基于稀疏測(cè)量的綜合孔徑輻射計(jì)遙感成像的方法和系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及遙感成像，并且更具體設(shè)及基于稀疏測(cè)量的綜合孔徑福射計(jì)遙感成像 的方法和系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 微波福射計(jì)是一種用于測(cè)量物體微波熱福射的高靈敏度接收機(jī)，不發(fā)射任何信 號(hào)，只是被動(dòng)接收物體所發(fā)射的自然福射信號(hào)，具有體積小、功耗省、成本低的優(yōu)勢(shì)。微波福 射計(jì)作為一種重要的遙感工具，采用飛機(jī)或衛(wèi)星等平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離對(duì)地觀測(cè)。
[0003] 實(shí)孔徑福射計(jì)研究歷史較長(zhǎng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，但天線孔徑 受限于目前的加工制造水平，同時(shí)對(duì)于加工精度也提出了嚴(yán)格要求，其表面粗趟度須遠(yuǎn)小 于工作波長(zhǎng)，對(duì)于毫米及亞毫米W上波段而言，精度要求達(dá)到數(shù)十y m級(jí)別，加工難度非常 大。另外，實(shí)孔徑天線具有很窄的主波束，每次只能完成單點(diǎn)測(cè)量，需要較長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械掃 描才能成像。
[0004] 綜合孔徑福射計(jì)較新穎，采用陣列干設(shè)測(cè)量成像，利用大稀疏比、散布的陣列天線 單元替代原有的大孔徑天線，天線單元加工簡(jiǎn)單，還具有無(wú)需掃描即可瞬時(shí)成像的優(yōu)勢(shì)，但 是陣列成像方式也使得系統(tǒng)組件數(shù)量眾多，在系統(tǒng)復(fù)雜度與處理數(shù)據(jù)量等諸多方面存在著 嚴(yán)峻的壓力，很多問(wèn)題需要深入的研究。
[0005] 綜合孔徑福射計(jì)采用陣列干設(shè)測(cè)量，利用稀疏天線陣列和復(fù)相關(guān)接收，將陣列的 單元天線成對(duì)組成許多具有不同基線的二元干設(shè)儀，測(cè)量空間頻率域的可見(jiàn)度函數(shù)采樣值 (下文簡(jiǎn)稱為可見(jiàn)度函數(shù)），然后通過(guò)校正和反演算法得到場(chǎng)景亮溫圖像。附圖1為其系統(tǒng) 工作流程示意圖，首先稀疏天線陣列接收?qǐng)鼍暗臒岣Ｉ湫盘?hào)，經(jīng)過(guò)接收通道混頻、放大等處 理后進(jìn)行AD (I/Q兩路）采樣，然后任意兩路數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)相關(guān)處理，通過(guò)誤差校正完成對(duì)各 項(xiàng)系統(tǒng)誤差的校正處理，最后利用傅里葉變換等方法進(jìn)行反演計(jì)算，得到場(chǎng)景亮溫分布圖 像。可見(jiàn)度函數(shù)是干設(shè)測(cè)量的輸出，其為兩路信號(hào)復(fù)相關(guān)的結(jié)果，只與兩路接收天線的相對(duì) 位置有關(guān)，采用基線來(lái)描述該些相對(duì)位置。綜合孔徑要求可見(jiàn)度函數(shù)具有完整的覆蓋，即要 求基線必須是完整連續(xù)的。
[0006] 高精度的遙感成像應(yīng)用對(duì)分辨率與測(cè)量靈敏度都提出了較高的要求，前者需采用 較大天線陣列規(guī)模，后者則要求大系統(tǒng)帶寬、長(zhǎng)積分時(shí)間，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的瓶頸制 約：
[0007] ①系統(tǒng)復(fù)雜度急劇上升。通道及AD等器件數(shù)量與天線數(shù)量相等，復(fù)相關(guān)器數(shù)量 則與其成平方關(guān)系，天線數(shù)量增加時(shí)，系統(tǒng)組件規(guī)模會(huì)大幅增長(zhǎng)，系統(tǒng)復(fù)雜度急劇上升，使 得誤差校正等處理環(huán)節(jié)變得更為困難。當(dāng)天線個(gè)數(shù)為N時(shí)，通道個(gè)數(shù)為N，AD器件個(gè)數(shù)為 2N(I、Q采樣），相關(guān)器個(gè)數(shù)達(dá)到NX (N-1)。
[000引②處理數(shù)據(jù)海量增長(zhǎng)。復(fù)相關(guān)處理的數(shù)據(jù)量，一方面與天線數(shù)量成平方關(guān)系，另一 方面與系統(tǒng)帶寬、積分時(shí)間成正比關(guān)系，整體數(shù)據(jù)量會(huì)呈現(xiàn)出海量規(guī)模，所有數(shù)據(jù)處理必須 在一個(gè)成像周期內(nèi)完成，數(shù)據(jù)處理壓力非常大。當(dāng)天線個(gè)數(shù)為N、系統(tǒng)帶寬為B、積分時(shí)間為 T時(shí)，整體數(shù)據(jù)量達(dá)到NX (N-1) XB T。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的，在于有效降低綜合孔徑福射計(jì)的系統(tǒng)復(fù)雜度與處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)微 波遙感應(yīng)用所要求的分辨率與靈敏度，推動(dòng)綜合孔徑福射計(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。
[0010] 為達(dá)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于稀疏測(cè)量的綜合孔徑福射計(jì)遙感成像的方 法，其特征在于，包括W下步驟：
[0011] 建立稀疏變換基庫(kù)，該稀疏變換基庫(kù)包括多個(gè)基函數(shù)，根據(jù)該稀疏變換基庫(kù)對(duì)原 始微波福射場(chǎng)分布進(jìn)行稀疏表示；
[0012] 對(duì)綜合孔徑微波福射計(jì)的基線進(jìn)行測(cè)量權(quán)重建模并壓縮抽取，得到抽取的基線； W及
[0013] 根據(jù)原始微波福射場(chǎng)分布的稀疏表示及抽取的基線，使用基于稀疏重構(gòu)的圖像反 演方法來(lái)得到場(chǎng)景亮溫分布圖像。
[0014] 本發(fā)明所述的方法中，步驟"對(duì)原始微波福射場(chǎng)分布進(jìn)行稀疏表示"進(jìn)一步包括： 利用稀疏變換基庫(kù)中的多個(gè)正交變換基來(lái)構(gòu)造非相干的冗余字典，再通過(guò)該冗余字典來(lái)實(shí) 現(xiàn)稀疏表示。
[0015] 本發(fā)明所述的方法中，步驟"對(duì)綜合孔徑微波福射計(jì)的基線進(jìn)行測(cè)量權(quán)重建模并 壓縮抽取"進(jìn)一步包括：
[0016] 將完整基線從小到大分割成預(yù)定數(shù)目的分段；W及
[0017] 按照預(yù)定抽取比重對(duì)所述預(yù)定數(shù)目的分段均勻隨機(jī)抽取基線。
[0018] 本發(fā)明所述的方法中，所述預(yù)定數(shù)目是=，并且所述預(yù)定抽取比重是3:1:2,所抽 取的基線的數(shù)量保持在原有完整基線40% -60%。
[0019] 本發(fā)明所述的方法中，步驟"使用基于稀疏重構(gòu)的圖像反演方法來(lái)得到場(chǎng)景亮溫 分布圖像"具體為采用迭代闊值算法逐行進(jìn)行稀疏重構(gòu)反演，并根據(jù)微波熱福射的噪聲分 布模型確定迭代闊值算法中的迭代闊值口限。
[0020] 本發(fā)明所述的方法中，基于稀疏重構(gòu)圖像來(lái)獲取反演圖像進(jìn)一步包括：利用測(cè)量 過(guò)程的統(tǒng)計(jì)噪聲模型來(lái)設(shè)定迭代闊值口限；利用所有相關(guān)器數(shù)據(jù)進(jìn)行平均，W便消除由于 AD采樣器件、通道等組件不一致帶來(lái)的誤差。
[002U 本發(fā)明所述的方法中，利用長(zhǎng)時(shí)間積分來(lái)增加采樣樣本數(shù)量，使得時(shí)間統(tǒng)計(jì)噪聲 更加接近于理論的統(tǒng)計(jì)值。
[0022] 本發(fā)明還提供了一種基于稀疏測(cè)量的綜合孔徑福射計(jì)遙感成像的系統(tǒng)，包括：
[0023] 稀疏表示模塊，用于建立稀疏變換基庫(kù)，該稀疏變換基庫(kù)包括多個(gè)基函數(shù)，根據(jù)該 稀疏變換基庫(kù)對(duì)原始微波福射場(chǎng)分布進(jìn)行稀疏表示；
[0024] 基線模塊，用于對(duì)綜合孔徑微波福射計(jì)的基線進(jìn)行測(cè)量權(quán)重建模并壓縮抽取，得 到抽取的基線W及
[0025] 圖像反演模塊，用于根據(jù)原始微波福射場(chǎng)分布的稀疏表示及抽取的基線，使用基 于稀疏重構(gòu)的圖像反演方法來(lái)得到場(chǎng)景亮溫分布圖像。
[0026] 本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述稀疏表示模塊具體用于利用稀疏變換基庫(kù)中的多個(gè)正 交變換基來(lái)構(gòu)造非相干的冗余字典，再通過(guò)該冗余字典來(lái)實(shí)現(xiàn)稀疏表示。
[0027] 本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述基線模塊具體用于將完整基線從小到大分割成預(yù)定數(shù) 目的分段；W及按照預(yù)定抽取比重對(duì)所述預(yù)定數(shù)目的分段均勻隨機(jī)抽取基線。
[002引本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述預(yù)定數(shù)目是=，并且所述預(yù)定抽取比重是3:1:2,所抽 取的基線的數(shù)量保持在原有完整基線40% -60%。
[0029] 本發(fā)明所述的系統(tǒng)中，所述圖像反演模塊具體用于；采用迭代闊值算法逐行進(jìn)行 稀疏重構(gòu)反演，并根據(jù)微波熱福射的噪聲分布模型確定迭代闊值算法中的迭代闊值口限。
[0030] 本發(fā)明的有益效果；綜合孔徑福射計(jì)采用干設(shè)被動(dòng)測(cè)量物體的熱福射信號(hào)，具有 較好的安全性與隱蔽性。采用稀疏測(cè)量方式成像，綜合孔徑福射計(jì)系統(tǒng)所需的基線數(shù)量大 幅下降，與之對(duì)應(yīng)的相關(guān)器等系統(tǒng)組件數(shù)量也隨之下降，帶來(lái)的是天線與通道的數(shù)量也有 一定程度下降，使得綜合孔徑福射計(jì)的系統(tǒng)復(fù)雜度與處理數(shù)據(jù)量大幅降低。本發(fā)明將為推 動(dòng)綜合孔徑福射計(jì)系統(tǒng)的實(shí)用化提供良好的理論支撐
【附圖說(shuō)明】
[0031] 附圖圖示了本發(fā)明的實(shí)施例，并與說(shuō)明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。在附圖 中：
[0032] 圖1是現(xiàn)有綜合孔徑福射計(jì)系統(tǒng)工作流程示意圖；
[0033] 圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于稀疏測(cè)量的綜合孔徑福射計(jì)遙感成像的系統(tǒng)的 示意圖；
[0034] 圖3是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于稀疏測(cè)量的綜合孔徑福射計(jì)遙感成像的方法的 流程圖；W及
[0035] 圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的稀疏測(cè)量方法反演二維復(fù)雜場(chǎng)景效果的視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036] 根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例公開了一種基于稀疏測(cè)量的綜合孔徑福射計(jì)遙感成像的方 法和系統(tǒng)。在W下描述中，為了說(shuō)明的目的，闡述了多個(gè)具體細(xì)節(jié)W提供對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例 的全面理解。然而，對(duì)于本領(lǐng)域人員顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明的實(shí)施例可W在沒(méi)有該些具體細(xì) 節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)。
[0037] 本發(fā)明提出基于稀疏測(cè)量的綜合孔徑成像的技術(shù)方案。在采用綜合孔徑微波福射 計(jì)作為探測(cè)系統(tǒng)時(shí)，綜合孔徑微波福射計(jì)需要在短時(shí)間內(nèi)提供場(chǎng)景的福射亮溫分布。由綜 合孔徑微波福射計(jì)的成像基本原理可知該是利用系統(tǒng)獲得的場(chǎng)景福射亮溫的空間頻率信 息（可見(jiàn)度函數(shù)）通過(guò)反演得到場(chǎng)景的福射亮溫分布。
[003引本發(fā)明的技術(shù)方案對(duì)傳統(tǒng)綜合孔徑福射計(jì)成像所需的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，涵蓋= 個(gè)方面的內(nèi)容；首先解決場(chǎng)景亮溫分布的稀疏表示，然后利用較少基線完成稀疏的干設(shè)測(cè) 量過(guò)程，得到遠(yuǎn)小于常規(guī)方式的可見(jiàn)度函數(shù)采樣值，最后使用基于稀疏重構(gòu)的圖像反演方 法來(lái)得到場(chǎng)景亮溫分布圖像，可W有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度與處理數(shù)據(jù)量，推動(dòng)綜合孔徑福射 計(jì)陣列成像技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
[0039] 圖2是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于稀疏測(cè)量的綜合孔徑福射計(jì)遙感成像的系統(tǒng)200 的示意圖。該系統(tǒng)200包括稀疏表示模塊202、基線模塊204、圖像反演模塊206。
[0040] 稀疏表示模塊202用于建立稀疏變換基庫(kù)，具體地，將微波福射場(chǎng)景亮溫分布的 信號(hào)在已知的矢量集上進(jìn)行分解，然后在變換域上用盡量少的基函數(shù)來(lái)準(zhǔn)確地表達(dá)微波福 射場(chǎng)景亮溫分布的信號(hào)。利用所得到的稀疏信號(hào)通過(guò)一組線性測(cè)量值可W重建得到原始微 波福射場(chǎng)景亮溫分布的信號(hào)。
[004。 微妮猛射場(chǎng)景亮溫分巧的稀疏表示
[0042] 原始信號(hào)的稀疏表示是壓縮傳感理論的先驗(yàn)條件。一般都是采用稀疏變換來(lái)實(shí)現(xiàn) 稀疏表示，該些變換所使用的基函數(shù)通常都是標(biāo)準(zhǔn)正交的。例如，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，稀 疏表示模塊202采用公式
[0043] T = <pa (1)
[0044] 進(jìn)行變換，即可得到稀疏表示系數(shù)。T為場(chǎng)景亮溫分布向量，9為正交變換矩陣，a 為稀疏表示系數(shù)。
[0045] 此外，由于微波福射場(chǎng)景亮溫分布多樣性的特點(diǎn)，單一正交變換基很難廣泛適用， 在此稀疏表示模塊202使用利用多個(gè)正交變換基來(lái)構(gòu)造超完備的冗余字典。冗余字典的大 小要盡可能小?；鶐?kù)所包含的元素越多，重構(gòu)