一種基於相變圖分析的稀疏微波成像雷達性能評估方法
2023-10-19 16:39:02 1
專利名稱：一種基於相變圖分析的稀疏微波成像雷達性能評估方法
技術領域：
本發明涉及雷達成像技術領域，是一種適用於稀疏微波成像雷達的性能評估方法。它借用相變曲面刻畫出稀疏微波成像雷達性能隨信噪比、稀疏度和採樣比的變化關係，並利用相變邊界將相變圖劃分為可重建區域和不可重建區域，從而定量分析得出稀疏微波成像雷達性能。
背景技術：
合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一種可全天時、全天候工作的主動式高解析度微波遙感設備。它被廣泛應用於國防建設和國民經濟建設的諸多領域，如高精度測繪與資源環境勘察、自然災害監測與突發事件應對、偵察監視與預警等。隨著雷達系統解析度增高，測繪帶增大·，系統數據率隨之增大，系統也越來越複雜。傳統微波成像技術基於雷達分辨理論和奈奎斯特採樣定理，它決定了微波成像系統的規模和複雜度。奈奎斯特採樣定理指出，對於有限帶寬的實信號，無失真恢復信號所需的採樣率不低於兩倍的信號帶寬，不可避免地產生大量數據。隨著壓縮感知(Compressed Sensing,簡稱CS)理論的快速發展，以及數學家在稀疏信號處理領域獲得最新成果，稀疏微波成像成為了當前微波成像技術的前沿研究熱點。稀疏微波成像是指將稀疏信號處理理論引入微波成像並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徵域，在空間、時間、頻譜或極化域稀疏採樣獲取被觀測對象的稀疏微波信號，經信號處理和信息提取，獲取被觀測對象的空間位置、散射特徵和運動特性等幾何與物理特徵。稀疏微波成像雷達利用Iq(O <q^ D優化算法對目標場景進行精確重建，大大減少數據採集，降低系統複雜度，並實現高解析度微波成像。稀疏微波成像適用於原始信號具有稀疏特徵的雷達成像領域，如海洋寬幅測繪、海面艦船監控、空中目標ISAR成像等；也可以應用於雷達功率圖像在變換域具有稀疏特徵的觀測領域，如功率圖像在小波域稀疏的情況等。傳統成像評估方法不再適用於稀疏微波成像雷達性能評估，有必要建立適用於稀疏微波成像雷達的性能評估體系。對背景技術的了解可以參考下面四篇文章以及它們的引用文章。[1]D. L. Donoho, 「Compressed sensing，，，IEEE Trans.1nform. Theory,2006，52，(4)，pp. 1289—1306.[2]E. Candes, J. Romberg, and T. Tao, 「Robust uncertainty principles exact signal reconstruction from highly incomplete frequencyinformation, 」Information Theory,IEEE Transactions on, vol. 52, no. 2,pp.489-509,Feb. 2006.[3]D.L. Donoho, and J. Jin,「Feature selection by higher criticismthresholding achieves the optimal phase diagram」，Phil. Trans. Roy.Soc.A(2009)367，4449-4470.
[4] D. L. Donoho, and J. Tanner, 「Observed universality of phasetransitions in high-dimensional geometry, with implications for modern dataanalysis and signal processing」，Phil.Trans. Roy. Soc. A 367 (2009),4273-4293.
發明內容
本發明的目的是公開一種基於相變圖分析的稀疏微波成像雷達性能評估方法，借用物理學中相變圖的概念，提出適用於稀疏微波成像的雷達系統和雷達圖像性能評估方法。本發明採用正確重建率和相對均方誤差作為判別標準，大大降低了計算量，為稀疏微波成像雷達性能分析提供了一種高效評估方法。為實現上述目的，本發明的技術解決方案是一種基於相變圖分析的稀疏微波成像雷達性能評估方法，其包括步驟a)針對稀疏微波成像雷達機理，將信噪比引入分析圖中建立以信噪比、稀疏度和採樣比為坐標軸的雷達成像性能相變圖；b)分別計算不同信噪比、稀疏度和採樣比的條件下，稀疏微波成像雷達性能隨這三維變量的變化趨勢，繪製三維分析圖；c)在滿足雷達圖像性能，符合觀測要求的情況下，選取正確重建閾值，採用曲面擬合的方法繪製相變曲面，用相變邊界衡量雷達成像性能；d)利用邊界曲面將相變圖劃分為可重建區域和不可重建區域，比較可重建區域大小，定量分析稀疏微波成像雷達性能。所述的基於相變圖分析的稀疏微波成像雷達性能評估方法，其所述a)步，雷達成像性能相變圖的坐標軸中，信噪比是雷達接收端信號功率和噪聲功率的比值，稀疏度是場景非零目標數K和場景總目標數N的比 值K/N ;採樣比是雷達採樣數M和場景總目標數N的比值M/N;以信噪比、稀疏度、採樣比為軸的雷達成像相變圖可劃分為三個截面圖，每個截面圖中可重建區域和不可重建區域隨信噪比、稀疏度、採樣比三個參量變化。所述的基於相變圖分析的稀疏微波成像雷達性能評估方法，其所述b)步，選取目標場景正確重建率作為評價標準衡量重建結果，定量分析稀疏微波成像雷達性能，包括以下步驟步驟1:將觀測場景離散化之後表示成列向量的形式X = [X1 X2 …xN]τXG Rn，其中有K個非零元素。把X中所有的非零元素按先後次序組成一個新的向量為X' = [x/ X21 …χκ' ]τ ；步驟2 :利用Iq(O < q≤I)優化算法對觀測場景後向散射係數的恢復，重建目標表示為$ X = [X1 X2 ··· Xn1^相應的，將重建後支撐域非零元素恢復的結果表示為X= Χχ K ··· Xk步驟3 :採用相對重建誤差作為評價準則，檢測支撐域第k個非零元素重建結果，表示為
權利要求
1.一種基於相變圖分析的稀疏微波成像雷達性能評估方法，其特徵在於，包括步驟 a)針對稀疏微波成像雷達機理，將信噪比引入分析圖中建立以信噪比、稀疏度和採樣比為坐標軸的雷達成像性能相變圖； b)分別計算不同信噪比、稀疏度和採樣比的條件下，稀疏微波成像雷達性能隨這三維變量的變化趨勢，繪製三維分析圖； c)在滿足雷達圖像性能，符合觀測要求的情況下選取正確重建閾值，採用曲面擬合的方法繪製相變曲面，用相變邊界衡量雷達成像性能； d)利用邊界曲面將相變圖劃分為可重建區域和不可重建區域，比較可重建區域大小，定量分析稀疏微波成像雷達性能。
2.根據權利要求1所述的基於相變圖分析的稀疏微波成像雷達性能評估方法，其特徵在於，所述a)步，雷達成像性能相變圖的坐標軸中，信噪比是雷達接收端信號功率和噪聲功率的比值，稀疏度是場景非零目標數K和場景總目標數N的比值K/N ;採樣比是雷達採樣數M和場景總目標數N的比值M/N ；以信噪比、稀疏度、採樣比為軸的雷達成像相變圖劃分為三個截面圖，截面圖中可重建區域和不可重建區域隨信噪比、稀疏度、採樣比三個參量變化。
3.根據權利要求1所述的基於相變圖分析的稀疏微波成像雷達性能評估方法，其特徵在於，所述b)步，選取目標場景正確重建率作為評價標準衡量重建結果，定量分析稀疏微波成像雷達性能，包括以下步驟 步驟1:將觀測場景離散化之後表示成列向量的形式 X — [X1 X2... Xn] XGM^，其中有K個非零元素。把X中所有的非零元素按先後次序組成一個新的向量為X, = [X1, X2' ...Χκ, ]T ; 步驟2 :利用1,(0 <q^ I)優化算法對觀測場景後向散射係數的恢復，重建目標表示為1:/VΓ /V/V/V ~\ΓX = IX1 X2 ... Xn \ 相應的，將重建後支撐域非零元素恢復的結果表示為
4.根據權利要求1所述的基於相變圖分析的稀疏微波成像雷達性能評估方法，其特徵在於，所述b)步，採用相對均方誤差作為評價標準衡量觀測場景後向散射係數重建結果，定量分析稀疏微波成像雷達性能，表示為
5.根據權利要求1或3所述的基於相變圖分析的稀疏微波成像雷達性能評估方法，其特徵在於所述目標場景重建正確率，表示不同信噪比、稀疏度和採樣比的條件下，重新生成觀測場景，對觀測區域做了一次重建過程，用目標場景重建正確率代替準確重建概率。
全文摘要
本發明提供了一種基於相變圖分析的稀疏微波成像雷達性能評估方法，涉及雷達成像技術，根據稀疏微波成像雷達原理，建立以信噪比、稀疏度和採樣比為坐標軸的雷達成像性能相變圖；借用相變曲面刻畫出稀疏微波成像雷達性能隨信噪比、稀疏度和採樣比的變化趨勢；並利用該邊界曲面將相變圖劃分為可重建區域和不可重建區域，從而定量分析得出稀疏微波成像雷達性能。本發明方法採用正確重建率和相對均方誤差作為判別標準，大大降低了計算量，為稀疏微波成像雷達性能分析提供了一種高效評估方法。
文檔編號G01S7/40GK103048649SQ20111030997
公開日2013年4月17日 申請日期2011年10月13日 優先權日2011年10月13日
發明者洪文, 張冰塵, 吳一戎, 田野 申請人:中國科學院電子學研究所