CN114895306A - 高分辨率宽测绘带成像方法、装置和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种高分辨率宽测绘带成像方法、装置和存储介质，属于数据处理的技术领域。所述方法应用于合成孔径雷达，包括：所述合成孔径雷达每隔预设间隔，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，相邻两个当前脉冲重复频率不相同且不连续；根据所述当前脉冲重复频率，所述合成孔径雷达发射脉冲信号并接收目标反射的回波信号；通过快速迭代软阈值算法对所述目标反射的回波信号进行处理，得到稀疏重构的目标成像结果。本申请旨在解决单通道SAR系统的高分辨率宽测绘带的问题。
Description
技术领域
本申请实施例涉及数据处理的技术领域，具体而言，涉及一种高分辨率宽测绘带成像方法、装置和存储介质。
背景技术
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)是一种高分辨率成像雷达，可以在能见度极低的气象条件下得到类似光学照相的高分辨雷达图像，可以设置于卫星、飞机等运载平台上，在平台运动的同时，雷达发射电磁波脉冲并接收目标区域反射的回波信号，通过数据处理获得场景的图像。
经过科技的快速发展，星载SAR成像对成像性能指标的要求也不断提高，在很多应用场景中要求能实现高分辨率宽测绘带SAR成像。但是在单通道SAR系统中，方位向分辨率和距离向测绘带宽这两项重要指标之间相互矛盾，具体地，若想提高方位向分辨率，则需要增大脉冲重复频率(Pulse Repetition Frequency，PRF)，而增大距离向测绘带宽时却需要降低PRF。
因此，如何解决使用广泛的单通道SAR系统的高分辨率宽测绘带是一个亟需解决的问题。
发明内容
本申请实施例提供一种高分辨率宽测绘带成像方法、装置和存储介质，旨在解决单通道SAR系统的高分辨率宽测绘带的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种基于方位向随机变PRF采样的雷达高分辨率宽测绘带成像方法，应用于合成孔径雷达，所述方法包括：
所述合成孔径雷达每隔预设间隔，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，相邻两个当前脉冲重复频率不相同且不连续；
根据所述当前脉冲重复频率，所述合成孔径雷达发射脉冲信号并接收目标反射的回波信号；
通过快速迭代软阈值算法对所述目标反射的回波信号进行处理，得到稀疏重构的目标成像结果。
可选地，所述方法还包括：
根据所述合成孔径雷达的发射脉冲与星下点回波对脉冲重复频率的约束，绘制斑马图；
根据绘制得到的所述斑马图，确定所述合成孔径雷达的脉冲重复频率的取值范围。
可选地，所述发射脉冲对脉冲重复频率的约束表示为：
所述星下点回波对脉冲重复频率的约束表示为：
2H/c+k/fr>2Rf/c,k＝0,±1,…,±n
2H/c+2τ+k/fr<2Rn/c,k＝0,±1,…,±n
式中，fr为脉冲重复频率PRF，Frac(·)表示取小数部分，Int(·)表示取整数部分，Rn为观测区域的最近斜距，Rf为观测区域的最远斜距，τp为脉宽，τg为保护时间带，c为光速，n为发射脉冲数，H为卫星的轨道高度，τ为脉宽τp与保护时间带τg之和，k为脉冲重复周期的序号。
可选地，所述合成孔径雷达每隔预设间隔，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，包括：
所述合成孔径雷达每隔M个脉冲信号，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，其中，M为大于1的正整数。
可选地，所述合成孔径雷达发射的脉冲信号包括线性调频脉冲信号，所述线性调频脉冲信号形式为：
式中，τ表示距离向快时间，Tp表示线性调频脉冲的持续时间，f0表示发射信号载频，Kr表示线性调频率，rect(·)表示矩形窗函数，j为虚数单位。
可选地，接收目标反射的回波信号之后，还包括：
将目标反射的回波信号表示为第一回波信号，所述第一回波信号为合成孔径雷达系统的冲激响应和场景散射系数二维卷积的结果，形式为：
式中，τ表示距离向快时间，t表示方位向慢时间，x表示方位向坐标，y表示距离向坐标，σ(x,y)表示空间上位于(x,y)位置的目标散射系数，wa(·)表示方位向波束方向图的包络函数，p(τ)为线性调频脉冲信号，R(x,y,t)是雷达和目标之间的斜距函数，所述斜距函数与目标的位置和方位向慢时间有关，λ是合成孔径雷达的中心波长，c代表光速，N(τ,t)表示的是合成孔径雷达的接收端的加性噪声，V是合成孔径雷达的平台的等效速度；
合成孔径雷达的回波信号经离散采样后，表示为第二回波信号s(τnr,tna)：
式中，第二回波信号
是第一回波信号s(τ,t)第na个脉冲的第nr个采样值，Mr表示场景中距离向的离散散射点数目，Ma分别表示场景中方位向的离散散射点数目，
是位于方位向第ma个坐标，距离向第mr个坐标的散射点的散射强度系数，
是离散化的加性噪声；
将二维离散数据形式的第二回波信号
与散射强度系数
表示为矩阵的形式：
所述第二回波信号的矩阵化表示为
所述散射强度系数的矩阵化表示为
则回波信号的矩阵化表示为y＝Ax+n；
式中，Na表示方位向发射的脉冲数，Nr分别表示距离向每个脉冲的采样点数，y和x分别表示矩阵Y和X的向量化结果，n是加性噪声向量，矩阵A的形式如下：
可选地，通过快速迭代软阈值算法对所述目标反射的回波信号进行处理，得到稀疏重构的目标成像结果，包括：
构建稀疏优化模型：
式中，
是重建的场景图像，ρ为正则化参数，||·||F表示矩阵的Frobenius范数，||·||1表示矩阵的L1范数；
通过快速迭代软阈值算法求解，得到稀疏重构的目标成像结果。
可选地，通过快速迭代软阈值算法求解，得到稀疏重构的目标成像结果，包括：
A1：初始化参数及变量：始化迭代结果估计
残差向量r(0)＝y，迭代次数k＝1，向量
变量t1＝1，最大迭代次数Imax，常量阈值
A2：计算当前估计
其中，
为软阈值算子，AH表示矩阵A的共轭转置；
A3：计算残差向量：
A4：计算
A5：更新向量：
A6：计算：
以及Δf＝|fk-fk-1|/fk-1；
如果Δf≤δ或k>Imax，则结束迭代，得到稀疏重构的目标成像结果，反之令k＝k+1，返回步骤A2。
第二方面，本申请实施例提供一种基于方位向随机变PRF采样的雷达高分辨率宽测绘带成像装置，所述装置包括：
随机选取模块，用于所述合成孔径雷达每隔预设间隔，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，相邻两个当前脉冲重复频率不相同且不连续；
发射与接收模块，用于根据所述当前脉冲重复频率，所述合成孔径雷达发射脉冲信号并接收目标反射的回波信号；
成像处理模块，用于通过快速迭代软阈值算法对所述目标反射的回波信号进行处理，得到稀疏重构的目标成像结果。
第三方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例第一方面所述的基于方位向随机变PRF采样的雷达高分辨率宽测绘带成像方法。
有益效果：
合成孔径雷达每隔预设间隔，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，相邻两个当前脉冲重复频率不相同且不连续；根据当前脉冲重复频率，合成孔径雷达发射脉冲信号并接收目标反射的回波信号；通过快速迭代软阈值算法对所述目标反射的回波信号进行处理，得到稀疏重构的目标成像结果。
本方法中，合成孔径雷达每隔预设间隔随机选择一个脉冲重复频率发射脉冲信号，使得采样器设计难度低且成像质量高，同时采用的稀疏重构方法以及快速迭代软阈值算法计算复杂度低，运行效率高，相比于传统的线性调频变标CSA成像方法，本方法距离向测绘带宽更大，回波数据规模更小，在几乎不损失成像质量的前提下提高了实时处理能力，减小了硬件设计复杂度，显著地提高了单通道SAR系统的高分辨率与宽测绘带的测绘能力。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请一实施例提出的基于方位向随机变PRF采样的雷达高分辨率宽测绘带成像方法的步骤流程图；
图2是本申请一实施例提出的斑马图；
图3是本申请一实施例提出的脉冲串与脉冲重复频率的示意图；
图4是使用传统的线性调频变标CSA算法得到的成像结果示意图；
图5是使用方位向Poisson disk欠采样方法得到的高分宽幅成像结果示意图；
图6是使用本申请的成像方法得到的成像结果示意图；
图7是本申请一实施例提出的基于方位向随机变PRF采样的雷达高分辨率宽测绘带成像装置的功能模块图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在单通道合成孔径雷达SAR系统中，方位向分辨率和距离向测绘带宽这两项重要指标之间存在固有的矛盾，提高方位向分辨率意味着需要增大脉冲重复频率PRF，而增大距离向测绘带宽却需要降低PRF；这种矛盾在条带、聚束、扫描等多种工作模式下都有所体现：条带模式SAR无法兼顾方位向高分辨率和距离向宽测绘带；聚束模式增大合成孔径时间提高了方位向分辨率，但由于增大多普勒带宽需要更大的PRF，这会降低了距离向测绘带宽；扫描模式通过距离向扫描增大了距离向测绘带宽，但同时降低了合成孔径时间，损失了方位向分辨率。
为了处理方位向分辨率和距离向测绘带宽之间的矛盾，现有的一些方案主要是从多通道角度入手来实现高分辨率宽测绘带成像，例如借助偏移相位中心天线(DPCA)、数字波束形成(DBF)等技术，或采用小卫星编队，通过将多个通道成像结果进行拼接，达到同时实现高分辨率和宽测绘带成像的目的。
但多通道成像系统需要部署多个天线甚至多个卫星平台，而且系统参数设计更为复杂，具有较高的系统复杂度和硬件设计要求，难以在现役的单通道星载SAR、未来计划发射的低成本星载SAR上实现。因此，广泛使用的单通道SAR系统的高分辨率宽测绘带是亟需解决的问题。
为了解决单通道SAR系统的高分辨率与宽测绘带的问题，本申请提出了一种基于方位向随机变PRF采样的雷达高分辨率宽测绘带成像方法。
参照图1，示出了本发明实施例中的一种基于方位向随机变PRF采样的雷达高分辨率宽测绘带成像方法的步骤流程图，应用于合成孔径雷达，所述方法包括以下步骤：
S101：所述合成孔径雷达每隔预设间隔，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，相邻两个当前脉冲重复频率不相同且不连续。
在星载SAR系统中，确定合成孔径雷达的脉冲重复频率PRF的取值范围时需要考虑两个主要问题：避免回拨信号的混叠与避免星下点回波的干扰，因此需要对PRF加以限制，使得发射脉冲、星下点回波不落在目标的回波接收窗之中。
在一种可行的实施方式中，确定合成孔径雷达的脉冲重复频率PRF的取值范围时，可以根据所述合成孔径雷达的发射脉冲与星下点回波对脉冲重复频率的约束，绘制斑马图；然后根据绘制得到的所述斑马图，确定所述合成孔径雷达的脉冲重复频率的取值范围。
具体地，所述发射脉冲对脉冲重复频率的约束表示为：
所述星下点回波对脉冲重复频率的约束表示为：
2H/c+k/fr>2Rf/c,k＝0,±1,…,±n
2H/c+2τ+k/fr<2Rn/c,k＝0,±1,…,±n
式中，fr为脉冲重复频率PRF，Frac(·)表示取小数部分，Int(·)表示取整数部分，Rn为观测区域的最近斜距，Rf为观测区域的最远斜距，Tn为最近斜距对应的回波时间，Tf为最远斜距对应的回波时间，τp为脉宽，τg为保护时间带，c为光速，n为发射脉冲数，H为卫星的轨道高度，τ为脉宽τp与保护时间带τg之和，k为脉冲重复周期的序号。
参照图2，示出了本申请实施例提供的斑马图，图中横坐标为脉冲重复频率PRF，纵坐标为合成孔径雷达的运载平台距离目标的距离，本方法与传统条带模式不同，为了避免回波信号混叠和星下点回波的干扰，根据发射脉冲与星下点回波对脉冲重复频率的约束，得到脉冲重复频率PRF与入射角之间的关系曲线，绘制出斑马图，然后根据斑马图得到可以选取脉冲重复频率PRF的区间，所得到的区间即为合成孔径雷达的脉冲重复频率PRF的取值范围。
受到如图2所示的斑马图约束，所选取的脉冲重复频率PRF的取值范围不应与发射脉冲和星下点回波冲突，图2所示的PRF取值范围包含左右两部分区域，从PRF的取值范围中选择当前脉冲重复频率时，可以从左右两部分区域交替选取，即：先在左侧区域内随机选取一个PRF值，再在右侧区域内随机选取一个PRF值，再回到左侧区域内随机选取一个PRF值，以此类推。
合成孔径雷达在发射脉冲信号时，每隔预设间隔，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，相邻两个当前脉冲重复频率不相同且不连续，这样可以确保合成孔径雷达方位向采样的随机性，从而提高成像质量。以使得目标反射的回波信号接收窗始终完全落在由发射脉冲、星下点回波所构成的斑马图菱形区域内部。
参照图3，示出本申请实施例提供的脉冲串与脉冲重复频率的示意图，在实际实施时，合成孔径雷达可以每隔M个脉冲信号，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，其中，M为大于1的正整数，每组对应的脉冲重复频率不相同且不连续，第q组的取值为PRFq，q＝1，2，…，N，其中，N表示选取的PRF组数。
S102：根据所述当前脉冲重复频率，所述合成孔径雷达发射脉冲信号并接收目标反射的回波信号。
在合成孔径雷达的运载平台沿航线相对于目标发生运动的同时，按照当前脉冲发射频率发射脉冲信号，所述合成孔径雷达发射的脉冲信号包括线性调频脉冲信号，所述线性调频脉冲信号形式为：
式中，τ表示距离向快时间，t表示方位向慢时间，Tp表示线性调频脉冲的持续时间，f0表示发射信号载频，Kr表示线性调频率，rect(·)表示矩形窗函数，j为虚数单位。
在一种可行的实施方式中，在接收到目标反射的回波信号之后，处理过程包括：
S1：将目标反射的回波信号表示为第一回波信号，所述第一回波信号为合成孔径雷达系统的冲激响应和场景散射系数二维卷积的结果，形式为：
式中，τ表示距离向快时间，t表示方位向慢时间，x表示方位向坐标，y表示距离向坐标，σ(x,y)表示空间上位于(x,y)位置的目标散射系数，wa(·)表示方位向波束方向图的包络函数，p(τ)为线性调频脉冲信号，R(x,y,t)是雷达和目标之间的斜距函数，所述斜距函数与目标的位置和方位向慢时间有关，λ是合成孔径雷达的中心波长，c代表光速，N(τ,t)表示的是合成孔径雷达的接收端的加性噪声，V是合成孔径雷达的平台的等效速度。
S2：合成孔径雷达的回波信号经离散采样后，表示为第二回波信号
式中，第二回波信号
是第一回波信号s(τ,t)第na个脉冲的第nr个采样值，Mr表示场景中距离向的离散散射点数目，Ma分别表示场景中方位向的离散散射点数目，
是位于方位向第ma个坐标，距离向第mr个坐标的散射点的散射强度系数，
是离散化的加性噪声；
S3：将二维离散数据形式的第二回波信号
与散射强度系数
表示为矩阵的形式：
所述第二回波信号的矩阵化表示为
所述散射强度系数的矩阵化表示为
则回波信号的矩阵化表示为y＝Ax+n；
式中，Na表示方位向发射的脉冲数，Nr分别表示距离向每个脉冲的采样点数，y和x分别表示矩阵Y和X的向量化结果，n是加性噪声向量，矩阵A的形式如下：
S103：通过快速迭代软阈值算法对所述目标反射的回波信号进行处理，得到稀疏重构的目标成像结果。
因为接收的回波信号在方位向是欠采样的，因此利用场景的稀疏性，采用压缩感知方法从欠采样的回波数据中实现对观测场景的准确重构，具体地，首先构建稀疏优化模型：
式中，
是重建的场景图像，ρ为正则化参数，||·||F表示矩阵的Frobenius范数，||·||1表示矩阵的L1范数；
然后通过快速迭代软阈值算法求解稀疏优化问题，得到稀疏重构的目标成像结果，求解过程具体包括以下步骤：
A1：初始化参数及变量：
始化迭代结果估计
残差向量r(0)＝y，迭代次数k＝1，向量
变量t1＝1，最大迭代次数Imax，常量阈值
A2：计算当前估计
其中，
为软阈值算子，AH表示矩阵A的共轭转置；
对任意的向量
其中，N为向量z的维数，zp为向量z的第p个分量，p＝1，2，…，N，有如下式所示关系：
其中，
其中，sgn(·)为符号函数；
A3：计算残差向量：
A4：计算
A5：更新向量：
A6：计算：
以及Δf＝|fk-fk-1|/fk-1；
如果Δf≤δ或k>Imax，则结束迭代，得到稀疏重构的目标成像结果，反之令k＝k+1，返回步骤A2。
本发明面向合成孔径雷达高分辨率宽测绘带成像需求，借助快速迭代阈值重构算法(FISTA)，以低于奈奎斯特采样率的方位向变重频采样模式实现了对场景的高分辨率、宽测绘带成像。相比于传统的线频调变标SAR成像方法，本方法可以获得更大的测绘带宽；相比于现有的基于非均匀采样模式的宽测绘带SAR成像方法，本方法有效降低了计算复杂度，提高了成像质量。
示例地，以实测星载SAR回波数据来验证本方法所提出的成像方法的效果。
星载GF-3雷达原始数据参数如下：采样率fs＝66.66MHz，信号带宽B＝60MHz，距离调频率Kr＝2.4MHz/μs，脉冲宽度Tp＝25μs，载波频率F＝5.4GHz，脉冲重复频率prf＝2589.17Hz，平台运动速度v＝7126m/s。本实施例选取的原始回波数据规模为2700×4400(距离向2700，方位向4400)。
参照图4，示出了使用传统的线性调频变标CSA算法得到的成像结果示意图；参照图5，示出了利用方位向Poisson disk欠采样方法得到的高分宽幅成像结果示意图，欠采样回波数据的规模为2700×2200(距离向2700，方位向2200)。
为了模拟生成方位向随机变PRF采样模式的回波数据，首先对雷达原始回波数据在方位向进行30倍的升采样；然后对升采样后的回波数据按照本方法中随机变PRF采样模式进行重采样，随机PRF值是根据斑马图内取值范围确定的，每100个脉冲变化一次PRF，(本实施例中共选取了22个随机PRF，实际操作中可以选取更多的PRF，每个PRF的发射脉冲数可以选取在50至150之间)，在随机变PRF采样模式下，方位向采样时刻之间的最小间隔不低于传统CSA方法的1.5倍，在提供1.5倍距离向测绘带宽的同时也降低了回波数据的规模。
参照图6，示出了本实施例中采用本方法得到的成像结果示意图，欠采样回波数据的规模为2700×2200(距离向2700，方位向2200)，显然使用本方法得到的场景成像结果清晰，没有明显的方位向混叠现象，以相同的方位向欠采样点数得到了与图5中Poisson disk采样方法相近的成像性能，而采样器实现更简单，计算复杂度更低，同时，本方法将测绘带宽提高到原来的1.5倍，实现了高分辨率宽测绘带成像，并降低了数据规模。
参照图7，示出了本申请实施例提供的一种基于方位向随机变PRF采样的雷达高分辨率宽测绘带成像装置的功能模块图，所述装置包括：
随机选取模块100，用于所述合成孔径雷达每隔预设间隔，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，相邻两个当前脉冲重复频率不相同且不连续；
发射与接收模块200，用于根据所述当前脉冲重复频率，所述合成孔径雷达发射脉冲信号并接收目标反射的回波信号；
成像处理模块300，用于通过快速迭代软阈值算法对所述目标反射的回波信号进行处理，得到稀疏重构的目标成像结果。
本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例所述的基于方位向随机变PRF采样的雷达高分辨率宽测绘带成像方法。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本申请实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本申请实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请实施例是参照根据本申请实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
Claims (10)
1.一种基于方位向随机变PRF采样的雷达高分辨率宽测绘带成像方法，其特征在于，应用于合成孔径雷达，所述方法包括：
所述合成孔径雷达每隔预设间隔，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，相邻两个当前脉冲重复频率不相同且不连续；
根据所述当前脉冲重复频率，所述合成孔径雷达发射脉冲信号并接收目标反射的回波信号；
通过快速迭代软阈值算法对所述目标反射的回波信号进行处理，得到稀疏重构的目标成像结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述合成孔径雷达的发射脉冲与星下点回波对脉冲重复频率的约束，绘制斑马图；
根据绘制得到的所述斑马图，确定所述合成孔径雷达的脉冲重复频率的取值范围。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，
所述发射脉冲对脉冲重复频率的约束表示为：
所述星下点回波对脉冲重复频率的约束表示为：
2H/c+k/fr>2Rf/c,k＝0,±1,…,±n
2H/c+2τ+k/fr<2Rn/c,k＝0,±1,…,±n
式中，fr为脉冲重复频率PRF，Frac(·)表示取小数部分，Int(·)表示取整数部分，Rn为观测区域的最近斜距，Rf为观测区域的最远斜距，τp为脉宽，τg为保护时间带，c为光速，n为发射脉冲数，H为卫星的轨道高度，τ为脉宽τp与保护时间带τg之和，k为脉冲重复周期的序号。
4.根据权利要求1-3任一所述的方法，其特征在于，所述合成孔径雷达每隔预设间隔，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，包括：
所述合成孔径雷达每隔M个脉冲信号，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，其中，M为大于1的正整数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述合成孔径雷达发射的脉冲信号包括线性调频脉冲信号，所述线性调频脉冲信号形式为：
式中，τ表示距离向快时间，Tp表示线性调频脉冲的持续时间，f0表示发射信号载频，Kr表示线性调频率，rect(·)表示矩形窗函数，j为虚数单位。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，接收目标反射的回波信号之后，还包括：
将目标反射的回波信号表示为第一回波信号，所述第一回波信号为合成孔径雷达系统的冲激响应和场景散射系数二维卷积的结果，形式为：
式中，τ表示距离向快时间，t表示方位向慢时间，x表示方位向坐标，y表示距离向坐标，σ(x,y)表示空间上位于(x,y)位置的目标散射系数，wa(·)表示方位向波束方向图的包络函数，p(τ)为线性调频脉冲信号，R(x,y,t)是雷达和目标之间的斜距函数，所述斜距函数与目标的位置和方位向慢时间有关，λ是合成孔径雷达的中心波长，c代表光速，N(τ,t)表示的是合成孔径雷达的接收端的加性噪声，V是合成孔径雷达的平台的等效速度；
合成孔径雷达的回波信号经离散采样后，表示为第二回波信号
式中，第二回波信号
是第一回波信号s(τ,t)第na个脉冲的第nr个采样值，Mr表示场景中距离向的离散散射点数目，Ma分别表示场景中方位向的离散散射点数目，
是位于方位向第ma个坐标，距离向第mr个坐标的散射点的散射强度系数，
是离散化的加性噪声；
将二维离散数据形式的第二回波信号
与散射强度系数
表示为矩阵的形式：
所述第二回波信号的矩阵化表示为
所述散射强度系数的矩阵化表示为
则回波信号的矩阵化表示为y＝Ax+n；
式中，Na表示方位向发射的脉冲数，Nr分别表示距离向每个脉冲的采样点数，y和x分别表示矩阵Y和X的向量化结果，n是加性噪声向量，矩阵A的形式如下：
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，通过快速迭代软阈值算法对所述目标反射的回波信号进行处理，得到稀疏重构的目标成像结果，包括：
构建稀疏优化模型：
式中，
是重建的场景图像，ρ为正则化参数，||·||F表示矩阵的Frobenius范数，||·||1表示矩阵的L1范数；
通过快速迭代软阈值算法求解，得到稀疏重构的目标成像结果。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过快速迭代软阈值算法求解，得到稀疏重构的目标成像结果，包括：
A1：初始化参数及变量：始化迭代结果估计
残差向量r(0)＝y，迭代次数k＝1，向量
变量t1＝1，最大迭代次数Imax，常量阈值
A2：计算当前估计
其中，
为软阈值算子，AH表示矩阵A的共轭转置；
A3：计算残差向量：
A4：计算
A5：更新向量：
A6：计算：
以及Δf＝|fk-fk-1|/fk-1；
如果Δf≤δ或k>Imax，则结束迭代，得到稀疏重构的目标成像结果，反之令k＝k+1，返回步骤A2。
9.一种基于方位向随机变PRF采样的雷达高分辨率宽测绘带成像装置，其特征在于，所述装置包括：
随机选取模块，用于所述合成孔径雷达每隔预设间隔，在预先确定的脉冲重复频率的取值范围中随机选取当前脉冲重复频率，相邻两个当前脉冲重复频率不相同且不连续；
发射与接收模块，用于根据所述当前脉冲重复频率，所述合成孔径雷达发射脉冲信号并接收目标反射的回波信号；
成像处理模块，用于通过快速迭代软阈值算法对所述目标反射的回波信号进行处理，得到稀疏重构的目标成像结果。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的基于方位向随机变PRF采样的雷达高分辨率宽测绘带成像方法。
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|---|---|---|---|
| CN202210464997.0A CN114895306A (zh) | 2022-04-29 | 2022-04-29 | 高分辨率宽测绘带成像方法、装置和存储介质 |
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| CN (1) | CN114895306A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115755051A (zh) * | 2022-11-18 | 2023-03-07 | 北京卫星信息工程研究所 | 双星高分宽幅sar信号分布式在轨处理方法及系统 |
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- 2022-04-29 CN CN202210464997.0A patent/CN114895306A/zh active Pending
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