《压缩感知在合成孔径雷达中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压缩感知在合成孔径雷达中的应用（8页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、20*雷达对抗原理期末报告题目：压缩感知在合成孔径雷达中的应用院（系）专业学生班级学号教师报告日期信息与电气工程电子信息工程*x* *x*Y* *Y* *y* *Y* *Y* *y* *Y* *Y*x* *x*Y* *Y* *y* *Y* *Y* *y* *Y*x* *x* *x# *x# *x# *x# *x# *x# *x# *x# *Y* *Y* *y* *Y* *Y* *y* *Y* *Y* *y*x* *x* *x# *x# *x# *x# *x# *x# *Y* *Y* *y* *Y* *Y* *y* *Y* *1.课题来源1.1论文的研究背景合成孔径雷达(SAR, Synthet
2、ic Aperture Radar)是二十世纪五十年代发展 起来的一种高分辨率的成像雷达,是一种工作在微波波段的相干成像雷达，其原 理是通过飞行载体运动来形成雷达的巨大虚拟天线，从而获得高分辨率的雷达 图。错误！未找到引S用源具有高分辨率和全天候，全天时，大面积的成像探测能力， 它首先在军事应用上显示其优势，之后随着遥感技术的蓬勃发展，它又很快作为 微波遥感的重要工具，广泛应用于国民经济的各个领域,是世界各国普遍重视的 对地观测手段。它的高分辨率体现在距离向和方位向上，距离向的高分辨率是通过发射大带 宽信号或极窄脉冲来获得的，方位向的高分辨率是利用合成孔径技术来实现的。 随着对雷达图像分辨率的
3、要求不断提高，系统采样速度和数据处理速度面临着严 峻的挑战。传统的SAR成像方法由于受到奈奎斯特采样定理的限制，给高分 辨、大场景观测的A/D转换和数据存储传输系统带来沉重负担。近年来，Donoho、Candes和Tao等人提出了一种新的信息获取指导理论， 即压缩感知(CS, Compressive Sensing)。该理论指出：当信号具有稀疏性或可 压缩性时，通过求解一个最优化问题，就可以依靠远低于Nyquist采样率所采 集到的信号测量值实现信号的准确或近似重构。1.2研究的目的和意义压缩感知理论是信息获取与信号处理领域近年发展起来的有重大应用前景 的研究方向，有望解决高分辨率雷达系统中的
4、超大数据量的采集、存储与传输问 题。传统的信号采集、编解码过程如1-1下。编码端先对信号进行采样，再对所 有采样值进行变换，并将其中重要系数的幅度和位置进行编码，最后将编码值进 行存储或传输。信号的解码过程仅仅是编码的逆过程，接收的信号经解压缩、反 变换后得到恢复信号。这种传统的编解码方法存在两个缺陷：首先，在数据获取 和处理方面，Nyquist采样使得硬件成本昂贵，获取的信息冗余度过大且有效信 息提取的效率低，在某些情况甚至无法实现对信号的Nyquist采样；其次，在 数据存储和传输方面，压缩编码过程中大量变换计算得到的小系数被丢弃，造成 了数据计算和内存资源的浪费。Donoho、Cande
5、s 和 Tao 等人提出的压缩感知(Compressive Sensing， CS) 理论是一个充分利用信号稀疏性或可压缩性的全新信号采集、编解码理论。该理 论指出，当信号具有稀疏性或可压缩性时，通过求解一个非线性最优化问题，可 以依靠以远低于Nyquist率的方式所采集到的信号测量值实现信号的准确或近 似重构。其编解码框架和传统的框架大不一样，如1-2。在压缩感知理论中，对 信号的采样、压缩编码发生在同一个步骤，即利用信号的稀疏性，以远低于 Nyquist采样率的速率对信号进行非相关测量。通过测量所得到的测量值并非信 号本身，而是信号从高维数据空间到低维数据空间的投影值，从数学角度看，每 个
6、测量值是传统理论下的样本信号的组合函数，即一个测量值已经包含了所有样 本信号的少量信息。5压缩感知理论的解码过程不是编码的简单逆过程，而是通 过求解一个非线性最优化问题在概率意义上实现信号的精确重构或者一定误差 下的近似重构，解码所需测量值的数目远小于传统理论下的样本数。传统的信号获取与处理流程如图1-1所示口发送端信号X采样A变换蠶J. Y1接收端恢复信号反变换解码ww系统图1-1传统的信息获取与处理流程Fig. 1-1 The traditional information acquisition and processing发送端解码蚩建恢复信号图1-2基于压谿感知的信息获取与处理流程F
7、ig, 1 -2 Information acquisition and processing based on compressed sensing2.国内外在该方向的研究现状及分析合成孔径雷达的概念可以追溯到20世纪50年代初。ii,21951年，美国 GoodyearAerospace公司的Carl Wiley首先提出：可以利用频率分析方法改善 雷达的角分辨率。与此同时，伊利诺伊大学控制系实验室独立地利用非相参雷达 进行实验，证实频率分析的方法确能改善雷达的角分辨率。以后又用相参雷达做 实验，用X波段雷达产生相参基准信号，发射波束宽为4.13，经过孔径综合 后波束宽度变为0.4。12采用
8、非聚焦孔径综合方法，于1953年7月得到第 一张SAR图像。当时的信号存储采用磁带，信号处理器为商用的频率分析器。 这是合成孔径原理和合成孔径雷达发展的最初阶段。1953年夏，在美国密西根 大学举办的暑期讨论会上，许多学者提出了载机运动可以将雷达的真实天线合成 为大孔径的线性天线阵列的概念14。用这种观点认识合成孔径原理，除了能解 释雷达角分辨率的提高及正侧视工作方式能得到最佳角分辨外，还容易使人们认 识到合成孔径方法有经相位校正后求和与不经相位校正求和之分，即聚焦和非聚 焦信号处理之分。当时人们还认识到，信号的存储和处理是实现合成孔径原理的关键。许多科 学家为此做出了努力。美国密西根大学雷达
9、和光学实验室的科学家发现了可将雷 达数据记录在胶片上，并利用透镜组完成合成孔径信号处理的方法。1。1957年 8月，他们研制的SAR进行了实验，得到了第一张全聚焦SAR图像。从此，合 成孔径原理和合成孔径雷达被人们所认识，并得到不断发展。SAR也被应用到很 多民用领域，如测绘地形18、海洋研究以及冰川研究。1978年美国发射了载有SAR的海洋卫星（Seasat-A）。在Seasat-A取得 重大成功后，美国利用航天飞机分别于1981年11月、1984年10月和1994 年4月将Sir-A, Sir-B和Sir-C/X-SAR三部成像雷达载入太空29。Sir-A与 Seasat-A类似，为L波段
10、、HH极化。Sir-B是Sir-A的改进型，其天线波束 指向可机械改变，缩短了对热点地区的观测周期。Sir-C/X-SAR引入了很多新技 术，它具有L，C和X三个波段，四种极化，较大的波束角扫描范围，并采用 了分布式T/R组件及相控阵波束扫描技术。“长曲棍球”（Lacrosse）系列SAR卫 星，是当今世界上最先进的军用雷达侦察卫星，已成为美国卫星侦察情报的主要 来源。自1988年12月，由美国“亚特兰蒂斯”号航天飞机将世界上第一颗高 分辨率雷达成像卫星“长曲棍-1 （Lacrosse-1）”送入预定轨道后，又分别在1991 年3月、1997年10月、2000年8月和2005年4月将Lacro
11、sse-2、 Lacrosse-3、Lacrosse-4、Lacrosse-5 送入太空，目前在轨工作的有 Lacrosse-2Lacrosse-5。4颗卫星以双星组网，采用X、L2个频段和双极化 的工作方式，其地面分辨率达到1 m （标准模式）、3 m （宽扫模式）和0.3 m （精扫模式），在宽扫模式下，其地面覆盖面积可达几百km。1987年7月，前苏联成功发射第一个雷达卫星演示验证项目 Cosmos-1870，在此基础上，俄罗斯分别于1991年3月和1998年将“钻石” （Almaz）系列雷达成像卫星Almaz-1和AlmazTB送入倾角73。的非太阳同步圆形近地轨道。其中，Almaz-
12、1是一颗对地观测雷达成像卫星，工作在S波 段（中心频率3.125 GHZ），采用单极化（HH）、双侧视工作方式，入射角可变（30 60），分辨率达到（10m15 m）。Almaz-1B是一颗用于海洋和陆地探测的雷达 卫星，卫星上搭载3种SAR载荷：SAR-10 （波长9.6 cm，分辨率5 m40 m）、 SAR-70 （波长7 cm,分辨率15 m60 m）和SAR-10 （波长3.6 cm、分辨率5 m7m），这3种SAR载荷均采用HH极化方式。欧洲空间局（ESA）分别于1991 年7月和1995年4月发射了地球遥感卫星ERS-1和ERS-2，其中的SAR系 统采用了 C波段、VV极化，并
13、有全系统校准能力，提高了图像质量OERS是到 目前为止性能较好的系统，其中的ERS-2是接替超过设计寿命一年多的ERS-1 的工作。Envisat是ERS计划的后续，由欧空局于2002年3月送入太空的又 一颗先进的近极地太阳同步轨道雷达成像卫星oEnvisat上所搭载的ASAR是基 于ERS-1/2主动微波仪（AMI）建造的，继承了 ERS-1/2 AMI中的成像模式和 波束模式，增强了在工作模式上的功能，具有多种极化、可变入射角、大幅宽等 新的特性，它将继续开展对地观测和地球环境的研究。加拿大的Radarsat于1995年11月发射成功。它借鉴了很多ERS的经验， 虽然也是C波段、单极化（H
14、H），但采用了电扫描天线（VPA），并具有多模式工 作能力。日本于1992年2月在Tanegashima空间中心将JERS-1卫星发射升 空，主要用于地质研究、农林业应用、海洋观测、地理测绘、环境灾害监测等。 该卫星载有2个完全匹配的对地观测载荷：有源SAR和无源多光谱成像仪，运 行在570km的近极地太阳同步轨道上，入射角固定、单一极化（HH）,工作在L 波段（中心频率1.275 GHz）,分辨率18 m。先进陆地观测卫星（Advanced Land Observing Satellite, ALOS）于2006年1月被送入690 km的准太阳同步回 归轨道。ALOS采用高分辨率和微波扫描，
15、主要用于陆地测图、区域性观测、灾 害监测、资源调查等方面。该卫星携带了 3种传感器：全色立体测图传感器PR ISM、新型可见光和近红外辐射计AVN IR-2和相控阵型L波段合成孔径雷达 PALSAR。该卫星具有多入射角、多极化、多工作模式（高分辨率模式和ScanSAR 模式）及多种分辨率的特性，最高分辨率能达到7 m。纵观国外空间SAR的发 展过程，可以看出随着科学技术的不断进步，SAR的水平和功能也在不断提高， 从最初的单波段、单极化、固定入射角、单模式逐渐向多波段、多极化、变入射 角、多模式方向发展，天线也经历了固定的、机械扫描、电扫（VPA ）及相控阵 的发展过程。我国的SAR技术研究起
16、步比较晚，但也取得了一定的成绩。2 3目前国内己经完成或正在研制的机载合成孔径雷达系统主要有：机载LSAR实用系统。星载SAR机载校飞系统，即机载L-SAR实用系统， 在1998年特大洪水期间进行实时监测飞行，所获图像为减灾防灾发挥了极其重 要的作用，已形成大面积、快速、稳定的成像能力，在农、林、地矿、水利、海 洋等应用中效果明显；首次进行了干涉雷达飞行试验，取得初步成功；首次开展 了聚束成像雷达试验，取得预期的成果，获得优于1.5m的空间分辨率，特殊点 达到1.2m。该系统己成为国际上先进的机载SAR系统之一。机载合成孔径雷达侦察系统。中国科学院电子所承担该系统的研制任务， 该侦察系统最大作用距离
