一種基于slim算法的sar成像實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于圖像處理領(lǐng)域，涉及一種SAR成像實(shí)現(xiàn)方法，特別涉及運(yùn)用稀疏學(xué)習(xí) 迭代最小化（SLIM)算法的SAR成像實(shí)現(xiàn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 合成孔徑雷達(dá)（SAR)衛(wèi)星由于不受天氣、地理、時(shí)間等因素的限制，能夠?qū)崿F(xiàn)全天 時(shí)、全天候的對(duì)地觀測(cè)，且具有一定的穿透力，因而被廣泛的應(yīng)用于軍事偵察、地形測(cè)繪、資 源探測(cè)、海洋觀測(cè)、生態(tài)監(jiān)測(cè)、自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)、快速救援等方面。
[0003] 和光學(xué)雷達(dá)不同，SAR系統(tǒng)是通過(guò)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)，并接收地面目標(biāo)反射的回波 信號(hào)，來(lái)完成對(duì)地觀測(cè)。通過(guò)后續(xù)的成像處理獲得對(duì)應(yīng)的雷達(dá)圖像。因此，與光學(xué)雷達(dá)相 比，SAR系統(tǒng)多一個(gè)處理步驟，需要將二維回波數(shù)據(jù)通過(guò)一定的處理算法轉(zhuǎn)換成地面目標(biāo)的 后向散射系數(shù)圖。
[0004] 隨著SAR技術(shù)的發(fā)展，各種成像方法被不斷提出。目前常用的成像算法主要依 托于匹配濾波處理來(lái)展開(kāi)，典型的成像處理算法包括距離-多普勒（R-D)算法、Chirp Scaling(CS)算法、《K算法等等。
[0005] 1、距離-多普勒（R-D)算法
[0006] 距離-多普勒（R-D)算法通過(guò)距離和方位上的頻域操作，達(dá)到了高效的模塊化處 理要求，同時(shí)又具有一維操作的簡(jiǎn)便性。該算法根據(jù)距離和方位上的大尺度時(shí)間差異，在兩 個(gè)一維操作之間使用距離徙動(dòng)校正（RCMC)，對(duì)距離和方位進(jìn)行了近似的分離處理。
[0007] 2、ChirpScaling(CS)算法
[0008]CS成像處理算法是一種精確的成像算法，它通過(guò)頻域相位補(bǔ)償完成成像處理，是 一種具有良好相位保持特性的成像處理方法。CS算法從原始回波信號(hào)入手，精確推導(dǎo)回波 信號(hào)在距離-多普勒域的表達(dá)式，利用CS原理來(lái)完成不同距離門(mén)距離徙動(dòng)曲線的修正，通 過(guò)二維頻域內(nèi)的相位補(bǔ)償來(lái)完成距離徙動(dòng)校正、距離壓縮處理及二次距離脈壓，最后通過(guò) 在方位多普勒域內(nèi)補(bǔ)償方位相位和方位向傅立葉逆變換來(lái)獲得最終的成像處理結(jié)果
[0009] 3、《K算法
[0010] ?K算法是一種將電磁波傳播方式等效成地震波傳播方式而導(dǎo)出的一種合成孔徑 雷達(dá)成像算法。在算法的推導(dǎo)過(guò)程中沒(méi)有進(jìn)行任何近似，是一種優(yōu)秀的成像算法，具有很高 的成像處理精度。由于處理算法在進(jìn)行變量替換處理過(guò)程中需要采用插值處理，這不僅增 加了成像處理的運(yùn)算量，也影響成像處理的精度
[0011] 然而不管是距離-多普勒（R-D)算法、ChirpScaling算法還是《K算法，均是依 托于匹配濾波器來(lái)完成圖像聚焦。雖然能從回波信號(hào)中反演出場(chǎng)景目標(biāo)的散射系數(shù)，但是 具有較高的旁瓣。過(guò)高的旁瓣能量會(huì)淹沒(méi)圖像中的弱目標(biāo)，降低圖像質(zhì)量，進(jìn)而影響圖像判 讀。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明提出了一種基于SUM算法的SAR成像實(shí)現(xiàn)方法，該成像方法以SAR回波模 型為基礎(chǔ)，根據(jù)SAR雷達(dá)與地面場(chǎng)景目標(biāo)的空間幾何關(guān)系，建立SAR回波數(shù)據(jù)估計(jì)矩陣，并 通過(guò)SLIM算法進(jìn)行迭代計(jì)算，完成對(duì)SAR回波數(shù)據(jù)的成像處理，獲得地面目標(biāo)后向散射系 數(shù)的精細(xì)估計(jì)結(jié)果，并有效抑制旁瓣能量。
[0013] 一種基于SUM算法的SAR成像實(shí)現(xiàn)方法，包括以下幾個(gè)步驟：
[0014] 步驟一：讀入相關(guān)參數(shù)和回波數(shù)據(jù)，具體步驟又分為：
[0015] A、讀入成像參數(shù)，包括斜距參數(shù)、多普勒參數(shù)和雷達(dá)信號(hào)參數(shù)：參考斜距RMf、各個(gè) 距離門(mén)y的多普勒中心頻率fd，y、各個(gè)距離門(mén)y的多普勒調(diào)頻率f"、距離向調(diào)頻率心、波長(zhǎng) 入、信號(hào)采樣率fs、脈沖重復(fù)頻率fprf、脈沖持續(xù)時(shí)間L、雷達(dá)速度V、雷達(dá)照射中心時(shí)刻h、 天線方位向長(zhǎng)度La;
[0016] B、讀入SAR回波信號(hào)數(shù)據(jù)Echo和SAR回波大小XXY(表示Echo為一個(gè)X行Y列 的數(shù)據(jù)矩陣）；
[0017] 步驟二：根據(jù)SAR回波模型及相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出場(chǎng)景中每個(gè)點(diǎn)（x，y)在每個(gè)脈 沖發(fā)射時(shí)刻na的斜距Rx，y(na)、方位向包絡(luò)wa，x，y(na)和每個(gè)點(diǎn)（x，y)的零多普勒時(shí)刻 ，以及每個(gè)點(diǎn)（x，y)在每個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻na、每個(gè)距離向采樣時(shí)刻h的距離向包絡(luò) \x，y(na，\)，其中x表示目標(biāo)位于第x行（方位向），y表示目標(biāo)位于第y列（距離向）。
[0018] A、根據(jù)脈沖重復(fù)頻率fprt、雷達(dá)照射中心時(shí)刻h、信號(hào)采樣率fs、參考斜距RMf，計(jì) 算第a個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻na和第r個(gè)距離門(mén)采樣時(shí)刻T^
[0019] na= (a-X/2)/fprf+t〇,a= 1, ???,X(la)
[0020] tr= (r-Y/2)/fs+2Rref/c,r= 1, ???,Y(lb)
[0021] 其中，c為光速，取3X108m/s。
[0022] B、根據(jù)點(diǎn)（x，y)與場(chǎng)景中心位置點(diǎn)的關(guān)系以及脈沖重復(fù)頻率fprt、雷達(dá)照射中心 時(shí)刻h，計(jì)算出點(diǎn)（x，y)的零多普勒時(shí)刻nuy;
[0023] nc,x,y= (x-X/2)/fprf+t〇 (2)
[0024] C、根據(jù)點(diǎn)（x，y)與場(chǎng)景中心位置點(diǎn)的關(guān)系、參考斜距RMf、波長(zhǎng)A、信號(hào)采樣率fs、 其所在距離門(mén)y的多普勒中心頻率fd，#Pf"以及其零多普勒時(shí)刻n，計(jì)算出點(diǎn)（X，y) 在每個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻na的斜距Rx，y(na);
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于化IM算法的SAR成像實(shí)現(xiàn)方法，包括W下幾個(gè)步驟： 步驟一：讀入成像參數(shù)和回波信號(hào)數(shù)據(jù)，具體步驟為： A、 讀入成像參數(shù)，包括斜距參數(shù)、多普勒參數(shù)和雷達(dá)信號(hào)參數(shù)：參考斜距Ruf、各個(gè)距離 口y的多普勒中屯、頻率fd，y、各個(gè)距離口y的多普勒調(diào)頻率ft，y、距離向調(diào)頻率K,、波長(zhǎng)入、 信號(hào)采樣率fs、脈沖重復(fù)頻率fptf、脈沖持續(xù)時(shí)間Tf、雷達(dá)速度V、雷達(dá)照射中屯、時(shí)刻t。、天線 方位向長(zhǎng)度k; B、 讀入SAR回波信號(hào)數(shù)據(jù)Echo和SAR回波大小XXY; 步驟二：根據(jù)SAR回波模型及相關(guān)參數(shù)，計(jì)算出場(chǎng)景中每個(gè)點(diǎn)（x，y)在每個(gè)脈沖發(fā)射 時(shí)刻n。的斜距Rw(r〇、方位向包絡(luò)Wa，w(r〇和每個(gè)點(diǎn)（x，y)的零多普勒時(shí)刻n。，,，,， W及每個(gè)點(diǎn)（x，y)在每個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻n。、每個(gè)距離向采樣時(shí)刻Tf的距離向包絡(luò) Wf,WUTt)，其中X表示目標(biāo)位于第X行，y表示目標(biāo)位于第y列； 步驟建立回波數(shù)據(jù)估計(jì)矩陣A，并將回波數(shù)據(jù)列向量化，具體處理過(guò)程為： 八、根據(jù)距離向包絡(luò)巧。,"(11。)、方位向包絡(luò)巧^,,(11。，^、斜距馬,^(11。)、波長(zhǎng)人、距離 向調(diào)頻率Kf、距離采樣時(shí)刻Tt，計(jì)算估計(jì)矩陣A; 矩陣A為XYXXY的復(fù)數(shù)矩陣，矩陣A中的元素A(m，n)方法如下，其中m是行數(shù)，n是 列數(shù)： m=a+(r-l)X；K,a= 1,…，Xr= 1,…，Y巧a)n=x+b-l)X；K,X= 1,…，Xy= 1,…，Y巧b) A(m，n) =Wa，x，y(na)Wr，x，yUa，Tr) Xexp{-j4 31Rx,y(na) / 入}exp{j31Kr(Tr-2Rx，y(na)/c)2} (；6c) B、將回波數(shù)據(jù)Echo列向量化，變?yōu)閑cho; 回波數(shù)據(jù)Echo為XXY的數(shù)據(jù)矩陣，Echo(X,y)是其第X行、第y列的元素；echo是一 個(gè)XYX1的數(shù)據(jù)矩陣，echo(m)是其第m行的元素，貝U m =x+(y-l)XX,X= 1,…，Xy=1,…，Y (7a) echo (m) =Echo(x,y) (7b) 步驟四；根據(jù)估計(jì)矩陣A,運(yùn)用化IM估計(jì)算法，對(duì)列向量化后的回波數(shù)據(jù)echo進(jìn)行迭 代運(yùn)算直至收斂，輸出場(chǎng)景目標(biāo)的后向散射系數(shù)估計(jì)結(jié)果，最終得到SAR灰度圖像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于化IM算法的SAR成像實(shí)現(xiàn)方法，所述步驟二具體步 驟為： A、 根據(jù)脈沖重復(fù)頻率fprf、雷達(dá)照射中屯、時(shí)刻t。、信號(hào)采樣率fs、參考斜距Rref，計(jì)算第a 個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻n。和第r個(gè)距離口采樣時(shí)刻Tt; ria= (a-X/^/fprf+t〇,a= 1，...'X (la) T r= (r-Y/2)/fs+2Rref/c，r= 1，…，Y (lb) 其中，c為光速，取3Xl〇Vs; B、 根據(jù)點(diǎn)（x，y)與場(chǎng)景中屯、位置點(diǎn)的關(guān)系W及脈沖重復(fù)頻率fptf、雷達(dá)照射中屯、時(shí)刻 t。，計(jì)算出點(diǎn)（x，y)的零多普勒時(shí)刻 nc,x,y= (X-X/2)/fprf+t。 （2) c、根據(jù)點(diǎn)（x，y)與場(chǎng)景中屯、位置點(diǎn)的關(guān)系、參考斜距Ruf、波長(zhǎng)A、信號(hào)采樣率f；、其所 在距離口y的多普勒中屯、頻率fd,y和化及其零多普勒時(shí)刻n計(jì)算出點(diǎn)（X，y)在每 個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻n。的斜距Rw(ru);
D、 根據(jù)雷達(dá)速度Y、點(diǎn)（x，y)的零多普勒時(shí)刻ru"、其在每個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻n。的斜距 R"(r〇、波長(zhǎng)入、天線方位向長(zhǎng)度L。，計(jì)算出點(diǎn)（x，y)在每個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻ru的方位向包 絡(luò)Wa，x，yU。）；
其中，arcsinO為反正弦函數(shù)，sincQ表示sine函數(shù)； E、 根據(jù)點(diǎn)（x，y)在每個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻ru的斜距Rw(rU)、脈沖持續(xù)時(shí)間Tf，計(jì)算出點(diǎn) (x，y)在每個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻n。、每個(gè)距離采樣時(shí)刻Tf的距離向包絡(luò)Wu，y(ru，Tf);
巧） 0
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于化IM算法的SAR成像實(shí)現(xiàn)方法，所述步驟四具體步 驟為： A、 根據(jù)估計(jì)矩陣A和回波數(shù)據(jù)echo計(jì)算場(chǎng)景目標(biāo)的初始后向散射系數(shù)； 場(chǎng)景目標(biāo)的初始后向散射系數(shù)a為XYX1的復(fù)數(shù)矩陣，a。。加）是其第m行的元素， 則 曰C,0(m) =A(:,m)Hecho/[A(:,m)HA(:,m)] 巧） 其中A(:，m)是估計(jì)矩陣A第m列的所有元素，（?）《表示求共輛矩陣； B、 將上一次得到的場(chǎng)景目標(biāo)的后向散射系數(shù)a回波數(shù)據(jù)echo和估計(jì)矩陣A代入 化IM估計(jì)算法方程組，計(jì)算估算誤差值丫 1，若本次估算誤差與上一次迭代中計(jì)算得到誤差 值丫y之比大于0. 9,表明收斂，停止迭代；否則重復(fù)步驟B; 化IM估計(jì)算法方程組如下：
其中II?I L表示矩陣的二范數(shù)，diag{'}表示矩陣對(duì)角化，I為XYXXY的單位矩陣； 式巧a)中第二個(gè)方程的矩陣對(duì)角化具體過(guò)程如下：對(duì)角矩陣P為XYXXY的矩陣， P(m，n)是其第m行、第n列的元素，貝U m=x+b-l)X；K,X= 1,…，Xy= 1,…，Y 巧b) (9c) 先根據(jù)上一次得到的場(chǎng)景目標(biāo)的后向散射系數(shù)a估計(jì)矩陣A和列向量化后的回 波數(shù)據(jù)echo計(jì)算收斂值丫1，然后計(jì)算對(duì)角矩陣P，最后利用估計(jì)矩陣A、對(duì)角矩陣P、收斂 值丫 及列向量化后的回波數(shù)據(jù)echo計(jì)算場(chǎng)景目標(biāo)新的后向散射系數(shù)a如果收斂值 丫i不滿(mǎn)足要求，則重復(fù)W上步驟；如果收斂值丫i滿(mǎn)足要求，獲得場(chǎng)景目標(biāo)最終的后向散射 系數(shù)a。，則跳至步驟C; C、 將步驟B中得到的場(chǎng)景目標(biāo)的后向散射系數(shù)a。去列向量化，得到矩陣化的場(chǎng)景目 標(biāo)的后向散射系數(shù)aT; 步驟B中得到的場(chǎng)景目標(biāo)的后向散射系數(shù)a。為XYX1的復(fù)數(shù)矩陣，at(m)是其第m行的元素；矩陣化的場(chǎng)景目標(biāo)的后向散射系數(shù)〇T是一個(gè)XXY的復(fù)數(shù)矩陣，aT(x，y)是其 第X行、第y列的元素，貝U m=x+b-l)X；K,X= 1,…，Xy=1,…，Y(10a) 曰T(x，y)=曰c(m) (10b) D、 將步驟C中得到的場(chǎng)景目標(biāo)后向散射系數(shù)aT取絕對(duì)值，得到SAR圖像的灰度值矩 陣Qg，輸出SAR灰度圖像； SAR圖像灰度值矩陣Qg是一個(gè)XXY的實(shí)數(shù)矩陣，as(x，y)是其第X行、第y列的元 素，則 ag(x,y) =IaT(x,y)I (11) 其中I?I表示取絕對(duì)值。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于SLIM算法的SAR成像實(shí)現(xiàn)方法，包括步驟一：讀入相關(guān)參數(shù)和回波數(shù)據(jù)，步驟二：根據(jù)SAR回波模型，計(jì)算出場(chǎng)景中每個(gè)點(diǎn)在每個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻的斜距、方位向包絡(luò)和每個(gè)點(diǎn)的零多普勒時(shí)刻，以及每個(gè)點(diǎn)在每個(gè)脈沖發(fā)射時(shí)刻、每個(gè)距離向采樣時(shí)刻的距離向包絡(luò)，步驟三：建立SAR回波數(shù)據(jù)估計(jì)矩陣A，并將回波數(shù)據(jù)列向量化，步驟四：根據(jù)估計(jì)矩陣A，運(yùn)用SLIM估計(jì)算法，對(duì)列向量化后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代運(yùn)算直至收斂，輸出場(chǎng)景目標(biāo)RCS估計(jì)結(jié)果。本發(fā)明能夠獲得地面目標(biāo)后向散射系數(shù)的精確值，同時(shí)有效抑制旁瓣能量，提升SAR圖像質(zhì)量，便于SAR圖像的判讀及后續(xù)的進(jìn)一步應(yīng)用處理。
【IPC分類(lèi)】G01S13-90
【公開(kāi)號(hào)】CN104849713
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510244034
【發(fā)明人】王鵬波, 王家昆, 陳杰, 門(mén)志榮, 楊威
【申請(qǐng)人】北京航空航天大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年8月19日
【申請(qǐng)日】2015年5月13日