一种基于相位恢复的稀疏微波成像自聚焦方法及装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波成像技术领域，尤其涉及一种基于相位恢复的稀疏微波成像自聚 焦方法。本发明基于稀疏微波成像体制，采用稀疏信号处理中的相位恢复方法处理稀疏微 波成像中的回波信号相位误差问题，实现误差相位的自聚焦补偿，利用稀疏信号处理的正 则化算法成像，实现稀疏微波成像的高分辨成像。
【背景技术】
[0002] 以合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar,SAR)为代表的现代微波成像技术， 由于其可在全天时、全天候的实现高分辨成像等优点，已在对地观测、林业、农业、遥感、测 绘、海洋观测、军事侦察等领域得到了广泛的应用。目前的SAR系统普遍要求高的成像分辨 率与宽的测绘带宽。然而根据雷达分辨理论与奈奎斯特采样定理，随着雷达系统分辨率与 测绘带宽的增加，雷达系统的数据率与复杂度会随之急剧上升。这就为雷达系统的实现带 来了极大的困难。在现有电子器件的性能和工艺水平的限制下，SAR系统性能的进一步提 高已经受到了制约。为解决这一问题，人们提出了稀疏微波成像理论。所谓稀疏微波成像， 是指将稀疏信号处理理论引入微波成像中，将稀疏信号处理与微波成像理论两者相结合， 所形成的新理论、新体制和新方法。目前的实验结果表明，与传统SAR成像体制相比，稀疏 微波成像体制不仅可降低系统复杂度，还能在目标分辨能力、模糊抑制、旁瓣抑制等方面提 高系统的成像性能。
[0003] 机载平台是一个重要的稀疏微波成像系统部署平台。然而，对于机载稀疏微波成 像系统来说，面临一些不同于星载稀疏微波成像的独有问题，其中最主要的，就是机载系统 运动误差的处理。机载系统不同于轨道稳定的星载系统，其运载平台飞行轨迹受到平台性 能、天气、驾驶技术等诸多限制，很难保持严格的匀速直线运动轨迹。这将直接导致雷达回 波信号与理想情况相比产生误差。在实际机载系统中，运动误差可以分为：载机航迹偏离 匀速直线的平移运动误差；载机的角运动误差和其他误差。其中，载机航迹偏离匀速直线的 误差包括载机地速误差和视线方向的运动误差；角速度误差包括载机俯仰、横滚等导致的 误差；其他误差一般包括天线相位中心的简谐振动误差。这些误差反映到回波信号上，会给 回波信号带来相位误差（回波附加了误差相位）、采样时间误差（导致采样不再均匀）和距 离延迟（导致回波在距离向偏出距离门）。而在这所有误差中表现最明显、对成像质量影响 最大的，就是相位误差。相位误差往往导致图像重建质量下降，出现散焦、位移等现象。随 着相位误差的增大，甚至可能导致稀疏重建失败。
[0004] 相位误差的补偿主要有两种方法。一是利用运载平台的运动传感器，如惯性导航 系统、GPS等，测量出载机平台的准确运动状态数据，从而确定误差相位并进行补偿。二是 基于雷达回波数据的补偿，此即所谓"自聚焦"方法，直接从雷达回波数据中估算出相位误 差并加以补偿。虽然现有机载雷达系统的运动传感器性能越来越高，但自聚焦在高精度成 像与提升现有系统性能等应用中仍有很大的价值。
[0005] 在稀疏微波成像系统的信号处理流程中，传统SAR成像的匹配滤波成像算法被舍 弃，改用以正则化算法为代表的稀疏重建算法进行微波图像的成像与重建。与匹配滤波相t匕，稀疏重建算法具有低旁瓣、低采样率要求、可抑制模糊等诸多性能优势，但作为一种非 线性算法，针对传统SAR系统发展出的相位误差分析理论在此也不再适用；针对匹配滤波 发展出的传统自聚焦算法，如MD(子孔径相关）、PGA(相位梯度）等算法，也无法直接应用 于稀疏微波成像系统中。因此，有必要研究稀疏微波成像体制下的自聚焦算法，这对于机载 稀疏微波成像系统的应用具有很大的实际意义。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有技术的问题，本发明的目的在于提出一种稀疏微波成像的自聚焦方 法。为了达到上述目的，本发明将稀疏信号处理中的信号恢复问题引入稀疏微波成像中的 相位误差处理中，将两者结合，实现基于回波数据的相位误差自聚焦补偿。
[0007] 根据本发明一方面，其提供了一种基于相位恢复的稀疏微波成像自聚焦方法，其 包括：
[0008] 步骤S1 :构建稀疏微波成像相位误差模型；
[0009] 步骤S2 :构建稀疏微波成像相位误差模型的优化目标；
[0010] 步骤S3 :采用相位恢复算法对式所述稀疏微波成像相位误差模型的优化目标进 行求解，得到相位误差矩阵?的估计值；
[0011] 步骤S4 :采用稀疏微波成像的正则化成像算法进行成像，在已有相位误差矩阵? 的条件下，实现对后向散射系数。的恢复，重建场景信息，实现高分辨成像。
[0012] 根据本发明另一方面，其还提供了一种基于相位恢复的稀疏微波成像自聚焦装 置，其包括：
[0013] 构建稀疏微波成像相位误差模型的模块；
[0014] 构建稀疏微波成像相位误差模型的优化目标的模块；
[0015] 采用相位恢复算法对式所述稀疏微波成像相位误差模型的优化目标进行求解，得 到相位误差矩阵?的估计值的模块；
[0016] 采用稀疏微波成像的正则化成像算法进行成像，在已有相位误差矩阵?的条件 下，实现对后向散射系数。的恢复，重建场景信息，实现高分辨成像的模块。
[0017] 本发明的有益效果：本发明所述稀疏微波成像自聚焦算法基于稀疏信号处理中的 相位恢复方法，计算精度较高；可直接从回波数据中恢复出相位误差，实现自聚焦，无需依 赖于载机平台位置姿态传感器信息。
[0018] 传统雷达成像中的自聚焦算法是基于传统合成孔径雷达体制的，无法直接工作于 稀疏微波成像体制下。本发明所述方法可应用于稀疏微波成像体制下，提高稀疏微波成像 系统的成像质量与性能。
【附图说明】
[0019] 图1是本发明中基于相位恢复的稀疏微波成像自聚焦方法的流程图；
[0020] 图2(a)~（d)是本发明中基于相位恢复的稀疏微波成像自聚焦方法的成像仿真 结果示意图。
【具体实施方式】
[0021] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0022] 如图1示出了本发明提出的一种基于相位恢复的稀疏微波成像自聚焦方法的流 程图。如图1所示，该方法步骤如下：
[0023] 步骤S1 :构建稀疏微波成像相位误差模型。无相位误差的稀疏微波成像模型可表 示如下：
[0024] s=〇 〇 (1)
[0025] 其中s表示稀疏微波成像系统所接收并储存的回波信号，。表示场景的后向散 射系数，〇为稀疏微波成像系统的观测矩阵。成像过程中，s和〇为已知，。是需要在 成像过程中求解的。关于本模型的具体描述，可参考文献：B.Zhang,W.Hong,Y.Wu，Sparse microwaveimaging：Principlesandapplications[J].ScienceChinaInformation Science(SeriesF)，2012,55(8) :1722-1755。
[0026] 当系统存在相位误差时，表现在每一个回波采样值，即s的每一个分量Si上，附加 了一个未知的误差相位0i，i=l，. . .，N。N为接收的回波采样总数，即s的长度。
[0027] 稀疏微波成像相位误差模型可以表示如下：
[0028] 0s=〇 〇 (2)
[0029] 其中，
[0030]
【主权项】
1. 一种基于相位恢复的稀疏微波成像自聚焦方法，其包括： 步骤Sl :构建稀疏微波成像相位误差模型； 步骤S2 :构建稀疏微波成像相位误差模型的优化目标； 步骤S3 :采用相位恢复算法对式所述稀疏微波成像相位误差模型的优化目标进行求 解，得到相位误差矩阵?的估计值； 步骤S4:采用稀疏微波成像的正则化成像算法进行成像，在已有相位误差矩阵Θ的条 件下，实现对后向散射系数σ的恢复，重建场景信息，实现高分辨成像。
2. 如权利要求1所述的方法，其中，步骤Sl中构建的所述稀疏微波成像相位误差模型 如下所示： Θ S=Cj σ 其中，
θρ θ2，...，ΘΝ表示回波信号S中每个回波采样值所附加的误差相位，N为回波信号 采样总数，σ表示场景的后向散射系数，Φ为稀疏微波成像系统的观测矩阵。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，步骤S2中构建的优化目标如下所示： Hiin6l {u*Mu}
其中，u = [exp (j Θ D，exp (j Θ 2)，· · ·，exp (j Θ N) ]T，u* 是 u 的共轭，I 是单位矩阵，《!?t 是Φ的伪逆。
4. 如权利要求3所述的方法，其中，所述相位恢复算法包括贪心算法和PhaseCut算法。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，利用贪心算法时，通过求解下式得到相位误差的估 计值Θ :
其中，贪心算法的每个迭代步骤设置下式：
其中，i = 1，. . .，N，Mki代表矩阵M第k行第i列的元素，a为迭代计数器。
6. 如权利要求4所述的方法，其中，利用PhaseCut算法求解时，每个迭代步骤中先求 出Γ = UW)?M，a为迭代计数器，再计算函数
的梯度， 其中μ为梯度下降速度参数，\(1)表示矩阵X的第i个特征值，将ua沿梯度方向下降一个 步长进行下一迭代，直到收敛后，返回ua=[exp (j Θ J a]T，进而得到相位误差的估计值?。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，步骤S4中后向散射系数σ如下计算：
式中，0是在步骤S3中解得的相位误差的估计值；0〈q < 1，λ是正则化参数d是场景 真实后向散射系数〇的重建估计值。
8. -种基于相位恢复的稀疏微波成像自聚焦装置，其包括： 构建稀疏微波成像相位误差模型的模块； 构建稀疏微波成像相位误差模型的优化目标的模块； 采用相位恢复算法对式所述稀疏微波成像相位误差模型的优化目标进行求解，得到相 位误差矩阵Θ的估计值的模块； 采用稀疏微波成像的正则化成像算法进行成像，在已有相位误差矩阵?的条件下，实 现对后向散射系数σ的恢复，重建场景信息，实现高分辨成像的模块。
【专利摘要】本发明公开了一种基于相位恢复的稀疏微波成像自聚焦方法及装置。所述方法包括：步骤S1：构建稀疏微波成像相位误差模型；步骤S2：构建稀疏微波成像相位误差模型的优化目标；步骤S3：采用相位恢复算法对式所述稀疏微波成像相位误差模型的优化目标进行求解，得到相位误差矩阵Θ的估计值；步骤S4：采用稀疏微波成像的正则化成像算法进行成像，在已有相位误差矩阵Θ的条件下，实现对后向散射系数σ的恢复，重建场景信息，实现高分辨成像。本发明提出的上述方案工作于稀疏微波成像体制下，直接从回波信号中求解得到误差相位并实现高精度成像，无需依赖传感器得到载机平台的运动信息，实现了自聚焦的目的，可在稀疏微波成像体制下得到广泛应用。
【IPC分类】G01S13-89, G01S7-41
【公开号】CN104749571
【申请号】CN201310737404
【发明人】张拓, 张冰尘, 赵曜, 洪文, 吴一戎
【申请人】中国科学院电子学研究所
【公开日】2015年7月1日
【申请日】2013年12月26日