基于l_q 正則化的偏置相位中心天線成像方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于lq正則化的偏置相位中心天線成像方法，其構(gòu)建了偏置相位中心天線成像雷達(dá)的特性矩陣和重建矩陣，依據(jù)成像要求，選擇lq正則化模型及其對(duì)應(yīng)的閾值函數(shù)；基于成像雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)及其特性矩陣和重建矩陣，得到DPCA數(shù)據(jù)處理算子；將該算子引入到迭代閾值運(yùn)算過(guò)程中，計(jì)算出觀測(cè)場(chǎng)景的后向散射系數(shù)矩陣。本發(fā)明能夠利用由非均勻采樣獲取的偏置相位中心回波數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)景的無(wú)模糊雷達(dá)成像；在完成對(duì)大空間尺度觀測(cè)場(chǎng)景的高分辨率成像工作時(shí)，相比由矩陣?向量乘法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的稀疏微波成像算法，花費(fèi)的時(shí)間更短、占用的資源更少；能夠有效地抑制因方位向非均勻采樣產(chǎn)生的雜波干擾，同時(shí)，對(duì)回波數(shù)據(jù)中的加性噪聲具有較強(qiáng)的健壯性。
【專利說(shuō)明】
基于Iq正則化的偏置相位中心天線成像方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及稀疏微波成像技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于l<〇H則化的偏置相位中心 天線成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，微波遙感在工程中的實(shí)際應(yīng)用對(duì)現(xiàn)代成像雷達(dá)系 統(tǒng)的性能要求越來(lái)越高。作為一種能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率、寬測(cè)繪帶微波成像的有效方法，偏置 相位中心天線(Displaced Phase CenterAntenna，DPCA)技術(shù)在高性能合成孔徑雷達(dá)成像 領(lǐng)域獲得了廣泛使用。為了獲得最優(yōu)的成像性能，偏置相位中心天線成像雷達(dá)系統(tǒng)通常需 要滿足在方位向上符合奈奎斯特采樣定理要求的均勻采樣條件，即運(yùn)載平臺(tái)在雷達(dá)系統(tǒng)發(fā) 射相鄰信號(hào)脈沖的時(shí)間間隔內(nèi)，它移動(dòng)的距離等于天線沿順軌方向總長(zhǎng)度的一半?？墒?，對(duì) 于某些特定入射角度下的觀測(cè)約束，根據(jù)上述條件求得的脈沖重復(fù)頻率（Pulse Repetition Frequency，PRF)很可能不符合斑馬圖的要求，由此便會(huì)導(dǎo)致在合成孔徑時(shí)間 內(nèi)對(duì)方位向接收信號(hào)進(jìn)行非均勻采樣，致使一些經(jīng)典的合成孔徑雷達(dá)成像算法(例如:距離 多普勒成像算法)無(wú)法直接應(yīng)用于上述回波數(shù)據(jù)的成像處理。
[0003] 目前，解決該問(wèn)題的方法主要分為兩種，即基于重建濾波器組的多普勒頻譜重建 方法，以及基于壓縮感知的偏置相位中心天線成像方法?；谥亟V波器組的多普勒頻譜 重建方法將偏置相位中心天線成像雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程近似地看成由單站合成孔徑 雷達(dá)系統(tǒng)接收的回波信號(hào)經(jīng)過(guò)一組線性濾波器處理后獲取的數(shù)據(jù)。當(dāng)回波數(shù)據(jù)在方位向上 滿足廣義的香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理時(shí)，完整的無(wú)混疊多普勒頻譜便可以利用由上述線性 濾波器組所決定的權(quán)值函數(shù)，處理每個(gè)接收通道的回波數(shù)據(jù)來(lái)重建獲得。但是，當(dāng)回波數(shù)據(jù) 中存在加性噪聲時(shí)，方位向的非均勻采樣會(huì)導(dǎo)致重建的雷達(dá)圖像中出現(xiàn)大量的雜波干擾， 給圖像的解譯工作帶來(lái)極大的困難。而基于壓縮感知的偏置相位中心天線成像方法則是根 據(jù)成像雷達(dá)系統(tǒng)接收的回波數(shù)據(jù)與觀測(cè)場(chǎng)景的后向散射系數(shù)之間的時(shí)域關(guān)系，來(lái)構(gòu)建精確 的雷達(dá)觀測(cè)模型。然后，利用稀疏重建算法對(duì)該模型進(jìn)行求解，便可獲得觀測(cè)場(chǎng)景的無(wú)模糊 雷達(dá)圖像。但是，當(dāng)所要重建的觀測(cè)場(chǎng)景空間維度較大時(shí)，因包含觀測(cè)矩陣的矩陣-向量乘 法運(yùn)算所產(chǎn)生的龐大計(jì)算量與內(nèi)存損耗會(huì)使現(xiàn)有的數(shù)據(jù)處理器難以承受，從而限制了基于 壓縮感知的偏置相位中心天線成像方法在高性能合成孔徑雷達(dá)成像領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一)要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種基于l<〇H則化的偏置相位中心天線成 像方法。
[0006] (二)技術(shù)方案
[0007] 本發(fā)明提供了一種基于l<〇H則化的偏置相位中心天線成像方法，包括:步驟A:根 據(jù)偏置相位中心天線成像雷達(dá)觀測(cè)模型的二次相位近似，基于成像雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)，得到成 像雷達(dá)的特性矩陣和重建矩陣;步驟B:選擇lq正則化模型及其對(duì)應(yīng)的閾值函數(shù);步驟C:基 于成像雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)以及特性矩陣和重建矩陣，得到DPCA數(shù)據(jù)處理算子；以及步驟D:基 于成像雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)和DPCA數(shù)據(jù)處理算子，利用l<〇H則化模型的閾值函數(shù)進(jìn)行迭代閾值 運(yùn)算，得到觀測(cè)場(chǎng)景的后向散射系數(shù)矩陣。
[0008] (三)有益效果
[0009] 從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的基于l<〇H則化的偏置相位中心天線成像方法 具有以下有益效果：
[0010] (1)當(dāng)偏置相位中心天線成像雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率不滿足在方位向上的均勻采樣 條件時(shí)，本發(fā)明能夠利用由非均勻采樣獲取的偏置相位中心回波數(shù)據(jù)，重建無(wú)混疊的多普 勒頻譜，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)景的無(wú)模糊雷達(dá)成像；
[0011] (2)由于利用DPCA數(shù)據(jù)處理算子代替了迭代閾值算法中觀測(cè)矩陣的功能，因此，在 完成針對(duì)大空間尺度觀測(cè)場(chǎng)景的高分辨率成像工作時(shí)，相比由矩陣_向量乘法運(yùn)算實(shí)現(xiàn)的 稀疏微波成像算法，本發(fā)明所要花費(fèi)的時(shí)間更短、占用的資源更少；
[0012] (3)當(dāng)利用由非均勻采樣獲取的偏置相位中心回波數(shù)據(jù)重建觀測(cè)場(chǎng)景的雷達(dá)圖像 時(shí)，本發(fā)明能夠有效地抑制因方位向非均勻采樣產(chǎn)生的雜波干擾，同時(shí)，對(duì)回波數(shù)據(jù)中的加 性噪聲具有較強(qiáng)的健壯性。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的基于lq正則化的偏置相位中心天線成像方法流程圖；
[0014] 圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)為當(dāng)回波數(shù)據(jù)中無(wú)加性噪聲且方位向均勻采樣符合度等 于33%時(shí)，利用不同的成像方法對(duì)雷達(dá)圖像中方位模糊的去除結(jié)果；
[0015]圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)、圖3(d)、圖3(e)和圖3(f)為當(dāng)信噪比等于20dB且方位向 均勻采樣符合度分別取100%、33%和5%時(shí)，利用不同的成像方法對(duì)雷達(dá)圖像中雜波干擾 的抑制結(jié)果；
[0016] 圖4為不同的成像方法抗加性噪聲干擾能力的測(cè)試結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 稀疏信號(hào)處理作為近些年來(lái)信號(hào)與信息處理研究領(lǐng)域的前沿性課題，已引起數(shù)學(xué) 界與工程學(xué)界相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者與專家的廣泛關(guān)注。在稀疏信號(hào)處理理論中，lq正則化(〇<q< 1)是用來(lái)解決在稀疏約束下信號(hào)重建問(wèn)題的有效方法。由lq正則化模型推導(dǎo)獲得的迭代閾 值算法通常具有較快的收斂速度、較強(qiáng)的抗加性噪聲干擾的能力和簡(jiǎn)明的實(shí)現(xiàn)方式，所以 這類算法在與稀疏信號(hào)處理有關(guān)的工程領(lǐng)域獲得了廣泛使用。而在合成孔徑雷達(dá)成像應(yīng)用 中，已有的研究成果表明，基于lq正則化的迭代閾值算法能夠有效地抑制雷達(dá)圖像中的旁 瓣與雜波干擾，并可以去除因頻譜混疊造成的距離/方位模糊。
[0018] 為此，我們根據(jù)lq正則化理論，依照迭代閾值算法的算法框架，推導(dǎo)出一種新的偏 置相位中心天線成像方法。通過(guò)將基于廣義的香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理獲得的DPCA數(shù)據(jù)處 理算子引入到該方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，以代替根據(jù)偏置相位中心天線成像雷達(dá)觀測(cè)模型所構(gòu) 建的觀測(cè)矩陣的功能，新的成像方法可以在花費(fèi)較短時(shí)間和較少資源的情況下，高效地完 成針對(duì)大空間尺度觀測(cè)場(chǎng)景的高分辨率成像工作。仿真實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該種方法可 以利用由非均勻采樣獲取的偏置相位中心回波數(shù)據(jù)無(wú)模糊地重建出方位向圖像，并能有效 地抑制因方位向非均勻采樣產(chǎn)生的雜波干擾，同時(shí)，也對(duì)回波數(shù)據(jù)中的加性噪聲具有較強(qiáng) 的健壯性。
[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)明做進(jìn)一步地詳細(xì)說(shuō)明。
[0020] 本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種基于lq正則化的偏置相位中心天線成像方法，其具體 包括：
[0021] 步驟A:根據(jù)偏置相位中心天線成像雷達(dá)觀測(cè)模型的二次相位近似，基于成像雷達(dá) 系統(tǒng)參數(shù)，得到成像雷達(dá)的特性矩陣和重建矩陣。
[0022]步驟A具體包括：
[0023]子步驟A1:根據(jù)偏置相位中心天線成像雷達(dá)觀測(cè)模型的二次相位近似，得到成像 雷達(dá)接收通道的特性濾波器在多普勒頻域的脈沖響應(yīng)函數(shù)。
[0024]子步驟A1具體包括：
(1)
[0026] 其中，Hdf)表示成像雷達(dá)第i個(gè)接收通道的特性濾波器在多普勒頻域的脈沖響應(yīng) 函數(shù)，△11表示成像雷達(dá)第i個(gè)接收天線與成像雷達(dá)發(fā)射天線之間的距離；iG[l，2，...， N]，N為成像雷達(dá)的接收通道數(shù);A表示成像雷達(dá)信號(hào)的載波波長(zhǎng);RQ表示成像雷達(dá)與觀測(cè)目 標(biāo)間的最短斜距;v表示成像雷達(dá)運(yùn)載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，f為雷達(dá)信號(hào)的頻率。
[0027] 子步驟A2:由成像雷達(dá)接收通道的特性濾波器在多普勒頻域的脈沖響應(yīng)函數(shù)，得 到成像雷達(dá)的特性矩陣。
[0028] 當(dāng)成像雷達(dá)接收通道對(duì)方位向回波信號(hào)的采樣頻率等于脈沖重復(fù)頻率PRF時(shí)，可 以利用由特性濾波器Hdf)構(gòu)建的特性矩陣H(f)，描述具有N個(gè)接收通道的偏置相位中心天 線成像雷達(dá)的系統(tǒng)特性，從而，
[0029] 子步驟A2具體包括:特性矩陣可以表示為： 一 哺） 哺) … 哺、 ' , "(: PK.F) (f 4 FRF) … HJ f- FKF) _ ,
[0030] H(/> , 1 , ， (2J //;(/-;. (Ar. /人(Ar-F;FRF)
[0031] 其中，iMf)表示成像雷達(dá)第i個(gè)接收通道的特性濾波器在多普勒頻域的脈沖響應(yīng) 函數(shù)，i = l，2,. . .，N，N為成像雷達(dá)的接收通道數(shù);PRF為脈沖重復(fù)頻率。
[0032] 子步驟A3:由成像雷達(dá)的特性矩陣得到成像雷達(dá)的重建矩陣。
[0033] 由廣義的香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理可知，對(duì)于一個(gè)頻帶受限的信號(hào)，當(dāng)使用1/N的 奈奎斯特采樣頻率對(duì)其N個(gè)獨(dú)立表征進(jìn)行采樣時(shí)，原信號(hào)的非混疊頻譜可以由上述采樣數(shù) 據(jù)得到的N個(gè)混疊頻譜經(jīng)過(guò)相應(yīng)的加權(quán)處理得到，因此，
[0034]子步驟A3具體包括： (3)
[0036] 其中，P(f)為成像雷達(dá)的重建矩陣，Pdf)為成像雷達(dá)第i個(gè)接收通道的重建濾波 器，該重建濾波器由N個(gè)帶通濾波器P^(f)(j = l，…，N)組成，每個(gè)帶通濾波器P^(f)的通帶 范圍是,由此可見(jiàn)，帶通濾波器Pdf)構(gòu)成該重建矩陣。
[0037] 步驟B:選擇lq正則化模型及其對(duì)應(yīng)的閾值函數(shù)。
[0038] 在得到iMfWPPdf)之后，需要根據(jù)成像雷達(dá)的具體要求，選定合適的lq正則化(0 <q<l)模型，由該模型推導(dǎo)出適用于迭代閾值運(yùn)算的閾值函數(shù)。
[0039] 優(yōu)選地，可以選擇h正則化模型或11/2正則化模型及其對(duì)應(yīng)的閾值函數(shù)。
[0040] 對(duì)于h正則化模型，其閾值函數(shù)表示為：
(4)
[0042]對(duì)于11/2正則化模型，其閾值函數(shù)表示為：
(5)
[0045] 其中，z表示復(fù)數(shù)域的輸入量;k>〇,表示正則化參數(shù);]i>〇表示迭代閾值運(yùn)算收斂 性的控制參數(shù)。
[0046] 步驟C:基于成像雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)以及重建矩陣和特性矩陣，得到DPCA數(shù)據(jù)處理算 子。
[0047] 為了提高迭代閾值算法的成像效率，根據(jù)雷達(dá)成像原理與逆成像回波仿真思想， 構(gòu)建了能夠用于處理由非均勻采樣獲取的偏置相位中心回波數(shù)據(jù)的算子，即DPCA數(shù)據(jù)處理 算子。該算子包括雷達(dá)圖像重建項(xiàng)與回波數(shù)據(jù)生成項(xiàng)，分別對(duì)應(yīng)雷達(dá)圖像重建過(guò)程與回波 數(shù)據(jù)生成過(guò)程，其中，雷達(dá)圖像重建過(guò)程可以被劃分為四個(gè)主要的數(shù)據(jù)處理步驟，即距離向 脈沖壓縮、無(wú)混疊多普勒頻譜重建、距離徙動(dòng)校正和方位向脈沖壓縮。
[0048]步驟C具體包括：
[0049] 子步驟C1:基于成像雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)以及重建矩陣，得到DPCA數(shù)據(jù)處理算子的雷 達(dá)圖像重建項(xiàng)，該雷達(dá)圖像重建項(xiàng)表達(dá)式為：
[0050] ：T(Y) = Ff 既 C)叫泣 ?[^[[[單和％]#^^ (6)
[0051] 其中，Yi表示由成像雷達(dá)第i個(gè)接收通道采樣獲取的回波數(shù)據(jù)組成的回波數(shù)據(jù)矩 陣;Y表示由成像雷達(dá)采樣獲取的回波數(shù)據(jù)組成的回波數(shù)據(jù)矩陣，且Y= U A;FjPFa分別表 示在距離向與方位向上用來(lái)處理數(shù)據(jù)的離散傅里葉變換矩陣，而則是它們的共輒 轉(zhuǎn)置;MjPMa分別表示在距離向與方位向上用來(lái)處理數(shù)據(jù)的頻域匹配濾波器矩陣;Pi表示由 重建矩陣中的重建濾波器Pdf)的解析式計(jì)算獲得的重建濾波器矩陣表示用來(lái)完成 距離徙動(dòng)校正的sine插值算子;?表示哈達(dá)馬乘積運(yùn)算。
[0052]由sine插值的基本原理可知，該圖像重建過(guò)程是可逆的，因此，
[0053]子步驟C2:對(duì)雷達(dá)圖像重建項(xiàng)取逆，獲得DPCA數(shù)據(jù)處理算子的回波數(shù)據(jù)生成項(xiàng)，回 波數(shù)據(jù)生成項(xiàng)的表達(dá)式為：
[0054] 朵(X)= [[If[明If (7)
[0055] 其中，X表示觀測(cè)場(chǎng)景的后向散射系數(shù)矩陣表示由特性矩陣中的特性濾波器出 (f)的解析式計(jì)算獲得的特性濾波器矩陣;上角標(biāo)*表示取矩陣元素的共輒，上角標(biāo)-1表示 相應(yīng)算子的逆過(guò)程。
[0056]步驟D:基于成像雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)和DPCA數(shù)據(jù)處理算子，利用lq正則化模型的閾值 函數(shù)進(jìn)行迭代閾值運(yùn)算，得到觀測(cè)場(chǎng)景的后向散射系數(shù)矩陣。
[0057]步驟D具體包括:將成像雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)組成的回波數(shù)據(jù)矩陣、DPCA數(shù)據(jù)處理算子 引入到由lq正則化模型推得的閾值函數(shù)中，進(jìn)行如下迭代閾值運(yùn)算：
[0058] X"'山=' + 成(yx，j 08)
[0059] 其中，^為由成像雷達(dá)第i個(gè)接收通道采樣獲取的回波數(shù)據(jù)組成的回波數(shù)據(jù)矩陣， Y為由成像雷達(dá)采樣獲取的回波數(shù)據(jù)組成的回波數(shù)據(jù)矩陣，且Y=UA; k為正則化參數(shù);y為 收斂性控制參數(shù)，并令XW = 0、設(shè)最大迭代次數(shù)為K;
[0060] 當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到K或滿足收斂精度，得到觀測(cè)場(chǎng)景的后向散射系數(shù)矩陣的估計(jì)X。 [0061 ]其中，該收斂精度具體包括：
[0062] p(k+1) = | | x(k+1)-X(k) | 12/ | | X(k) | 12 (9)
[0063] P(k+1)小于1(T6,在(9)式中，|卜| |2表示取矩陣的二范數(shù)運(yùn)算；即當(dāng)P(k+1)小于1(T6 時(shí)結(jié)束迭代閾值運(yùn)算，得到觀測(cè)場(chǎng)景的后向散射系數(shù)矩陣的估計(jì)i。
[0064] 根據(jù)上述實(shí)施例，本發(fā)明利用仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)本實(shí)施例所述方法的有益效果進(jìn)行驗(yàn) 證。在仿真實(shí)驗(yàn)中，偏置相位中心天線成像雷達(dá)的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。
[0065] 表 1
[0067]在仿真實(shí)驗(yàn)一中，觀測(cè)場(chǎng)景內(nèi)放置了一個(gè)面散射體和兩個(gè)點(diǎn)散射體，重建雷達(dá)圖 像所用回波數(shù)據(jù)無(wú)加性噪聲干擾，且其方位向均勻采樣符合度等于33%。圖2(a)~圖2(c) 為利用不同的成像方法對(duì)雷達(dá)圖像中方位模糊的去除結(jié)果。其中，圖2(a)是利用距離多普 勒成像算法處理單通道回波數(shù)據(jù)獲得的對(duì)雷達(dá)圖像中方位模糊的去除結(jié)果；圖2(b)是利用 基于重建濾波器組的多普勒頻譜重建方法對(duì)雷達(dá)圖像中方位模糊的去除結(jié)果；圖2(c)是利 用基于l q正則化的偏置相位中心天線成像方法對(duì)雷達(dá)圖像中方位模糊的去除結(jié)果。比較圖 2所示的仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，相比距離多普勒成像算法，基于重建濾波器組的多普勒頻譜重 建方法和基于l q正則化的偏置相位中心天線成像方法均能夠有效地去除雷達(dá)圖像中的方 位模糊。因?yàn)橛沙上窭走_(dá)系統(tǒng)兩個(gè)接收通道采樣獲取的回波數(shù)據(jù)并不是嚴(yán)格獨(dú)立的，所以 由基于重建濾波器組的多普勒頻譜重建方法重建的雷達(dá)圖像中仍存在少量的方位模糊。而 由基于l q正則化的偏置相位中心天線成像方法重建的雷達(dá)圖像中則完全沒(méi)有方位模糊存 在。
[0068]在仿真實(shí)驗(yàn)二中，觀測(cè)場(chǎng)景內(nèi)放置了三個(gè)幅值相差10dB的面散射體，重建雷達(dá)圖 像所用回波數(shù)據(jù)的信噪比為20dB。圖3(a)~圖3(f)為利用不同的成像方法對(duì)雷達(dá)圖像中雜 波干擾的抑制結(jié)果。其中，圖3(a)、圖3(c)和圖3(e)分別是在方位向均勻采樣符合度取 100%、33%和5%的條件下，利用基于重建濾波器組的多普勒頻譜重建方法對(duì)雷達(dá)圖像中 雜波干擾的抑制結(jié)果；圖3(b)、圖3(d)和圖3(f)分別是在方位向均勻采樣符合度取100%、 33%和5%的條件下，利用基于l q正則化的偏置相位中心天線成像方法對(duì)雷達(dá)圖像中雜波 干擾的抑制結(jié)果。由圖3(a)、圖3(c)和圖3(e)可知，隨著方位向均勻采樣符合度的減小，SP 方位向采樣間隔非均勻程度的增大，在由基于重建濾波器組的多普勒頻譜重建方法獲得的 雷達(dá)圖像中，雜波干擾對(duì)圖像質(zhì)量的影響越來(lái)越大，甚至造成較弱的觀測(cè)目標(biāo)被雜波電平 完全淹沒(méi)。而基于l q正則化的偏置相位中心天線成像方法則能夠有效地抑制雜波干擾對(duì)重 建結(jié)果圖像質(zhì)量的影響（如圖3(b)、圖3(d)和圖3(f)所示）。
[0069]在仿真實(shí)驗(yàn)三中，為了研究不同的成像方法抗加性噪聲干擾的能力，我們?cè)谛旁?比分別取5dB、10dB和15dB的條件下，繪制出基于重建濾波器組的多普勒頻譜重建方法和基 于lq正則化的偏置相位中心天線成像方法隨方位向均勻采樣符合度變化的雷達(dá)圖像信雜 比曲線。值得注意的是，在圖4的標(biāo)注中，"DSR"表示基于重建濾波器組的多普勒頻譜重建方 法，而"Lq-DIA"表示基于l q正則化的偏置相位中心天線快速成像方法。根據(jù)圖4所示的仿真 結(jié)果可知，在同一橫坐標(biāo)處，對(duì)應(yīng)信噪比為5dB的Lq-DIA信雜比曲線的取值幾乎都要高于對(duì) 應(yīng)信噪比為15dB的DSR信雜比曲線的取值。因此，相比基于重建濾波器組的多普勒頻譜重建 方法，基于l q正則化的偏置相位中心天線成像方法對(duì)回波數(shù)據(jù)中的加性噪聲具有更強(qiáng)的健 壯性。
[0070]至此，已經(jīng)結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)描述。依據(jù)以上描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員 應(yīng)當(dāng)對(duì)本發(fā)明的基于lq正則化的偏置相位中心天線成像方法有了清楚的認(rèn)識(shí)。
[0071]本發(fā)明的基于l<〇H則化的偏置相位中心天線成像方法，不但能夠利用由非均勻采 樣獲取的偏置相位中心回波數(shù)據(jù)，高效地完成針對(duì)大空間尺度觀測(cè)場(chǎng)景的高分辨率成像工 作，還可以有效地去除雷達(dá)圖像中的方位模糊，并抑制因方位向非均勻采樣產(chǎn)生的雜波干 擾，同時(shí)，也對(duì)回波數(shù)據(jù)中的加性噪聲具有較強(qiáng)的健壯性。
[0072]需要說(shuō)明的是，在附圖或說(shuō)明書(shū)正文中，未繪示或描述的實(shí)現(xiàn)方式，均為所屬技術(shù) 領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所知的形式，并未進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。此外，上述對(duì)各元件的定義并不僅限 于實(shí)施例中提到的各種方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單地更改或替換，例如：
[0073] (1)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，并非用來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍；
[0074] (2)上述實(shí)施例可基于設(shè)計(jì)及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實(shí)施例 混合搭配使用，即不同實(shí)施例中的技術(shù)特征可以自由組合形成更多的實(shí)施例。
[0075] 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳 細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于lq正則化的偏置相位中心天線成像方法，其特征在于，包括： 步驟A:根據(jù)偏置相位中心天線成像雷達(dá)觀測(cè)模型的二次相位近似，基于成像雷達(dá)系統(tǒng) 參數(shù)，得到成像雷達(dá)的特性矩陣和重建矩陣； 步驟B:選擇lq正則化模型及其對(duì)應(yīng)的閾值函數(shù)； 步驟C:基于成像雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)以及特性矩陣和重建矩陣，得到DPCA數(shù)據(jù)處理算子； 以及 步驟D:基于成像雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)和DPCA數(shù)據(jù)處理算子，利用1<〇Η則化模型的閾值函數(shù) 進(jìn)行迭代閾值運(yùn)算，得到觀測(cè)場(chǎng)景的后向散射系數(shù)矩陣。2. 如權(quán)利要求1所述的基于lq正則化的偏置相位中心天線成像方法，其特征在于，所述 步驟A具體包括： 子步驟A1:根據(jù)偏置相位中心天線成像雷達(dá)觀測(cè)模型的二次相位近似，得到成像雷達(dá) 接收通道的特性濾波器在多普勒頻域的脈沖響應(yīng)函數(shù)； 子步驟A2:由成像雷達(dá)接收通道的特性濾波器在多普勒頻域的脈沖響應(yīng)函數(shù)，得到成 像雷達(dá)的特性矩陣；以及 子步驟A3:由成像雷達(dá)的特性矩陣得到成像雷達(dá)的重建矩陣。3. 如權(quán)利要求2所述的基于1<〇Η則化的偏置相位中心天線成像方法，其特征在于，所述 步驟C具體包括： 子步驟C1:基于成像雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)以及重建矩陣，得到DPCA數(shù)據(jù)處理算子的雷達(dá)圖 像重建項(xiàng)，所述雷達(dá)圖像重建項(xiàng)表達(dá)式為：其中，h表示由成像雷達(dá)第i個(gè)接收通道采樣獲取的回波數(shù)據(jù)組成的回波數(shù)據(jù)矩陣;Y表 示由成像雷達(dá)采樣獲取的回波數(shù)據(jù)組成的回波數(shù)據(jù)矩陣，且分別表示在距 離向與方位向上用來(lái)處理數(shù)據(jù)的離散傅里葉變換矩陣，和if則是它們的共輒轉(zhuǎn)置;M r和 Ma分別表示在距離向與方位向上用來(lái)處理數(shù)據(jù)的頻域匹配濾波器矩陣;？1表示由重建矩陣 中的重建濾波器?:^)的解析式計(jì)算獲得的重建濾波器矩陣；表示用來(lái)完成距離徙動(dòng) 校正的sine插值算子；0表示哈達(dá)馬乘積運(yùn)算；以及 子步驟C2:對(duì)雷達(dá)圖像重建項(xiàng)取逆，獲得DPCA數(shù)據(jù)處理算子的回波數(shù)據(jù)生成項(xiàng)，回波數(shù) 據(jù)生成項(xiàng)的表達(dá)式為：其中，X表示觀測(cè)場(chǎng)景的后向散射系數(shù)矩陣表示由特性矩陣中的特性濾波器Hdf)的 解析式計(jì)算獲得的特性濾波器矩陣;上角標(biāo)*表示取矩陣元素的共輒，上角標(biāo)-1表示相應(yīng)算 子的逆過(guò)程。4. 如權(quán)利要求3所述的基于1<〇Η則化的偏置相位中心天線成像方法，其特征在于，所述 步驟D具體包括： 將成像雷達(dá)的回波數(shù)據(jù)組成的回波數(shù)據(jù)矩陣、DPCA數(shù)據(jù)處理算子引入到由1<〇Η則化模 型推得的閾值函數(shù)中，進(jìn)行如下迭代閾值運(yùn)算：其中，Tku,q為iq正則化模型的閾值函數(shù);YiS由成像雷達(dá)第i個(gè)接收通道采樣獲取的回 波數(shù)據(jù)組成的回波數(shù)據(jù)矩陣，γ為由成像雷達(dá)采樣獲取的回波數(shù)據(jù)組成的回波數(shù)據(jù)矩陣，且 Y= U iYi; κ為正則化參數(shù);μ為收斂性控制參數(shù);令χ(()) = 〇;設(shè)最大迭代次數(shù)為κ; 當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到Κ或滿足收斂精度，便可得到觀測(cè)場(chǎng)景的后向散射系數(shù)矩陣的估計(jì)X。5. 如權(quán)利要求4所述的基于1<〇Η則化的偏置相位中心天線成像方法，其特征在于，所述 收斂精度具體包括： P(k+1)= I |x(k+i)_x(k)| |2，| |x(k)| |2 (9) p(k+1)小于10-6;其中，Μ · ||2表示取矩陣的二范數(shù)運(yùn)算；即當(dāng)P(k+1)小于1〇_6時(shí)結(jié)束迭代 閾值運(yùn)算，得到觀測(cè)場(chǎng)景的后向散射系數(shù)矩陣的估計(jì)X。6. 如權(quán)利要求2所述的基于1<〇Η則化的偏置相位中心天線成像方法，其特征在于，所述 子步驟A1具體包括：其中，HKf)表示成像雷達(dá)第i個(gè)接收通道的特性濾波器在多普勒頻域的脈沖響應(yīng)函數(shù)， Δ ^表示成像雷達(dá)第i個(gè)接收天線與成像雷達(dá)發(fā)射天線之間的距離；i e [ 1，2，. . .，N]，N為 成像雷達(dá)的接收通道數(shù);λ表示成像雷達(dá)信號(hào)的載波波長(zhǎng);R〇表示成像雷達(dá)與觀測(cè)目標(biāo)間的 最短斜距;v表示成像雷達(dá)運(yùn)載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，f為雷達(dá)信號(hào)的頻率。7. 如權(quán)利要求2所述的基于1<〇Η則化的偏置相位中心天線成像方法，其特征在于，所述 子步驟A2具體包括： 所述特性矩陣為：其中，HKf)表示成像雷達(dá)第i個(gè)接收通道的特性濾波器在多普勒頻域的脈沖響應(yīng)函數(shù)， i = l，2,. . .，N，N為成像雷達(dá)的接收通道數(shù);PRF為脈沖重復(fù)頻率。8. 如權(quán)利要求2所述的基于1<〇Η則化的偏置相位中心天線成像方法，其特征在于，所述 子步驟A3具體包括： 所述重建矩陣為：其中，P(f)為成像雷達(dá)的重建矩陣，Pdf)為成像雷達(dá)第i個(gè)接收通道的重建濾波器，所 述重建濾波器由N個(gè)帶通濾波器?^(〇(」=1，-_，《組成，每個(gè)帶通濾波器?^(〇的通帶范9. 如權(quán)利要求1所述的基于lq正則化的偏置相位中心天線成像方法，其特征在于： 所述步驟B具體包括:選擇h正則化模型以及對(duì)應(yīng)的閾值函數(shù)； 所述步驟D中，利用1:正則化模型的閾值函數(shù)進(jìn)行迭代閾值運(yùn)算。10. 如權(quán)利要求1所述的基于lq正則化的偏置相位中心天線成像方法，其特征在于： 所述步驟B具體包括:選擇1 1/2正則化模型以及對(duì)應(yīng)的閾值函數(shù)； 所述步驟D中，利用11/2正則化模型的閾值函數(shù)進(jìn)行迭代閾值運(yùn)算。
【文檔編號(hào)】G01S13/90GK105929397SQ201610202747
【公開(kāi)日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月1日
【發(fā)明人】吳戎, 吳一戎, 全相印, 張冰塵, 張柘
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所