1.基于拉普拉斯先验稀疏贝叶斯学习的三维毫米波成像方法,其特征在于,包括以下步骤:获取距离聚焦后的回波数据s,构造成像算子 和共轭算子 其中, 其中z表示阵列平面到目标沿距离方向的距离,k z 为对应的波数;IFFT 2D 表示二维逆快速傅里叶变换,FFT 2D 表示二维快速傅里叶变换;e是自然常数,j是虚数单位,⊙表示Hadamard积;Θ表示三维成像结果;当没有满足终止条件时,执行以下步骤:计算∑ Θ =(LγI+diag(α -1 )) -1 ,α为方差,L是利普希茨常数,γ是噪声方差,I是单位矩阵,∑ Θ 是后验分布的协方差矩阵;计算三维成像结果Θ的估计值μ Θ =γ∑ Θ (Lδ+M(s)-δ),δ是迭代的中间变量,估计值μ Θ 初始化为M(s),并且随着迭代而变化;将三维成像结果Θ的估计值μ Θ 赋值给Θ;计算 α服从伽马分布,其中β为尺度参数;计算 β服从伽马先验分布,a和b是β伽马先验分布的形状和尺度参数;计算 M表示回波数据量,c和d是γ的超参数,g(Θ,δ)是关于Θ,δ的松弛函数, 将三维成像结果Θ的估计值μ Θ 赋值给δ;直到满足终止条件;输出三维成像结果Θ=μ Θ 。
2.根据权利要求1所述的基于拉普拉斯先验稀疏贝叶斯学习的三维毫米波成像方法,其特征在于,在贝叶斯建模框架内,所有未知的变量被视为随机变量,并被赋予先验分布,采用三阶分层模型,其中,第一阶为对成像结果Θ中的元素根据高斯分布进行建模,均值为0,方差为α;第二阶对α的元素使用伽马分布进行建模,尺度参数为β;第三阶对β赋予伽玛先验,形状和尺度参数分别为a和b,对成像结果Θ进行建模,得到拉普拉斯先验形式;具体包括:考虑距离聚焦后的成像模型:s=ΦΘ+w其中Φ为根据成像几何构造的观测矩阵,w为噪声;第一阶:Θ的元素遵循独立的高斯分布:其中α=[α 1 ,α 2 ,...,α N ] T ;α n 是α的第n个元素,N是α中元素的个数,p()表示条件概率密度函数;第二阶:对于α的第n个元素α n ,使用伽玛分布进行描述:其中β=[β 1 ,β 2 ,…,β 2N ] T ,β n 是β的第n个元素,且第三阶:β被赋予伽玛先验,即后验拉普拉斯分布为:其中,Θ n 为向量Θ的第n个元素;综合得到拉普拉斯先验形式为:噪声w遵循复均值为零且方差为γ -1 的高斯分布,其概率密度函数为:在实际雷达系统中,噪声方差γ -1 是未知的,通过使用伽马分布来描述γ的概率密度函数:p(γ)=Γ(γ∣c,d)=Γ(c) -1 d c γ c-1 e -dγ根据成像模型和噪声的概率密度函数,似然性描述为:最大后验估计对应于自适应重加权l 1 范数问题:求解以下优化问题,得到最大后验估计:其中, 为Θ中的N个不同元素分配数据相关的不同权重。
3.根据权利要求2所述的基于拉普拉斯先验稀疏贝叶斯学习的三维毫米波成像方法,其特征在于,估计正则化参数λ n ,通过变分推断迭代过程来估计。
4.根据权利要求3所述的基于拉普拉斯先验稀疏贝叶斯学习的三维毫米波成像方法,其特征在于,所述变分推断迭代过程包括:用 表示分层模型中的变量,贝叶斯推理的目的是在回波数据s下找到隐藏变量θ的后验分布p(θ∣s),p(θ∣s)近似为:p(θ∣s)≈q Θ (Θ)q α (α)q β (β)q γ (γ),其中q Θ (Θ),q α (α),q β (β)和q γ (γ)分别表示关于变量Θ,α,β,γ的因子化形式的后验分布函数;最大化对数似然lnp(s)的一个下界F(q)通过对θ中的每个变量交替进行来实现,这导致:其中const表示一个常数,θ i 表示θ的一个子集,θ\θ i 表示θ中关于θ i 的补集;对于f(Θ)=||s-ΦΘ|| 2 ,以及任意的Θ,Θ,有:f(Θ)≤g(Θ,Θ)=||s-Φδ|| 2 +2(Θ-δ) T Φ T (Φδ-s)+L||Θ-δ|| 2且 其中g(Θ,δ)为给定s、Φ和L构造的关于Θ,δ的松弛函数; 表示根据g(Θ,δ)构造的似然函数,Φ表示根据成像几何构造的观测矩阵,当且仅当Θ=δ时,p(s∣Θ,γ)表示s的似然性描述;通过交替优化的方式计算每个隐藏变量 的后验分布q Θ (Θ)q α (α)q β (β)q γ (γ)的近似值。
5.根据权利要求4所述的基于拉普拉斯先验稀疏贝叶斯学习的三维毫米波成像方法,其特征在于,所述通过交替优化的方式计算每个隐藏变量 的后验分布q Θ (Θ)q α (α)q β (β)q γ (γ)的近似值包括:q Θ (Θ)的更新:忽略与Θ无关的项,近似的后验分布q Θ (Θ)通过以下方式计算:其中E(.)为期望算子,q Θ (Θ)遵循高斯分布,其均值和协方差矩阵分别为:μ Θ =γ∑ Θ (Lδ+Φ T s-Φ T Φδ)∑ Θ =(LγI+diag(α -1 )) -1Θ的更新公式为:Θ=μ Θq α (α)的更新:近似后验q α (α)得到如下结果:其中Σ Θn,n 表示Σ Θ 的第n,n个对角元素,利用块坐标下降方法进行计算:将此式等于零,导致:更新q β (β):β的近似后验为:这表明β服从参数a+1和 的Gamma分布:因此,β n 的更新公式为:q γ (γ)的更新:对q γ (γ)进行变分优化,得到:因此,γ遵循参数 和 的伽马分布:δ的更新:通过以下优化找到δ的估计值:对g(Θ,δ)进行关于δ的导数并设为0,得到:E((LI-Φ T Φ)(δ-Θ))=0以及:δ=Θ通过上述迭代优化过程获得距离向z=z 0 平面的成像结果Θ。
6.根据权利要求5所述的基于拉普拉斯先验稀疏贝叶斯学习的三维毫米波成像方法,其特征在于,根据距离向z=z 0 平面的成像结果Θ,然后将所有重建的N z 个距离向的2-D切片进行堆叠,得到三维成像结果;在对N z 个距离向切片进行2-D成像时,通过将基于CS的稀疏成像框架中的精确观测函数替换为从基于MF理论的成像过程得到的近似观测值来实现:在距离聚焦之后,s是对应的回波数据,进行重建的三维图像,表示为Θ,对s和Θ分别进行零填充后用来进行相应大小的二维傅立叶变换,得到:其中,k z 是对应于距离方向,即z轴方向的波数分量,k z 和z随着距离方向不同的成像切片而变化,采用上式对应的成像算子M(·)以及逆算子 近似代替大规模矩阵向量乘法运算,从而直接对距离聚焦后的回波数据s进行三维成像。
7.根据权利要求6所述的基于拉普拉斯先验稀疏贝叶斯学习的三维毫米波成像方法,其特征在于,终止条件为达到最大迭代次数或第t次迭代时满足 ε=10 -1 表示一个极小值,最大迭代次数为20。