基于压缩基线测量与稀疏重构反演的综合孔径辐射计成像方法

相比于可见光和红外，微波辐射信号具有更好的云、雨、雾和烟尘穿透能力，能够全天时、准全天候工作的微波辐射测量是重要的星载微波遥感手段之一。实孔径辐射计的天线孔径有限，分辨率难以满足高精度星载遥感的要求。综合孔径辐射计采用稀疏天线阵列替代大孔径天线，可有效改善系统分辨率，但复杂的信号处理过程使其面临着高系统复杂度和海量数据处理的瓶颈。本项目基于压缩传感的数据压缩采集思想，提出基于压缩基线测量与稀疏重构反演的综合孔径辐射计成像方法，以随机抽取的少量基线的可见度函数测量值，结合场景亮温分布可稀疏表示的先验条件，通过重构计算反演得到亮温分布图像，能够大幅压缩相关器等系统组件，从而有效降低系统复杂度与数据处理量。本项目拟重点研究解决复杂场景亮温分布的高性能稀疏表示、基线的测量权重分布与压缩抽取模型、具有快速收敛性的稀疏重构反演方法等问题，为推动综合孔径辐射计干涉测量成像技术的星载遥感应用提供理论支撑。

综合孔径辐射计采用干涉测量方式成像，属于较为新颖的遥感成像手段，利用散布的稀疏天线阵列替代了传统的大孔径天线，无需机械扫描即可瞬间成像，但其系统面临着高系统复杂度和海量处理数据的瓶颈，本项目所提出的基于压缩基线测量与稀疏重构反演结合的成像方法，借助于压缩传感的数据压缩采集优势，以少量干涉基线的可见度函数测量值，通过重构计算反演得到原始亮温图像，有效降低了系统复杂度，缓解了数据处理压力。首先，研究了微波辐射场景亮温分布图像的稀疏变换方法，面对多样性场景亮温分布的实际特性，提出了利用狄拉克函数、拉普拉斯函数及离散余弦函数作为稀疏变换的基底，形成了一个性能较高的冗余字典用于稀疏表示；然后，在测量矩阵设计方面，研究了不同基线测量得到的可见度函数对于最终反演图像的影响程度，建立了基线的测量权重模型，提出了将基线从小到大排列分段，并在每段内以不同频率随机抽取的基线压缩抽取模型，从而得到了基本满足压缩传感的测量矩阵；最后，采用迭代算法进行微波辐射场景图像反演，提出了利用可见度函数测量值噪声作为迭代阈值门限，采用长积分时间的方式来降低样本数的影响，采用所有基线可见度函数测量值噪声统计平均的方式来消除AD等器件不一致的影响，此阈值具有良好的自适应能力，可以获得较好质量的稳定反演结果。本项目的研究结果表明，在保证最终反演的微波辐射亮温图像质量基本不下降的前提下，干涉测量所需的基线数量呈现出明显的下降，因此综合孔径辐射计系统中的天线、接收通道与相关器等组件的数量也随之下降，系统复杂度与数据处理量的瓶颈在得到了有效缓解。本项目的研究成果可推动综合孔径辐射计成像发展，为其早日实现高分辨的星载遥感应用提供了理论基础。