獲得稀疏微波成像相變圖的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種獲得稀疏微波成像相變圖的方法。該方法包括：步驟A：建立稀疏微波雷達(dá)成像模型；步驟B：接收給定的U組稀疏微波成像參數(shù)，其中，每一組稀疏微波成像參數(shù)包括：稀疏度ρ、降采樣比δ、信噪比SNR；步驟C：對(duì)于每一組稀疏微波成像參數(shù)，進(jìn)行L組重建實(shí)驗(yàn)，得到該組稀疏微波成像參數(shù)重建概率的統(tǒng)計(jì)值Pu(ρu，δu，SNRu)，u＝1、2、……、U；步驟D：由多組稀疏微波成像參數(shù)對(duì)應(yīng)的重建概率的統(tǒng)計(jì)值獲得相變圖，相變圖中坐標(biāo)為(ρu、δu、SNRu)的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值為Pu(ρu，δu，SNRu)，其中，u＝1、2、……、U。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)稀疏微波成像相變圖的快速計(jì)算。
【專(zhuān)利說(shuō)明】獲得稀疏微波成像相變圖的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種獲得稀疏微波成像相變圖的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微波成像是遙感對(duì)地觀測(cè)的一種重要的觀測(cè)手段，合成孔徑雷達(dá)(SAR)是微波成像中的一種主要的技術(shù)途徑。合成孔徑雷達(dá)被置于衛(wèi)星、飛機(jī)等相應(yīng)的平臺(tái)上，沿著平臺(tái)的航跡對(duì)地面不斷地發(fā)射和接受電磁波，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理以得到地面的高分辨率圖像。
[0003]稀疏信號(hào)處理是信號(hào)處理領(lǐng)域重要的研究方向，它致力于從原始信號(hào)中提取盡可能少的觀測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)最大限度地保留原始信號(hào)中所含信息，以對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行有效的逼近和恢復(fù)。
[0004]壓縮感知方法(Compressed Sensing,簡(jiǎn)稱CS)是一種重要的稀疏信號(hào)處理技術(shù)，它利用信號(hào)本身或者是通過(guò)某種變換后可稀疏表示或可壓縮的性質(zhì)，通過(guò)較少的觀測(cè)數(shù)據(jù)，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的準(zhǔn)確或者近似地重構(gòu)。
[0005]稀疏微波成像是將稀疏信號(hào)處理理論引入微波成像領(lǐng)域并將二者有機(jī)結(jié)合形成的微波成像的新理論、新體制和新方法。通過(guò)尋找被觀測(cè)對(duì)象的稀疏表征域，在空間、時(shí)間、頻譜或極化域稀疏采樣獲取被觀測(cè)對(duì)象的稀疏微波信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理和信息提取，獲取被觀測(cè)對(duì)象的空間位置、散射特征和運(yùn)動(dòng)特性等幾何與物理特征。和傳統(tǒng)的SAR相比，稀疏微波成像系統(tǒng)在降低數(shù)據(jù)率、降低系統(tǒng)復(fù)雜度并提升系統(tǒng)成像性能等方面有著潛在的優(yōu)勢(shì)，也是近年來(lái)微波成像理論界一個(gè)研究前沿與熱點(diǎn)。
[0006]相變圖是稀疏微波成像中衡量稀疏目標(biāo)場(chǎng)景能否重建的一種重要的評(píng)估方法，它最早應(yīng)用于物理和材料科學(xué)中表征物質(zhì)不同的相(如水的固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)就是水的三個(gè)相)以及每一個(gè)相存在的條件。2006年，Donoho將相變圖用于壓縮感知領(lǐng)域。在壓縮感知領(lǐng)域中，相變圖是一種能夠表征信號(hào)能否重建的圖表。
[0007]判斷對(duì)目標(biāo)場(chǎng)景是否進(jìn)行了準(zhǔn)確重建是稀疏微波成像領(lǐng)域的一個(gè)重要的方面，相變圖可以作為能否重建的評(píng)估方法。稀疏微波成像系統(tǒng)的性能主要由稀疏度、降采樣比和信噪比三個(gè)參數(shù)所影響，將上述三個(gè)參數(shù)中的任意兩個(gè)作為坐標(biāo)軸，以一定的重建準(zhǔn)則來(lái)判定信號(hào)是否重建，得到信號(hào)的重建概率誤差圖，即相變圖。
[0008]傳統(tǒng)的基于相變圖的判定稀疏目標(biāo)場(chǎng)景能否重建的準(zhǔn)則有均方誤差(MSE)、相對(duì)均方誤差(RMSE)、發(fā)現(xiàn)概率、虛警率和漏警率等。這些評(píng)估準(zhǔn)則的前提都是要對(duì)稀疏目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行迭代重建之后再進(jìn)行判別?？紤]到每組稀疏度、降采樣比和信噪比參數(shù)需要進(jìn)行多次測(cè)量以得到這組參數(shù)的重建概率，這使得要得到相變圖需要海量的計(jì)算，計(jì)算速度比較慢，為稀疏微波成像系統(tǒng)的評(píng)估帶來(lái)了不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009](一 )要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0010]鑒于上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種獲得稀疏微波成像相變圖的方法，以實(shí)現(xiàn)稀疏微波成像相變圖的快速計(jì)算。
[0011](二)技術(shù)方案
[0012]本發(fā)明獲得稀疏微波成像相變圖的方法包括:步驟A:建立稀疏微波雷達(dá)成像模型；步驟B:接收給定的U組稀疏微波成像參數(shù)，其中，每一組稀疏微波成像參數(shù)包括:稀疏度P、降采樣比S、信噪比SNR ;步驟C:對(duì)于每一組稀疏微波成像參數(shù)，進(jìn)行L組重建實(shí)驗(yàn)，得到該組稀疏微波成像參數(shù)重建概率的統(tǒng)計(jì)值Pu( P u，S u，SNRu)，u = 1、2、……、U ;步驟D:由多組稀疏微波成像參數(shù)對(duì)應(yīng)的重建概率的統(tǒng)計(jì)值獲得相變圖，相變圖中坐標(biāo)為(Pu、δ u> SNRu)的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值為PU(PU，Su，SNRU)，其中，u = 1、2、……、U。
[0013](三)有益效果
[0014]本發(fā)明獲得稀疏微波成像相變圖的方法中，在稀疏微波成像中，本發(fā)明不需要再對(duì)整個(gè)稀疏目標(biāo)場(chǎng)景通過(guò)迭代得到其重建結(jié)果之后再判定重建的成功與否，只需要通過(guò)已知的觀測(cè)矩陣、噪聲分布等先驗(yàn)知識(shí)對(duì)稀疏目標(biāo)場(chǎng)景的支撐集處的值通過(guò)一步迭代進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算得到的結(jié)果與稀疏目標(biāo)場(chǎng)景的支撐集處的值進(jìn)行比較，若二者符號(hào)一致且重建的支撐集處的值與支撐集的補(bǔ)集(稀疏場(chǎng)景中零點(diǎn)組成的集合)的不可表征值小于一個(gè)設(shè)定的閾值，則認(rèn)為稀疏目標(biāo)場(chǎng)景被恢復(fù)。這很大程度上降低了計(jì)算的復(fù)雜度，并且較大幅度地縮短了計(jì)算得到相變圖的時(shí)間，進(jìn)而縮短了對(duì)稀疏微波成像中稀疏目標(biāo)場(chǎng)景能否重建的判斷時(shí)間。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例獲得稀疏微波成像相變圖的方法的流程圖；
[0016]圖2A和圖2B分別為稀疏度為3%和5%時(shí)，信噪比一降采樣比相變圖；
[0017]圖3A和圖3B分別為降采樣比為50%和60%時(shí)，信噪比一稀疏度相變圖；
[0018]圖4A和圖4B分別為信噪比為25dB和30dB時(shí)，稀疏度一降采樣比相變圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號(hào)。附圖中未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，為所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中普通技術(shù)人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數(shù)的示范，但應(yīng)了解，參數(shù)無(wú)需確切等于相應(yīng)的值，而是可在可接受的誤差容限或設(shè)計(jì)約束內(nèi)近似于相應(yīng)的值。實(shí)施例中提到的方向用語(yǔ)，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語(yǔ)是用來(lái)說(shuō)明并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020]本發(fā)明只需要通過(guò)已知的觀測(cè)矩陣、噪聲分布等先驗(yàn)知識(shí)對(duì)稀疏目標(biāo)場(chǎng)景的支撐集處的值通過(guò)一步迭代進(jìn)行計(jì)算，然后將計(jì)算得到的結(jié)果與稀疏目標(biāo)場(chǎng)景的支撐集處的值進(jìn)行比較，若二者符號(hào)一致且重建的支撐集處的值與支撐集的補(bǔ)集的不可表征值小于一個(gè)設(shè)定的閾值，則認(rèn)為稀疏目標(biāo)場(chǎng)景被恢復(fù)。
[0021]在本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例中，提供了一種獲得稀疏微波成像相變圖的方法。圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例獲得稀疏微波成像相變圖方法的流程圖。如圖1所示，本實(shí)施例獲得稀疏微波成像相變圖的方法包括:[0022]步驟A:建立稀疏微波雷達(dá)成像模型:
[0023]Y = φ.X0+ff (I)
[0024]其中，Y e CMX1，表示所接收的回波采樣數(shù)據(jù)；Φ e Cmxn，表示稀疏微波成像觀測(cè)矩陣A e CNX1，表示稀疏目標(biāo)場(chǎng)景；W e CMX1，表示均值為零，方差為σ 2的系統(tǒng)觀測(cè)噪聲。N表示稀疏目標(biāo)場(chǎng)景的大小，M表示觀測(cè)值的數(shù)目，M < N。Xtl和W均為已知的。
[0025]該模型可以由以下三個(gè)公式推導(dǎo)出來(lái)
[0026]稀疏微波成像可以表示為如下的形式: [0027]Y = Θ.H.Ψ.a +W (2)
[0028]其中，Θ表示稀疏矩陣；Η為雷達(dá)觀測(cè)矩陣；Ψ為變換矩陣；α為散射系數(shù)。
[0029]定義稀疏微波成像觀測(cè)矩陣Φ為:
[0030]φ = Θ.H (3)
[0031]其中’巾^外辦…辦^且奶^^^^表示稀疏微波成像觀測(cè)矩陣φ的列向量，i e {1，...，N}。
[0032]定義稀疏目標(biāo)場(chǎng)景X。為:
[0033]X0 = Ψ.α (4)
[0034]將公式3、4代入公式(2)中可以推出公式⑴中的模型。
[0035]步驟B:接收給定的U組稀疏微波成像參數(shù)，其中，每一組稀疏微波成像參數(shù)包括:
【權(quán)利要求】
1.一種獲得稀疏微波成像相變圖的方法，其特征在于，包括: 步驟A:建立稀疏微波雷達(dá)成像模型； 步驟B:接收給定的U組稀疏微波成像參數(shù)，其中，每一組稀疏微波成像參數(shù)包括:稀疏度P、降采樣比δ、信噪比SNR; 步驟C:對(duì)于每一組稀疏微波成像參數(shù)，進(jìn)行L組重建實(shí)驗(yàn)，得到該組稀疏微波成像參數(shù)重建概率的統(tǒng)計(jì)值Pu(P u，Su，SNRu),其中，u = 1、2、……、U: 步驟D:由多組稀疏微波成像參數(shù)對(duì)應(yīng)的重建概率的統(tǒng)計(jì)值獲得相變圖，相變圖中坐標(biāo)為(pu、δ u> SNRu)的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的值為PU(PU，Su，SNRU)，其中，u = 1、2、……、U。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟A中，稀疏微波雷達(dá)成像模型如下:
Y = Φ.X0+ff ； 其中，Y e CMX1，表示所接收的回波采樣數(shù)據(jù)；Φ e Cmxn，表示稀疏微波成像觀測(cè)矩陣；X0 e CNX1，表示稀疏目標(biāo)場(chǎng)景；W e CMX1，表示均值為零，方差為σ 2的系統(tǒng)觀測(cè)噪聲，N表示稀疏目標(biāo)場(chǎng)景的大小，M表示觀測(cè)值的數(shù)目。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述步驟B的稀疏微波成像參數(shù)中，

I/.稀疏度IP = '
N 降采樣比'δ = ^ '
N 信噪比:驗(yàn)mm(abs(X〖)⑴));

σ' 其中，K表示稀疏目標(biāo)場(chǎng)景Xtl中的目標(biāo)數(shù)目，即Xtl中有K個(gè)非零元素，X0⑴表示稀疏目標(biāo)場(chǎng)景Xtl在支撐集I處的值，支撐集I表征了稀疏目標(biāo)場(chǎng)景X中非零點(diǎn)的位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟C中，對(duì)于第u組稀疏微波成像參數(shù)，按照以下公式得到重建誤差概率的統(tǒng)計(jì)值Ρ( P，δ , SNR):

Σ 人"(/) PiXpii^snr,,)=^- 其中，Lu(I)表示對(duì)第u組稀疏微波成像參數(shù)進(jìn)行第I組重建的重建結(jié)果。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟C中，對(duì)于給定的第u組稀疏微波成像參數(shù)-P U、S U、 SNRu,對(duì)其進(jìn)行第1次重建實(shí)驗(yàn)，得到重建結(jié)果具體包括: 子步驟Cl:構(gòu)建滿采樣矩陣TNXN，該滿采樣矩陣Tnxn中每個(gè)元素的值由成像幾何、稀疏度P u、信噪比SNRu決定； 子步驟C2，由稀疏目標(biāo)場(chǎng)景大小N和降采樣比δ u確定觀測(cè)值數(shù)目Μ，從滿采樣矩陣Tnxn中隨機(jī)取M行，組成稀疏微波成像矩陣Φ: 子步驟C3:根據(jù)稀疏微波雷達(dá)成像模型，利用稀疏微波成像觀測(cè)矩陣Φ按照下式對(duì)稀疏目標(biāo)場(chǎng)景支撐集處的值X*進(jìn)行重建: A = ΚΦ,)+ 其中，I表示對(duì)于稀疏目標(biāo)場(chǎng)景Xtl的支撐集I (Xtl)的約束，(^是稀疏目標(biāo)場(chǎng)景\的支撐集I(Xtl)對(duì)應(yīng)觀測(cè)矩陣Φ的列組成的子矩陣，Φ-表示共軛轉(zhuǎn)置；Y表示設(shè)定的不可表征的閾值，T/4 ^ y ^ T/3，T為稀疏觀測(cè)目標(biāo)場(chǎng)景中非零點(diǎn)的絕對(duì)值的最小值φ Jl(J)^tJMoore-Penrose pseudo-1nverse 定義為:
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述步驟B中: 當(dāng)欲獲取的所述稀疏微波成像相變圖為三維相變圖時(shí)，所述稀疏度P、降采樣比δ、信噪比SNR均進(jìn)行變化；或 當(dāng)欲獲取的所述稀疏微波成像相變圖為二維相變圖時(shí)，所述稀疏度P、降采樣比δ、信噪比SNR三個(gè)參數(shù)中其中之一不變，另外兩參數(shù)變化。
【文檔編號(hào)】G01S7/41GK103983960SQ201410225128
【公開(kāi)日】2014年8月13日 申請(qǐng)日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】趙曜, 畢輝, 張冰塵 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所