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基于随机平均梯度下降和对比源反演的非线性逆散射算法研究

周辉林 欧阳韬 刘健

周辉林, 欧阳韬, 刘健. 基于随机平均梯度下降和对比源反演的非线性逆散射算法研究[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(8): 2053-2058. doi: 10.11999/JEIT190566
引用本文: 周辉林, 欧阳韬, 刘健. 基于随机平均梯度下降和对比源反演的非线性逆散射算法研究[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(8): 2053-2058. doi: 10.11999/JEIT190566
Huilin ZHOU, Tao OUYANG, Jian LIU. Stochastic Average Gradient Descent Contrast Source Inversion Based Nonlinear Inverse Scattering Method for Complex Objects Reconstruction[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(8): 2053-2058. doi: 10.11999/JEIT190566
Citation: Huilin ZHOU, Tao OUYANG, Jian LIU. Stochastic Average Gradient Descent Contrast Source Inversion Based Nonlinear Inverse Scattering Method for Complex Objects Reconstruction[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(8): 2053-2058. doi: 10.11999/JEIT190566

基于随机平均梯度下降和对比源反演的非线性逆散射算法研究

doi: 10.11999/JEIT190566
基金项目: 国家自然科学基金(61561034, 61261010, 41505015)
详细信息
    作者简介:

    周辉林:男,1979年生,教授,研究方向为超宽带雷达成像、雷达信号处理

    欧阳韬:男,1996年生,硕士生,研究方向为超宽带探地雷达成像,逆散射成像方法研究

    刘健:男,1995年生,硕士生,研究方向为超宽带穿墙雷达成像,逆散射成像方法研究

    通讯作者:

    周辉林 zhouhuilin@ncu.edu.cn

  • 中图分类号: O451

Stochastic Average Gradient Descent Contrast Source Inversion Based Nonlinear Inverse Scattering Method for Complex Objects Reconstruction

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61561034, 61261010, 41505015)
  • 摘要:

    采用非线性对比源反演(CSI)算法求解电磁逆散射问题时,在每次迭代过程中都涉及到求解散射场数据关于对比源和总场的微分,即Jacobi矩阵,该矩阵求解导致算法存在计算代价大和收敛速度慢等问题。该文在CSI框架下,采用一种基于随机平均梯度下降的对比源反演算法(SAG-CSI)代替原来的全梯度交替共轭梯度算法来重构介质目标介电常数的空间分布信息。该方法在每次迭代中只需计算随机抽取的部分测量数据在目标函数中的梯度信息,同时目标函数对未抽中的测量数据的梯度信息保持不变,用以上两部分梯度信息共同求解出目标函数的最优值。由模拟数据结果表明,该方法与传统CSI方法在成像精度相比拟的情况下,降低了计算代价并提高算法收敛速度。

  • 图  1  2维电磁逆散射模型

    图  2  Austria散射体

    图  3  SNR为10 dB 时SAG-CSI的成像结果

    图  5  SNR为10 dB 时CSI的成像结果

    图  4  不同信噪比下两种方法的目标函数

    图  6  SAG-CSI中不同散射场数据量的目标函数

    表  1  SAG-CSI算法

     输入:对比源初值:${{{w}}_0}$,
        散射场数据:${{{E}}_{{\rm{sca}}}}$,
        测量数据的索引:$i \in \left( {1,2, ··· ,N} \right)$,
        随机抽取数据的索引:${i_k} \in \left( {1,2, ··· ,N} \right)$。
     输出:当目标函数${{{F}}_n}$达到设定误差值$\delta $或最大迭代次数${{{N}}_{{\rm{iter}}}}$时,输出对比度函数:${{{\chi}} _n}$
     (1) 计算格林函数${{{G}}_{\rm{D}}}$, ${{{G}}_{\rm{R}}}$
     (2) 对比度函数初值${{{\chi}} _0} = 0$,
     (3) 由前向模型计算得到对比源初值
                           ${ {{w} }_0} = \dfrac{ {\parallel { {{G} }^H_{\rm R} }{ {{E} }_{\rm sca} }{\parallel ^2} } }{ {\parallel { {{G} }_{\rm R} }{ {{G} }^H{\rm R} }{ {{E} }_{\rm sca} }{\parallel ^2} } }{ {{G} }^H_R}{ {{E} }_{\rm sca} }$ (*为共轭转置) (16)
     (4) $n \leftarrow 0$(n为迭代次数)
     (5) while ${{{F}}_n}\left( {{w_n}} \right) < {{\delta}} $或${{n}} < {N_{{\rm{iter}}}}$ do
       步骤 1  每次迭代随机抽取测量数据的索引:${i_k} = {\rm{randperm}}\left( i \right)$
       步骤 2 将步骤1抽取的测量数据按照进行梯度更新计算(其中$\rho _{n - 1}^{{i_k}}$, $\gamma _{n - 1}^{{i_k}}$和${\chi _{n - 1}}$分别表示随机抽取散射场数据的数据方程误差和场误差以及上次迭代保存的对比度函数)
                        ${{g} }_n^{ {i_k} } = - \frac{ { { {\left( { {{G} }_{\rm{R} }^{ {i_k} } } \right)}^H}\rho _{n - 1}^{ {i_k} } } }{ {\displaystyle\sum\limits_k {\parallel {{E} }_{ {\rm{sca} } }^{ {i_k} }{\parallel ^2} } } } - \frac{ {\gamma _{n - 1}^{ {i_k} } - {{G} }^H_{\rm{D} } { { {{{\chi} } }^* _{n - 1} } } \gamma _{n - 1}^{ {i_k} })} }{ {\displaystyle\sum\limits_k {\parallel { {{\chi} } _{n - 1} }{{E} }_{ {\rm{inc} } }^{ {i_k} }{\parallel ^2} } } }$(*为复共轭) (17)
       步骤 3  对抽取的散射场数据在目标函数中的梯度值进行更新,其余散射场数据对应的梯度不变(其中${\nabla _{{w_n}}}{{F}}_n^i$表示随机抽取散射场数据在目标函数中关于对比源的更新梯度值,${{g}}_{n - 1}^{{i_k}}$表示上次迭代该散射场数据对应的梯度值,${\overline { { {{g} }_{n - 1} } } }$表示所有散射场数据在目标函数中的梯度矩阵)
                              ${ { { {{\overline{{g} } } }_n} } } ={ { { { {\overline{{g} } } }_{n - 1} } } } - {{g} }_{n - 1}^{ {i_k} } + { {\text{∇} } _{ {w_n} } }{{F} }_n^i$ (18)
     将所有测量数据构成的梯度矩阵$\overline{\overline {{{{g}}_n}}} $求和取平均得出当前迭代的梯度${{{g}}_n}$,即搜索方向的反方向。
       步骤 4  由步骤3所得的搜索方向和式(15)所求得的搜索步长可计算更新的对比源(上次迭代保存的对比源${{{w}}_{n - 1}}$):${{{w}}_n} \!=\! {{{w}}_{n - 1}} \!-\! {{{\alpha}} _n}{{{g}}_n}$
       步骤 5  更新总场的值:${{E}}_{{\rm{tot}}}^n = E_{{\rm{tot}}}^{n - 1} - {{{\alpha }}_n}{{{G}}_{\rm{D}}}{{{g}}_n}$
       步骤 6  由对比源作为辅助变量公式可知
                       ${ {{\chi} } _n} = \frac{ {\displaystyle\sum\limits_K { { {{w} }_n} ({ { {{{E} } } }_{ {\rm{tot} } }^n})^* } } }{ {\displaystyle\sum\limits_K { {{E} }_{ {\rm{tot} } }^n ({ {{{E} } }_{ {\rm{tot} } }^n})^* } } }$ (*为复共轭,K为抽取样本的总个数) (19)
       步骤 7  ${{n}} = {{n}} + 1$
     (6) end
     (7) ${{\chi}} = {{{\chi}} _n}$
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-26
  • 修回日期:  2020-02-22
  • 网络出版日期:  2020-03-23
  • 刊出日期:  2020-08-18

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