基于压缩感知的SAR层析快速成像方法

技术领域

本发明属于遥感成像技术领域，涉及一种利用多幅SAR(Synthetic ApertureRadar，星载合成孔径雷达)图像进行SAR层析成像的快速处理框架。

背景技术

SAR层析成像利用对同一目标的多角度相干观测，在高度向上形成合成孔径，能实现对观测目标的立体三维成像，可有效分离叠掩在同一像元内的高度不同的多个强散射元。当前在轨SAR系统在设计之初并未考虑SAR层析成像的应用需求，导致同一目标的观测次数较少，且基线分布非均匀，从而造成SAR层析成像分辨率低、旁瓣高，非常不利于双散射元检测，参见文献一：《SAR层析成像的基本原理、关键技术和应用领域》，H.Lin等著。目前，基于CS(Compressive Sensing，压缩感知)的SAR层析成像技术被广泛应用于SAR层析成像中，参见文献二：《Super-Resolution Power and Robustness of CompressiveSensingfor Spectral Estimation with Application to Spaceborne Tomographic SAR》，X.X.Zhu等著。参考文献二提供的基于CS的SAR层析成像方法能够实现SAR层析高分辨、低旁瓣三维成像。但是，由于CS重构过程在全搜索空间(分布范围较大)内进行，导致基于CS的SAR层析成像方法存在计算效率低下的问题。

发明内容

本发明提出了一种基于压缩感知的SAR层析快速成像方法，该方法可以在保持SAR层析成像质量的同时，大大提高基于CS的SAR层析成像方法的计算效率。

本发明技术方案是：一种基于压缩感知的SAR层析快速成像方法，其特征在于，对同一场景的SAR图像序列，采用波束形成法进行高度向成像，得到目标位置，在每个目标位置附近采用基于CS的SAR层析成像方法进行成像。

进一步地，利用波束成形法进行高度向成像时，获得各像元内散射元的高度向位置。

本发明的技术效果是：由于首先采用波束成形法计算每个像元内的散射元，从而确定目标所在的位置，在采用基于CS的SAR层析成像方法时只在上述位置附近进行成像，因此高度向搜索空间远小于高度向全搜索空间范围，所以计算效率大大提升。

附图说明

图1为本发明提供的基于压缩感知的SAR层析快速成像方法示意图；

图2为本发明提供的基于压缩感知的SAR层析快速成像方法流程图；

图3～图5是利用本发明具体实施方式进行实测数据处理的结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的基于压缩感知的星载SAR层析快速成像方法进行详细说明。

整个流程分为三大步。Step1，采用波束形成法进行高度向成像；Step2，高度向搜索空间优化；Step3：采用基于CS的SAR层析成像方法成像。具体描述如下：

Step1，采用波束形成法进行高度向成像

对同一场景的SAR图像序列g＝[g

Step2：高度向搜索空间优化

利用上一步检测出的目标，进一步缩小高度向成像范围。

假设上一步中检测的某目标的高度向估计值为

基于缩小后的高度向搜索空间，即缩小后的测量矩阵A

A

其中，ε表示空间基线频率向量。

为了便于理解本发明在后续Step3中的创新性，值得说明的是：在基于CS的SAR层析成像方法中，需要利用测量矩阵A进行CS重构，通常测量矩阵A基于高度向全搜索空间得到，如高度向全搜索空间范围是[-s

Step3：基于CS的SAR层析快速成像

基于降维后的测量矩阵A

其中，γ表示待重构后向散射系数；λ表示正则化参数，衡量了重构误差和待重构后向散射系数稀疏性之间的相对关系，通常取值与噪声水平有关，噪声越大，λ取值越大。由于测量矩阵维数大大减小，CS重构过程计算效率大大提升。

为了分离出Step1检测出目标中的双散射元，需要进行模型阶数选择，以获得散射元个数K的正确估计值

其中，

图3至图5是进行实测数据处理的结果。

图3为26景TerraSAR-X卫星SAR图像平均强度图。横向表示方位向，纵向表示距离向，方位向和距离向分辨率分别为0.24m和0.6m，N＝26。

图4为利用参考文献二提供的现有基于CS的SAR层析成像方法得到的散射元高度图。横向表示方位向，纵向表示距离向，灰度表示高度，图中的六角形表示零高程参考点的灰度值。

图5为利用本发明所提出的基于CS的SAR层析快速成像方法得到的散射元高度图。横向表示方位向，纵向表示距离向，灰度表示高度，图中的六角形表示零高程参考点的灰度值。结果显示：本发明所提出方法与文献二提供的现有方法的散射元高度估计结果几乎一致。

在图4中，利用参考文献二提供的现有基于CS的SAR层析成像方法共可检测到214827个单散射元和28040个双散射元，即242867个强散射元目标，总消耗时间为13001.4秒；在图5中，利用本发明所提出的基于CS的SAR层析快速成像方法共可检测到212345个单散射元和29922个双散射元，即242267个强散射元目标，总消耗时间为5235.3秒。因此，本发明所提出的基于CS的SAR层析快速成像方法可以在保持散射元成像检测能力的同时，大大提升SAR层析成像计算时间，计算效率提升了约2.5倍，证明了本发明所提出方法的高效性。