[发明专利]一种基于SBRIM算法的多基线层析SAR三维成像方法

权利要求书

1.一种基于SBRIM算法的多基线层析SAR三维成像方法，其特征是它包括以下步骤：

步骤1、初始化多基线层析SAR系统参数

初始化多基线层析SAR系统参数包括：航过次数，记为N；垂直基线，记为b_⊥n，平行基线，记为b_||n，n＝1,2,…,N，其中N为航过次数；雷达发射信号载频为f_c；雷达发射信号的调频斜率为f_dr；雷达系统的脉冲重复频率为PRF；雷达发射信号带宽记做B_r；电磁波在空气中的传播速度记做C；距离向快时刻记做t，t＝1,2,…,T，T为距离向快时刻总数，方位向慢时刻记做l，l＝1,2,…,K，K为方位向慢时刻总数；上述参数均为SAR系统标准参数，在多基线层析SAR观测方案设计中已经确定；根据多基线层析SAR成像系统方案和观测方案，SAR成像方法需要的初始化成像系统参数均为已知；

步骤2：初始化多基线层析SAR的观测场景目标空间参数

初始化多基线层析SAR的观测场景目标空间参数包括：以雷达波束照射区域地平面和垂直于该地平面向上的单位向量所构成的空间直角坐标系作为多基线层析SAR的观测场景目标空间Ω，Ω为M_x×M_y×M_z像素；将观测场景目标空间Ω均匀划分为大小相等的立体单元网格，称为分辨单元，立体单元网格在水平横向、水平纵向和高度向边长分别记为d_x，d_y和d_z，观测场景目标空间在水平横向、水平纵向和高度向单元网格数分别为M_x,M_y和M_z，单元网格大小为多基线层析SAR系统传统理论成像分辨率；水平横向和水平纵向构成二维平面成像空间，在二维平面维成像空间上第t个等距离立体单元网格第m个元素的位置，记做其中m＝(m_y-1)M_x+m_x＝1,…,M，M为二维平面维成像空间的第t个等距离立体单元网格高度向立体单元网格总数，M＝M_x·M_y，m_x＝1,…,M_x，m_y＝1,…,M_y，t＝1,…,T，T为步骤1中初始化得到距离向快时刻总数；

将观测场景目标空间中第t个等距离立体单元网格第m个元素的散射系数记为采用公式计算得到散射系数矩阵，记做δ，散射系数矩阵δ由M行T列组成，其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数，M为二维平面维成像空间的第t个等距离立体单元网格阵列向立体单元网格总数，M＝M_x·M_y；根据多基线层析SAR基于SBRIM算法的SAR成像方法处理方案，本发明所需的初始化多基线层析SAR的观测场景目标空间参数均为已知；

步骤3、生成原始回波数据，并对每个航过获取的回波数据进行距离-方位二维SAR成像

在第l个方位向慢时刻和第t个距离向快时刻中多基线SAR第n个航过的原始回波数据记做s(t,l,n)，t＝1,2,…,T，l＝1,2,…,K，n＝1,2,…,N；在多基线层析SAR实际成像中，原始回波数据s(t,l,n)由数据接收机提供；

采用二维SAR成像方法对原始回波数据s(t,l,n)进行距离-方位二维SAR成像，得到各航过的图像数据其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数，t为距离向快时刻，K为步骤1中初始化得到的方位向慢时刻总数，l为方位向慢时刻，N为步骤1中初始化得到的航过次数，n为各航过序号；

步骤4、对得到的SAR成像进行图像配准，并进行去斜处理，得到观测向量

采用传统的图像配准方法对步骤3中各航过获取的图像序列进行配准，使得同一距离-方位单元对应目标场景中的同一散射点，得到配准后的图像序列h(t,l,n)，t＝1,2,…,T，l＝1,2,…,K，n＝1,2,…,N；

采用公式计算各航过平台与参考点的斜距R_n(s)，其中层析向点目标位置为(r₀,s)，各航过雷达平台位置为(b_||n,b_⊥n)；采用公式计算得到去斜后的观测信号向量g(t,l,n)，其中h(t,l,n)为配准后的图像序列，R_n(0)为参考点(r₀,0)到各航过雷达平台的参考斜距，t＝1,2,…,T，l＝1,2,…,K，n＝1,2,…,N，其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数，t为距离向快时刻，K为步骤1中初始化得到的方位向慢时刻总数，l为方位向慢时刻，N为步骤1中初始化得到的航过总数，n为航过序号；

步骤5：构建观测向量矩阵

采用g＝[g₁,g₂,...,g_N]^T，构建观测向量矩阵，其中g_n＝g(t,l,n)，t＝1,2,…,T，l＝1,2,…,K，n＝1,2,…,N，为步骤4中去斜处理后的信号，T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数，t为距离向快时刻，K为步骤1中初始化得到的方位向慢时刻总数，l为方位向慢时刻，N为步骤1中初始化得到的航过次数，n为航过序号；

步骤6、离散化场景目标，构建测量矩阵

采用公式计算得到第n个轨道层析向的空间频率，记为ξ_n，n＝1,2,…,N；然后将场景目标在层析向位置离散化D个均匀的点s_d，d＝1,2,…,D，采用公式计算得到测量矩阵，记为Φ；其中层析向点目标位置为(r₀,s)，b_⊥n为步骤1中初始化的第n个轨道副图像相对于主图像的垂直基线，b_||n为步骤1中初始化的第n个轨道副图像相对于主图像的平行基线，f_c为步骤1中初始化的雷达发射信号载频，C为步骤1中初始化的电磁波在空气中的传播速度；

步骤7、初始化SBRIM算法参数

SBRIM算法初始化参数包括：加权系数，记为α；重构误差门限，记为ε；噪声功率，记为β；迭代总数，记为I_iter；迭代次数，记为k；平滑因子，记为η；对角矩阵控制参数，记为p；采用公式计算得到初始化的信号估计值，记为其中g为步骤5中的观测向量矩阵，Φ为步骤6中的测量矩阵，H为共轭转置运算符号；

步骤8、计算对角矩阵

首先更新迭代次数，采用公式k＝k+1，计算得到更新后迭代次数，记为k；采用公式计算得到第k次迭代的对角矩阵，记为Λ^(k)；其中

N为步骤1中初始化得到的航过次数，p为步骤7中初始化的对角矩阵控制参数，η为步骤7中初始化的平滑因子，为在第k-1次迭代循环中第i个卫星轨道数据的散射系数估计值，diag{·}为对角矩阵运算符号；

步骤9、估计散射系数向量

采用公式α^(k)＝αβ^(k)，计算得到第k次迭代加权系数，记为α^(k)；采用公式计算得到第k次迭代的散射系数向量，记为其中α为步骤7中初始化的加权系数，β^(k)为第k次迭代的噪声功率，g为步骤5中的观测向量矩阵，Φ为步骤6中的测量矩阵，Λ^(k)为步骤7中的第k次迭代的对角矩阵，H为共轭转置运算符号，(·)^-1为矩阵求逆运算符；

步骤10、估计噪声功率

采用公式计算得到第k次迭代噪声功率，记为β^(k)；其中N为步骤1中初始化得到的航过次数，g为步骤5中的观测向量矩阵，Φ为步骤6中的测量矩阵，为步骤9中第k次迭代的散射系数向量，||·||₂为L₂范数求解运算符；

步骤11、判断迭代终止条件是否符合，重建出高度向信息，得到最终的三维成像结果

如果并且k≤I_iter，则继续执行步骤8～11；

若不满足和k≤I_iter任一条件，算法迭代终止，则输出得到的SBRIM算法第k次迭代散射系数即为多基线层析SAR最终的三维成像结果；其中ε为步骤7中初始化的重构误差门限，I_iter为步骤7中初始化的迭代总数，为步骤9中第k次迭代的散射系数向量，||·||₂为L₂范数求解运算符；经过以上步骤，得到基于SBRIM算法的多基线层析SAR三维成像结果。