本文關(guān)鍵詞：陣列三維SAR成像及基于稀疏重構(gòu)的分辨率增強(qiáng)技術(shù)　出處：《電子科技大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)具有全天候觀測(cè)、高分辨率成像等優(yōu)點(diǎn),在軍事和民用方面得到廣泛應(yīng)用。然而,傳統(tǒng)SAR只具備二維分辨率,存在陰影遮擋等缺陷,使其不能實(shí)現(xiàn)空間三維成像和對(duì)快起伏地形的觀測(cè)。陣列三維SAR是一種新興的微波三維成像技術(shù),具有空間三維分辨能力,為目標(biāo)識(shí)別等應(yīng)用提供更豐富的信息;工作在正下視模式時(shí),能夠有效克服陰影遮擋,實(shí)現(xiàn)對(duì)城市區(qū)域等復(fù)雜場(chǎng)景的三維測(cè)繪;工作在前下視模式時(shí),能夠觀測(cè)前下方區(qū)域,為飛行器自主導(dǎo)航等提供信息。因此,陣列三維SAR技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景和極好的研究?jī)r(jià)值。目前,陣列三維SAR技術(shù)的理論和方法都還在起步階段,還有許多地方需要補(bǔ)充和完善,面臨許多亟待解決的問題:(1)缺乏陣列三維SAR前下視模式的理論和方法,需要分析前下視模式的模糊函數(shù)和分辨率;(2)陣列三維SAR數(shù)據(jù)量巨大,需要研究高效高精度數(shù)據(jù)處理方法;(3)陣列三維SAR沿陣列維分辨率低,成為其實(shí)際應(yīng)用的主要瓶頸,需要研究相應(yīng)的分辨率增強(qiáng)方法。稀疏重構(gòu)突破了信號(hào)帶寬限制,為提高陣列維分辨率提供了新思路,需要研究適用于陣列三維SAR分辨率增強(qiáng)的稀疏建模和稀疏重構(gòu)算法。針對(duì)上述問題,本論文在陣列三維SAR快速高精度成像和稀疏分辨率增強(qiáng)的研究方面做出了以下主要貢獻(xiàn)和創(chuàng)新:(1)研究了陣列三維SAR前下視模式的模糊函數(shù)和三維分辨率。首先,推導(dǎo)了陣列三維SAR前下視模式的模糊函數(shù),并以模糊函數(shù)為基礎(chǔ)分析了其空間三維分辨率,從理論上解釋了前下視模式三維成像的可行性,并且可將正下視模式看作前下視模式的特例。其次,提出了一種新的分辨率投影方法,解決了前下視模式時(shí)分辨率在沿航向和高度維的分配問題。該分辨率投影方法考慮脈沖壓縮和沿航向虛擬合成孔徑對(duì)高度維和沿航向分辨率的綜合貢獻(xiàn),其對(duì)投影后分辨率的解釋更符合實(shí)際。(2)研究了陣列三維SAR前下視模式下的快速高精度三維成像方法。首先,提出一種三維Chirp Scaling方法,解決了前下視模式存在的距離走動(dòng)和幾何畸變問題,實(shí)現(xiàn)了三維成像。其次,提出一種基于后向投影(Back Projection,BP)算法和非均勻快速傅里葉變換(Nonuniform Fast Fourier Transform,NUFFT)插值的快速高精度成像方法。該方法用NUFFT插值代替辛克函數(shù)插值完成了高精度插值,插值精度可達(dá)到10~（-6）,實(shí)現(xiàn)了高精度BP成像算法。結(jié)合并行計(jì)算構(gòu)架(Compute Unified Device Architecture,CUDA)使算法執(zhí)行效率得到大幅提高,該算法被稱為CUDA NUFFT BP算法。最后,提出一種隨機(jī)天線相位中心快速成像方法,減少了天線相位中心數(shù)目,能在保證分辨率和峰值旁瓣比基本不變的情況下實(shí)現(xiàn)三維成像,能節(jié)約3~5倍的運(yùn)算量。(3)研究了陣列三維SAR分辨率增強(qiáng)的稀疏模型和分辨率增強(qiáng)能力評(píng)價(jià)指標(biāo)。首先,提出了一種基于提取強(qiáng)目標(biāo)區(qū)域的三維稀疏模型,解決了不同高度層間觀測(cè)數(shù)據(jù)存在相互串?dāng)_的問題。該模型還設(shè)計(jì)了合適的降維策略,在一定程度上降低了稀疏重建問題的維數(shù),減少了運(yùn)算量。其次,提出一種基于陣列維的分維稀疏模型。該模型沿陣列維在等距離切片內(nèi)分維建模,大大降低了重構(gòu)問題的維數(shù),結(jié)合空間劫趾濾波技術(shù),提高了稀疏重構(gòu)的分辨率增強(qiáng)能力。再次,提出一種評(píng)定分辨率增強(qiáng)能力的新指標(biāo),解決了傳統(tǒng)分辨率定義不適用于稀疏分辨率增強(qiáng)的問題。該指標(biāo)對(duì)誤差容限、像素間隔和分辨率作綜合考慮,更符合稀疏分辨率增強(qiáng)的實(shí)際情況。(4)提出了一種反正切函數(shù)正則化分辨率增強(qiáng)算法。該算法能夠直接處理陣列三維SAR分辨率增強(qiáng)的復(fù)數(shù)值稀疏重構(gòu)問題,解決了常規(guī)1范數(shù)正則化方法處理復(fù)數(shù)值稀疏重構(gòu)問題時(shí),將復(fù)數(shù)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)優(yōu)化問題后,兩者不完全等價(jià)的問題。該算法對(duì)正則化參數(shù)比1范數(shù)正則化不敏感,且其解具有趨稀疏特性。另外,該算法基本思想為用反正切函數(shù)來逼近0準(zhǔn)范數(shù),使其在一定程度上能克服分辨率增強(qiáng)時(shí),傳感矩陣約束等距性質(zhì)差的問題。(5)提出了一種迭代自適應(yīng)1范數(shù)正則化分辨率增強(qiáng)算法。該算法能夠根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)的不同,自適應(yīng)調(diào)節(jié)正則化參數(shù),解決了固定正則化參數(shù)不能適應(yīng)不同觀測(cè)數(shù)據(jù)的問題。同時(shí),該算法綜合了廣義交叉校驗(yàn)法(Generalized Cross-Validation,GCV)和L曲線法選擇正則化參數(shù)的思想,通過設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)稀疏性的迭代準(zhǔn)則,防止算法過渡迭代,保證求得稀疏解。另外,該算法能克服GCV不適應(yīng)測(cè)量次數(shù)少于重建目標(biāo)次數(shù)的情況,和L曲線法嘗試較多的正則化參數(shù)值導(dǎo)致運(yùn)算量較大的問題。總之,本文研究了陣列三維SAR前下視模式時(shí)的模糊函數(shù)和分辨率分配問題,提出了適合陣列三維SAR的高效高精度成像算法,建立了用于陣列三維SAR分辨率增強(qiáng)的稀疏模型,提出了直接處理復(fù)數(shù)值稀疏重構(gòu)問題的反正切函數(shù)正則化方法和迭代自適應(yīng)1范數(shù)正則化方法。本論文的研究成果,能夠?yàn)殛嚵腥SSAR快速高精度成像和稀疏分辨率增強(qiáng)提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。
[Abstract]:The traditional synthetic aperture radar ( SAR ) has the advantages of all - weather observation , high - resolution imaging and so on , which has been widely used in military and civil aspects . This paper presents a method for fast and high precision 3D imaging based on BackProjection ( BP ) and Nonuniform Fast Fourier Transform ( NUFFT ) . ( 4 ) An algorithm for enhancing the resolution of inverse tangent function is presented . The algorithm can directly deal with the problem of complex numerical sparse reconstruction of three - dimensional SAR resolution of the array , and solve the problem that the regularization parameter can not adapt to different observation data .

【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN957.52

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本文編號(hào)：1400146