基于复合正则化的稀疏SAR成像方法研究

随着高分辨率对地观测要求的不断提高,合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)的应用将越来越广泛。针对高分辨率SAR成像存在数据量大、存储难度高、计算时间长等问题,目前常用的解决方法是在SAR成像模型中引入压缩感知(Compressed Sensing,CS)的方法降低采样率和数据量。通常使用单一的正则化作为约束条件,可以抑制点目标旁瓣,实现点目标特征增强,但是观测场景中可能存在多种目标类型,因此使用单一正则化约束难以满足多种特征增强的要求。本文提出了一种基于复合正则化的稀疏高分辨SAR成像方法,通过压缩感知降低数据量,并使用多种正则化的线性组合作为约束条件,增强观测场景中不同类型目标的特征,实现复杂场景中高分辨率对地观测的要求。该方法在稀疏SAR成像模型中引入非凸正则化和全变分(Total Variation,TV)正则化作为约束条件,减小稀疏重构误差、增强区域目标的特征,降低噪声对成像结果的影响,提高成像质量;采用改进的交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM)实现复合正则化约束的求解,减少计算时间、快速重构图像;使用方位距离解耦算子代替观测矩阵及其共轭转置,进一步降低计算复杂度。仿真和实测数据实验表明,本文所提算法可以对点目标和区域目标进行特征增强,减小计算复杂度,提高收敛性能,实现快速高分辨的图像重构。

高精度毫米波柱面孔径全息成像算法研究

近年来,国际恐怖袭击事件时有发生,使得安全形势变得极为严峻,因此迫切需要引入新型的安全检查手段,防范和应对重大安全事故的发生。在此背景下,毫米波全息三维成像凭借其安全性、穿透性和高分辨率成像等优势,被广泛地应用在安检领域。由于人体安检需要在短时间内对目标进行精确的检测,具有实时性的特点,即需要在实时情况下快速做出判断和决策,因此对成像精度有着更高的要求。本文提出了一种高精度毫米波柱面孔径全息成像算法,给出了柱面孔径三维成像所需要满足的采样准则;首先,将成像区域划分为序列不同半径的成像柱面,依据成像精度和相位误差控制范围设置成像参考柱面,简化重复计算匹配滤波函数的过程;然后,将回波信号变换至三维波数域中,并与匹配滤波函数相乘;接着,沿距离向对匹配滤波的结果进行积分,聚焦获得相应半径柱面上目标的散射信息;最后,对不同半径柱面上的目标进行聚焦,获取目标的全部散射信息,进而完成对整个观测区域的三维图像重建。本文给出了参考面最佳分配策略和算法成像复杂度分析,并通过点目标仿真详细地分析了相位误差对成像质量的影响,并与现有的方法进行了比较,以及在同样的系统参数下对人体模特进行成像实验,仿真和实验的结果表明本文方法的有效性、精确性和正确性。

基于浮空器照射源的双基弧形阵列SAR辅助降落模式成像算法

较之传统的单基线性阵列SAR,以浮空器为照射源平台的双基弧形阵列合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种全新高效、高分辨率的雷达成像系统;该成像模式继承了弧形阵列天线和浮空器的优点,在直升机辅助降落、应急救灾等领域具有重要的应用前景。在该成像模式中,由于浮空器平台平向移动、直升机平台向下运动以及弧形阵列天线特殊的圆弧型构造的影响,目标的回波信号很难直接处理,给成像带来了困难。针对这些问题,根据浮空器照射源双基弧形阵列SAR模式的成像几何模型以及回波特征,本文提出了一种基于两步运动补偿和Keystone变换的方法。其中第一步利用Taylor级数展开对双平台复杂斜距方程进行近似处理,对该成像模式下的距离分辨率和方位分辨率进行了简单分析,第二步根据浮空器平向运动产生的斜距误差,构造相应的运动补偿因子对浮空器平移引起的距离徙动项进行相位补偿;第三步根据直升机平台向下运动产生的斜距误差,构造相应的补偿因子对直升机下降引起的距离徙动项进行补偿;之后为了校正距离向与方位向之间耦合,根据Keystone变换思想引入新的角度变量对方位角进行变换从而补偿掉距离频率及方位向角度的耦合,接着在方位频域内进行方位向脉冲压缩。最后通过对不同点阵目标成像补偿前后的仿真结果对比分析、点阵目标成像性能指标分析以及场景分布目标的模拟验证了成像结果的准确性以及成像方法的有效性。

基于Beer-Lambert方法的机载LiDAR草地叶面积指数估算研究

草地叶面积指数(Leaf area index,LAI)是天然草地的重要结构参数,能够用来监测草地的生长状况和生产力水平,对草地资源可持续利用和科学管理具有重要意义。以内蒙古锡林郭勒盟典型草原为研究对象,首先使用无人机激光雷达(Airborne light detection and ranging,Air-LiDAR)草地冠层观测数据,通过解析点云数据构建冠层高度模型(Canopy height model,CHM),随后进行研究区草地冠层间隙率计算,最后基于Beer-Lambert方法进行0.05 m、0.10 m、0.15 m、0.20 m 4个不同空间分辨率采样尺度下的LAI估算,并选择CHM低值、中值、高值3个不同子区域分别进行不同冠层高度下LAI的检验和分析。结果表明:(1)草地叶面积指数与冠层高度模型数值呈正相关、与冠层间隙率呈负相关。(2)机载LiDAR草地LAI估算的最优采样尺度为0.15 m,CHM不同高度子区域LAI结果检验R^(2)和RMSE分别为:低值区为0.66和0.04;中值区为0.54和0.34;高值区为0.54和1.17,表明无人机LiDAR可捕获草地冠层观测采样存在的异质性差异分布特征。(3)不同空间分辨率0.05~0.20 m间隔采样LAI结果表明,对于CHM低值、植被分布稀疏区域不同分辨率LAI无显著空间尺度变化差异,但CHM高值、较密植被分布群落LAI会随空间分辨率表现出尺度性差异。综上所述,本研究设计完成的无人机LiDAR草地LAI估算模型,参数机理具体、流程方法可操作性强,具有较好的数值检验精度,可为激光雷达在草地植被叶面积指数遥感反演及应用提供技术参考。

方位多波束弧形阵列SAR成像方法研究

弧形阵列合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是一种广域观测的新体制微波成像系统,相比于线性阵列合成孔径雷达,弧形阵列SAR能够有效克服常规成像雷达前视、侧视、下视等观测视角单一的问题,弥补了常规成像模式的不足。方位多波束技术是星载合成孔径雷达系统获取高分辨宽覆盖测绘能力的重要技术途径。本文首先构建了多波束弧形阵列SAR系统的方位向多通道信号模型,并通过传统的方位多通道重建方法进行成像仿真,成像结果出现虚假目标,由于传统的多通道重建方法适用于大多数线性阵列,所以通过分析回波斜距的数学几何模型推导出了多波束弧形阵列SAR相比于线性阵列SAR多了一个附加相位,与弧形阵列天线结构相结合,附加相位由子孔径角度引起,因此方位多通道回波数据中相位误差是由多通道弧形阵列SAR的子孔径角度引起,从而导致多通道不均衡,所以传统的多通道重建方法不能够直接用于弧形阵列SAR的成像处理中,为了实现弧形阵列SAR系统的静止目标聚焦成像,提出了适用于弧形阵列SAR系统的方位多通道重建方法,在进行多通道重构和合并之前,对方位通道间的附加相位进行补偿,避免方位欠采样,然后根据弧形阵列方位多通道脉冲响应重构方位多通道数据,该方法可以很好的抑制了虚假目标,最后通过仿真实验验证了该方法的可行性。

矿区地表形变时空演化分析方法研究

用传统监测方法获取的离散点数据只能描述特定时间的空间形变状态,无法反映矿区地表形变整体时空演化。本文介绍了一种矿区地表形变时空模型的构建方法,通过对空间多项式引入时间项变为时空多项式,并基于移动最小二乘法顾及局部特征,提出时空多项式和移动最小二乘法结合完成模型拟合。实验分析表明,选取合适时空项阶次的模型具有良好的拟合精度,实现了对矿区地表形变的时空趋势拟合,能够直观地反映矿区地表形变的整体时空演化趋势和规律。

新体制SAR三维成像技术研究进展

常规SAR成像,平台沿直线飞行,形成直线型合成孔径,仅能获取2维图像,即3维空间中的观测场景在斜距-方位平面的2维投影,图像具有叠掩、透视缩短、阴影等畸变现象。SAR 3维成像突破了斜距-方位2维频率信息获取,能够获取第3维频率信息,实现3维分辨,可获得观测场景的散射中心在3维空间中的分布,从而解决叠掩问题,消除透视缩短、顶底倒置等几何形变现象,更直观地描述客观场景,已成为国际研究热点。该文介绍SAR 3维成像的概念和主要观测模式,分析该领域国内外研究现状和进展,重点阐述作者所在研究团队的SAR3维成像研究进展,最后对SAR 3维成像技术进行总结和展望。

基于融合差异图的变化检测方法及其在洪灾中的应用

由于洪灾区域的地物散射特性受环境影响会发生改变,在对该区域合成孔径雷达(SAR)图像进行变化检测时会使检测结果的错误率提高,而且用单一方法得到的差异图变化检测结果精度较低。针对上述问题,该文提出一种基于融合差异图的变化检测方法,该方法通过构造基于改进相对熵与均值比的融合差异图,综合了熵值差异图的区域敏感性和均值差异图的区域保持性的优势。首先,利用皮尔逊相关系数对模糊局部信息C均值聚类(FLICM)方法的初始聚类结果进行二次分类,再将二次分类结果作为图像初始分割,最后利用迭代条件模型和马尔科夫随机场(ICM-MRF)获得图像的最终分割结果。为了验证所提方法的有效性,该文使用瑞士Bern地区在1999年4月和5月的ERS-2遥感数据以及加拿大Ottawa地区在1997年5月和8月的Radarsat遥感数据进行实验,并用该方法对中国鄱阳湖地区2020年6月和7月的Sentinel-1-A遥感数据进行了洪灾检测实验,估计了鄱阳湖附近区域洪灾前后的受灾范围和变化趋势。实验结果表明该文算法总体检测误差较低,一定程度上降低了检测结果的错误率,提高了检测结果的精度。

基于地基雷达图像的无监督变化检测

地基雷达是近20几年逐渐发展成熟的微波遥感成像技术,目前已广泛应用于滑坡、崩塌等地质灾害的监测中。地基雷达通过干涉测量原理可以监测到目标区域发生的微小形变,然而受人为因素、地质因素、气象因素等影响,导致雷达图像失相干严重,给长期定量化监测带来较大的难度。因此,迫切需要在定量监测的基础上,进一步开展变化检测方面的应用,为长期全面了解监测区域的动态变化提供有效信息。针对上述问题,该文提出了一种基于改进的模糊C均值聚类(FCM)算法对地基雷达图像进行无监督变化检测,该方法首次利用相干系数图和均值对数比值图进行非下采样轮廓波变换(NSCT)和局部能量法得到合成差异图,然后利用主成分分析(PCA)提取合成差异图中每个像素的特征向量,根据地基雷达图像特点对FCM进行改进,通过改进的FCM对每个像素的特征向量进行聚类得到最终的变化检测结果。利用地基雷达LSA对中国西南某省出现的堰塞体的治理过程进行监测,获取监测区域的地基雷达图像,监测过程中受降水等影响监测体出现滑坡,使用该文方法对其进行变化检测,结果表明该文方法更容易进行聚类分割,变化检测结果在保留变化区域的同时噪声点明显减少。

基于球面孔径合成成像的RCS测试方法研究

该文提出了一种基于球面孔径合成成像的雷达散射截面积(Radar Cross Section,RCS)测试方法,建立了基于去相干函数的回波信号模型,推导了基于球面孔径合成成像的RCS反演方法。首先,通过球面孔径合成三维成像方式获取被测目标的全方位-俯仰散射信息;其次,利用改进去相干函数的三维波数域积分成像处理方法获得目标的三维单视复图像,通过图像空域滤波抑制干扰目标信息;最后,通过波数域变换反演目标的RCS。该文引入去相干函数有效抑制了角度去相干和频域去相干效应对成像和RCS反演的影响,表征了目标方位-俯仰向RCS的幅度特性和相位特性,理论推导、仿真实验与数值分析均验证了该文方法的正确性和有效性。

基于隐函数导数法的双基弧形阵列SAR二维频谱及成像算法

双基弧形阵列合成孔径雷达(Arc array Bistatic synthetic aperture radar, AA-BiSAR)是一种新型全方位观测阵列成像雷达系统,其成像范围大、数据收集速率快且不易被侦测。然而,在弧形阵列SAR模式中,双基弧形阵列SAR天线特殊的圆弧型结构,回波信号的二维频谱难以用传统的驻定相位原理进行解析。针对以上问题,本文引入隐函数的思想,将驻定相位点视为多普勒频率的一个隐函数,在对隐函数方程进行求导后运用代数运算求解出该驻相点,从而可以直接利用驻定相位原理来推导出双基弧形阵列SAR的二维频谱,并基于此频谱研究了一种适用于双基弧形阵列SAR的高分辨率成像处理方法,最后点目标的仿真结果验证了结论的正确性与该成像方法的有效性。

便携式全方位微变监测雷达系统精度分析

微变监测雷达能够对观测区域进行全天时、全天候、非接触式、大面积、亚毫米级精度的形变位移监测,其监测精度分析是进行形变分析和精确预警的关键科学问题。本文采用便携式全方位微变监测雷达系统进行了精度研究和测试分析,首先推导了便携式全方位微变监测雷达的一维和二维信号模型,并对影响微变监测雷达监测精度的因素进行了分析;其次,设计一维形变监测实验,采用角反射器等强反射体作为观测目标,并将光学棱镜与角反射器刚性连接,通过雷达监测结果与全站仪监测结果的对比,对一维形变监测精度进行分析;最后,以分布式角反射器模拟观测场景,分析微变监测雷达的二维形变监测精度。一维、二维形变监测实验结果表明,监测结果与实际位移一致性较好,设计的参考角反测量均值在0.1 mm之内,且系统形变监测精度可达亚毫米级,能够实现高精度的微变形监测应用。

面向矿区地表形变的GPS-InSAR融合方法研究

煤炭资源高强度的开发与利用容易导致开采沉陷,威胁矿区安全生产。多源监测数据融合是实现矿区地表形变高效监测的关键手段。针对GPS与InSAR技术在地表形变监测时存在的不足,提出一种融合GPS与InSAR数据的遗传-克里金插值方法对矿区地表形变进行监测。融合GPS与InSAR数据进行克里金插值,寻找最佳变异函数模型计算研究区的年平均形变速率;随后通过遗传算法对变异函数模型的参数进行寻优,进一步提高插值模型的精度;最后以GPS站点的实测数据,对模型的性能进行验证和评价。结果表明:融合GPS数据的遗传-克里金插值算法可有效提高地表形变监测的精度。研究成果有望提高地表形变监测的效率,对矿山地质灾害防治与地面保护工作具有一定的参考价值。

基于斜距高阶近似的弧形阵列SAR成像方法

弧形阵列合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)是一种新型的针对广域观测的阵列成像雷达,其具有观测范围广,分辨率高等特点。由于其回波信号方位向等角度间隔采样,目标精确的二维频谱难以有效推导,并且已有的线性阵列成像算法不再适用。针对上述问题,本文提出了一种基于斜距高阶近似的弧形阵列SAR成像处理方法,该方法首先对斜距模型进行高阶近似,然后推导了雷达回波信号的二维频谱,之后在二维频域补偿距离徙动及距离方位的耦合,最终得到聚焦图像。点阵目标的仿真结果验证了该成像方法的有效性。

一种结合散射相似性和Wishart的极化SAR图像分类方法

针对基于H/α平面的目标分类方法运算量偏大的缺点,本文提出了一种结合散射相似性和Wishart的极化合成孔径雷达图像分类方法,提升了数据处理效率。该方法使用参数替代,将目标相干矩阵进行归一化,得到和H/α相似的分类效果,且避免计算特征值和特征向量,从而大幅提高了分类效率;通过结合Wishart迭代分类器进行分类来提升分类效果。最后通过对Radarsat-2卫星获取的黄河冰凌区域进行地物分类实验验证了本文方法的有效性,且该方法具有更好的运算效率和地物分类效果。

弧形阵列3D-SAR成像处理算法研究

三维合成孔径雷达(3D-SAR)能够获取观测场景目标的三维分辨,解决传统二维合成孔径雷达的叠掩、阴影等问题。不同于现有的3D-SAR成像几何,本文设计了一种新的基于弧形曲面几何的三维合成孔径雷达系统模型。相比于现有的3D-SAR成像系统,该系统能够利用弧形天线阵列实现高效的数据采集和宽视角三维成像。然后针对所设计的弧形阵列3D-SAR系统,本文提出了一种应用于调频连续波信号的波数域三维成像处理算法,通过波数域卷积及插值变换,避免了距离近似等产生的相位误差,从而实现对目标的精准聚焦。最后,通过进行计算机单点目标仿真与多目标仿真,并将仿真结果与后向投影算法的结果进行对比,验证了本文所设计系统模型的有效性及提出算法的良好成像性能。

一种两维稀疏的3D-SAR成像方法

下视阵列3D-SAR避免了多次飞行带来的去相关问题并且能够很好解决侧视SAR成像存在的阴影、叠掩等问题。但是常规下视阵列3D-SAR跨航向阵元数目较多,增加了系统的成本和复杂度;而且雷达数据需要在三个维度进行采样,回波数据量大。针对以上问题,本文提出了一种跨航向和航迹向两维稀疏的3D-SAR成像算法。在跨航向进行阵列天线随机布局,减少了阵列天线的阵元数目,在航迹向随机稀疏采样,减少了航迹向采样点数。本文采用正交匹配追踪方法对两个维度数据进行稀疏重构。最后,通过点目标仿真实验验证了成像算法的有效性。

星载SAR斜视模式运动目标方位多通道信号重建方法

在星载方位多通道SAR斜视模式下,方位斜视角度和运动目标的速度分别导致回波多普勒频谱发生2次混叠和通道失衡,影响运动目标方位多通道信号重建。针对该问题,该文提出一种适用于多通道斜视模式下的运动目标的重建方法。首先通过方位向去斜预处理消除了斜视导致的2次多普勒混叠,然后通过修正的多通道重建矩阵来解决目标速度导致的通道失衡。此外,该文还研究了通道冗余情况下的杂波抑制能力,分析了估计速度误差带来的残余相位误差,给出了一种星载方位多通道SAR斜视模式下的运动目标速度快速估计搜索方法。最后,通过点目标仿真验证了方法的有效性。

基于极坐标格式算法的地基雷达数据处理方法

近年来,地基合成孔径雷达(Ground-based synthetic aperture radar,GBSAR)被广泛应用于地表形变监测和大型建筑物形变监测。极坐标格式算法(Polar Format Algorithm,PFA)是一种典型的聚束SAR高分辨率成像算法,本文针对地基SAR应用于特定监测目标场景这种应用背景,将极坐标格式算法应用于其中,提出了一种基于极坐标格式算法的地基雷达数据处理方法,建立了地基雷达的成像几何,结合chirp Z变换降低了算法的复杂度,从信号的相位历程这一角度分析了该方法的基本原理,最后通过仿真数据和实测数据验证了该理论方法的正确性和可行性。

基于窗函数的非均匀步进频信号设计

针对均匀步进频连续波信号脉冲压缩处理过程中加窗处理抑制旁瓣导致信噪比损失的问题,提出了一种基于窗函数的非均匀步进频信号设计方法。首先根据分辨率和最大作用距离要求设计了步进信号总带宽和步进脉冲数,然后根据旁瓣要求和选择的窗函数设计了非均匀频率步进,最后根据雷达作用范围设计了频率步进量化间隔。该步进频信号呈现中间脉冲步进频率间隔小,两边脉冲步进频率间隔大的特点,在非均匀傅里叶逆变换脉冲压缩处理过程中无须加窗处理即可获得较低旁瓣,避免了加窗处理导致的信噪比损失。点目标仿真结果和实测数据处理结果验证了该非均匀步进频信号设计方法的有效性。