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1、西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文(學(xué)位研究生)題目:基于壓縮感知的高分辨雷達(dá)成像方法研究作者:孫超學(xué)科專業(yè):信息與通信工程指導(dǎo)教師:宋祖勛2017年4月Title:ResearchonHigh-ResolutionRadarImagingMethodBasedonCompressedSensingBySunChaoUndertheSupervisionofProfessorSongZu-xunADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpa
2、rtialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofInformationandCommunicationEngineeringXi’anP.R.ChinaApril2017摘要摘要合成孔徑雷達(dá)(SAR)和逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)成像技術(shù)具有遠(yuǎn)距離探測(cè)、全天時(shí)和全天候工作的特點(diǎn),有效提升了雷達(dá)信息感知和數(shù)據(jù)獲取能力,在國(guó)防和民用眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。受奈奎斯特采樣定理的約束,SAR/ISAR在提高成像分辨率時(shí),面臨信號(hào)采樣率高、數(shù)據(jù)量大等問(wèn)題,特別在
3、多天線、多極化、多視角等多維度觀測(cè)時(shí),問(wèn)題更為突出。對(duì)于現(xiàn)代多功能雷達(dá)和組網(wǎng)雷達(dá),用于單個(gè)目標(biāo)寬帶成像的時(shí)間和資源是有限的,通常會(huì)導(dǎo)致頻率和孔徑數(shù)據(jù)不連續(xù)或缺損,從而影響成像分辨率。近年來(lái)提出的壓縮感知理論(CS)為解決傳統(tǒng)雷達(dá)成像面臨的問(wèn)題提供了一種新思路,在降低雷達(dá)數(shù)據(jù)采樣率、彌補(bǔ)數(shù)據(jù)缺損和改善雷達(dá)成像質(zhì)量等方面展現(xiàn)出巨大的潛力。本文以壓縮感知理論及其在雷達(dá)成像中的應(yīng)用為基礎(chǔ),圍繞基于壓縮感知的高分辨雷達(dá)成像方法展開(kāi)研究,主要致力于解決壓縮感知在對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)目標(biāo)ISAR成像、多通道和大角度SAR成像應(yīng)用中存
4、在的問(wèn)題。主要貢獻(xiàn)及創(chuàng)新性成果如下:1.針對(duì)傳統(tǒng)距離-瞬時(shí)多普勒成像方法存在分辨率較低、對(duì)數(shù)據(jù)完整性要求高的局限性,提出一種基于壓縮感知的機(jī)動(dòng)目標(biāo)距離-瞬時(shí)多普勒成像方法。該方法利用目標(biāo)場(chǎng)景的空間稀疏性,在時(shí)頻域?qū)夭ㄐ盘?hào)進(jìn)行稀疏化表征,利用構(gòu)建的瞬時(shí)字典獲得相應(yīng)的距離-瞬時(shí)多普勒?qǐng)D像,并通過(guò)迭代加權(quán)增強(qiáng)目標(biāo)能量同時(shí)抑制噪聲。仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果表明,該方法有效提高了成像分辨能力,在低信噪比和數(shù)據(jù)缺損情況下具有更加穩(wěn)健的成像性能。另外,將該方法推廣到機(jī)動(dòng)目標(biāo)干涉ISAR三維成像,通過(guò)干涉通道聯(lián)合稀疏化表
5、征,有效提升了目標(biāo)散射點(diǎn)高度信息的估計(jì)性能。2.針對(duì)網(wǎng)格誤差和自旋角速度估計(jì)不精確帶來(lái)的成像性能下降問(wèn)題,首先提出了一種魯棒的壓縮感知窄帶雷達(dá)成像方法,通過(guò)修正成像模型和改進(jìn)優(yōu)化重建算法,有效改善了網(wǎng)格誤差對(duì)成像性能的影響;其次提出了一種聯(lián)合自旋角速度估計(jì)的壓縮感知成像方法,利用成像結(jié)果的圖像熵對(duì)自旋角速度進(jìn)行迭代搜索,實(shí)現(xiàn)了角速度的最佳估計(jì)和目標(biāo)圖像的最優(yōu)重構(gòu)。針對(duì)高速自旋目標(biāo)常規(guī)寬帶雷達(dá)三維成像方法存在計(jì)算復(fù)雜度高的問(wèn)題,提出了一種新的自旋目標(biāo)三維成像方法,利用窄帶雷達(dá)成像方法和干涉技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)三維成像,
6、有效降低了成像復(fù)雜度。3.傳統(tǒng)多通道SAR成像是對(duì)各通道回波數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立成像處理,忽略了各通道間的相關(guān)性,不能保證多通道圖像間散射點(diǎn)位置和數(shù)目的一致性。針對(duì)此問(wèn)題,提出了一種基于聯(lián)合稀疏重建的多通道SAR高分辨成像方法。該方法利用多通道圖像具有相同稀疏性支撐這一先驗(yàn)信息,構(gòu)建多通道信息聯(lián)合約束函數(shù),實(shí)現(xiàn)散射中心位置和數(shù)目在各通道下的一致性,并利用改進(jìn)的優(yōu)化重建算法進(jìn)行多通道SAR成像聯(lián)合優(yōu)化重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法不僅能夠利用少量的采樣數(shù)據(jù)獲得高分辨目標(biāo)圖像,而且保證目標(biāo)散射點(diǎn)位置和數(shù)目在不同通道下的一致性
7、,有效提高了目標(biāo)信息的獲取能力。I西北工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文4.大角度SAR傳統(tǒng)子孔徑綜合成像方法容易受配準(zhǔn)誤差和目標(biāo)各向異性的影響,導(dǎo)致綜合圖像中存在較多雜散點(diǎn),針對(duì)此問(wèn)題,提出了一種聯(lián)合目標(biāo)空間重構(gòu)和方位依賴散射信息提取的子孔徑圖像聯(lián)合稀疏重建方法。該方法利用子孔徑圖像間的相關(guān)性,定義綜合全孔徑信息的混合范數(shù),并構(gòu)建由混合范數(shù)約束的子孔徑圖像聯(lián)合重建成像模型,實(shí)現(xiàn)了子孔徑圖像間的配準(zhǔn),有效抑制了綜合圖像中的雜散點(diǎn);考慮到相鄰子孔徑間目標(biāo)散射特性的緩變性,對(duì)生成的子孔徑圖像沿方位維進(jìn)行平滑約束,使得提取的目標(biāo)
8、方位依賴散射信息更加準(zhǔn)確可靠。關(guān)鍵詞:高分辨雷達(dá)成像,壓縮感知,機(jī)動(dòng)目標(biāo),自旋目標(biāo),多通道,大角度,聯(lián)合稀疏重建IIAbstractAbstractSyntheticapertureradar(SAR)andinversesyntheticapertureradar(ISAR)imagingtechniquehasthecharacteristicsoflongrangedetection,all-