一种基于多目标粒子群优化的多基SAR空间构型设计方法

技术领域

本发明属于雷达成像技术领域，具体涉及一种基于多目标粒子群优化的多基SAR空间构型设计方法。

背景技术

机载SAR的成像质量可以通过增加雷达平台数量和相干融合多个测量结果，在较短的观测时间内得到改善，即相干多基机载SAR。其在侦察、协同搜索救援和地形测量等领域发挥着重要作用。在多基SAR系统中，除了多个雷达平台的时间同步和空间同步之外，通过合适的空间构型也可以实现高分辨率成像。

现有的多基SAR系统的空间构型设计主要分为分析方法和优化方法。关于分析方法，文献“J.Zhu，D.Mao，Y.Zhang，Y.Zhang，Y.Huang，and H.Yang，“A topology designmethod based on wavenumber spectrum generation for multistatic syntheticaperture radar，”in2021IEEE International Geoscience and Remote SensingSymposium IGARSS，2021，pp.5453–5456”根据波数谱生成空间构型，以提高成像分辨率，然而这种方法通常无法定量评估空间构型的优缺点。

此外，一些基于优化的方法也被提出用于改善分辨率，文献“H.An，J.Wu，Z.Sun，J.Yang，Y.Huang，and H.Yang，“Topology design for geosynchronous spaceborne–airborne multistatic SAR，”IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters，vol.15，no.11，pp.1715–1719，2018”提出了一种空间构型设计方法，通过适当调整成像空间构型来实现最佳的空间分辨率；文献“D.Mao，Y.Zhang，J.Pei，W.Huo，Y.Zhang，Y.Huang，andJ.Yang，“Forward-looking geometric configuration optimization design forspaceborne-airborne multistatic synthetic aperture radar”IEEE Journal ofSelected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing，vol.14，pp.8033–8047，2021”将几何构型设计问题转化为一个多目标优化问题，并使用优化算法获得可行的构型设计解集，该方法可以在较短的观测时间内获得高质量的前视图像。然而，当空间构型受限时，上述方法很难规划有利于高质量成像结果的空间构型。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于多目标粒子群优化的多基SAR空间构型设计方法，在一定的时间和系统资源条件下，完成对多基SAR空间构型的优化设计，实现尽可能短时间内获得更高分辨的图像。

本发明采用的技术方案为：一种基于多目标粒子群优化的多基SAR空间构型设计方法，具体步骤如下：

步骤一、设定多基SAR空间构型设计参数；

步骤二、多基SAR回波模型建模；

步骤三、基于步骤二的回波模型进行多基SAR成像波数谱分析；

步骤四、空间构型优化设计问题建模；

步骤五、空间构型优化设计问题系统参数与构型参数输入；

步骤六、初始化MOPSO；

步骤七、更新粒子群的速度和位置；

步骤八、基于步骤七的迭代更新后，输出优化构型。

进一步地，所述步骤一具体如下：

将空间构型设计问题中需要设计的所有参数用向量l＝(Δx

其中，Δx

进一步地，所述步骤二具体如下：

根据多基SAR系统的几何模型，发射机发射线性调频信号，对于第n(n＝1,2,...,N)个接收机，目标点P的回波s

其中，t表示距离向快时间变量，τ表示方位向慢时间变量，A表示回波信号的幅度，T

将多基SAR系统中所有接收机的回波相干投影到波数域，融合后的波数谱表示为：

其中，s(k

根据矩阵傅里叶变换，点扩散函数表示为：

其中，σ(x,y)表示目标点的散射系数，x,y表示目标点的坐标，Ω表示多基SAR系统中所有波数谱的覆盖范围。

进一步地，所述步骤三具体如下：

选取主接收机和第n(n＝1,2,...,N)个接收机的波数谱分布进行分析；

其中，k

其中，α

波数谱平行四边形Q

其中，B表示发射信号的带宽。

Q

向量k

主接收机的回波形成的波数谱平行四边形的两个相邻边对应的向量为k

其中，β表示向量k

对于第n个接收机，波数谱在ψ

其中，(k

第n个接收机在ψ

其中，σ

当主从接收机形成的波数谱在k

Δk

l

其中，

波数谱的投影带宽

其中，

进一步地，所述步骤四具体如下：

空间构型优化设计问题可以建立为：

其中，θ(l)反映了点扩散函数两个分辨率方向的正交性，

进一步地，所述步骤五中，优化问题中需要输入的参数包括：系统参数和优化问题的构型设计参数。

进一步地，所述步骤六具体如下：

首先，初始化种群P＝[p

进一步地，所述步骤七具体如下：

在每次迭代过程中，按照以下表达式更新每个粒子的速度u

其中，

按照以下表达式更新每个粒子的位置p

其中，

进一步地，所述步骤八具体如下：

在完成步骤七迭代更新步骤之后，输出REP中最终的非支配解集。

制定评估函数f(l)对各目标函数进行综合性能评估：

本发明的有益效果：本发明的方法首先设定多基SAR空间构型设计参数，进行多基SAR回波模型建模，再进行多基SAR成像波数谱分析，其次，进行空间构型优化设计问题建模，输入空间构型优化设计问题系统参数与构型参数，初始化MOPSO，然后更新粒子群的速度和位置，最后通过迭代更新后输出优化构型。本发明的方法将空间构型设计问题转化为有约束的多目标优化问题，并引入多目标粒子群优化算法进行求解，通过优化的空间构型实现了高分辨率成像，突破了多基SAR空间构型的严格限制，在一定的时间和系统资源条件下，能够完成对多个雷达平台空间相对位置与飞行速度方向等运动参数的优化设计，实现在一定观测时间内获得更高分辨的图像。

附图说明

图1为本发明的一种基于多目标粒子群优化的多基SAR空间构型设计方法的流程图。

图2为本发明实施例中多目标粒子群优化算法流程图。

图3为本发明实施例中多基SAR系统的几何观测模型图。

图4为本发明实施例中主接收机和第n个接收机的波数谱分布图。

图5为本发明实施例中主接收机和第n个接收机的波数谱重叠时的分布图。

图6为本发明实施例中主接收机和第n个接收机的波数谱分离时的分布图。

图7为本发明实施例中空间构型优化的非支配解集图。

图8为本发明实施例中“一发两收”情况下的优化的空间构型和雷达平台的飞行航迹图。

图9为本发明实施例中三种空间构型的波数谱及点目标成像效果图。

图10为本发明实施例中三种空间构型的成像结果图。

图11为本发明实施例中三种空间构型的成像性能图。

具体实施方式

本发明采用仿真实验来论证提出方法的有效性，本发明所有的步骤、结论都在Matlab2021仿真平台上进行验证，为了本领域的相关人员能够理解发明内容，下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的一种基于多目标粒子群优化的多基SAR空间构型设计方法流程图，具体步骤如下：

步骤一、设定多基SAR空间构型设计参数；

步骤二、多基SAR回波模型建模；

步骤三、基于步骤二的回波模型进行多基SAR成像波数谱分析；

步骤四、空间构型优化设计问题建模；

步骤五、空间构型优化设计问题系统参数与构型参数输入；

步骤六、初始化MOPSO(Multi-Objective Particle Swarm Optimization)；

步骤七、更新粒子群的速度和位置；

步骤八、基于步骤七的迭代更新后，输出优化构型。

在本实施例中，本发明的方法基于多目标粒子群优化算法，流程图如图2所示。

在本实施例中，所述步骤一，二，三中，对多基SAR空间构型设计参数进行获取，具体如下：

本实施例采用包括一个发射机和两个接收机的多基机载SAR系统，多基SAR系统的几何观测模型如图3所示，其中，v

多基机载SAR的系统参数和空间构型参数如表1所示。

表1

主接收机和第n(n＝1,2,...,N)个接收机的波数谱分布如图4所示，其中，k

当主从接收机形成的波数谱在k

由式(13)可知，当

优化设计问题中空间构型参数的取值范围如表2所示，

表2

其中，Δx

在本实施例中，所述步骤四具体如下：

将空间构型优化设计问题转化为有约束的多目标优化问题：

其中，θ(l)反映了点扩散函数两个分辨率方向的正交性，

在本实施例中，所述步骤五中，优化问题中需要输入的参数如表1所示，包括系统参数和优化问题的构型设计参数。

在本实施例中，所述步骤六具体如下：

首先，设置粒子数L＝120，初始化种群P＝[p

在本实施例中，所述步骤七具体如下：

在每次迭代过程中，按照以下表达式更新每个粒子的速度：

其中，

按照以下表达式更新每个粒子的位置，用以前的位置加上上一步生成的粒子速度实现粒子位置的更新：

其中，

在本实施例中，所述步骤八具体如下：

在完成步骤七迭代更新步骤之后，输出REP中最终的非支配解集，如图7所示，其中每个圆点为一个非支配解，解集中的每个解都是优化后的空间构型。

制定评估函数f(l)对各目标函数进行综合性能评估：

根据f(l)的排序结果，选取minf(l)对应的解为优化构型，如表3中SC3所示，对应图7中形状为三角形的点，其对应的非支配解集绘制的优化空间构型和雷达平台的飞行航迹如图8所示，其中，T表示发射机，R

表3

最终仿真结果如图9，10，11所示，仿真中三种空间构型对应的参数和目标函数值如表3所示，本次仿真的硬件和软件平台环境如表4所示。

表4

图9(a)(b)(c)分别表示三种不同的空间构型(SC1、SC2、SC3)对应的波数谱，图9(d)(e)(f)分别表示对应图9(a)(b)(c)中波数谱的25个点目标成像结果，选择图9(d)(e)(f)中标记的三个点P

综上，本发明的方法通过构建多基雷达平台空间构型参数，波数谱分布特性以及成像性能之间的映射体系；再定量推导波数谱间隙宽度与图像质量之间的关系，并根据峰值旁瓣比划分空间构型解空间的搜索区间；最后，将构型设计问题转化为有约束的多目标优化问题，并基于多目标粒子群优化的方法求解，通过优化的空间构型实现了高分辨率成像。与目前的空间构型设计方法相比，本发明方法突破了多基SAR系统空间构型的严格限制，相关的方法仍然在本发明的保护范围之内。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。