CN107797111A - 非均匀散射系数场景下的稳健多通道sar信号重建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非均匀散射系数场景下的稳健多通道SAR信号重建方法。技术方案是：先利用Capon方法估计多通道SAR信号干扰分量的功率信息，再利用干扰分量的功率信息重构干扰加噪声协方差矩阵，然后利用干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器，最后利用波束形成器对多通道SAR信号滤波得到等效单通道信号。本发明在非均匀散射系数场景下仍能保持良好的信号重建性能。

Description

非均匀散射系数场景下的稳健多通道SAR信号重建方法
技术领域
本发明涉及雷达信号处理技术领域，更确切地说，涉及一种多通道SAR(syntheticaperture radar,合成孔径雷达)信号重建方法，该方法可以在非均匀散射系数场景下取得良好的重建性能。
背景技术
多通道SAR信号重建方法的性能直接影响了后续SAR图像的成像质量，重构方法性能越好，后续得到的SAR图像质量越好。
SINR(Signal to Interference and Noise Ratio,信号干扰噪声比)定义为重建信号功率与重建干扰加噪声功率的比值，是用来衡量多通道SAR信号重建方法性能的重要参数。SINR大小反映了干扰加噪声功率对成像质量的影响程度。SINR越大，则信号重建后得到的SAR图像质量越高。
目前的多通道SAR信号重建方法主要分为非自适应和自适应两类[1]，这两类方法均是计算滤波器权值，通过滤波器滤波实现信号重建。非自适应方法的思路是通过观测矩阵求伪逆的方法得到滤波器权值，实际是通过在多普勒主瓣干扰分量方向施加固定零点约束实现干扰抑制。均匀反射系数场景下主要干扰分量均位于多普勒主瓣范围内，因此非自适应方法在均匀反射系数场景下可以取得较好的干扰抑制效果。自适应方法的思路是先计算多通道SAR信号协方差矩阵，再在信号分量无失真输出约束下通过最小化输出功率得到最优加权值。均匀反射系数场景下可以获得足够的样本数用以准确计算协方差矩阵，保证干扰抑制效果。而在非均匀反射系数场景下，主要干扰分量不一定位于多普勒主瓣范围内，且无法获得足够的样本数来准确计算协方差矩阵，导致上述非自适应和自适应多通道SAR信号重建方法均无法实现非均匀散射系数场景下的信号高质量重建。因此，研究一种在非均匀散射系数场景下的信号高质量稳健重建方法有非常重要的意义。
发明内容
本发明为了解决多通道SAR信号重建方法在非均匀散射系数场景下性能下降的问题，提出了一种基于协方差矩阵重构的稳健多通道SAR信号重建方法。该方法在非均匀散射系数场景下仍能保持良好的信号重建性能。
本发明的技术方案是：一种非均匀散射系数场景下的稳健多通道SAR信号重建方法，先利用Capon方法[2]估计多通道SAR信号干扰分量的功率信息，再利用干扰分量的功率信息重构干扰加噪声协方差矩阵，然后利用干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器，最后利用波束形成器对多通道SAR信号滤波得到等效单通道信号。
特别地，利用下式计算多通道SAR信号干扰分量的功率信息：
上式中，表示第k个干扰分量的功率信息，k＝1,2,...,K,K表示干扰分量总数，ak表示第k个干扰分量的导向矢量，R表示多通道SAR信号的协方差矩阵，[·]H表示矩阵的共轭转置运算，[·]-1表示矩阵求逆运算。
进一步地，利用下述步骤重构干扰加噪声协方差矩阵：
首先估计多通道SAR信号的噪声功率σ2，可利用特征值分解方法进行估计；
再利用下式计算干扰加噪声协方差矩阵
上式中，I表示单位矩阵，σ2表示噪声功率。
进一步地，利用重构后的计算波束形成器w：
上式中，a表示多通道SAR信号包含的信号分量的导向矢量。
利用波束形成器对多通道SAR信号滤波得到等效单通道SAR信号
上式中，Z表示多通道SAR信号矢量。
本发明的有益效果是：由于额外利用了多通道SAR信号干扰分量的导向矢量信息，计算重构的协方差矩阵所需的样本数相比于现有自适应方法大大降低，使得本方法在非均匀散射系数场景下仍能保持良好的多通道SAR信号重建性能。同时，由于重构的干扰加噪声协方差矩阵不含信号分量，可以有效避免信号自抑制现象，使得本方法具备对雷达阵列误差的稳健性。
附图说明
图1为本发明所提供的多通道SAR信号重建方法的流程图；
图2为非均匀散射系数场景下雷达无阵列误差时本方法与其余方法性能仿真结果；
图3为非均匀散射系数场景下雷达存在阵列误差时本方法与其余方法性能仿真结果；
图4是本发明方法与其余方法对实测数据的处理结果；
下面结合附图对本发明提供的多通道SAR信号重建方法进行详细说明。
图1是本发明所提供的多通道SAR信号重建方法的流程图。该流程图的第一步通过Capon方法估计各干扰分量的功率信息，第二步是进行干扰加噪声协方差矩阵重构，第三步是计算波束形成器，第四步是计算重建后的等效单通道SAR信号。
图2和图3是利用本发明进行仿真实验时，REC(即本方法)的重建性能与现有的LS(即最小二乘)、CS(即单平面波Capon)和ESM(即多平面波子空间投影)三种方法重建性能的对比图。实验中用非均匀散射系数点阵仿真非均匀散射系数场景，通道数设为7，干扰分量总数设为5，添加高斯白噪声，输入信噪比设为10-15dB。图2表示雷达无阵列误差时的仿真结果，图3表示添加10度雷达阵列误差时的仿真结果。
图2为非均匀散射系数场景下雷达无阵列误差时本方法与其余方法性能仿真结果，横坐标表示输入多通道SAR信号的信噪比SNR，纵坐标表示输出等效单通道SAR信号的信号干扰噪声比SINR,带五角星的曲线表示本发明提出的REC方法，带圆点的曲线表示CS方法，带正方形的曲线表示LS方法，带菱形的曲线表示ESM方法。从图中可以看到，在不同输入信噪比条件下，REC方法输出信号干扰噪声比均高于其余三种方法，表明REC方法可以在非均匀散射系数场景下准确重构干扰加噪声协方差矩阵，自适应优先抑制功率更大的干扰分量，取得更好的多通道SAR信号重建结果。
图3为非均匀散射系数场景下雷达存在阵列误差时本方法与其余方法性能仿真结果，横坐标表示输入多通道SAR信号的信噪比SNR，纵坐标表示输出等效单通道SAR信号的信号干扰噪声比SINR,带五角星的曲线表示本发明提出的REC方法，带圆点的曲线表示CS方法，带正方形的曲线表示LS方法，带菱形的曲线表示ESM方法。从图中可以看到，存在阵列误差时，REC方法重构性能仍高于其他方法，表明REC方法具备对阵列误差的稳健性。
上述仿真结果表明REC方法可以在非均匀散射系数场景下准确重构干扰加噪声协方差矩阵，从而更好地抑制干扰和噪声功率，提高输出等效单通道SAR信号的信号干扰噪声比。同时，由于重构利用的干扰加噪声协方差矩阵不含信号分量，该方法还表现出对阵列误差的稳健性。
图4是本发明方法与其余方法对实测数据的处理结果，实测数据来源于国内某技术研究所获取的三通道X波段机载SAR数据。表中给出了REC、LS、CS和ESM四种方法在雷达无阵列误差和存在阵列误差条件下输出等效单通道SAR信号的信号干扰噪声比。从表中可以看到，CS方法重建性能欠佳，LS与ESM方法重建性能相似，优于CS方法，而REC方法取得最优的重建性能。实测数据处理结果表明本发明提出的REC方法可以在非均匀散射系数场景下取得良好的多通道SAR信号重建性能，且表现出对阵列误差的稳健性。
[1]Ishuwa Sikaneta,“Optimum signal processing for multichannel SAR:with application to high-resolution wide-swath imaging,”IEEE Transactions onGeoscience and Remote Sensing,vol.52,no.10,pp.6095–6109,2014.
[2]J.Capon,“High-resolution frequency-wavenumber spectrum analysis,”Proc.IEEE,vol.57,no.8,pp.1408–1418,Aug.1969。

Claims (4)

1.一种非均匀散射系数场景下的稳健多通道SAR信号重建方法，其特征在于，先利用Capon方法估计多通道SAR信号干扰分量的功率信息，再利用干扰分量的功率信息重构干扰加噪声协方差矩阵，然后利用干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器，最后利用波束形成器对多通道SAR信号滤波得到等效单通道信号；其中，SAR是指合成孔径雷达。
2.根据权利要求1所述的非均匀散射系数场景下的稳健多通道SAR信号重建方法，其特征在于，利用下式计算多通道SAR信号干扰分量的功率信息：
<mrow> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>k</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <msup> <msub> <mi>a</mi> <mi>k</mi> </msub> <mi>H</mi> </msup> <msup> <mi>R</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <msub> <mi>a</mi> <mi>k</mi> </msub> </mrow> </mfrac> </mrow>
上式中，表示第k个干扰分量的功率信息，k＝1,2,...,K,K表示干扰分量总数，ak表示第k个干扰分量的导向矢量，R表示多通道SAR信号的协方差矩阵，[·]H表示矩阵的共轭转置运算，[·]-1表示矩阵求逆运算。
3.根据权利要求2所述的非均匀散射系数场景下的稳健多通道SAR信号重建方法，其特征在于，利用下述步骤重构干扰加噪声协方差矩阵：
首先利用特征值分解方法估计多通道SAR信号的噪声功率σ2；
再利用下式计算干扰加噪声协方差矩阵
<mrow> <mover> <mi>R</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>K</mi> </munderover> <msub> <mover> <mi>P</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>k</mi> </msub> <msub> <mi>a</mi> <mi>k</mi> </msub> <msup> <msub> <mi>a</mi> <mi>k</mi> </msub> <mi>H</mi> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>I</mi> </mrow>
上式中，I表示单位矩阵，σ2表示噪声功率。
4.根据权利要求3所述的非均匀散射系数场景下的稳健多通道SAR信号重建方法，其特征在于，利用重构后的干扰加噪声协方差矩阵计算波束形成器w：
<mrow> <mi>w</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msup> <mover> <mi>R</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mi>a</mi> </mrow> <mrow> <msup> <mi>a</mi> <mi>H</mi> </msup> <msup> <mover> <mi>R</mi> <mo>^</mo> </mover> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> <mi>a</mi> </mrow> </mfrac> </mrow>
上式中，a表示多通道SAR信号包含的信号分量的导向矢量；
利用波束形成器对多通道SAR信号滤波得到等效单通道SAR信号
<mrow> <mover> <mi>S</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <msup> <mi>w</mi> <mi>H</mi> </msup> <mi>Z</mi> </mrow>
上式中，Z表示多通道SAR信号矢量。
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