[发明专利]一种贝叶斯迭代重加权稀疏自聚焦阵列SAR成像方法

摘要

本发明公开了一种贝叶斯迭代重加权稀疏自聚焦阵列SAR成像方法，它是针对阵列SAR回波信号中存在的相位误差对成像结果的影响，基于传统的贝叶斯迭代最小化自聚焦稀疏成像(SAFBRIM)算法的基础上，通过建立阵列SAR原始回波信号与观测场景目标空间中散射系数的线性测量矩阵，对算法中代价函数中的范数项进行迭代自适应重加权处理，对距离向进行脉冲压缩、划分等距离面，然后再对每一个等距离的二维平面进行估计。本发明对每一个范数项赋予了不同的加权系数，然后对图像进行重构，能获得更高质量的阵列SAR成像结果。本发明具有重构精度高、有效降低相位误差的优势，可适用于阵列合成孔径雷达成像等领域。

主权项

1.一种贝叶斯迭代重加权稀疏自聚焦阵列SAR成像方法，其特征是它包括如下步骤：步骤1、初始化SAR系统参数：初始化SAR系统参数包括：平台速度矢量记为阵列天线各阵元初始位置矢量，记做其中n为天线各阵元序号，N为阵列天线的阵元总数；阵列天线长度，记做L；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；脉冲重复时间记为PRI；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；距离向快时间记做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，其中雷达信号载频f_c，雷达发射信号的调频斜率f_dr，脉冲重复时间PRI，雷达系统的脉冲重复频率PRF，雷达发射信号带宽B_r，阵列天线的阵元总数N，阵列天线长度L在阵列SAR系统设计过程中已经确定；平台速度矢量记为阵列天线各阵元初始位置矢量在SAR观测方案设计中已经确定；根据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SAR的观测场景目标空间参数：初始化SAR的观测场景目标空间参数包括：以雷达波束照射场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阵列SAR的观测场景目标空间Ω；将观测场景目标空间Ω均匀划分为大小相等的立体单元格，也可称为分辨单元，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，观测场景空间在水平横向、水平纵向和高度向单元格数分别为M_x,M_y和M_z，单元格大小为阵列SAR系统传统理论成像分辨率；水平横向和水平纵向构成阵列维成像空间，在阵列平面维成像空间上第t个等距离单元格第m个元素的位置，记做其中m＝(m_y‑1)M_x+m_x＝1,…,M，m_x＝1,…,M_x，m_y＝1,…,M_y，t＝1,…,T；将观测场景目标空间中第t个等距离单元格第m个元素的散射系数记为根据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，其中M＝M_x·M_y为阵列平面维成像空间的第t个等距离单元格阵列向单元格总数；初始化SAR的观测场景目标空间参数在SAR成像方案设计中已经确定步骤3、建立阵列SAR(Array SAR,ASAR)的线性观测矩阵：步骤3.1、根据公式计算得到第n个阵列天线在第l个方位向慢时刻的位置矢量，记为其中N为步骤1中初始化得到的阵列天线阵元总数，其中K为步骤1中初始化得到的方位向慢时刻总数，其中为步骤1中初始化得到的阵列天线各阵元初始位置，其中为步骤1中初始化得到的平台速度，其中PRF为步骤1中初始化得到的雷达系统的脉冲重复频率；步骤3.2、采用公式计算得到第l个方位向慢时刻阵列SAR观测场景目标空间Ω中第t个等距离单元格到第n个天线阵元的距离，记为其中M为步骤2中初始化得到的阵列平面维成像空间的第t个等距离单元格阵列向单元格总数，其中||·||₂表示定义3中定义的向量L2范数，其中为步骤2中初始化得到的阵列平面维成像空间中第t个等距离单元格中第m个元素的位置，为步骤3.1中得到的第n个阵列天线在第l个方位向慢时刻的位置矢量，其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数，其中K为步骤1中初始化得到的方位向慢时刻总数，其中N为步骤1中初始化得到的天线阵元总数；步骤3.3、采用公式计算得到在第l个方位向慢时刻阵列SAR观测场景目标空间Ω中第t个等距离单元格到第n个阵列阵元的时间延时，记为其中C为步骤1中初始化得到的电磁波在空气中的传播速度，其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数，其中为步骤3.2中得到的第l个方位向慢时刻阵列SAR观测场景目标空间Ω中第t个等距离单元格到第n个天线阵元的距离，其中K为步骤1中初始化得到的方位向慢时刻总数，其中N为步骤1中初始化得到的阵列天线阵元总数；步骤3.4、在第l个方位向慢时刻和第t个距离向快时刻中阵列SAR第n个天线阵元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，其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数，其中K为步骤1中初始化得到的方位向慢时刻总数，其中N为步骤1中初始化得到的阵列天线阵元总数；在阵列SAR实际成像中，原始回波数据s(t,l,n)由数据接收机提供；步骤3.5、采用标准合成孔径雷达距离向脉冲压缩方法对s(t,l,n)进行距离向脉冲压缩，得到距离向压缩后的阵列合成孔径雷达数据，记做sAC(t,l,n)，其中为s(t,l,n)步骤3.4中得到的原始回波数据；根据公式St＝sAC(t,l,n)，t＝1,2,...T，l＝1,2,...K，n＝1,2,...,N计算得到第t个等距离单元格回波信号向量，记为St，St由W＝K·N行1列组成，其中K是步骤1中初始化得到的慢时刻总数，其中N为步骤1中初始化得到的阵列天线的阵元总数，其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数；步骤3.6、采用公式计算得到阵列平面中第m个单元格在慢时间l到回波信号向量S_t中第i个元素信号对应的时延函数，记为Φ_i(m)，其中为步骤3.3中得到的在第l个方位向慢时刻阵列SAR观测场景目标空间Ω中第t个等距离单元格到第n个阵列阵元的时间延时；根据公式Ψ＝Φi(m)，m＝1,2,...M，i＝1,2,...W，计算得到回波信号向量St与散射系数矩阵δ之间的测量矩阵，记做Ψ，其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时刻总数，其中K是步骤1中初始化得到的慢时刻总数，其中δ为步骤2中初始化得到的散射系数矩阵，其中St为步骤3.5中得到的第t个等距离单元格回波信号向量，其中M为步骤2中初始化得到的阵列平面维成像空间的第t个等距离单元格阵列向单元格总数，其中W是步骤3.5中得到的第t个等距离单元格回波信号向量St的行数；步骤4、初始化基于贝叶斯迭代自适应重加权范数最小化的稀疏自聚焦阵列SAR成像算法(IARNSABR)的初始参数：步骤4.1、初始化经典IARNSABR算法的最大迭代次数Nmax，初始化误差迭代终止门限为ε0，初始化加权输入参数为ε1，初始化范数项系数为p，初始化IARNSABR算法迭代次数，记为gen；步骤4.2、初始化相位误差：初始化相位误差向量，记做根据公式计算得到第gen次迭代的相位误差矩阵，记做其中W是步骤3.5中得到的原始回波信号向量的行数，其中N_max为步骤4.1中初始化得到的最大迭代次数；步骤4.3、初始化散射系数：采用公式初始化阵列SAR平面维第t个等距离子平面空间散射系数向量，记为其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时间总数，其中M为步骤2中初始化得到的阵列平面维成像空间的第t个等距离单元格阵列向单元格总数，其中为步骤4.2中初始化得到的相位误差矩阵，其中Ψ为步骤3.6中得到的回波信号与散射系数之间的测量矩阵，其中N_max为步骤4.1中初始化得到的最大迭代次数，其中S_t为步骤3.5中得到的第t个等距离单元格回波信号向量，其中S_t为步骤3.5中得到的第t个等距离单元格回波信号向量；步骤4.4、初始化噪声方差：采用公式初始化系统噪声方差，记做其中Ψ为步骤3.6中得到的测量矩阵，其中为步骤4.2中初始化得到的相位误差矩阵，其中为步骤4.3中初始化得到的第t个等距离子平面空间散射系数向量，其中S_t为步骤3.5中得到的第t个等距离单元格回波信号向量，其中W是步骤3.5中得到的原始回波信号向量S的行数，其中Ψ为步骤3.6中得到的回波信号与散射系数之间的测量矩阵，其中N_max为步骤4.1中初始化得到的最大迭代次数，其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时间总数；步骤5、估计散射系数向量、系统噪声方差和相位误差：步骤5.1、根据噪声方差、相位误差，估计散射系数向量：在第gen次迭代中，若gen＝0，则散射系数向量为噪声方差为相位误差为其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时间总数，其中W是步骤3.5中得到的第个等距离单元格回波信号向量S_t的行数；若gen≥1时，根据公式计算得到的第n次迭代的相位误差矩阵，其中为第gen‑1次迭代得到的相位误差；根据公式计算得到第t个等距离子平面空间第gen‑1次迭代的对角矩阵，记为其中为第gen‑1次迭代后得到的第t个等距离子平面空间散射系数向量，其中ε₁为步骤4.1中初始化得到的加权输入参数，其中p为步骤4.1中初始化得到的范数项系数；采用公式计算得到第gen次迭代后的第t个等距离子平面空间散射系数向量，记为其中为第gen‑1次迭代后得到的噪声方差，其中Ψ为步骤3.6中得到的回波信号与散射系数之间的测量矩阵，其中S_t为步骤3.5中得到的第t个等距离单元格回波信号向量，其中M为步骤2中初始化得到的阵列平面维成像空间的第t个等距离单元格阵列向单元格总数，其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时间总数，其中W是步骤3.5中得到的第t个等距离单元格回波信号向量S_t的行数，其中N_max为步骤4.1中初始化得到的最大迭代次数；步骤5.2、根据散射系数、相位误差，估计噪声方差：采用公式计算得到第gen次迭代后得到噪声方差估计值，记为其中为步骤5.1中得到的第gen次第t个等距离子平面空间散射系数向量，其中Ψ为步骤3.6中得到的回波信号与散射系数之间的测量矩阵，其中S_t为步骤3.5中得到的第t个等距离单元格回波信号向量，其中W是步骤3.5中得到的原始回波信号向量S的行数；其中为步骤5.1中得到的相位误差矩阵，其中N_max为步骤4.1中初始化得到的最大迭代次数,其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时间总数；步骤5.3、根据散射系数、噪声方差，估计相位误差向量：采用公式计算得到第gen次迭代后得到的相位误差估计向量，记做其中S为步骤3.5中得到的回波信号向量，其中Ψ为步骤3.6得到的回波信号与散射系数之间的测量矩阵，其中为步骤5.1中第gen次迭代后得到的第t个等距离子平面空间散射系数向量，其中N_max为步骤4.1中初始化得到的最大迭代次数，其中∠表示求角度运算符号,其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时间总数；步骤6、迭代终止判断：如果并且gen≤N_max，m＝1,2,…,M，t＝1,2,...,T，则继续执行步骤5～6，且gen＝gen+1，其中M为步骤2中初始化得到的阵列平面维成像空间的第t个等距离单元格阵列向单元格总数，其中T为步骤1中初始化的距离向快时间总数，其中ε₀为步骤4.1中初始化得到的误差迭代终止门限，其中gen为步骤4.1初始化得到的IARNSABR算法迭代次数；若不满足和gen≤N_max任一条件，算法迭代终止，则输出得到的IARNSABR算法第gen次迭代得到的散射系数向量值δ_t即为阵列SAR平面维成像空间最终的第t个等距离子平面空间散射系数向量，其中为步骤5.1中的得到第gen次迭代得到的第t个等距离子平面空间散射系数向量，其中为步骤5.3中得到的第gen次迭代的相位误差，其中N_max为步骤4.1中初始化得到的最大迭代次数；步骤7、全场景三维成像：采用公式AA＝[δ1，…，δT]，将各等距离子平面空间散射系数向量δt，t＝1,2,...,T排列为三维矩阵形式，得到三维SAR观测场景目标区间的三维成像结果，记为AA，其中T为步骤1中初始化得到的距离向快时间总数，其中δt为步骤6中得到的第t个等距离子平面空间散射系数向量。