高分辨雷达成像稀疏信号处理技术研究

发布时间：2020-07-26 11:53

【摘要】：雷达成像技术作为一种主动式的微波遥感测量系统,具有全天候、全天时、远距离作用、高分辨等特点。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)在战场侦察、高精度测绘、资源勘察、环境监测等应用中扮演着重要的角色,而逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar,ISAR)主要应用于对空间、空中以及海洋舰船等目标成像,两者极大的提升了微波遥感探测数据获取和信息感知的能力。现有SAR/ISAR成像技术的发展趋势是广域观测和高分辨成像,并由单一功能模式工作向多功能多模式工作、单传感器雷达到组网雷达协同工作等方向发展。同时,随着应用需求的不断增加,雷达成像数据获取方式日臻多样化,获取体制逐步由单天线、单极化、单视角等单一维度向多天线、多极化、多视角等多维度方向发展。在多维度观测下,现有雷达体制面临着海量数据存储/传输困难、稀疏孔径观测、目标参数估计与信息提取等关键性问题。本文针对现有雷达成像体制遇到的若干瓶颈问题,旨在利用稀疏信号处理方法进行新型雷达高分辨成像算法的研究,用于解决实际应用中存在的宽幅成像大数据观测、稀疏孔径成像、目标参数估计与信息提取等关键性问题。论文围绕国家“973”计划课题“稀疏微波成像的理论、体制和方法研究”、国家自然科学基金重大项目“多维度微波成像基础理论与关键技术”以及国家自然科学基金“空间目标全极化ISAR成像与特征提取研究”等项目的研究任务,着重于稀疏采样非模糊成像、联合高分辨成像与信息提取一体化机制等方面展开研究。论文的具体研究内容可以概括为如下几个方面:(1)稳健的ISAR相位自聚焦算法研究我们提出了一种基于稀疏化表征的联合ISAR方位成像和相位自聚焦算法,有效提升了在低信噪比下相位自聚焦和成像的性能。通过贝叶斯统计建模,建立稀疏化表征ISAR成像模型,并将初相误差建模成模型误差。相应的,我们提出了一种改进的拟牛顿算法,进行联合相位误差估计和方位成像求解,并利用方位FFT和矩阵Hardmard乘积操作实现求解的快速化。然后,我们将其扩展到稀疏孔径观测的情况,结合传统自聚焦算法和基于稀疏优化的ISAR成像方法,最终实现高质量的非模糊成像。(2)联合ISAR成像与方位定标算法研究分别针对匀转速和匀加速转动目标,我们进行了稀疏孔径ISAR高分辨成像与定标算法研究。在匀转速目标成像中,基于稀疏化表征技术我们提出了初相误差校正、越单元徙动校正和方位稀疏孔径成像三者联合处理,解决稀疏孔径高分辨成像中存在的运动误差补偿和非模糊成像困难的问题。在匀加速目标成像中,通过稀疏优化算法基于稀疏孔径数据进行散射中心提取、参数估计和距离-多普勒成像,然后利用估计的多分集参数进行目标转动参数估计,实现方位定标处理;然后,我们将机动目标稀疏孔径成像算法扩展到ISAR图像存在越单元徙动的情况,并进行成像模型和算法的改进,有效提升了在低信噪比和低采样数据下的成像性能。(3)InISAR联合三维成像与转速估计算法研究我们将单通道机动目标稀疏孔径ISAR高分辨成像算法推广到InISAR联合多通道三维成像。联合多通道进行稀疏化表征,相比于单个通道成像,有效提高了散射中心提取、参数估计和二维成像性能。针对估计的参数和提取的散射中心存在误差问题,我们提出了联合目标三维几何重构和转动参数估计的优化求解算法,有效去除样本中的“局外点”和估计误差,实现精确的目标三维几何和转动参数估计。(4)海洋宽测绘带成像算法研究基于稀疏化表征,我们研究了单天线SAR宽幅海洋多舰船目标成像算法。综合系统参数和成像体制设计,通过控制波束沿距离向扫描,实现宽幅场景观测,而每个测绘带对应稀疏孔径观测。根据距离方位解耦合原理构造回波模拟算子,提出了稀疏非模糊成像算法,成功实现对每个测绘带的全孔径分辨成像,多个测绘带拼接可以获得无模糊的宽幅海洋SAR图像。然后,对回波模拟算子性能进行了分析,确保宽幅海洋多舰船目标成像具有较高的成功率。(5)InSAR图像噪声滤波算法研究针对InSAR图像幅度存在相干斑和干涉相位存在噪声特点,我们提出了一种InSAR图像联合幅度和相位噪声滤波算法。利用稀疏化表征技术挖掘InSAR图像的稀疏先验信息,实现对InSAR图像联合幅度和相位的正则化处理。基于贝叶斯压缩感知理论,我们进行InSAR成像求解,以同时实现干涉相位噪声滤波和相干斑抑制,提升了噪声滤波的性能。然后,我们将单个通道成像算法推广到InSAR多通道联合成像的情况,提高了对通道之间信息的保护能力。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN957.5

【参考文献】