAR回波下变频到中频后能够进行低速率压缩采样，再进行单比特量化后，不仅实现了低采样率，也缓解了大数据量给硬件系统带来的压力，并且具有较好的抗噪声性能。

【技术实现步骤摘要】
一种单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法
本专利技术属于SAR成像领域，具体为一种单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法。
技术介绍
SAR能够获得比实孔径雷达更高的分辨率，并且具有作用距离远、成像效果好、能够全天时全天候工作等优点。随着对SAR成像精度的要求越来越高，SAR回波数据量也越来越大，给硬件系统带来的压力也越来越大。X.Dong和Y.H.Zhang等人将单比特压缩采样与单比特SAR成像结合，提出基于单比特压缩采样的SAR成像，其实验结果表明将单比特压缩采样应用到SAR成像上是可行的，从而可以利用单比特压缩采样降低回波数据量，极大程度缓解实际硬件系统的负担。目前对单比特压缩采样SAR成像的研究仍然火热。文献一(X.Dong,Y.Zhang,“AMAPApproachfor1-BitCompressiveSensinginSyntheticApertureRadarImaging”,IEEEGEOSCIENCEANDREMOTESENSINGLETTERS,VOL.12,NO.6,JUNE2015)提出一种基于单比特压缩采样的最大后验方法，用于SAR稀疏成像。该方法能够很好的消除高信噪比下由于单比特量化产生的虚目标，并且能较大程度上抑制噪声。文献二(C.Zhou,F.Liu,“A1-BitCompressiveSensingApproachforSARImagingBasedonApproximatedObservation”,Proc.ofSPIEVol.10033100333J-1)提出用于单比特数据SAR成像的BCS-AO方法。该方法采用逼近SAR观测模型，基于距离多普勒算法，适用于大规模场景中的数据处理。文献三(M.Demir,E.“One-bitcompressivesensingwithtime-varyingthresholdsinsyntheticapertureradarimaging”,IETRadarSonarNavig.,2018,Vol.12Iss.12,pp.1517-1526)从单比特量化角度入手，提出一种时变阈值的方法，解决传统单比特量化与0阈值进行比较造成的信号幅度信息丢失的问题，从而改善成像性能。单比特压缩采样SAR成像提出的初衷是在不影响SAR成像性能的前提下降低数据量，减轻大数据量给硬件系统带来的负担，同时力求数据快速计算、做到实时成像。已有的研究多以低通稀疏信号为模型，对中频信号单比特压缩采样的研究尚不完备，业已发展的以中频带通信号为模型的压缩采样方法和系统，或是对采样速率要求高，或是系统复杂度高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出了一种单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法，具体步骤为：步骤1、对SAR回波信号进行低速率压缩采样，再对采样数据进行数字正交解调，得到基带压缩采样数据；步骤2、对步骤1中得到的基带压缩采样数据进行单比特量化，得到单比特数据。步骤3、基于ChirpScaling算法稀疏表示回波信号，采用复数型二元迭代硬阈值算法，根据步骤2中得到的单比特数据快速成像。优选地，对SAR回波信号进行低速率压缩采样的具体方法为：将不同观测点的SAR回波信号与不同的伪随机二相码混频；将混频信号通过带通滤波器，获得压缩带通信号；对压缩带通信号进行低速采样，获得带通采样数据；对带通采样数据进行数字正交解调，得到压缩带通信号的压缩复包络信号的等价复压缩采样信号并获得二维回波压缩采样数据集。优选地，压缩带通信号具体为：式中，为第l次观测时的SAR回波信号，hbp(t)为带通滤波器，pl(t)为伪随机二相码，为压缩复包络，具体为：优选地，压缩带通信号的压缩复包络信号的等价复压缩采样信号具体为：式中，TCS＝2/fCS，fCS为采样频率。优选地，二维回波压缩采样数据集具体为：其中，Θ为与码序列相关的随机矩阵，Δr、Δa分别为行、列截断矩阵，L为常数，FL、Fr、Fm均表示归一化DFT矩阵，维度分别为L×L、Nr×Nr、Mr×Mr，为雷达回波数据，为回波采样数据。优选地，基于ChirpScaling算法稀疏表示的回波信号具体为：式中，X为图像数据，Y为雷达回波数据，H1、H2、H3表示三个相位补偿矩阵，Fa、Fr分别表示方位向和距离向DFT矩阵，表示哈达玛乘积。优选地，采用复数型二元迭代硬阈值算法，根据步骤2中得到的单比特数据快速成像的具体方法为：将单比特数据快速成像表述成如下的优化问题：式中，Re(·)、Im(·)分别表示取实部和虚部，X为图像数据，Y1bit为单比特数据，A为感知矩阵；将优化问题转换为迭代问题：上式中，n表示迭代次数，HK为硬阈值运算即保留前K个模值最大的元素；对迭代问题进行求解进行成像，具体步骤为：1)初始化设置：n＝0，X0＝0，设置步长μ；2)开始迭代：2.1)计算具体为：2.2)梯度下降，计算具体为：2.3)硬阈值运算后更新X，具体为：Xn+1＝HK(Fn)2.4)迭代次数增加：n＝n+1，继续步骤2.1)；3)迭代次数n达到上限或者时停止迭代；4)返回X*＝Xn+1，X*即图像数据。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：本专利技术将SAR回波下变频到中频后能够进行低速率压缩采样，再进行单比特量化后，不仅实现了低采样率，也缓解了大数据量给硬件系统带来的压力，并且具有较好的抗噪声性能；对于每个发射脉冲的SAR回波，本专利技术分别采用不同的伪随机码序列完成随机投影，从而在不同脉冲间隔间实现独立测量；本专利技术数据量明显降低，采样效率高，在实际雷达数据传输、存储和处理方面有较大优势；本专利技术基于复数型BIHT的成像算法迭代简单，复杂度低，有较高的重构信噪比和较好的抗噪声性能。下面结合附图对本专利技术做进一步详细的描述。附图说明图1为本专利技术一种单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法流程图。图2为本专利技术第一次实例仿真所采用的合成图像。图3为本专利技术第一次实例仿真，信噪比SNR＝20dB、压缩比α＝1时得到的结果图。图4为本专利技术第一次实例仿真，信噪比SNR＝20dB、压缩比α＝0.5时得到的结果图。图5为本专利技术第一次实例仿真，信噪比SNR＝20dB、压缩比α＝0.25时得到的结果图。图6为本专利技术第二次实例仿真所采用的真实SAR单视复图像。图7为本专利技术第二次实例仿真，信噪比SNR＝20dB、压缩比α＝1时得到的结果图。图8为本专利技术第二次实例仿真，信噪比SNR＝20dB、压缩比α＝0.5时得到的结果图。图9为本专利技术第二次实例仿真，信噪比SNR＝20dB、压缩比α＝0.25时得到的结果图。具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法，其特征在于，具体步骤为：/n步骤1、对SAR回波信号进行低速率压缩采样，再对采样数据进行数字正交解调，得到基带压缩采样数据；/n步骤2、对步骤1中得到的基带压缩采样数据进行单比特量化，得到单比特数据；/n步骤3、基于Chirp Scaling算法稀疏表示回波信号，采用复数型二元迭代硬阈值算法，根据步骤2中得到的单比特数据快速成像。/n

【技术特征摘要】
1.一种单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、对SAR回波信号进行低速率压缩采样，再对采样数据进行数字正交解调，得到基带压缩采样数据；
步骤2、对步骤1中得到的基带压缩采样数据进行单比特量化，得到单比特数据；
步骤3、基于ChirpScaling算法稀疏表示回波信号，采用复数型二元迭代硬阈值算法，根据步骤2中得到的单比特数据快速成像。


2.根据权利要求1所述的单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法，其特征在于，对SAR回波信号进行低速率压缩采样的具体方法为：
将不同观测点的SAR回波信号与不同的伪随机二相码混频；
将混频信号通过带通滤波器，获得压缩带通信号；
对压缩带通信号进行低速采样，获得带通采样数据；
对带通采样数据进行数字正交解调，得到压缩带通信号的压缩复包络信号的等价复压缩采样信号并获得二维回波压缩采样数据集。


3.根据权利要求2所述的单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法，其特征在于，压缩带通信号具体为：



式中，为第l次观测时的SAR回波信号，hbp(t)为带通滤波器，pl(t)为伪随机二相码，为压缩复包络，具体为：





4.根据权利要求2所述的单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法，其特征在于，压缩带通信号的压缩复包络信号的等价复压缩采样信号具体为：



式中，TCS＝2/fCS，fCS为采样频率。


5.根据权利要求2所述的单比特压缩采样合成孔径雷达成像方法，其特征在于，二维回波压缩采样数据集具体为：

【专利技术属性】
技术研发人员：陈胜垚，何健，席峰，刘中，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32