基于壓縮感知的高分辨雷達成像方法研究

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1、西北工業(yè)大學博士學位論文（學位研究生）題目：基于壓縮感知的高分辨雷達成像方法研究作者：孫超學科專業(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（SAR）和逆合成孔徑雷達（ISAR）成像技術(shù)具有遠距離探測、全天時和全天候工作的特點，有效提升了雷達信息感知和數(shù)據(jù)獲取能力，在國防和民用眾多領(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，面臨信號采樣率高、數(shù)據(jù)量大等問題，特別在

3、多天線、多極化、多視角等多維度觀測時，問題更為突出。對于現(xiàn)代多功能雷達和組網(wǎng)雷達，用于單個目標寬帶成像的時間和資源是有限的，通常會導(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。近年來提出的壓縮感知理論（CS）為解決傳統(tǒng)雷達成像面臨的問題提供了一種新思路，在降低雷達數(shù)據(jù)采樣率、彌補數(shù)據(jù)缺損和改善雷達成像質(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成像方法展開研究，主要致力于解決壓縮感知在對復(fù)雜運動目標ISAR成像、多通道和大角度SAR成像應(yīng)用中存

4、在的問題。主要貢獻及創(chuàng)新性成果如下：1.針對傳統(tǒng)距離-瞬時多普勒成像方法存在分辨率較低、對數(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動目標距離-瞬時多普勒成像方法。該方法利用目標場景的空間稀疏性，在時頻域?qū)夭ㄐ盘栠M行稀疏化表征，利用構(gòu)建的瞬時字典獲得相應(yīng)的距離-瞬時多普勒圖像，并通過迭代加權(quán)增強目標能量同時抑制噪聲。仿真數(shù)據(jù)和實測數(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，將該方法推廣到機動目標干涉ISAR三維成像，通過干涉通道聯(lián)合稀疏化表

5、征，有效提升了目標散射點高度信息的估計性能。2.針對網(wǎng)格誤差和自旋角速度估計不精確帶來的成像性能下降問題，首先提出了一種魯棒的壓縮感知窄帶雷達成像方法，通過修正成像模型和改進優(yōu)化重建算法，有效改善了網(wǎng)格誤差對成像性能的影響；其次提出了一種聯(lián)合自旋角速度估計的壓縮感知成像方法，利用成像結(jié)果的圖像熵對自旋角速度進行迭代搜索，實現(xiàn)了角速度的最佳估計和目標圖像的最優(yōu)重構(gòu)。針對高速自旋目標常規(guī)寬帶雷達三維成像方法存在計算復(fù)雜度高的問題，提出了一種新的自旋目標三維成像方法，利用窄帶雷達成像方法和干涉技術(shù)實現(xiàn)目標三維成像，

6、有效降低了成像復(fù)雜度。3.傳統(tǒng)多通道SAR成像是對各通道回波數(shù)據(jù)進行獨立成像處理，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位置和數(shù)目的一致性。針對此問題，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信息，構(gòu)建多通道信息聯(lián)合約束函數(shù)，實現(xiàn)散射中心位置和數(shù)目在各通道下的一致性，并利用改進的優(yōu)化重建算法進行多通道SAR成像聯(lián)合優(yōu)化重構(gòu)。實驗結(jié)果表明，該方法不僅能夠利用少量的采樣數(shù)據(jù)獲得高分辨目標圖像，而且保證目標散射點位置和數(shù)目在不同通道下的一致性

7、，有效提高了目標信息的獲取能力。I西北工業(yè)大學博士學位論文4.大角度SAR傳統(tǒng)子孔徑綜合成像方法容易受配準誤差和目標各向異性的影響，導(dǎo)致綜合圖像中存在較多雜散點，針對此問題，提出了一種聯(lián)合目標空間重構(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，實現(xiàn)了子孔徑圖像間的配準，有效抑制了綜合圖像中的雜散點；考慮到相鄰子孔徑間目標散射特性的緩變性，對生成的子孔徑圖像沿方位維進行平滑約束，使得提取的目標

8、方位依賴散射信息更加準確可靠。關(guān)鍵詞：高分辨雷達成像，壓縮感知，機動目標，自旋目標，多通道，大角度，聯(lián)合稀疏重建IIAbstractAbstractSyntheticapertureradar(SAR)andinversesyntheticapertureradar(ISAR)imagingtechniquehasthecharacteristicsoflongrangedetection,all-