基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法。該稀疏微波成像方法包括：步驟A：根據(jù)觀測目標場景的原始雷達回波數(shù)據(jù)，構建雷達回波強度信號生成模型；步驟B：利用雷達回波強度信號生成模型，確定重建目標場景后向散射系數(shù)的優(yōu)化目標；以及步驟C：利用壓縮相位恢復算法，對重建目標場景后向散射系數(shù)的優(yōu)化目標進行求解，估計目標場景的后向散射系數(shù)。本發(fā)明利用雷達回波強度信號，重建目標場景的后向散射系數(shù)，實現(xiàn)微波成像，從而避免了因雷達回波數(shù)據(jù)相位誤差無法精確補償所導致的對成像結果的負面影響。
【專利說明】基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波成像【技術領域】，尤其涉及一種基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像 方法。

【背景技術】
[0002] 與光學成像技術相比，以合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar, SAR)為代 表的現(xiàn)代微波成像技術，因其具有全天時、全天候的觀測能力，以及較高成像分辨率等諸多 優(yōu)點，已在資源勘查、環(huán)境監(jiān)測、災害評估等領域得到了廣泛的應用。而隨著對SAR系統(tǒng)成 像分辨率與測繪帶寬要求的不斷提高，導致實際雷達系統(tǒng)的結構復雜度和實現(xiàn)難度急劇上 升，已經(jīng)達到現(xiàn)有電子器件性能與工業(yè)技術水平的極限，SAR系統(tǒng)的性能很難獲得進一步的 提升。
[0003] 為了解決上述問題，微波遙感領域的科研人員提出了稀疏微波成像理論。稀疏微 波成像是指將稀疏信號處理理論引入微波成像，并有機結合形成的微波成像新理論、新體 制和新方法，即通過尋找被觀測對象的稀疏表征域，在空間、時間、頻譜或極化域進行稀疏 采樣，獲取被觀測對象的稀疏微波信號，通過信號處理和信息提取，獲取被觀測對象的空間 位置、散射特征和運動特性等幾何與物理特征。與傳統(tǒng)微波成像相比，稀疏微波成像不僅可 以降低SAR系統(tǒng)的結構復雜度，還能在目標分辨能力、模糊抑制、旁瓣抑制等方面提高SAR 系統(tǒng)的成像性能。
[0004] 因為搭載成像雷達系統(tǒng)的機載平臺的運動軌跡極易受到平臺性能、天氣狀況、駕 駛技術等諸多因素的影響，所以導致機載平臺很難嚴格地保持勻速直線運動飛行軌跡。相 比于理想情況，這會使系統(tǒng)實際接收到的雷達回波信號產(chǎn)生一定的偏差，從而在雷達回波 信號上附加相位誤差、采樣時間誤差和距離延遲。其中，表現(xiàn)最為明顯且對成像質量影響最 大的就是相位誤差。雷達回波信號中的相位誤差通常會造成雷達圖像成像質量的下降，出 現(xiàn)散焦、位移等現(xiàn)象。隨著相位誤差增大，甚至可能導致對觀測場景重建的失敗。為解決上 述問題，通常需要在微波成像處理前，對雷達回波信號進行相位誤差補償。
[0005] 現(xiàn)有的雷達回波信號相位誤差補償方法大多基于傳統(tǒng)微波成像體制，由于微波成 像理論與方法上的差異，導致上述方法無法在稀疏微波成像體制下獲得有效地應用。在所 需條件無法滿足導致雷達回波數(shù)據(jù)相位誤差無法精確補償?shù)那闆r下，利用基于匹配濾波的 傳統(tǒng)成像方法和未加改進的稀疏微波成像方法，根本無法實現(xiàn)對目標場景的微波成像。


【發(fā)明內容】

[0006] (一）要解決的技術問題
[0007] 鑒于上述技術問題，本發(fā)明提供了一種基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法， 以避免因雷達回波數(shù)據(jù)相位誤差無法精確補償所導致的對成像結果的負面影響。
[0008] (二）技術方案
[0009] 本發(fā)明基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法包括：步驟A :根據(jù)觀測目標場景 的原始雷達回波數(shù)據(jù)，構建雷達回波強度信號生成模型；步驟B :利用雷達回波強度信號 生成模型，確定重建目標場景后向散射系數(shù)的優(yōu)化目標；以及步驟C :利用壓縮相位恢復算 法，對重建目標場景后向散射系數(shù)的優(yōu)化目標進行求解，估計目標場景的后向散射系數(shù)。 [0010](三）有益效果
[0011] 從上述技術方案可以看出，本發(fā)明基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法具有以 下有益效果：
[0012] (1)利用雷達回波強度信號，重建目標場景的后向散射系數(shù)，實現(xiàn)微波成像，從而 避免了因雷達回波數(shù)據(jù)相位誤差無法精確補償所導致的對成像結果的負面影響；
[0013] (2)當目標場景里的強散射中心位置分布具有稀疏性時，相比基于一般相位恢復 的稀疏微波成像方法，在所要處理的雷達回波強度信號數(shù)據(jù)量相同的情況下，本發(fā)明對目 標場景后向散射系數(shù)的重建精度更高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 圖1為一種基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法的實現(xiàn)流程圖；
[0015] 圖2A?圖2D為利用不同的成像方法處理相同的帶有相位誤差的雷達回波數(shù)據(jù)， 對參考目標場景后向散射系數(shù)進行重建的結果；
[0016] 圖3為目標場景稀疏度是0. 16時，在對應不同降采樣率的情況下，基于PhaseLift 算法的稀疏微波成像方法重建精度（曲線（a))與本實施例所述方法重建精度（曲線（b)) 的比較結果。

【具體實施方式】
[0017] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部 分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現(xiàn)方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員 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，但應了解，參數(shù)無需確切等 于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。實施例中提到的 方向用語，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的 方向用語是用來說明并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。
[0018] 本發(fā)明把壓縮相位恢復模型應用于微波成像過程中，可以在無需估計雷達回波數(shù) 據(jù)相位誤差的情況下，利用雷達回波強度信號，重建目標場景的后向散射系數(shù)，實現(xiàn)稀疏微 波成像。
[0019] 在本發(fā)明的一個不例性實施例中，提供了一種基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像 方法。需要說明的是，由于在對優(yōu)化目標進行求解的過程中，所用具體算法間存在差異，本 實施例按照由目標場景返回的雷達回波強度信號中是否存在加性噪聲干擾，分情況構建目 標場景雷達回波強度信號生成模型。
[0020] 圖1為根據(jù)本發(fā)明實施例基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法的實現(xiàn)流程圖。 如圖1所示，本實施例所述稀疏微波成像方法的具體實現(xiàn)步驟包括：
[0021] 步驟A :根據(jù)觀測目標場景的原始雷達回波數(shù)據(jù)，構建雷達回波強度信號生成模 型；
[0022] 當原始雷達回波數(shù)據(jù)只存在相位誤差時，稀疏微波成像相位誤差模型可以表示 為：

【權利要求】
1. 一種基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法，其特征在于，包括： 步驟A:根據(jù)觀測目標場景的原始雷達回波數(shù)據(jù)，構建雷達回波強度信號生成模型； 步驟B:利用雷達回波強度信號生成模型，確定重建目標場景后向散射系數(shù)的優(yōu)化目 標；以及 步驟C:利用壓縮相位恢復算法，對重建目標場景后向散射系數(shù)的優(yōu)化目標進行求解， 估計目標場景的后向散射系數(shù)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法，其特征在于，當原 始雷達回波數(shù)據(jù)只存在相位誤差時，所述步驟A的雷達回波強度信號生成模型為： b=IAx12
其中，6e1為雷達回波強度信號，h為向量b的第i個元素；』eCa""為與不帶有相 位誤差的雷達回波數(shù)據(jù)y相對應的稀疏微波成像系統(tǒng)觀測矩陣，eCta為稀疏微波成像 系統(tǒng)觀測矩陣A的第i行元素構成的向量；JceCixl為目標場景的后向散射系數(shù)。
3. 根據(jù)權利要求2所述的基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法，其特征在于，所述 步驟B中，用于重建目標場景后向散射系數(shù)的優(yōu)化目標為：
其中，eCnH是一個半正定矩陣，φ; =OeCΒ，λ> 〇是用來在矩陣X的跡Tr(X)與I1-范數(shù)IIXII 間調節(jié)平衡的參數(shù)。
4. 根據(jù)權利要求1所述的基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法，其特征在于，當原 始雷達回波數(shù)據(jù)存在相位誤差且雷達回波強度信號受到加性噪聲干擾時，所述步驟A的雷 達回波強度信號生成模型為： b=IAx12+e bj=I<x,ai>I^ei,i= 1,*··,Ν 其中，6eKw1為雷達回波強度信號，h為向量b的第i個元素；JeCa' π為與不帶有相 位誤差的雷達回波數(shù)據(jù)y相對應的稀疏微波成像系統(tǒng)觀測矩陣，eCto為稀疏微波成像 系統(tǒng)觀測矩陣A的第i行元素構成的向量；.VeCnl為目標場景的后向散射系數(shù)；eeIv1為 附加在雷達回波強度信號上的加性噪聲，且向量e的I2-范數(shù)滿足I|e|I2Sε，ei為向量 e的第i個元素。
5. 根據(jù)權利要求4所述的基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法，其特征在于，所述 步驟B中，用于重建目標場景后向散射系數(shù)的優(yōu)化目標為：
其中，是一個半正定矩陣；λ>〇是用來在 矩陣X的跡Tr⑴與I1-范數(shù)IIxMii間調節(jié)平衡的參數(shù)；B為一個線性算子，即 ΛXeCwx"B #eW.1 〇
6. 根據(jù)權利要求3或5所述的基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法，其特征在于，所 述步驟C包括： 子步驟Cl:利用基于凸優(yōu)化的壓縮相位恢復算法，對重建目標場景后向散射系數(shù)的優(yōu) 化目標進行求解，得到矩陣X的估計文； 子步驟C2 :對矩陣估計f進行奇異值分解，即：
子步驟C3 :將矩陣估計f最大特征值的平方根^與其特征向量相乘，由此得到目 標場景后向散射系數(shù)的估計i，即：
其中，七eC" 1為對應矩陣f特征值、的特征向量。
7. 根據(jù)權利要求6所述的基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法，其特征在于，所述 步驟C之后還包括： 步驟D:判斷矩陣估計f的秩rank 是否滿足|rank(i^-1卜r，若滿足，則將目標場 景后向散射系數(shù)的估計i作為最終的目標場景后向散射系數(shù)，流程結束，實現(xiàn)稀疏微波成 像；否則，執(zhí)行步驟E; 步驟E:校正目標場景后向散射系數(shù)的重建偏差，實現(xiàn)稀疏微波成像。
8. 根據(jù)權利要求7所述的基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法，其特征在于，所述 步驟D中，τ根據(jù)對目標場景真實的后向散射系數(shù)X所要求的重建精度進行確定。
9. 根據(jù)權利要求7所述的基于壓縮相位恢復的稀疏微波成像方法，其特征在于，所述 步驟E包括： 利用尺度變換對目標場景后向散射系數(shù)的估計i:進行偏差校正處理，獲得偏差校正后 的目標場景后向散射系數(shù):
【文檔編號】G01S13/90GK104459695SQ201410743546
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年12月8日 優(yōu)先權日:2014年12月8日
【發(fā)明者】張冰塵, 全相印, 張拓, 蔣成龍, 吳一戎 申請人:中國科學院電子學研究所