本發(fā)明涉及微波成像技術(shù)領(lǐng)域，特別是微波關(guān)聯(lián)成像方法，更為具體地涉及提高存在陣元幅相誤差時(shí)的微波關(guān)聯(lián)成像質(zhì)量。

背景技術(shù)：

微波關(guān)聯(lián)成像(dongzeli,xiangli,yuliangqin,yongqiangcheng,andhongqiangwang,“radarcoincidenceimaging:aninstantaneousimagingtechniquewithstochasticsignals,”ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing,vol.52,no.4,apr.2014)作為一種新的凝視成像方法，不依賴于雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，具有高分辨、抗截獲、抗干擾等優(yōu)勢(shì)，在靜止或準(zhǔn)靜止平臺(tái)凝視成像、災(zāi)情監(jiān)測(cè)、海洋監(jiān)視、高分辨對(duì)地觀測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。微波關(guān)聯(lián)成像借鑒經(jīng)典的光學(xué)關(guān)聯(lián)成像的原理，通過對(duì)發(fā)射信號(hào)波前的調(diào)制，構(gòu)造在時(shí)間和空間上隨機(jī)分布的二維隨機(jī)輻射場(chǎng)來模擬具有隨機(jī)漲落的光場(chǎng)分布。然后將目標(biāo)散射回波與二維隨機(jī)輻射場(chǎng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)處理，完成對(duì)波束內(nèi)目標(biāo)信息的提取與解耦，實(shí)現(xiàn)微波關(guān)聯(lián)成像。相比于現(xiàn)有的微波成像方法，微波關(guān)聯(lián)成像不依賴于目標(biāo)的多普勒信息進(jìn)行分辨，大大降低了對(duì)目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的要求，同時(shí)微波關(guān)聯(lián)成像能夠利用雷達(dá)系統(tǒng)的一次發(fā)射對(duì)目標(biāo)成像，極短的成像時(shí)間大大降低了目標(biāo)的非合作運(yùn)動(dòng)對(duì)成像質(zhì)量的影響。微波關(guān)聯(lián)成像在處理相對(duì)靜止目標(biāo)和非合作運(yùn)動(dòng)目標(biāo)方面具有極大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在微波關(guān)聯(lián)成像中，將雷達(dá)作用的區(qū)域稱為成像區(qū)域，成像時(shí)，成像區(qū)域首先被劃分為若干個(gè)網(wǎng)格，并假設(shè)目標(biāo)由若干散射中心組成且位于網(wǎng)格中心。當(dāng)不存在陣元幅相誤差等模型誤差時(shí)，利用參數(shù)化的微波關(guān)聯(lián)成像方法能夠獲得高質(zhì)量的目標(biāo)圖像。但是在實(shí)際微波凝視成像雷達(dá)系統(tǒng)中，各陣元之間的幅相誤差廣泛存在，成像過程被引入誤差，降低了目標(biāo)成像精度。因此，研究存在陣列幅相誤差時(shí)的微波關(guān)聯(lián)成像方法對(duì)于微波關(guān)聯(lián)成像在實(shí)際場(chǎng)景中的應(yīng)用具有重要的意義和價(jià)值。

針對(duì)幅相誤差，人們提出了多種解決方法，例如測(cè)角中經(jīng)常用到的基于特征值分解的校正方法(aifeiliu,guishengliao,caozeng,zhiweiyang,andqing,“aneigenstructuremethodforestimatingdoaandsensorgain-phaseerrors,”ieeetransactionsonsignalprocessing,vol.59,no.12,dec.2011)，這類方法對(duì)幅相誤差不敏感，但是在低信噪比、觀測(cè)數(shù)據(jù)有限、目標(biāo)距離較近時(shí)性能較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)實(shí)際微波關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)中普遍存在的陣列幅相誤差導(dǎo)致目標(biāo)成像精度降低的問題，提出了一種存在陣元幅相誤差時(shí)的自聚焦微波關(guān)聯(lián)成像方法。本方法原理簡單，計(jì)算量小，對(duì)噪聲不敏感，可以有效解決存在陣元幅相誤差下的成像問題，直接應(yīng)用于實(shí)際的微波關(guān)聯(lián)成像場(chǎng)景。

本發(fā)明的基本思路是，將成像過程分為兩個(gè)步驟：(1)目標(biāo)重構(gòu)，估計(jì)目標(biāo)散射中心的位置和散射強(qiáng)度；(2)失配誤差估計(jì)，采用牛頓法精確估計(jì)陣元幅相誤差，并進(jìn)行補(bǔ)償，從而提高成像精度和質(zhì)量。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種存在陣元幅相誤差時(shí)的微波關(guān)聯(lián)成像方法。具體包括以下步驟：

第一步：接收雷達(dá)回波

設(shè)微波關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)包括n個(gè)發(fā)射陣元和1個(gè)接收陣元，發(fā)射陣元在t時(shí)刻同時(shí)發(fā)射一組相互獨(dú)立的發(fā)射信號(hào)sn(t)，n＝1,2,…,n。每個(gè)發(fā)射信號(hào)sn(t)在時(shí)域上獨(dú)立分布，接收陣元接收的目標(biāo)散射回波y(t)。從y(t)中均勻抽取m個(gè)數(shù)據(jù)獲得離散序列得到目標(biāo)散射回波矢量其中為時(shí)間采樣點(diǎn)，m的取值根據(jù)實(shí)際情況確定。

第二步：劃分網(wǎng)格

對(duì)成像區(qū)域進(jìn)行均勻網(wǎng)格劃分，設(shè)在方位向和距離向上的網(wǎng)格數(shù)分別為kx、ky，總的網(wǎng)格數(shù)為k＝kx×ky，網(wǎng)格大小由成像分辨率決定。各網(wǎng)格中心的位置矢量構(gòu)成集合

初始化，令迭代次數(shù)i＝1，幅度誤差初始值a⁰＝[1,…,1]^t，相位誤差初始值

第三步：推演輻射場(chǎng)

設(shè)第i-1次迭代計(jì)算的幅度誤差矢量為第i-1次迭代計(jì)算的相位誤差矢量為利用公式一計(jì)算第i次迭代第k個(gè)網(wǎng)格中心tm時(shí)刻對(duì)應(yīng)的輻射場(chǎng)參考信號(hào)

其中，和分別為第i-1次迭代得到的第n個(gè)發(fā)射陣元與接收陣元之間的幅度誤差和相位誤差，和分別為第n個(gè)發(fā)射陣元和接收陣元的位置矢量，表示兩個(gè)矢量之間的歐氏距離，c為電磁波的傳播速度。

則第i次迭代的參考信號(hào)矩陣即：

第四步：目標(biāo)重構(gòu)

利用下式計(jì)算第i次迭代的目標(biāo)散射系數(shù)矢量

上式中，x表示待求解的目標(biāo)散射系數(shù)矢量，||·||2表示2范數(shù)，||·||1表示1范數(shù)；λ是正則化參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況確定。

第五步：估計(jì)幅相誤差

利用下式計(jì)算第i次迭代的代價(jià)函數(shù)fⁱ：

利用公式五和公式六分別求解幅度誤差和相位誤差(即牛頓法)

和分別表示第i次迭代的代價(jià)函數(shù)對(duì)幅度誤差求解的梯度和hessian矩陣，和分別表示第i次迭代的代價(jià)函數(shù)對(duì)相位誤差求解的梯度和hessian矩陣。

第六步：判斷收斂

如果小于設(shè)定的閾值η，或迭代次數(shù)i達(dá)到最大迭代次數(shù)，則迭代結(jié)束，利用第i次迭代的目標(biāo)散射系數(shù)矢量進(jìn)行成像，得到成像結(jié)果。否則令i＝i+1，返回第三步。

本發(fā)明的有益效果是：利用目標(biāo)散射中心空域分布的稀疏性，將存在陣元幅相誤差時(shí)的成像建模為目標(biāo)散射系數(shù)、幅度誤差和相位誤差的聯(lián)合優(yōu)化問題。首先將與目標(biāo)散射系數(shù)相對(duì)應(yīng)的代價(jià)函數(shù)最小化來估計(jì)目標(biāo)散射系數(shù)(即公式三)，其次通過牛頓法來估計(jì)幅度誤差和相位誤差(即公式五與公式六)，并更新參考信號(hào)矩陣。該方法通過交替迭代估計(jì)目標(biāo)散射系數(shù)、幅度誤差和相位誤差，直到方法收斂。其中第四步所述計(jì)算目標(biāo)散射系數(shù)矢量的方法是一個(gè)不需要信號(hào)稀疏度和噪聲水平的自適應(yīng)算法，且不需用收斂準(zhǔn)則來終止迭代條件，在大尺度數(shù)據(jù)中明顯比sbl算法快，并在低信噪比的條件下獲得了優(yōu)于sbl算法的精度。而第五步所述的牛頓法無須對(duì)模型進(jìn)行近似，可以較準(zhǔn)確地估計(jì)幅相誤差。所以本文所述的方法在存在幅相誤差時(shí)可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度成像。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述的微波關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)成像幾何示意圖；

圖2是本發(fā)明所述的存在陣元幅相誤差時(shí)的微波關(guān)聯(lián)成像方法流程圖；

圖3至圖6是本發(fā)明所述的方法的成像結(jié)果；

圖7至圖10是本發(fā)明所述的方法對(duì)幅相誤差的估計(jì)效果和收斂性能；

圖11是本發(fā)明所述的方法在不同信噪比下的相對(duì)成像誤差；

圖12至圖13是本發(fā)明所述的方法在不同信噪比下對(duì)幅相誤差的估計(jì)誤差。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明所述的存在陣元幅相誤差時(shí)的微波關(guān)聯(lián)成像方法進(jìn)行詳細(xì)說明。

圖1是本發(fā)明所述的微波關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)成像幾何示意圖。圖中雷達(dá)陣列包括n個(gè)發(fā)射陣元和1個(gè)接收陣元，發(fā)射陣元發(fā)射一組相互獨(dú)立的信號(hào)sn(t)，n＝1,2,…,n，sn(t)是在時(shí)域上呈獨(dú)立分布的隨機(jī)信號(hào)。各發(fā)射陣元的發(fā)射信號(hào)在成像區(qū)域處形成在時(shí)間和空間上隨機(jī)分布的二維隨機(jī)輻射場(chǎng)，經(jīng)過目標(biāo)調(diào)制的隨機(jī)輻射場(chǎng)被接收陣元接收得到回波y(t)。成像時(shí)，成像區(qū)域在方位向和距離向上被劃分為若干個(gè)相同大小的網(wǎng)格單元，目標(biāo)散射中心均位于網(wǎng)格中心，圖中的黑點(diǎn)所示。

圖2是本發(fā)明所述的存在陣元幅相誤差時(shí)的微波關(guān)聯(lián)成像方法流程圖。雷達(dá)首先發(fā)射隨機(jī)信號(hào)，在成像區(qū)域形成隨機(jī)輻射場(chǎng)，同時(shí)接收目標(biāo)散射回波。在進(jìn)行成像前需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格，網(wǎng)格的大小是根據(jù)實(shí)際成像分辨率的需求來確定的。然后進(jìn)行算法的迭代，每次迭代包括參考信號(hào)矩陣的推演，目標(biāo)的散射系數(shù)重構(gòu)，幅度誤差的估計(jì)和相位誤差的估計(jì)四個(gè)步驟。首先根據(jù)上一步求解得到的幅相誤差按照公式二推演參考信號(hào)矩陣，第一次迭代時(shí)幅相誤差的初值設(shè)為a⁰＝[1,…,1]^t、即不考慮幅相誤差。計(jì)算目標(biāo)散射系數(shù)矢量時(shí)可采用excov(expansion-compressionvariance-componentbasedmethod,基于方差成分?jǐn)U張壓縮)的sbl(sparsebayesianlearning,稀疏貝葉斯學(xué)習(xí))方法，參見文獻(xiàn)kunqiuandaleksandardogandzic,“variance-componentbasedsparsesignalreconstructionandmodelselection,”ieeetransactionsonsignalprocessing,vol.58,no.6,pp.2935-2952,jun.2010，excov方法是一種改進(jìn)的sbl算法，不同于sbl中賦予所有的信號(hào)元素各自的方差分量參數(shù)，excov僅僅賦予有重要意義的信號(hào)元素不同的方差分量，擁有比sbl方法更少的參數(shù)，因而計(jì)算量小，且不需要進(jìn)行復(fù)雜的參數(shù)設(shè)置。幅度誤差和相位誤差的估計(jì)采用的是牛頓法。估計(jì)出幅度誤差和相位誤差之后，需要進(jìn)行誤差補(bǔ)償，利用公式二更新參考信號(hào)矩陣，進(jìn)入下一次迭代。當(dāng)算法收斂之后即可停止迭代過程，終止迭代所要求的閾值和最大迭代次數(shù)根據(jù)實(shí)際需要來確定。

圖3至圖13是利用本發(fā)明進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的處理結(jié)果。其中，微波關(guān)聯(lián)成像系統(tǒng)工作在x波段，載頻為10ghz，采用帶寬為500mhz的隨機(jī)跳頻信號(hào)，發(fā)射陣元采用ula(uniformlineararray,均勻線陣)構(gòu)型，發(fā)射陣元數(shù)為n＝16，陣元間距為0.5m，探測(cè)距離為5000m，成像平面劃分為40×40網(wǎng)格(kx＝40、ky＝40)，網(wǎng)格大小為0.8m×0.8m，各陣元的幅度誤差和相位誤差分別在[0.7,1.3]和[-45^°,45^°]范圍內(nèi)服從均勻分布，目標(biāo)由17個(gè)散射點(diǎn)組成。

圖3至圖6是本發(fā)明所述的方法的成像結(jié)果。圖3為原始圖像，圖4、圖5、圖6分別為前三次迭代的成像結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)表示方位向，單位是m，縱坐標(biāo)表示距離向，單位是m。從成像結(jié)果可以看出，第一次迭代時(shí)由于未估計(jì)幅度誤差和相位誤差，所成圖像中散射點(diǎn)盡管分布稀疏，但是散射點(diǎn)的位置估計(jì)不準(zhǔn)確，而本發(fā)明所述方法經(jīng)過三次迭代就實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)圖像的精確重構(gòu)。

圖7至圖10是本發(fā)明所述的方法對(duì)幅度誤差和相位誤差的估計(jì)效果和收斂性能。圖7和圖8描述了本文所述的方法對(duì)幅度誤差和相位誤差的估計(jì)效果，圖中橫坐標(biāo)為發(fā)射陣元序號(hào)，縱坐標(biāo)分別為幅度誤差值和相位誤差值，“×”表示真實(shí)值，“○”表示估計(jì)值。從中可以看出幅度誤差和相位誤差的估計(jì)值與真實(shí)值一致，幅度誤差和相位誤差均得到精確估計(jì)，因而幅度誤差和相位誤差可以得到精確校正。圖9和圖10分別為相對(duì)成像誤差和殘差的收斂情況，圖中橫坐標(biāo)為迭代次數(shù)，縱坐標(biāo)分別為相對(duì)成像誤差和殘差，相對(duì)成像誤差定義為20log||xⁱ-x0||2/||x0||2，殘差定義為||y-ψⁱxⁱ||2，x0表示目標(biāo)散射系數(shù)的真實(shí)值。從圖中可以看出相對(duì)成像誤差和殘差經(jīng)過三次迭代就迅速降低到穩(wěn)定值，顯示出該方法有較好的收斂性能。

圖11為本文所述的方法在不同信噪比下的相對(duì)成像誤差。圖中橫坐標(biāo)為信噪比，信噪比的變化范圍為0到30db，縱坐標(biāo)為相對(duì)成像誤差，從圖中可以看出該方法的成像誤差隨信噪比的提高而降低，表明該方法對(duì)噪聲較為敏感，當(dāng)噪聲較弱時(shí)成像效果較好，當(dāng)噪聲較強(qiáng)時(shí)成像效果變差。

圖12和圖13為幅相誤差在不同信噪比下的估計(jì)誤差。圖12和圖13分別表示幅度誤差和相位誤差估計(jì)值的歸一化均方誤差，圖中橫坐標(biāo)表示信噪比，縱坐標(biāo)分別表示幅度誤差和相位誤差估計(jì)值的歸一化均方誤差，其定義20log10||aⁱ-a||2/||a||2和a和分別為幅度誤差和相位誤差的真實(shí)值?？梢钥闯雠c相對(duì)成像誤差類似，幅相誤差的估計(jì)誤差也隨著信噪比的增加而逐漸減小，表明噪聲較弱時(shí)幅相誤差估計(jì)得比較精確。