基於壓縮感知的非均勻空間構形分布式sar動目標三維成像方法

2023-10-18 08:50:14

基於壓縮感知的非均勻空間構形分布式sar動目標三維成像方法
【專利摘要】基於壓縮感知的非均勻空間構形分布式SAR動目標三維成像方法，屬於通信領域，本發明為解決現有的分布式SAR動目標三維成像存在數據存儲和傳輸量大問題。該方法為：一、動目標三維過完備字典的建立：結合非均勻空間構形的幾何特點，地面動目標的三維位置信息與速度信息，將觀測區域劃分為若干個獨立的觀測單元，建立完備的地面散射點觀測模型，並根據離散回波模型，建立字典；二、過完備-基追蹤動目標三維成像技術：根據步驟一所建立的字典，對非均勻空間構型分布式SAR回波信號進行稀疏分解，利用基追蹤信號重構方法將該稀疏求解問題轉換為凸優化問題，並從重構信號中得到動目標的三維位置信息與速度信息，完成三維成像。用於分布式SAR動目標三維成像。
【專利說明】基於壓縮感知的非均勻空間構形分布式SAR動目標三維成像方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及基於壓縮感知的非均勻空間構形分布式SAR動目標三維成像方法，屬於通信領域。
【背景技術】
[0002]分布式SAR具有獲取動目標三維信息的能力。然而，一方面由於數據採集受Nyquist理論限制，動目標進行三維成像所需數據量大，系統往往無法承受數據存儲和傳輸帶來的負擔；另一方面，由於需確定的目標位置量多，信號重構難度遠大於二維成像，目前尚無完善的方法。
[0003]合成孔徑雷達(SAR, Synthetic Aperture Radar)是一種能夠全天時、全天候產生高分辨目標場景圖像的遙感系統。傳統的SAR是配備了發射和接收天線的單通道系統，在場景靜止不動的假設下，能夠對場景進行二維高解析度成像。然而，一方面，當場景中存在動目標時，重建圖像將出現模糊、散焦等問題，這是因為動目標的相位移動不僅與它們的幾何位置有關而且和它們的速度有關；另一方面，單通道系統不具備獲取動目標三維信息的能力，無法對動目標進行三維高分辨成像。隨著對城市、戰場、災區等複雜監測場景持續觀測需求的增加，對帶動目標進行三維成像越來越受到關注。
[0004]傳統的單天線窄角度SAR用傳統的重構方法，如極化格式和濾波後向投影法，對動目標進行定位精度不高。這是因為目標的地理位置和速度中存在固有的模糊。因此，大部分動目標成像技術都集中在成像中的聚焦和檢測汙染目標。近年來許多專門處理動目標的方法得到了大力發展。空時自適應處理(STAP)方法開闢了多相位中心天線抑制雜波並產生動目標指示圖像的途徑。速度合成孔徑雷達(VSAR)方法指出了多接收天線陣元產生的一系列圖像相位中包含速度信息。雙速率SAR在雷達數據採集時間內具有以兩個不同速度相繼移動的雷達平臺。分布式SAR憑藉非均勻空間構形具有突破由天線的多相位中心造成的速度-定位模糊的潛力和獲取動目標三維信息的能力。因此，最近對非均勻空間構形分布式SAR的研究展現了解析度提高和三維成像的潛力，可以大大超越基於雷達波形的傳統理論的限制。
[0005]傳統方法解決動目標成像問題是在每一個像素上，根據所有可能的速度假設獨立地進行匹配濾波(matched filter)重建，得到一個空間-速度立方，然後將目標放置於空間-速度立方中最大能量聚集處，這種方法所需數據量極大，給數據存儲和傳輸系統都帶來了沉重的負擔。

【發明內容】

[0006]本發明目的是為了解決現有的分布式SAR動目標三維成像存在數據存儲和傳輸量大問題，提供了一種基於壓縮感知的非均勻空間構形分布式SAR動目標三維成像方法。
[0007]本發明所述基於壓縮感知的非均勻空間構形分布式SAR動目標三維成像方法，該方法的實現步驟為:
[0008]步驟一、建立動目標三維過完備字典:所述過完備字典是指對於一個給定的含有M個元素的列向量，被表示為Q個生成向量的線性組合；其中，M、Q均為正整數；iM=Q時，並且Q個向量是相互獨立的,這時這個含M個元素的列向量可以被唯一的表示，這時這Q個向量被叫做一組基；而當Q>M時，這Q個元素被叫做過完備字典；
[0009]設地面散射點三維位置模型和速度模型為變量，並滿足最終散射係數向量s的最優解條件，所述地面散射點三維位置模型為:
[0010][X1 X2...X1...X1]
[0011]Ly1 y2 …yj …yj]
[0012][Z1 Z2...Zk...ζκ]
[0013]其中，Xi, Yi和Zi分別為散射點於方位向距離向和高度向上的坐標位置；1、J和K為正整數，且 i e [1，2，…，I]，je[l，2，...，J]，ke[l，2，…，K];所述 XpyjPzi 的取值範圍均根據分布式SAR的雷達覆蓋範圍來確定；
[0014]Xi與xi+1, Yj與yJ+1, zk與ζκ之間的間隔分別為dx, dy, dz，所述dx、dy和dz值的大小均根據分布式SAR的雷達的解析度來確定；
[0015]所述地面散射點速度模型:
[0016][V1 V2...V1...vL]；
[0017]其中V1的取值範圍由待 檢測運動目標的先驗知識決定，根據實際需要設定其間隔;
[0018]且I G [1,2,…，L]；
[0019]首先，將SAR所覆蓋區域內的原始回波信號r進行稀疏表示，然後結合非均勻空間構形的幾何特點、地面動目標的三維位置先驗信息和地面動目標的先驗速度信息，並根據離散回波模型，建立動目標三維過完備字典；
[0020]步驟二、過完備字典-基追蹤動目標三維成像技術:
[0021]根據步驟一所建立的動目標三維過完備字典，對非均勻空間構型分布式SAR回波信號進行稀疏分解，再利用基追蹤信號重構方法將該稀疏求解問題轉換為凸優化問題，同時對信號進行重構，最終得到動目標的三維位置信息與速度信息，完成動目標的三維成像。
[0022]本發明的優點:
[0023]在非均勻空間構形下，利用稀疏信號表示和信號重構對動目標進行三維成像。根據一系列速度假設和三維位置假設，即在每一個像素上構建一個速度-位置的三維過完備字典(0D, Overcomplete Dictionary),來線性化目標定位和速度估計中的非線性、I禹合問題。不同於濾波後向投影和匹配濾波方法，本方法在一個全局的、統一最優的框架下對所有速度-位置假設進行聯合評估。最終將稀疏反演公式轉化為一個凸優化問題，並通過凸鬆弛方法理論中的去噪基追蹤信號重構方法(BP，Basis Pursuit)來解決，最終提出了 OD-BP壓縮感知動目標三維成像方法。這種結合了稀疏信號分解與信號重構理論的動目標三維成像方法可以在較少的數據量下得到更精確的重構信號，準確地獲得動目標的速度與三維位置信息。
【專利附圖】

【附圖說明】[0024]圖1是本發明所述【具體實施方式】一中所述的將監測場景在方位向、距離向和高度向上分別劃分為若干個單元格的地面散射點模型三維字典示意圖；圖中X-Y-Z坐標系表示檢測場景所在的坐標系，圓形代表不同地理位置的分辨單元，圓形顏色的深淺代表單元所在高度的不同，X、y、Z和V分別表示各圓形所在的各方向上分辨單元編號和徑向速度。這樣一來，對於監測場景中的每個點均可由向量V)來表徵(v=0時為靜目標)，其中ie {1,2,-N}, j e {1,2, -Μ}和Icij e {1，2，…L}，N、M和L分別為方位向、距離向和高度向上的單元個數。
【具體實施方式】
[0025]【具體實施方式】一:下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述基於壓縮感知的非均勻空間構形分布式SAR動目標三維成像方法，該方法的實現步驟為:
[0026]步驟一、建立動目標三維過完備字典:所述過完備字典是指對於一個給定的含有M個元素的列向量，被表示為Q個生成向量的線性組合；其中，M、Q均為正整數；當M=Q時，並且Q個向量是相互獨立的,這時這個含M個元素的列向量可以被唯一的表示，這時這Q個向量被叫做一組基；而當Q>M時，這Q個元素被叫做過完備字典；
[0027]設地面散射點三維位置模型和速度模型為變量，並滿足最終散射係數向量s的最優解條件，所述地面散射點三維位置模型為:
[0028][X1 X2...X1...X1]
[0029]Ly1 J2 …y』…yj]
[0030][Z1 Z2...Zk...ζκ]
[0031]其中，Xi, Yi和Zi分別為散射點於方位向距離向和高度向上的坐標位置；1、J和K為正整數，且 i e [1，2，…，I]，je[l，2，...，J]，ke[l，2，…，K];所述 XpyjPzi 的取值範圍均根據分布式SAR的雷達覆蓋範圍來確定；
[0032]Xi與xi+1, Yj與yJ+1, Zk與ζκ之間的間隔分別為dx, dy, dz，所述dx、dy和dz值的大小均根據分布式SAR的雷達的解析度來確定；
[0033]所述地面散射點速度模型:
[0034][V1 V2...V1...vL]；
[0035]其中V1的取值範圍由待檢測運動目標的先驗知識決定，根據實際需要設定其間隔;
[0036]且I G [1,2,…，L]；
[0037]首先，將SAR所覆蓋區域內的原始回波信號r進行稀疏表示，然後結合非均勻空間構形的幾何特點、地面動目標的三維位置先驗信息(與雷達覆蓋範圍有關)和地面動目標的先驗速度信息(與待成像的動目標類型有關)，並根據離散回波模型，建立動目標三維過完備字典；
[0038]步驟二、過完備字典-基追蹤動目標三維成像技術:
[0039]根據步驟一所建立的動目標三維過完備字典，對非均勻空間構型分布式SAR回波信號進行稀疏分解，再利用基追蹤信號重構方法將該稀疏求解問題轉換為凸優化問題，同時對信號進行重構，最終得到動目標的三維位置信息與速度信息，完成動目標的三維成像。
[0040]【具體實施方式】二:下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式對實施方式一作進一步說明，本實施方式所述的步驟一中所述建立動目標三維過完備字典的具體實現過程為:
[0041]步驟A:首先將SAR所覆蓋區域內的原始回波信號r進行稀疏表示，使該信號能夠表不成為一系列基信號的組合:
[0042]引入離散回波模型:
【權利要求】
1.基於壓縮感知的非均勻空間構形分布式SAR動目標三維成像方法，其特徵在於，該方法的實現步驟為: 步驟一、建立動目標三維過完備字典:所述過完備字典是指對於一個給定的含有M個元素的列向量，被表示為Q個生成向量的線性組合；其中，M、Q均為正整數；當M=Q時，並且Q個向量是相互獨立的，這時這個含M個元素的列向量可以被唯一的表示，這時這Q個向量被叫做一組基；而當Q>M時，這Q個元素被叫做過完備字典； 設地面散射點三維位置模型和速度模型為變量，並滿足最終散射係數向量s的最優解條件，所述地面散射點三維位置模型為:
[X1X2…X1...X1]
Iiyiy2 …y」…yj]
[Z1Z2…Zk…Zk] 其中，Xpyi和Zi分別為散射點於方位向距離向和高度向上的坐標位置；1、J和K為正整數，且 ie[l，2，…，I]，je[l，2，...，J]，ke[l，2，…，K];所述 X1、yi 和 Zi 的取值範圍均根據分布式SAR的雷達覆蓋範圍來確定； Xi與Xi+1，Yj與yj+1，Zk與ζκ之間的間隔分別為dx, dy, dz,所述dx、dy和dz值的大小均根據分布式SAR的雷達的解析度來確定； 所述地面散射點速度模型:
[V1 V2...V1. ..Vl]; 其中V1的取值範圍由待檢測 運動目標的先驗知識決定，根據實際需要設定其間隔； 且 I e [1,2,…，L]； 首先，將SAR所覆蓋區域內的原始回波信號r進行稀疏表示，然後結合非均勻空間構形的幾何特點、地面動目標的三維位置先驗信息(與雷達覆蓋範圍有關)和地面動目標的先驗速度信息(與待成像的動目標類型有關)，並根據離散回波模型，建立動目標三維過完備字血.ZN ? 步驟二、過完備字典-基追蹤動目標三維成像技術: 根據步驟一所建立的動目標三維過完備字典，對非均勻空間構型分布式SAR回波信號進行稀疏分解，再利用基追蹤信號重構方法將該稀疏求解問題轉換為凸優化問題，同時對信號進行重構，最終得到動目標的三維位置信息與速度信息，完成動目標的三維成像。
2.根據權利要求1所述的基於壓縮感知的非均勻空間構形分布式SAR動目標三維成像方法，其特徵在於:步驟一中所述建立動目標三維過完備字典的具體實現過程為: 步驟A:首先將SAR所覆蓋區域內的原始回波信號r進行稀疏表示，使該信號能夠表示成為一系列基信號的組合: 引入離散回波模型:
Sp(Itm) = rec(\(
L^Jc 其中，rect[]為矩形窗函數；？，乜分別為快時間和慢時間；c為光速；R(tm)為瞬時斜距；所述瞬時斜距 其中，Xo為雷達初始方位向位置；z (tm)為動目標瞬時高度向位置；R。為雷達到場景中心的初始斜距；va為雷達所在衛星的速度；Θ為下視角，vx, Vy分別為動目標的方位向與距離向速度，且動目標的徑向速度為=.根據已知的SAR所覆蓋區域內的地面散射點三維位置模型、速度模型和離散回波模型，得到原始回波信號r: 其中，Oa(V)表示區域內的原始地面散射點分布中第a個散射點在反射回波信號，當速度為速度模型V中任意一個速度時對回波的貢獻； 速度模型V= [Vl，V2，…，vN]τ，N為正整數，Φ a (V)將隨著時間不斷變化；sa表示地面散射點分布中第a個散射點的散射係數，S為地面散射點分布的散射係數向量，η為噪聲； 散射係數向量S=Iis1, S2,…，sa,…sA]τ ；Α為正整數；φ為動目標三維過完備字典，用於描述散射點模型中各散射點回波對接收到的回波信號的影響；此時，動目標三維過完備字典Φ中包含了位置影響因素，速度影響因素，時間影響因素； 步驟B:設散射係數均為1，即
3.根據權利要求1或2所述的基於壓縮感知的非均勻空間構形分布式SAR動目標三維成像方法，其特徵在於:步驟二中所述過完備字典-基追蹤動目標三維成像技術的具體實現方法為: 由步驟一得到回波信號r在過完備字典上的稀疏表示，且動目標三維過完備字典Φ具有矩陣的有限等距性質restricted isometry property,採用如下含噪的模型來獲得動目標的三維位置信息與速度信息: gamma=Φ (v) S+n=AXS+n (15) 其中A為動目標三維過完備字典Φ中每個元素對應的係數；X為動目標三維過完備字典Φ中的每個元素； 設η表示高斯白噪聲，同時I I η I 12〈 σ， 上式的約束形式為:
min IXI I!, s.t.| | AX-r 120，則表示信號中存在著噪聲； 該式是基追蹤噪聲抑制方法，對該式求解即可得到動目標的三維位置信息與速度信息，完成動目標的三維成像。
【文檔編號】G01S7/41GK103472450SQ201310428562
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月18日 優先權日:2013年9月18日
【發明者】劉梅, 張雷 申請人:哈爾濱工業大學