微波视觉三维SAR实验系统及其全极化数据处理方法

三维合成孔径雷达在测绘制图、防灾减灾等诸多领域有应用潜力,已经成为SAR的重要研究方向。为减少三维SAR的观测次数或天线阵元数量,推动三维SAR的应用和发展,中国科学院空天信息创新研究院牵头研制了微波视觉三维SAR实验系统,旨在为微波视觉SAR三维成像提供实验平台和数据。该文针对微波视觉三维SAR实验系统及其全极化数据处理方法进行介绍,涵盖了极化校正、极化相干增强、极化约束三维成像、三维融合可视化等全流程的关键步骤。基于发布的SAR微波视觉三维成像全极化数据集,给出了三维成像结果示例,验证了微波视觉三维SAR实验系统的全极化性能以及处理方法的有效性。该文发布的数据集将为SAR三维成像研究提供良好的数据条件。

微波光子SAR最优子带融合的全分辨伪彩图生成方法

微波光子(MWP)雷达是一种通过光子器件对传统微波雷达硬件架构进行改进的新型雷达系统。借助光子器件卓越的物理特性,MWP雷达能够发射超宽带、高线性度的高质量线性调频信号,从而实现对目标的超高分辨率探测与成像。在目标成像与探测过程中,不同结构和特性的目标区域对不同频率信号的响应存在差异。因此,微波光子雷达具备通过散射差异生成伪彩图像的潜力,从而进一步提升微波光子合成孔径雷达(MWP-SAR)的信息获取能力。传统的遥感技术生成的伪彩图像分辨率较低,无法达到厘米级的分辨。因此,该文提出了一种在保证MWP-SAR高分辨率的前提下合成伪彩图像的方法。该算法首先建立了最优子带回波搜索模型,随后采用最优子带搜索算法对超宽带回波进行处理,以获取散射特性相差最大的子带回波通道。再对多子带差异图像进行色彩合成,通过这一处理步骤,能够生成对目标散射特性最佳描述的伪彩图像。同时,为了确保MWP-SAR的分辨率不受到损失,建立了一个融合模型,将全分辨率的SAR图像与多子带图像相融合,以维持伪彩图像的高分辨率。最终,通过实测的机载MWP-SAR数据成功地合成了全分辨率的伪彩色图像,从而验证了该算法的有效性。该算法可以使得MWP-SAR在成像时获取更多的目标信息,为成像雷达微波视觉的实现提供辅助。

基于多径模型的建筑区SAR三维成像中非视距目标重定位方法

随着合成孔径雷达(SAR)系统小型化技术、SAR三维成像技术的发展,当前已可利用无人机载小型化阵列干涉SAR实现城区三维成像,在城市测绘、复杂环境重建等领域具有重要应用前景。然而,SAR进行城市场景三维成像时,回波中存在多径信号,会导致成像结果解译困难,却也给非视距区域隐蔽目标的发现提供了重要手段。为此,该文针对低空无人机载阵列干涉SAR建筑区三维成像中的非视距目标进行了研究,建立了非视距目标在低空阵列干涉三维成像下的多径模型,给出了城市峡谷区域利用多径扩大可视范围的计算方法,并基于建筑平面拟合提出了非视距目标重定位方法。无人机载阵列干涉SAR的仿真和实际数据处理验证表明,所提出的方法可以对城市峡谷非视距目标进行有效的三维成像和重定位,重定位误差小于0.5 m,实现了对非视距区域信息的获取。

稀疏微波成像研究进展(科普类)

稀疏微波成像是将稀疏信号处理理论系统性地引入微波成像并有机结合形成的微波成像新理论、新体制和新方法。该文阐述了稀疏微波成像中稀疏表征与变换域映射、稀疏观测约束、以及非模糊重建等关键科学问题;在此基础上介绍了稀疏微波成像的主要研究进展以及原理样机的机载飞行实验,实验结果表明了稀疏微波成像原理和方法的可行性和有效性;另外,该文还讨论了稀疏微波成像在3维雷达成像、逆合成孔径雷达、探地雷达等领域的应用。

基于RIPless理论的稀疏微波成像波形分析方法

稀疏微波成像回波数据可以建模为Toeplitz矩阵与地面场景的乘积,Toeplitz矩阵中的行向量为发射信号的时延。由于难于验证Toeplitz矩阵是否符合经典的稀疏信号处理中RIP等重建条件,因而分析稀疏微波成像采样数与发射波形的关系十分困难。近年提出的RIPless理论表明如果矩阵的行向量是对一个概率分布的随机抽取,并且该概率分布满足一定的条件,那么可以从少量的采样数据中恢复稀疏信号。Toeplitz矩阵适用于RIPless理论。该文首先介绍稀疏微波成像中观测矩阵的构造,然后利用稀疏信号处理中的RIPless理论分析波形中信号脉宽、带宽和信号形式与稀疏微波成像采样数的关系,进而比较不同波形对稀疏微波成像中的性能,最后通过仿真验证了该方法的有效性。

结合MD自聚焦算法与回波模拟算子的快速稀疏微波成像误差补偿算法

稀疏微波成像是将稀疏信号处理理论引入微波成像中,利用系统的稀疏约束突破传统合成孔径雷达(SAR)成像中系统复杂度的瓶颈,是微波成像的新理论、新体制和新方法。在传统的机载SAR成像中都会面临非理想运动带来的回波相位误差问题,可通过基于回波数据的自聚焦算法加以解决:但在机载稀疏微波成像中,因稀疏微波成像采用稀疏重建算法取代了传统SAR中基于匹配滤波的信号处理方法,传统的基于回波数据的自聚焦算法难以直接应用。现有基于稀疏重建的自聚焦算法主要基于两步迭代方法,收敛速度慢、运算量大。该文以基于回波模拟算子的快速稀疏微波成像算法为基础,将子孔径相关(MD)自聚焦算法引入,与之结合构建了新的"MD-回波模拟算子自聚焦算法"。该方法继承了基于回波模拟算子算法快速重建的优势,并利用MD自聚焦算法实现了回波2次相位误差的正确补偿,与现有基于两步迭代的稀疏微波成像自聚焦算法相比,收敛速度快,并可以实现较好的自聚焦效果。

基于压缩感知的稀疏阵列近景微波三维成像

近景微波成像技术在隐藏武器检测、生物医学成像、无损检测等领域具有广阔的应用前景。将压缩感知理论应用于近景微波成像系统,提出了基于稀疏阵列天线的三维成像几何及相应的回波模型,该几何通过高度向的稀疏阵列电子扫描、方位向的机械扫描及距离向发射宽带信号来实现三维分辨;文中将压缩感知理论应用于稀疏阵列三维成像,提出了基于压缩感知的稀疏阵列层析成像算法;最后,通过理论分析和数值仿真验证了文中提出的成像几何和成像算法的有效性。

相变图在稀疏微波成像变化检测降采样分析中的应用

相变图是稀疏微波成像雷达性能评估的一种重要方式,它可以准确刻画出雷达成像性能随稀疏度、采样比和信噪比3个参数的变化趋势,给出不同参数组合下场景准确重建的概率值。稀疏微波成像变化检测中,由于场景的变化相对于整个观测区域是稀疏的,利用分布式压缩感知方法可以在采样比组合满足一定条件下准确提取场景变化量。该文在场景稀疏度和信噪比不变的情况下,研究前后观测数据的采样比对变化检测结果的影响,绘制稀疏微波成像变化检测相变图,并利用相变图分析变化检测结果随前后两次观测的采样比参数的变化趋势,确定可以实现准确重建的采样比参数组合范围。最后通过仿真和实验验证相变图用于分析稀疏微波成像变化检测结果的可行性和有效性,为实际稀疏微波成像系统降低数据采集量和系统设计复杂度提供依据。

基于毫米波InISAR成像的运动目标探测与定位

介绍了基于运动补偿的运动目标ISAR成像方法,将雷达成像的概念引入到低信噪比运动目标探测的过程中,在成像的同时获取目标的径向和横向运动速度,采用多基线图像干涉处理的方法完成运动目标的定位和横向尺寸估计.建立了运动目标成像几何模型,给出了多天线时分复用接收机的通道间信号补偿方法,以及多基线相位解缠实现不模糊干涉测角定位的方法,分析了信噪比对图像干涉定位精度的影响.利用仿真数据和实际数据验证了本方法的有效性.

电离层时空变化对中高轨SAR成像质量的影响分析

中高轨道合成孔径雷达(SAR)是下一代星载SAR重要的发展方向之一,电离层影响分析是推动中高轨道SAR系统发展的关键技术。该文针对中高轨道SAR的系统特点,结合电离层时空变化特征,建立了背景电离层对中高轨道SAR系统的影响分析模型,重点分析了背景电离层及其时空变化对中高轨SAR系统图像质量的影响,主要包括距离向和方位向图像分辨率的下降以及图像位移。分析结果表明,电离层及其时空变化对中高轨SAR图像质量产生较为严重的影响,相同电离层条件下,对于分辨率相同的SAR系统,随着轨道高度的增加,电离层引入的误差对距离向分辨率和图像畸变以及方位向分辨率和图像位移产生的影响程度将增大。

基于修正均匀冗余阵列正反编码的稀疏阵列SAR下视三维成像处理

该文研究基于频分正交信号的机载交轨稀疏阵列SAR下视3维成像问题。为解决孔径综合方法带来的重复频率高、数据冗余量大和运动补偿等问题,提出一种基于修正均匀冗余阵列(Modified Uniformly Redundant Arrays,MURA)编码和干涉处理频域稀疏的3维成像方法,直接在距离频域稀疏采样条件下对目标场景进行下视3维成像。引入MURA编码对回波数据在阵列采样平面进行正反编码调制,分别获得两幅3维复图像,并通过干涉处理使信号3维频谱集中在低频段,利用频域低通滤波或压缩感知(Compressed Sensing,CS)实现目标场景3维成像。该方法具有回波数据利用率高和工作重复频率低的特点。仿真分析和试验数据验证了方法的有效性。

基于压缩多信号分类算法的森林区域极化SAR层析成像

该文研究了一种基于压缩多信号分类算法的森林区域极化SAR层析成像方法。其具体步骤包括:全极化的SAR接收成像区域的反射回波,利用各极化通道的信号建立多观测向量模型;应用小波基对高程向结构进行稀疏表示,采用压缩多信号分类算法对观测区域的高程向后向散射系数进行重建,实现对森林区域层析成像。最后,通过仿真实验、Pol SARpro仿真数据和德宇航E-SAR的P-波段数据验证了该方法在同等测量精度的要求下可以有效减少SAR层析成像所需的航过数,同时降低了虚假目标的出现概率。

连续场景的稀疏阵列SAR侧视三维成像研究

合成孔径雷达的回波数据和图像数据都是复数,由于各个分辨单元散射点的初始相位是随机的,致使连续变化地物场景的信号带宽较大,传统的单天线SAR很难实现空间稀疏降采样。该文采用交轨向多天线观测结构,分析了交轨向稀疏阵列SAR的成像模型,首次提出利用信号重构方法,去除散射点随机初相位,降低复信号带宽,以较大间隔的空间稀疏采样实现稀疏阵列SAR侧视3维成像。干涉SAR 2维成像实际数据处理结果验证了通过信号重构可以降低复信号带宽,稀疏阵列SAR侧视3维成像的仿真结果验证了该文方法的有效性。

层析合成孔径雷达成像航迹分布优化方法

层析合成孔径雷达成像(tomography synthetic aperture radar,TomoSAR)将合成孔径原理用于高程向,通过不同入射角的多幅二维合成孔径雷达图像对高程向反射功率进行重建,从而实现三维成像。TomoSAR中,航迹分布是影响高程向重建的重要因素。针对高程向分布稀疏的情形,压缩感知方法被用于TomoSAR。基于压缩感知的TomoSAR中高程向重建质量取决于观测矩阵的性质,而航迹分布与观测矩阵的重构性能紧密相关。利用一种基于相关系数的观测矩阵优化准则,对航迹分布进行参数优化,从而在航迹数目一定的情况下,实现高程向的优化重建。仿真和实验结果验证了该方法的有效性。

基于快速阈值迭代的SAR层析成像处理方法

合成孔径雷达层析成像(synthetic aperture radar tomography,TomoSAR)是将合成孔径原理应用到高程向进行三维成像,相比于传统的二维成像,增加了高程向的信息。传统谱估计方法可用于SAR层析成像,但其高程向分辨率较低。对于高程向分布稀疏的场景,压缩感知(compressive sensing,CS)方法可以用于高程向重建,且具有超分辨能力。阈值迭代算法(iterative shrinkage-thresholding,IST)可用于SAR层析成像,但其收敛速度比较慢。介绍了一种快速阈值迭代算法(fast iterative shrinkage-thresholding,FIST)用于SAR层析成像,该方法不仅保持了IST算法计算的准确性,而且具有较快的收敛速度。本文通过仿真实验说明FIST算法在多散射体分辨、单散射体位置估计等方面的特性,并利用TerraSAR-X北京地区实际数据进行SAR层析成像,分析成像效果。研究结果表明FIST算法在多散射体分辨、单散射体位置估计方面优势明显,其应用于SAR层析成像具有较好的成像效果。

激光雷达信号相位误差对合成孔径成像的影响和校正

针对合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar,SAL),分析了信号相位误差对合成孔径成像的影响。建立了激光信号模型,分析了激光信号相干性对SAL方位分辨率的影响,给出通过本振信号延时处理保证相干性的解决方案。分析了LFM信号非线性失真对距离分辨率的影响,为同时解决激光LFM信号调制放大过程引入的脉冲间随机初相位问题,提出一种基于参考通道的LFM信号非线性失真和脉冲间随机初相位定标校正方法。给出了实验和仿真数据处理结果。

振动条件下机载合成孔径激光雷达成像处理

该文研究了单探测器和顺轨双探测器机载合成孔径激光雷达在振动条件下的成像处理问题。根据平台振动在短时间内对成像影响小的特点,基于单探测器激光雷达研究了子孔径成像与相位梯度自聚焦相结合的成像处理方法。为获得方位向长条带图像,分别使用了条带相位梯度自聚焦方法和基于多普勒中心频率估计的子孔径图像拼接方法,并分析比较了二者的性能。针对单探测器激光雷达的不足,提出了基于顺轨双探测器干涉处理的振动相位误差估计与补偿方法。仿真分析结果验证了该文方法的有效性。

平台运动测量误差对阵列天线合成孔径雷达三维成像影响分析

阵列天线合成孔径雷达(SAR)可实现3维成像。为了提高成像质量,使用测量设备获取平台的运动信息以进行运动补偿,而测量误差会影响补偿及成像质量,需对其进行分析。该文首先建立了阵列天线SAR 3维成像模型和测量误差分析模型,接着分别从位置和姿态角两个方面分析了测量误差对相位误差的影响,并比较不同方向误差影响的大小,然后通过仿真分析了误差对成像指标的影响,并引入姿态误差基线比来量化姿态角误差的影响。最后得出高程向和横滚角测量误差影响最大的结论,给出了限定要求下测量误差的容忍值。该文的结论为测量设备的选取和设计以及成像和补偿方法的选择和分析提供了理论指导和参考。

正交长基线毫米波InISAR运动目标三维成像

提出了一种基于差频测角定位、等效去平地相位和模糊数估计相结合的相位解缠方法.根据波束指向信息在差频下干涉测角,对目标进行粗定位;然后借鉴干涉合成孔径雷达(InSAR)中的去平地相位技术,实现等效去平地相位,缓解相位解缠压力;最后对模糊数进行统计估计,完成相位解缠.实际数据处理结果表明,该方法不仅解决了目标尺寸较大引起的相对相位缠绕问题,而且可以获得目标的绝对相位,实现了对运动目标的三维定位与三维成像.

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。