[发明专利]一种压缩感知合成孔径雷达数据获取与成像方法

说明书

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种压缩感知合成孔径雷达数据获取与成像方法。

背景技术

1951年，Wiley第一次发现侧视雷达通过利用回波信号中的多普勒频移可以改善方位分辨率，这个里程碑式的发现标志着现在称为合成孔径雷达(synthetic aperture radar，简称SAR)技术的诞生。在此后的数年间，展开了一系列研究工作，使传感器和信号处理两部分的性能都得以稳步提高。尽管大多数早期工作的目的是探测和跟踪运动目标之类的军事应用，但把这种设备用于作为科学应用中的成像传感器的潜力还是得到了广泛认同。

在成像雷达出现之前，绝大多数的高分辨率传感器具有检测器的照相系统，这些检测器能够感应到地球表面反射的太阳能或热辐射。SAR则代表对地观测的另一种完全不同的技术。雷达是一个有源系统，它发射一束电磁频谱中微波段的电磁波，使我们能够观察以前无法观察的地球表面特征。作为一种有源系统，SAR主动发射能量而不依赖太阳光照，确保了全天时观察。而且，云、雾和降水对微波影响都不大，保证了全天候成像。这样，SAR系统就具备了连续观察运动现象的能力，如洋流、海洋冰山运动和植物生长情况等。

传感器系统通过用一个一定物理尺寸孔径的天线来接收地面辐射。在常规(非SAR)系统中，角度分辨率由电磁波辐射波长和天线尺寸之比来决定。图像的空间分辨率等于角度分辨率与传感器至地球表面的距离之积。当传感器高度增加时，如果不加大孔径尺寸，则空间分辨率将下降。对于微波设备，由于一般情况下其波长比光波长100000倍，用常规尺寸得到高分辨率图像是不可能的。

为了不增加天线物理尺寸和提高分辨率，需要采用合成孔径技术。合成孔径雷达由于保持了后向散射回波的幅度和相位，所以是一个全相参的系统。在这个系统中，通过信号处理将非常长的天线孔径合成起来，以获得高分辨率。一般情况下是通过在地面计算机中进行数字化处理来实现的，其方法是补偿二次相位特性，而该特性与实际上使用的长合成阵列的近场成像相关联。最终效果是SAR系统能够得到与传感器高度无关的分辨率。这一特性使得SAR在空间观察中非常有价值。

现代雷达系统所追求的高分辨率、高成像幅宽，驱使人们去获取并处理越来越多的数据，该数据很容易就超过了雷达载体上的储存容量以及数据传输的下行带宽；基于奈奎斯特采样定理和经典数字信号处理理论的雷达系统设计规模越来越庞大，探测器成本也越来越昂贵。在处理庞大数据的过程中，人们发现所获取的数据和观测场景之间经常存在着很大的不平衡性：雷达获取庞大的数据，而最后由系统处理得到的结果却又只保留其中小部分有用的信息。

压缩感知(Compressive Sensing)理论为以上矛盾的解决提供了一种方法。它是近几年发展起来的建立在信号稀疏表示和逼近理论基础上的一个全新的研究领域。其充分利用目标信号的稀疏特性，可以工作在在欠奈奎斯特采样率上，并能较理想的恢复出与全奈奎斯特采样相近的结果，在不降低信号可读性的基础上尽可能的压缩数据量。将压缩感知理论应用到合成孔径雷达成像中，是近年来越来越热门的一个研究方向。

由于雷达接收到的回波信号是散焦的，需要在地面处理中通过补偿相位的方法将其聚焦成像。由于飞行器与目标场景的相对运动所产生的距离变化，会在回波中出现距离徙动现象，需要将该徙动进行矫正后才能准确的进行聚焦成像，不同的距离徙动矫正(RCMC)方法带来了不同的合成孔径雷达成像方法。

在数学推导中，如果雷达可以做到足够理想，一维距离向脉冲压缩后的信号应该是一个个冲击函数，也就是距离向回波信号应该为在此处进行距离压缩后的距离向强点与一维线性调频信号的卷积。但是，在实际应用中这种系统是无法实现的，只能用sinc来近似表示冲击。而使用压缩感知脉冲压缩方法却可以直接恢复出冲击形的信号，但同时也引起了新的问题，由于没有旁瓣，该方法恢复后的信号无法进行传统插值运算后进行距离徙动矫正。

发明内容