结合三维电磁散射模型和深度学习的SAR目标识别框架设计

不断提高合成孔径雷达(SAR)图像目标识别能力对于全天时、全天候战场情报侦察具有重要意义。近年来,深度学习模型在SAR目标识别领域得到了广泛应用和验证,但由于SAR图像样本往往十分有限,模型的适应性受到一定制约。提出结合三维电磁散射模型和深度学习的SAR目标识别框架,充分运用三维电磁散射模型在目标SAR数据生成以及物理属性描述方面的优势,提升深度学习模型的分类可靠性和适应性。

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。

基于压缩感知的下视三维SAR成像新方法

下视3维合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)可对平台正下方目标进行3维重构,具有广阔的应用前景。为有效减少线阵天线所需阵元数,该文提出了一种基于稀疏阵列的下视3维SAR成像方法。为了抑制稀疏阵列导致的栅瓣效应,该方法结合压缩感知(Compressed Sensing,CS)理论,实现对下方3维目标的成像。分析了稀疏阵列配置对稀疏信号处理的影响以及3维成像采用稀疏信号处理的可行性。最后通过仿真实验验证了该文分析的正确性及算法的有效性。

基于三维SAR成像的RCS近远场变换方法研究

微波3维成像能够准确地从背景噪声中分离出目标的散射信息,适用于外场目标电磁(EM)散射特性的分析和研究,因而从3维合成孔径雷达(SAR)成像的角度研究目标电磁的散射特性是目前的一个新兴的热门课题。该文以此为背景,首先从Stratton-Chu积分方程出发详细推导3维SAR的近场波数域成像过程,解释3维SAR成像的物理意义;然后阐述基于3维SAR成像的雷达散射截面积(RCS)近远场变换原理,介绍3维SAR图像的散射中心提取方法,给出基于3维SAR成像的RCS近远场变换算法;最后通过FEKO软件进行了仿真实验,得到了5个点目标的RCS近远场变换的方位特性曲线和频率特性曲线,并通过与理论情况的对比,验证该算法在RCS近远场变换技术中的有效性。

基于多通道联合自聚焦技术的机载三维SAR运动补偿

机载3维SAR通过天线阵实现3维的分辨,这也导致在分析3维SAR系统的运动误差时,不但要考虑载机的平动误差带来的天线阵整体平移,更要考虑载机转动误差带来的阵元间相对位置变化,因此针对3维SAR的运动误差的分析与传统单通道SAR相比难度更大。该文从平动误差和转动误差导致的斜距变化出发,利用天线阵的线性几何构型,提出基于多通道联合自聚焦技术的运动补偿算法。该算法可同时得到平动和转动误差,从而使载机运动误差得到精确补偿。最后通过仿真实验验证了算法的有效性。

一种基于地形驻点分割的多通道SAR三维重建方法

多通道SAR具有高度向分辨能力,能够实现叠掩场景的3维重建,但是由于其基线长度有限,利用现有方法进行重建所得高程定位精度往往较差,而且由于叠掩区域散射系数起伏较大,重建结果中存在较多的漏检。针对以上问题,该文提出一种基于地形驻点分割的多通道SAR 3维重建方法,首先通过层析获得场景3维分布的草图,之后通过地形驻点定位及以地形驻点为门限的分割得到不叠掩的数据,最后利用干涉信号处理实现场景的3维重建。该方法结合了多通道SAR的高度向分辨能力和干涉信号处理的高精度,能够更加稳定、精确地实现叠掩场景的3维重建,基于实际场景缩比模型的仿真实验结果验证了该文算法的有效性。

单幅高分辨率SAR图像建筑物三维模型重构

提出了一种利用高分辨率SAR图像进行建筑物提取和三维重构的方法.首先,分析了高分辨率SAR图像建筑物产生的电磁散射的类型,给出了不同类型散射区域的后向散射计算方法,并在此基础上给出了一种利用建筑物三维CAD模型进行SAR建筑物特征区域图像仿真的方法;其次,给出了利用建筑物的二次散射结构确定建筑物底部轮廓位置和方向的方法,并提出了一种基于分布密度函数差异的仿真图像迭代匹配方法,进行建筑物高度的反演.仿真SAR图像后向散射系数用来划分建筑物不同的散射区域,通过计算特征区域之间的分布密度函数差异,以取得最大匹配度值的仿真图像对应的检验高度作为建筑物的反演高度;最后,选用了两幅不同屋顶类型的实际机载高分辨率SAR图像进行建筑物提取和三维重构实验,试验结果较为理想,验证了所提方法的可行性和有效性.

基于压缩传感的线阵SAR三维成像方法研究

线阵SAR是一种新型雷达三维成像技术。由于实际中线阵天线长度有限,基于匹配滤波的传统线阵SAR成像方法不仅需要大量的阵元数,而且在切航迹向的分辨率也较低。结合三维场景空间目标的稀疏特征,提出一种基于压缩传感理论的高分辨线阵SAR三维成像方法。相对于传统匹配滤波线阵SAR三维成像方法,本方法只利用少量的稀疏天线阵元回波对切航迹向的稀疏散射目标进行L1范数优化重构,大大抑制了切航迹向旁瓣影响并显著提高分辨率。最后,通过线阵SAR点目标仿真三维成像表明了本文算法的有效性。

基于最小能量准则的参数估计圆周SAR三维成像方法

针对圆周合成孔径雷达成像模式下应用参数化估计的三维成像算法效率低、精度差的问题,提出一种基于最小能量准则的参数估计圆周SAR三维成像算法。该算法首先对成像场景进行粗略网格划分,利用参数估计的方法得到目标的粗略位置,其次利用最小能量准则和精细化网格的方法得到目标精确三维位置和散射强度系数,最后通过CLEAN技术消除已估计点带来的影响,实现场景的三维成像。仿真实验结果表明:所提成像方法能有效对圆周观测下目标进行三维成像,同时与传统算法相比,解决了传统算法效率低、对目标估计不准确的问题,验证了所提算法的有效性。

地球同步轨道圆迹SAR研究

该文介绍了地球同步轨道圆迹合成孔径雷达(Geosynchronous Circular SAR,Geo-CSAR)的概念,通过设计同步轨道的轨道参数,可以形成近圆的卫星相对地球轨迹,使SAR载荷的凝视成像模式成为可能,实现对地的大面积定点连续观测以及真3维信息获取;研究分析了Geo-CSAR的成像能力,指出其在瞬时覆盖度、连续观测范围及3维精确定位方面,具有现有低轨星载SAR无法比拟的优势,是实现全球不间断覆盖的有效途径之一,在军事侦察、灾害监测方面具有重要的应用前景。

基于星载毫米波顺轨-交轨InISAR的空间运动目标三维成像技术研究

研究了低信噪比情况下的星载毫米波顺轨/交轨In-ISAR空间目标三维成像问题。由于传统的RD成像算法在目标尺寸较大和分辨率要求较高时不能取得较好的成像效果,故将波数域成像算法引入运动目标成像处理以获得高分辨率的二维图像,继而将顺轨/交轨三天线ISAR图像分别进行干涉处理,获得了目标上各散射点的三维位置。作为二维成像、图像配准等重要环节的基础参数,对低信噪比下的目标检测和三维运动参数估计进行了研究,分析了速度估计精度要求。最后,仿真结果表明了顺轨/交轨In-ISAR系统的有效性。

基于模拟退火法的优化线阵的前视三维SAR模型

提出了一种基于模拟退火法的优化线阵的前视三维合成孔径雷达(SAR)模型。针对实线阵需要的阵元个数多、数据计算量大等问题,利用模拟退火法优化3D-SAR的天线阵列得到一个位置优化的非均匀稀疏线阵。分析比较非均匀稀疏线阵和几种不同结构的线阵:非均匀稀疏线阵能以较少的阵元数目达到与其他几种阵列相似甚至更好的波束分辨率,并有效地避免了均匀稀疏阵列的栅瓣问题。分析了前视三维SAR的信号模型。将位置优化的非均匀稀疏线阵应用于前视三维SAR成像并结合BP成像算法。通过仿真实验验证了该模型的正确性和有效性。

近场扫描架三维SAR成像处理技术

对近场扫描架三维SAR成像原理及处理技术进行了详细研究,该技术能够修正近场成像测量中天线方向图及距离因子等引入的误差,在近场测试区域内获取目标散射中心真实的三维散射强度分布图,仿真和实测成像数据均验证了该方法的正确性和可行性。

基于稀疏和低秩结构的层析SAR成像方法

该文提出了一种基于稀疏和低秩结构的层析SAR三维成像方法。传统基于压缩感知的层析SAR成像方法仅仅对给定方位-距离单元的高程向进行稀疏表征和重建。考虑城市和森林等区域中各自的布局分布较为类似,目标在相邻方位-距离单元的高程向分布具有较强相关性。该方法通过引入Karhunen Loeve变换来表征相邻方位-距离单元的高程向的低秩结构特性,构建稀疏和低秩结构相结合的目标区域层析SAR成像模型,采用ADMM算法对层析SAR成像模型进行求解,将复杂的原优化问题分解为若干相对简单的子问题,通过优化变量交替投影的方式进行算法求解,得到层析SAR成像结果。该方法提高了低航过数或低通道数情况下的重建精度,拥有更好的成像性能。仿真和实测数据实验表明,该重建方法能够有效分离散射体并保证重建能量的精度,且在降低航过数或通道数的情况下保持良好的成像效果,有效抑制伪影现象。

基于改进三维后向投影的多圈圆迹SAR相干三维成像方法

圆迹SAR(CSAR)因其特殊曲线运动轨迹而具备3维成像能力。单圈CSAR理论上可以获得距离方位平面亚波长级的分辨率,但是高程向分辨率却很低。同时,利用后向投影(BP)算法进行CSAR 3维成像的算法复杂度高,成像效率低。该文提出一种基于改进3维后向投影的多圈CSAR相干3维成像方法,针对现有成像算法时间复杂度高的问题,提出一种构造几何插值核的CSAR改进3维后向投影算法,可将3维插值操作转化为1维插值操作和距离向量搜索操作,通过多圈CSAR改进3维后向投影成像结果相干积累的方式得到最终3维图像。该文所提方法可有效解决单圈CSAR 3维成像高程向分辨率低的问题,改善3维成像细节,同时能够大幅降低CSAR 3维成像时间。仿真圆锥目标和美国空军实验室GOTCHA数据3维成像结果验证了该文所提方法的有效性。

高分三号SAR影像广域范围联合几何检校技术

在获取广域范围雷达遥感正射影像图时,需要对区域内每景SAR影像进行几何参数修正,提高SAR影像的定位精度。但在广域范围进行控制点的选取和影像的逐一修正,其工作量巨大,严重影响了SAR影像分析应用的效率。对此,本文提出了一种广域范围联合几何检校方法。该方法在R-D模型的基础上,首先利用少许SAR影像计算其独立的系统级检校参数,其次去除系统级检校参数中大气延迟分量的影响,然后依据最小二乘平差原理获取最优的系统级检校参数,最后利用最优的系统级检校参数对所有SAR影像进行几何检校处理。论文采用覆盖中国中东部地区的32景GF-3SAR影像进行联合几何检校试验,检校后的SAR影像定位中误差优于9 m。试验结果表明:该方法能够提高GF-3 SAR影像几何检校的精度,验证了其有效性和可行性。

一种低秩张量约束的下视稀疏线阵SAR三维成像算法

为了解决3维稀疏数据处理中向量化或矩阵化带来的原始空间结构破坏与计算复杂度高的问题,该文针对下视稀疏线阵3维SAR成像几何模型和回波信号特点,构建了张量空间信号模型,提出了一种基于低秩张量补全的3维SAR稀疏成像算法。该算法首先利用回波张量的低秩性,通过张量补全重构稀疏回波中的丢失元素,再对补全后的全采样信号张量进行3维成像,从而获得高效率、低旁瓣、高分辨率3维图像。基于X波段下视稀疏线阵3维SAR点目标回波进行了3维成像仿真实验,比较了在不同信噪比和采样率条件下的成像性能,并基于实测数据进一步验证了该算法的有效性和优势。

目标三维转动对弹载毫米波SAR成像分析

在弹载毫米波SAR对地面运动目标的成像过程中 ,目标往往存在三维转动 ,即偏航 (yaw)、俯仰 (pitch)和横滚 (roll) ,使得目标回波的多普勒频移是时变的 ,全过程的多普勒频谱不能真实反映散射中心的横向分布。本文在建立了目标角运动模型的基础上 ,详细分析了回波信号的多普勒频移 。

一种新型圆迹阵列三维SAR系统的点扩散函数分析与地面实验结果

阵列合成孔径雷达(ASAR)具备3维成像能力,是3维SAR成像领域的研究热点之一。该文针对线阵SAR在高分辨率成像方面和圆周SAR在旁瓣抑制方面的问题,提出一种新型圆迹阵列合成孔径雷达(CASAR)系统用于3维高分辨率雷达成像。首先推导基于CASAR系统的点扩散函数模型,从理论上分析圆迹阵列这一新型构型在3维成像中的优势。在此基础上构建原型CASAR实验系统,通过点扩散函数仿真实验和室外实测3维CASAR成像实验验证了3维CASAR成像的有效性,与线阵SAR和圆周SAR实验结果相比,证明CASAR系统可获得3维高分辨率SAR图像以及有效的旁瓣抑制能力。

曲线合成孔径雷达三维成像研究进展与展望

曲线合成孔径雷达(CLSAR)是当今雷达遥感研究的新领域,近年来针对CLSAR的研究多集中于3维点目标特征提取和曲线孔径设计。该文对已有的CLSAR 3维点目标特征提取算法和孔径设计方法进行了分类,在介绍基本原理的基础上,比较了各种方法的优缺点,阐述了其中的关键问题。最后对CLSAR目标3维成像与特征提取、曲线孔径设计的发展前景进行了展望。