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1、 分类号 TN957 学号 09040096 密级 公 开 工学硕士学位论文 基于稀疏观测的雷达目标三维成像方法研究基于稀疏观测的雷达目标三维成像方法研究 硕士生姓名 邹 欣 学 科 专 业 信息与通信工程 研 究 方 向 精确制导自动目标识别技术 指 导 教 师 付强 教授 周剑雄 副教授 国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月 国防科学技术大学研究生院 二一一年十一月 论文书脊 （此页只是书脊样式，学位论文不需要印刷本页。） 基于稀疏观测的雷达目标三维成像方法研究 国防科学技术大学研究生院 3D Radar Imaging Based on Sparse Measurement Cand
2、idate：Zou Xin Advisor：Fu Qiang Zhou Jianxiong A dissertation Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Engineering in Information the impacts of various factors on the recovered image quality including sparse observation style, Signal-to-Noise ratio and reconst
3、ruction algorithm utilized are discussed. We also investigate the case where the point target is not on the grid in the k-space and show that the performance will be improved if we increase the sampling denseness of the grid in the k-space. Key Words ： Three-dimensional radar imaging, sparsity, comp
4、ressed sensing, turntable ISAR. imaging, sparse observation style, sparse 3D imaging algorithm, performance of the recovered image 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 1 页 第一章 绪论 1.1 课题的背景及研究意义课题的背景及研究意义 随着雷达技术的发展，现代雷达不仅能够对目标进行探测、定位、跟踪、参 数估计，而且能够对飞机、舰船、空间目标、地表、地上移动目标成像，高分辨 雷达图像已经广泛应用于目标识别、目标散射中心建模、目标特性研究、目标特 征获取等。雷
5、达成像不同于光学和红外成像，雷达成像具有全天候、全天时、远 距离的特点，是其他成像手段无法代替的。雷达成像的一般原理是利用发射大带 宽信号得到距离上的高分辨，利用雷达和目标的相对运动使得目标中不同横向上 散射点的多普勒频移不同，通过相干处理分离横向上的散射点而获得目标像1。 雷达一维像是目标散射结构在雷达视线方向的投影，而二维像则是其在距离- 多普勒平面上的投影，它们均未能反映目标的真实三维空间结构，有自己固有的 缺陷：不能反映目标散射结构中散射中心的高度信息，且随着目标姿态、运动方 式变化而发生变化。由于雷达三维像和目标的物理结构相一致，且受目标机动影 响小，能够反映目标的空间散射结构和散射
6、强度信息，可用于目标识别、情报获 取、卫星图像、防空和弹道导弹防御系统2，具有较高的应用价值。传统三维傅 里叶图像分辨率的提高是通过加大发射信号的带宽、增加观测的方位角和俯仰角 范围来实现的，这就意味着要获得分辨率较高的图像就必须花费较多的观测时间 和数据存储量。 能否通过较少的观测数据实现目标的三维成像是个值得研究的问题。由于雷 达图像具有较高的稀疏性，参数估计的方法表明，只要观测的数据量大于雷达图 像中待估计的参数时，就能用合理的参数估计方法估计出雷达图像中的未知量， 从而得到雷达图像。压缩感知理论表明，我们可以在保证信息不损失的情况下， 用远低于奈奎斯特采样定理要求的速率采样信号，同时又
7、可以通过稀疏恢复算法 完全恢复信号3。因此，当雷达采用稀疏观测手段时，仍有可能采用稀疏恢复算 法获得目标三维像，并且提高图像分辨率。 本课题研究的是稀疏观测条件下目标三维成像方法，我们简称为稀疏三维成 像。传统的高分辨三维成像一般采用的是三维傅里叶变换的方式，所需数据的获 取手段较难，数据量和计算量也较大。通过稀疏观测的方式，可以大大减少成像 所需的数据量，减轻了数据获取的负担，同时还可以提高图像分辨率。获得的目 标三维像可用于目标识别、目标散射中心建模、目标特性研究、目标特征获取等， 具有较大的应用价值。 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 2 页 1.2 国内外研究现状国内外研究现状
8、 1.2.1 雷达三维成像研究现状 目前，常见的三维成像方法主要有几下几种： 传统三维成像方法是依靠对波数域三维支撑集密集采样数据的三维傅里叶变 换实现。此种方法是利用宽带信号实现径向距离高分辨，利用转台旋转产生的方 位合成孔径形成横向距离的高分辨，利用雷达在俯仰角上的多次测量产生的俯仰 合成孔径形成竖直方向的高分辨。雷达得到的回波数据是一个球形栅格状三维数 据，对球形栅格数据进行三维插值变成规则的体三维数据后，做三维傅里叶变换 就可以得到目标的三维像。文献4采用高塔转台的模式测量目标的散射特性，转 台离目标的距离 60m，测量俯仰角 3550，发射信号带宽 1.5GHz，360方 位角转动，
9、最小分辨率 0.5m。对测量的数据进行三维傅里叶变换即可获得目标的 三维像，文中给出了三维傅里叶图像在几种姿态角下投影的二维像实例。 用于二维散射中心提取的高分辨算法也可以用于基于转台模型的三维散射中 心的提取。文献5针对转台弧形导轨测量方法，在二维 MEMP 方法的基础上， 提出一种适用于三维散射中心提取的超分辨率算法：3D MEESPRIT(Matrix Enhancement and Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques)。该方法利用 Hankel 矩阵的结构特性，以及子空间不变技术等，实
10、现 对信号三维参数的正确估计，并且无需额外的配对步骤。 在合成孔径成像雷达中引进干涉式技术，即干涉式合成孔径雷达(InSAR)，就 可以获得目标的高度信息。基本思想是通过增加一个与原天线在高度上有差别的 天线，然后对各天线通道接收到的信号成像并对结果做相干处理，从而获得高度 信息。干涉式合成孔径雷达通过在水平和垂直方向排列多个天线，通过发射宽带 信号获得距离上的高分辨，通过对每一距离单元计算相位差可以获得目标上不同 距离单元的散射点相对于基线的水平和高度信息，再加上距离信息就可以获得目 标上强散射源的三维坐标。文献6在不同情况下利用 InSAR 技术获得了目标的三 维像。但同时 InSAR 技
11、术存在固有缺陷：若同一距离单元有多个散射点就会发生 角闪烁现象，可以通过 ISAR 技术在横向上再分离各散射点，减小角闪烁。在转台 小角度成像条件下，目标上散射点相对于天线轴线的距离近似不变，通过对不同 天线接收信号的 ISAR 像上的对应散射点计算相位差也可以得到目标的三维像。 但 是因为 ISAR 的分辨率有限， 在同一距离单元中具有相同多普勒频移的散射点会投 影到同一个分辨单元上去，也会出现角闪烁。 利用多个姿态角下目标的一维距离像可以提取目标的三维散射中心，这类三 维成像方法基本上要解决的是三维散射中心关联的问题。 文献11分别采用基于聚 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 3
12、页 类分析的方法和基于独立成分分析（ICA）的方法进行一维像关联，获得了目标的 三维散射中心分布。以上两种方法都要知道目标的先验姿态角信息。基于聚类分 析的方法要求较多的测量数据，实际中实现较为困难，而基于 ICA 获取目标三维 结构信息的方法，只在目标散射中心模型不变的一定角度范围内才适用。 利用一维距离像和单脉冲测角技术可以得到目标中具有较大能量的散射点的 真实的空间位置，得到目标的较大散射点在空间的三维分布，即散射点的三维像 14。但同一距离单元可能有多个能量较强的散射点，单脉冲测角会出现角闪烁。 利用 ISAR 成像技术分离不同横向上的具有较大能量的散射点可提高三维像的质 量。文献15
13、讨论了单脉冲三维成像中遇到的实际问题，文献1617讨论了舰船 目标单脉冲三维成像的问题及角闪烁的判断准则。 传统的三维 ISAR 成像算法是基于慢转台模型，对于高速旋转目标，通常不能 满足慢转台模型的条件，但是，对自旋目标，通常可以先验估计出其旋转角速度， 这就为成像提供了可能。一般高速自旋目标尺寸都比较小，成像要求距离分辨率 较高，一般通过增加信号带宽提高距离向分辨率。常规合成算法都基于小角度转 角成像，高速自旋目标由于其自旋引入的多普勒将影响距离合成的性能，常规合 成方法不再适用。所以要解决的问题就是如何避免高速自旋目标所引起的多普勒 变化对距离合成的影响。基于高速旋转目标的转台模型及在目
14、标的自旋角速度已 知的条件下，文献1819中，分别利用广义 Radon 变换(GRT)和扩展的 Hough 变 换(EHT)实现旋转目标的三维空间信息提取，这些算法的基本思想是利用自旋目标 的正弦包络，在距离压缩域以曲线积分的方式估计散射点的三维位置。沿曲线的 能量积累是一个四维的曲线检测过程，因此算法的运算量很大。文献20提出利用 宽带信号结合广义 Radon 变换对高速自旋目标进行三维成像。 1.2.2 压缩感知在雷达成像领域的应用 近几年，压缩感知理论的不断完善为处理稀疏采样数据提供了有力的工具， 使其逐渐被应用于雷达成像领域。 在国外，文献3031首次将稀疏性引入聚束式合成孔径雷达中，
15、提出了基于 非二次优化的特征增强成像算法， 获得了分辨率高于传统方法的雷达图像。 文献32 首次将压缩感知原理引入到雷达成像中，并提出可以在降低回波采样率的情况下 通过稀疏重构算法得到目标的高分辨率图像。文献3334探讨了压缩感知原理在 SAR 原始数据处理中的应用， 而文献35则具体总结了压缩感知理论在雷达系统中 的应用，并针对 ISAR 成像问题，按照常规方法对数据进行去斜处理和运动补偿， 并在慢时间域进行稀疏采样，最后利用稀疏采样数据重构目标图像。文献36针对 聚束式 SAR 建立稀疏模型，讨论了方位向的随机采样，并利用稀疏重构方法恢复 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第 4 页 目标图像。此外，还有大量文献将压缩感知理论应用于不同的雷达系统，例如 MIMO 雷达(Multi-Input-Multi-Output)37，超宽带(UWB)雷达40，探地雷达 (GPR)4142和无源雷达43等。 在国内，已有许多学者将压缩感知应用于雷达成像领域。文献4445将压缩 感知理论应用到稀疏阵列成像中，并仿真研究了稀疏阵列对舰船的成像。文献 4647将压缩感知理论应用到频率步进探地
