一种加权稀疏驱动自聚焦SAR成像方法技术

本发明专利技术公开了一种加权稀疏驱动自聚焦SAR成像方法，它是通过建立回波数据与观测场景的线性观测模型，构造最优化目标函数，使用加权的L1范数，然后使用一种L1范数近似方式对目标函数中L1范数进行近似，然后迭代求解最优化目标函数，估计线性观测模型的相位误差并对线性观测模型进行修正得到一个更准确的观测模型，从而实现合成孔径雷达（SAR）图像的聚焦。本发明专利技术方法获得的合成孔径雷达图像比传统的聚焦方法（如PGA）以及稀疏驱动自聚焦（SDA）方法重构所得的合成孔径雷达（SAR）图像旁瓣更低、聚焦效果更好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于雷达成像
，它特别涉及了合成孔径雷达(SAR)成像

技术介绍
合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨率的微波成像系统，它依靠雷达和目标之间的相对运动来形成合成阵列来获得横向高分辨率，利用大带宽信号实现纵向高分辨率。合成孔径雷达(SAR)成像依赖于观测过程的观测模型，由于运动误差引入的模型误差，会导致回波数据存在一定的相位误差，进而使重构所得图像散焦。图像散焦后将严重影响重构的质量，将会出现虚假目标和高的旁瓣。为了解决图像散焦问题产生了自聚焦方法。目前比较著名的一种自聚焦方法是相位梯度自聚焦(PGA)方法(详见参考文献“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. ”)，是一种传统的自聚焦方法。稀疏驱动自聚焦(SDA)是近年来出现的一种自聚焦方法(详见参考文献“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”)。稀疏驱动自聚焦(SDA)采用最优化方法解决相位误差估计和图像重构。稀疏驱动自聚焦(SDA)是一种迭代求解方法，首先根据观测模型和最优化问题的约束条件获得一个目标场景的散射系数的估计值，然后根据这个估计值获得观测模型的相位误差，然后根据这个相位误差修正观测模型，再次对目标场景的散射系数进行估计，循环往复，直到当前目标场景的散射系数的估计值与前次估计值的差小于预设门限后终止循环。在场景稀疏的情况下，稀疏驱动自聚焦(SDA)方法能更好的对合成孔径雷达(SAR)图像进行重构，比传统的自聚焦方法(如相位梯度自聚焦(PGA)方法)聚焦效果要好且旁瓣更低，且稀疏驱动自聚焦(SDA)能获得具有增强特征的高分辨图像。由于稀疏驱动自聚焦(SDA)采用的是LI范数约束以及其采用LI范数的近似方式不够精确，在数据量一定的条件下，其不能更好的对目标场景进行图像重构，在此情况下其获得的图像的聚焦效果和旁瓣抑制效果还可以进一步提闻。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了进一步提高在稀疏场景的条件下合成孔径雷达(SAR)图像的聚焦效果以及降低合成孔径雷达(SAR)图像的旁瓣。本专利技术提出了一种加权稀疏驱动自聚焦SAR成像方法，采用本专利技术方法获得的合成孔径雷达(SAR)图像比传统的聚焦方法(如PGA)以及稀疏驱动自聚焦(SDA)方法重构所得的合成孔径雷达(SAR)图像旁瓣更低、聚焦效果更好。为了方便描述本专利技术的内容，首先做以下术语定义定义I、稀疏驱动自聚焦(SDA)方法稀疏驱动自聚焦方法在稀疏场景的条件下，首先建立理想情况下回波数据与观测场景的线性模型，从而获得线性测量矩阵，再构造最优化目标函数，对目标函数中的LI范数进行光滑近似，然后使用最速下降法求解这个最优化目标函数，根据得到的解向量估计相位误差，并用这个相位误差修正线性测量矩阵，再将这个修正后的线性测量矩阵代入最优化目标函数中再次求解最优化目标函数，重复上述过程，直至相邻两次迭代求解得到的解向量之间的误差小于预先设定的误差门限时方终止循环。详细方法可参见参考文献“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。，，定义2、正侧视条带模式合成孔径雷达正侧视条带模式合成孔径雷达是将单阵元固定于运动平台上，利用平台飞行速度合成一维阵列，可以对测绘区域进行二维成像的一种合成孔径雷达系统。 定义3、正侧视条带模式合成孔径雷达理论分辨率正侧视条带模式合成孔径雷达理论分辨率是指根据正侧视条带模式合成孔径雷达系统参数，包括发射信号带宽，合成孔径长度以及天线长度决定的正侧视条带模式合成孔径雷达所能达到的最大分辨率，包括方位维分辨率与距离维分辨率。定义4、正侧视条带模式合成孔径雷达观测场景正侧视条带模式合成孔径雷达观测场景是指现实空间中所有待观测的场景目标点的集合，是一个与正侧视条带模式合成孔径雷达运动轨迹平行的二维条带。在不同空间坐标系下有不同的表示，但一旦坐标系确立以后其表示是唯一的。一般情况下为了方便成像取地面坐标系。定义5、正侧视条带模式合成孔径雷达数据空间正侧视条带模式合成孔径雷达数据空间是指正侧视条带模式合成孔径雷达回波数据所构成的回波信号空间。定义6、正侧视条带模式合成孔径雷达成像空间正侧视条带模式合成孔径雷达成像空间是指运用成像方法由正侧视条带模式合成孔径雷达数据空间所得到的二维合成孔径雷达的图像空间。定义7、正侧视条带模式合成孔径雷达成像场景参考点正侧视条带模式合成孔径雷达场景参考点是指正侧视条带模式合成孔径雷达成像空间中的某个散射点，作为分析和处理场景中其他散射点的参照。定义8、飞行孔径飞行孔径是指对于测绘场景中的一个散射点从收发波束共同照射到开始到发射波束或接收波束任意一个照射不到结束收发波束中心所走过的距离。定义9、慢时间与快时间慢时间是指收发平台飞过一个飞行孔径所需要的时间，由于雷达以一定的重复周期IV发射接收脉冲，在慢时刻η可以表示为一个离散化的时间变量ts(n)=nl；, n=l, 2，…，Na, Na表示为一个合成孔径内慢时间的离散个数。快时间是指雷达发射接收脉冲的一个周期的时间，由于雷达接收回波是以采样率fs进行米样，在快时刻m可以表不为一个离散化的时间变量权利要求1.一种加权稀疏驱动自聚焦合成孔径雷达成像方法，其特征是它包括以下几个步骤步骤I、初始化正侧视条带模式合成孔径雷达系统参数与加权稀疏驱动自聚焦方法的参数 初始化成像系统参数包括光速，记做C ;平台速度矢量，记做P;平台初始位置矢量，记做^ :平台初始位置到观测条带的最短距离，记做R0 ;雷达发射电磁波的波数，记做Ktl ；雷达发射基带信号的信号带宽，记做B ;雷达发射信号脉冲宽度，记做Tp ;雷达接收波束持续宽度，记做T。；雷达接收系统的采样频率，记做fs ;雷达系统的脉冲重复频率，记做PRF ；雷达接收系统接收波门相对于发射信号发射波门的延迟，记做Td ;雷达的合成孔径长度，记做1^_ ;二维观测场景距离维的观测范围，记做，其中rmin为二维观测场景距离维观测范围的下限，rmax为二维观测场景距离维观测范围的上限；二维观测场景方位维的观测范围，记做，其中amin为二维观本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种加权稀疏驱动自聚焦合成孔径雷达成像方法，其特征是它包括以下几个步骤：步骤1、初始化正侧视条带模式合成孔径雷达系统参数与加权稀疏驱动自聚焦方法的参数：初始化成像系统参数包括：光速，记做C；平台速度矢量,记做平台初始位置矢量,记做平台初始位置到观测条带的最短距离，记做R0；雷达发射电磁波的波数,记做K0；雷达发射基带信号的信号带宽,记做B；雷达发射信号脉冲宽度，记做TP；雷达接收波束持续宽度，记做To；雷达接收系统的采样频率,记做fs；雷达系统的脉冲重复频率，记做PRF；雷达接收系统接收波门相对于发射信号发射波门的延迟，记做TD；雷达的合成孔径长度，记做Lsar；二维观测场景距离维的观测范围，记做[rmin,rmax]，其中rmin为二维观测场景距离维观测范围的下限，rmax为二维观测场景距离维观测范围的上限；二维观测场景方位维的观测范围，记做[amin,amax]，其中amin为二维观测场景方位维观测范围的下限，amax为二维观测场景方位维观测范围的上限；合成孔径雷达距离维分辨率，记做Δr；合成孔径雷达方位维分辨率，记做Δx；方位维采样点数，记做N1；距离维采样点数，记做N2；上述参数均为正侧视条带模式合成孔径雷达系统的标准参数，其中，平台初始位置到场景参考点的距离Rc，雷达发射电磁波的波数K0，雷达发射基带信号的信号带宽B，雷达发射信号脉冲宽度TP，雷达接收波束持续宽度To，雷达接收系统的采样频率fs，雷达系统的脉冲重复频率PRF，雷达接收系统接收波门相对于发射信号发射波门的延迟TD，雷达的合成孔径长度Lsar，合成孔径雷达距离维分辨率Δr，合成孔径雷达方位维分辨率Δx，方位维采样点数N1；距离维采样点数N2，在正侧视条带模式合成孔径雷达设计过程中已经确定；其中，平台速度矢量平台初始位置矢量二维观测场景方位 维的观测范围[amin,amax]及二维观测场景距离维的观测范围[rmin,rmax]在正侧视条带模式合成孔径雷达观测方案设计中已经确定；根据已有的正侧视条带模式合成孔径雷达系统和正侧视条带模式合成孔径雷达观测方案，正侧视条带模式合成孔径雷达成像方法需要的初始化成像系统参数均为已知；初始化加权稀疏驱动自聚焦方法参数包括：拉格朗日系数，记做λ；L1范数逼近常数，记做β；加权稀疏驱动自聚焦方法求解误差门限，记做ε；最大迭代次数，记做MC；上述参数为加权稀疏驱动自聚焦方法所需的参数，其中，拉格朗日系数λ，L1范数逼近常数β，加权稀疏驱动自聚焦方法求解误差门限ε，最大迭代次数MC，均为已预先提供；步骤2、构造雷达回波信号与观测场景散射系数的线性观测模型包括以下步骤：步骤2.1:将二维观测场景距离维的观测范围[rmin,rmax]以距离维分辨率Δr为间隔等间隔的划分成N个距离维单元，记做距离维单元1、距离维单元2、…、距离维单元N，其中N为正整数；同理，将二维观测场景方位维的观测范围[amin,amax]以方位维分辨率Δx为间隔等间隔划分成M个方位维单元，记做方位维单元1，方位维单元1的位置矢量记做方位维单元2，方位维单元2的位置矢量记做…、方位维单元M，方位维单元M的位置矢量记做其中M为正整数；经过上述处理后，二维观测场景被划分为K个单元格，观测场景单元格个数K＝N·M，K个单元格中包含M个方位维单元和N个距离维单元，M个方位维单元中的第i个方位维单元与N个距离维单元中的第l个距离维单元所确定的单元格的位置矢量记做i＝1,2,…,M，l＝1,2,…,N；将二维观测场景的散射系数表示为向量α＝[α1,…,αi,…,αM]T，其中αi为α的i个子向量，αi＝[αi，1，…,αi，l，…,αi,N]为方位维单元i的散射系数向量，α1为i＝1时αi值，αM为i＝M时αi值，αi,l为αi的第l个元素，αi，l表示单元格的电磁散射系数，αi，1为l＝1时αi,l值，αi，N为l＝N时αi,l值，i＝1,2,…,M，l＝1,2,…,N，(·)T为矩阵转 置；步骤2.2:将合成孔径雷达回波数据向量记做其中(·)T为矩阵转置，为慢时刻n接收到的回波数据向量，y1为n＝1时yn值，为n＝N1时yn值，yn,m为合成孔径雷达在慢时刻n，快时刻m接收到的回波数据，yn,1为m＝1时yn,m值，为m＝N2时yn,m值，慢时刻n＝1,2,…,N1，快时刻m＝1,2,…,N2，N1为方位维采样点数，N2为距离维采样点数；步骤2.3:构造线性测量矩阵为其中(·)T为矩阵转置，为Φ的第n个子矩阵，为n＝1时值，为n＝N1时值，慢时刻n＝1,2,…,N...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓玲，彭文杰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
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