基于压缩感知理论的雷达成像技术与应用研究进展

压缩感知理论基于信号稀疏性,将对信号采样转换为对信息自由度的采样,可大大降低采样率。而将压缩感知理论应用于雷达成像时有望在以下几个方面得到改善：增强成像性能,简化雷达硬件设计,缩短数据获取时间,减少数据量和传输量等。该文从压缩感知的稀疏性,压缩采样,无模糊重建3个关键步骤与成像雷达有机结合的角度,对近年来基于压缩感知理论的雷达成像技术研究现状进行系统综述,重点论述场景稀疏性与成像关系, 压缩采样方法(包括硬件)设计,场景图像快速高精度重建以及成像系统体制应用等方面,最后探讨了压缩感知理论应用尚需解决的问题和进一步发展方向。     

基于压缩感知的随机噪声成像雷达

近年来提出的压缩感知(CS)理论指出可以从很少的采样点中以很大的概率准确重建原始的未知稀疏信号。该文将压缩感知与随机噪声雷达相结合,提出了基于压缩感知的随机噪声雷达,并给出了该雷达系统的基本原理框图,从理论上证明了基于压缩感知的随机噪声雷达的回波观测矩阵具有很好的等容性质,在目标场景稀疏或可以稀疏表示时,基于压缩感知的随机噪声雷达可以采集远小于常规随机噪声雷达成像所需的回波数据并能实现准确成像,最后通过仿真实验验证了该文的结论。     

压缩感知技术综述

压缩感知(Compressed Sensing或Compressed Sampling,Cs)理论突破了经典的奈奎斯特采样定理的极限,提出一种全新的采样理论,通过开发信号的稀疏特性,在远小于Nyquist采样率的条件下,用随机采样获取信号的离散样本,然后通过数值最优化问题精确重构出原始信号.本文综述了CS基本原理,介绍了信号稀疏表示、测量矩阵的设计和信号的重构算法等内容以及CS理论研究现状和在相关领域的应用.     

基于压缩感知的认知雷达参数估计

为了改善基于压缩感知技术的认知雷达(CR)目标参数估计的性能,研究了CR闭环反馈中的感知矩阵更新和稀疏目标场景重构.首先,根据等角紧框架和复Gram矩阵,构造胖矩阵情况下感知矩阵更新的目标矩阵;然后,将测量矩阵优化设计的最小二乘问题展开,利用Kronecher积推导测量矩阵更新的一步迭代公式;最后,引入阈值收缩函数去除迭代重加权最小二乘估计值中的无关小量,进而去除重构场景中的伪峰.计算机仿真实验验证了该算法的有效性.     

压缩成像技术研究进展

以奈奎斯特采样定理为准则,高速信号采样再压缩的传统成像方式存在明显缺陷。基于压缩感知理论的压缩成像技术则突破了传统成像系统设计理念,利用硬件实现目标图像的非自适应线性投影,从而达到利用较少数目探测器获取高精度目标图像的目的。详细阐述了压缩感知理论框架及其关键技术问题,并就目前压缩成像系统的原理和难点问题进行了深入的探讨和分析。     

基于压缩感知的二维雷达成像算法

压缩感知理论能够有效地降低高分辨率雷达成像系统的数据率。该文通过对复基带雷达回波信号模型的稀疏性分析,提出了一种具有保相性的压缩感知距离压缩算法。在此基础上建立了距离向采用压缩感知距离压缩算法,方位向采用传统的雷达成像算法处理的雷达2维成像方案。通过对仿真和实测逆合成孔径雷达数据的成像处理验证了方案的有效性。     

超宽带探地雷达多目标压缩感知成像研究

压缩感知成像要求信号在某个域上能满足稀疏性要求,地下多目标在空域上降低了信号的稀疏性,导致成像出现散焦和虚像。扩大成像背景保证了稀疏性要求但又使得成像计算量上升,实时性不足。提出一种根据探地雷达回波特征预提取出潜在目标位置的压缩感知成像方法。通过对数据进行去噪、滑动矩阵过滤来确定目标的水平位置,再对水平位置处的几道A-Scan 数据进行极值搜索,从而可以提取出成像区域目标位置信息,进而在建立成像冗余字典时只需考虑目标位置处的字典元素,无目标处字典元素直接剔除,减少字典建立所需的元素,降低了压缩感知求解计算量。该方法由于只对潜在目标区域进行成像,因此在保证成像实时性的同时也保证了成像精度。实验结果表明算法可行、有效。     

基于压缩感知的偏振光成像技术研究

偏振成像技术是一种基于目标自身辐射或反射信号中所包含的偏振信息获取物体图像的方法,尤其在人工目标的探测和表面识别方面,相对光强度探测方式具有独特的优势。针对传统的偏振成像技术在复杂的成像环境中成像距离短和成像质量差的缺点,提出了一种基于压缩感知的新型偏振光成像技术。阐述了压缩感知理论的基本原理,构造了合适的采样矩阵和重构算法,设计了具体的成像系统,并通过压缩感知偏振成像实验证明了该成像技术的可行性。空气中实验结果表明,该成像系统能够重构出预先放置目标靶的偏振图像。此外在现有的实验条件基础上讨论并提出了几种改进系统成像质量的措施。     

压缩感知回顾与展望

压缩感知是建立在矩阵分析、统计概率论、拓扑几何、优化与运筹学、泛函分析等基础上的一种全新的信息获取与处理的理论框架.它基于信号的可压缩性,通过低维空间、低分辨率、欠Nyquist采样数据的非相关观测来实现高维信号的感知.压缩感知不仅让我们重新审视线性问题,而且丰富了关于信号恢复的优化策略,极大的促进了数学理论和工程应用...     

强地杂波下基于压缩感知的稀疏子脉冲高分辨雷达成像方法

针对稀疏雷达孔径数据处理与成像问题,本文提出了一种强地杂波背景下基于压缩感知（CS）的线性调频步进信号（SFCS）稀疏子脉冲高分辨雷达成像方法。在对稀疏回波数据解线调时,采用填零一次相消技术剔除地杂波,对粗分辨距离像序列二次采样后获得高信杂比的目标高分辨回波信号;再利用该信号的频域稀疏特性,结合各脉冲簇中随机丢失不同子脉冲的情况,构造相应的部分傅里叶基矩阵实现雷达数据的稀疏化表征,然后利用正交匹配追踪（OMP）算法对目标高分辨距离像（HRRP）进行重构处理,实现对目标的高分辨成像。仿真结果验证了本文方法的有效性。      

基于压缩感知的稀疏阵列MIMO雷达成像方法

针对MIMO雷达对空目标单次快拍成像时天线数目较多问题,该文提出了一种稀疏阵列MIMO雷达的成像方法。首先分析了MIMO雷达天线的稀疏布阵方式,其次结合压缩感知理论具体阐述了稀疏阵列MIMO雷达的成像方法。该方法不仅能够对运动目标实现单次快拍成像,避免了目标机动带来的运动补偿难题,同时又能够大幅减少MIMO雷达的天线规模,便于工程实现。最后利用仿真实验验证了所提方法的有效性。     

一种稀疏增强的压缩感知MIMO-OFDM信道估计算法

基于压缩感知(Compressed Sensing, CS)的信道估计可以达到减少导频的目的,但在频-时域信道矩阵到时延-多普勒域的稀疏变换中存在谱泄漏现象,影响了信道矩阵的稀疏性和估计的均方误差(MSE)性能。为此该文对信道的稀疏性进行研究,提出一种时域加窗的稀疏优化CS信道估计算法。通过对时域加窗,所提算法抑制了由离散截断导致的多普勒域泄漏,再据此设计出观测矩阵,以此方式增强信道在时延-多普勒域的稀疏性,并实现对稀疏的信道矩阵更为准确的重构,达到改善信道估计MSE性能的目的。仿真结果表明随信噪比的增大,加窗CS算法相比无窗CS算法有效改善了信道估计的性能。     

基于改进正交匹配追踪算法的压缩感知雷达成像方法

运算复杂度高是基于压缩感知(CS)的雷达成像方法走向实用亟待克服的难题。该文利用雷达目标散射率分布的稀疏性,研究了基于改进正交匹配追踪(OMP)算法的2维联合压缩成像方法。首先建立了步进频雷达回波的稀疏表示模型,根据稀疏字典和压缩测量的2维可分离特性,提出一种改进的OMP算法用于雷达图像形成,大大提高了计算效率,并很容易扩展到其他贪婪类算法中。从理论上对几种CS成像算法的性能及资源需求进行了分析比较,表明所提供的算法相比常规的CS算法在存储量和计算量上均具有显著的优势,仿真及暗室数据实验验证了所提成像算法的有效性。     

基于压缩感知的三孔径毫米波合成孔径雷达侧视三维成像

基于压缩感知,该文研究了交轨向三孔径毫米波合成孔径雷达侧视3维成像问题。利用交轨方向的三孔径天线形成的稀疏阵列结构,获取高程分辨率并实现3维成像。由于交轨方向的采样数较少及非均匀采样,高程分辨率低,传统的基于傅里叶变换的3维成像技术获得的图像质量较差。针对此不足,在交轨向稀疏采样的条件下,该文采用压缩感知方法来实现超分辨成像。利用仿真和实际数据比较了传统成像方法和基于压缩感知的成像方法的性能,并验证了该文方法的有效性。     

压缩感知中稀疏分解和重构精度改进的一种方法

稀疏分解、非相关观测和重构算法是压缩感知的三大要素,任何一个环节的设计优劣都对压缩感知的性能产生重大影响,稀疏分解是实现压缩感知的前提,现今使用的稀疏分解对大多数自然信号都不能做到理想的绝对稀疏,而是近似稀疏,这大大影响了压缩感知的重构性能。本文设计了一种可逆的阈值,并用其构造门限矩阵,从而门限矩阵可逆,将门限矩阵作用于信号经正交变换后的近似稀疏系数,可使系数更接近理想的绝对稀疏,而且门限矩阵对系数的处理过程是可逆的,即可由处理后的系数无损恢复原来的近似稀疏系数。重构算法采用贪婪算法中的OMP和CoSaMP,从理论上分析了在保证与CoSaMP同样的前提条件下,门限矩阵改进后的CoSaMP重构误差明显减小,仿真实验用门限矩阵对OMP和CoSaMP的改进前后进行对比,验证了门限矩阵对重构精度有进一步的提高。      

宽带雷达Chirp回波的正交稀疏表示及其在压缩感知中的应用

信号的稀疏表示在信号处理中具有重要意义。该文给出了宽带雷达Chirp回波在一个正交字典上的稀疏表示。利用矩阵形式重新描述宽带雷达中常用的stretch处理,给出了正交字典。将Chirp回波的正交稀疏表示与压缩感知理论相结合应用,得到了Chirp回波的一种新采样机制：随机抽取。仿真数据实验表明,Chirp回波在正交字典上的稀疏表示效果优于其在Gabor原子组成的冗余字典的情况,同时正交字典上稀疏表示计算效率较高。实测数据实验验证了Chirp回波的随机抽取采样机制的可行性。     

基于频域稀疏压缩感知的星载SAR稀疏重航过3维成像

星载合成孔径雷达(SAR)稀疏重航过3维成像技术通过交轨向的多次飞行观测,获得观测场景的第3维分辨。该文给出了单颗卫星SAR稀疏重航过轨道分布,为有效缩短重访时间,同时给出了编队双星SAR轨道分布,对应的交轨向等效孔径长度为20 km。提出了一种基于干涉处理和频域压缩感知(CS)的稀疏3维成像方法,利用稀疏重航过中的部分回波形成参考3维复图像,对待重建SAR 3维图像信号进行干涉处理,使信号在频域具备稀疏性。在大轨道分布范围下,建立频域距离向-交轨向线性测量矩阵,利用CS理论联合求解稀疏表征下的图像频谱,避免交轨向和距离向的回波信号耦合。将求解所得频谱逆变换至空间域,可得到观测场景的3维图像重建结果。仿真结果表明,该文方法在稀疏采样率74.4%条件下,仍可获得与满采样成像性能相当的结果,验证了干涉处理频域稀疏方法在星载SAR 3维成像中的有效性。