[发明专利]基于图像质量引导的稀疏孔径ISAR成像相位自聚焦方法

摘要

本发明涉及逆合成孔径雷达成像信号处理技术，尤其涉及一种基于图像质量引导的稀疏孔径ISAR成像相位自聚焦方法，包括以下步骤：S1：构建基于压缩感知的稀疏孔径相位自聚焦模型；S2：选择参与相位补偿参数估计的目标距离单元；S3：设置迭代算法初始参数值；S4：单轮相位误差估计与补偿；S5：迭代终止条件判断；S6：更新相位自聚焦，重构ISAR图像。本发明将稀疏孔径下的ISAR成像相位自聚焦、ISAR图像重构以及图像质量评价结合起来，同时实现了相位误差估计、补偿、重构与评估四个步骤，通过缩小迭代相位误差估计偏移量逐级提高补偿精度，提高了算法的稳健性以及相位补偿的准确性，进而获得补偿精度更高、聚焦性能更好的目标ISAR图像。

主权项

1.一种基于图像质量引导的稀疏孔径ISAR成像相位自聚焦方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1：构建基于压缩感知的稀疏孔径相位自聚焦模型；为了研究稀疏孔径下的相位自聚焦问题，假定一维距离像的包络对齐已经完成，利用压缩感知理论的思想，建立基于压缩感知的相位误差模型；包络对齐后完整的目标一维距离像S表示如下：S＝[s₁,…,s_l,…,s_L]＝Ψ[θ₁,…,θ_l,…,θ_L]＝ΨΘ   (1)其中，s_l表示第l个距离单元的一维距离像幅度，θ_l表示第l个距离单元内散射点的分布及强度，l＝1,2,…,L为距离单元序号，L为总的距离单元数，M为脉冲个数，故M×L维矩阵S和Θ分别代表目标的一维距离像矩阵和二维成像结果，矩阵Ψ为傅里叶稀疏基，表示如下：其中时间序列t＝[1:M]^T·PRT，PRT表示脉冲重复周期；多普勒频率f_dm＝m·Δf_d‑(PRF/2)，m＝1,2,…,Q，Q＝PRF/Δf_d为多普勒单元数，PRF和Δf_d分别表示脉冲重复频率和多普勒分辨率；又因为故Q＝M，即多普勒单元数Q等于脉冲数M；考虑引入目标回波的相位误差，则一维距离像写为：S_Λ＝ΛS＝ΛΨΘ   (3)其中，M维对角矩阵Λ＝diag{exp(jλ₁),exp(jλ₂),…,exp(jλ_M)}代表目标回波的相位误差，矩阵对角线元素λ_m代表第m个回波脉冲的相位误差；稀疏孔径等效于对包含目标回波相位误差Λ的一维距离像信号S_Λ进行稀疏降维采样，构造一个P×M维的观测矩阵Φ，P＜M，将一维距离像信号S_Λ投影到观测矩阵Φ上，得到P维观测值为：Y＝ΦS_Λ＝ΦΛΨΘ   (4)Y便是包含目标回波相位误差Λ的稀疏孔径一维距离像数据，根据压缩感知重构理论，重构过程表述如下：一维距离像的相位补偿就是要对稀疏孔径一维距离像数据Y中包含的目标回波相位误差Λ进行估计和补偿，估计得到的相位误差补偿向量记为相位补偿后的重构过程表述如下：S2：选择参与相位补偿参数估计的目标距离单元；选取方法包括以下步骤：S2.1计算每个距离单元上的各次回波能量总和，并从中选出能量较大的L₁个距离单元作为初步有效参数估计距离单元，L₁≤L；S2.2计算S2.1中初步挑选出的距离单元回波的幅度归一化方差，对幅度归一化方差从小到大排列，挑选排列中前L₂个幅度归一化方差对应的距离单元作为最终参与相位误差参数估计的距离单元，L₂≤L₁；其中，第l个距离单元的幅度归一化方差定义如下：式中，表示求算术平均，表示第l个距离单元的一维像幅度的均值，表示第l个距离单元的一维像幅度的均方值；S3：设置迭代算法初始参数值；初始化迭代轮数i＝1，初始化单个回波相位误差补偿值初始化回波相位误差补偿向量根据稀疏孔径回波数据构造随机观测矩阵Φ，设定迭代终止门限ξ＝0.001，初始图像熵值E⁰＝∞；S4：单轮相位误差估计与补偿；S4.1设定第i轮相位误差估计偏移量为Δⁱ＝π/2ⁱ，初始化回波脉冲为p＝1；S4.2在当前迭代轮次中逐次回波进行相位误差估计与补偿；S4.2.1对第p次回波，在当前相位误差补偿值基础上前后偏移Δⁱ，保持剩下P‑1次回波相位误差补偿值不变，更新相位误差补偿向量，形成进行相位误差补偿的三个候选向量：S4.2.2对p次回波L₂个距离单元分别以三个候选向量进行相位误差补偿，然后进行压缩感知重构成像，得到二维ISAR图像S4.2.3对成像质量进行评估，考虑到基于图像最小熵的稳健性，采用最小熵作为成像质量的评估准则：比较的图像熵，选择图像熵最小的ISAR图像对应的相位误差补偿候选向量作为更新第p次回波的相位误差补偿向量同时记最小的图像熵为S4.2.4判断是否完成对全部回波的相位误差估计与补偿，若p＜P，则令p＝p+1，返回S4.2.1；若p＝P，则执行S4.3；S4.3对全部的P次回波均进行相位误差估计和补偿后，得到第i轮迭代相位误差补偿向量以及对应ISAR成像结果的图像熵如此，便完成了单轮迭代中的相位误差估计、补偿、ISAR图像重构与评估的过程；S5：迭代终止条件判断；若前后两轮成像结果图像熵值差大于阈值ξ，即E^i‑1‑Eⁱ＞ξ，则认为相位误差估计和补偿未完成，令i＝i+1，返回S4进行下一轮估计；否则，认为相位误差估计和补偿完成，进入S6；S6：更新相位自聚焦，重构ISAR图像；以相位误差补偿向量对一维像进行相位补偿，更新相位自聚焦，然后进行压缩感知重构成像，得到二维ISAR图像至此，完成了稀疏孔径下的ISAR相位自聚焦，获得聚焦良好的ISAR图像。