基于双稀疏特性的星机双基地线阵SAR高精度三维成像理论及方法研究

Space-borne/air-borne bistatic linear array synthetic aperture radar (SA-BiLASAR) is a novel bistatic SAR technique, in which the transmitters and the receivers (T/R) are placed on remote sensing satellites and airborne linear array antennas (LAA), respectively. With the capability of multi-view 3-D imaging (e.g. downward-looking and forwarding-looking, etc.), SA-BiLASAR is of great importance in the applications of battlefield surveillance, disaster assistance, aircraft autonomous navigation and landing, etc. However, due to the bistatic T/R separation and the size restrict of LAA, the traditional methods used in SA-BiLASAR will suffer from several problems, e.g., low resolution and large number of elements required, etc. Exploiting the system and target features by the sparse signal theory, in this project we research on the new theory and methods for SA-BiLASAR high-resolution 3-D imaging based on double-sparsity. Focusing on the fundamental problems of SA-BiLASAR, such as signal model construction, sparse imaging, motion error compensation, etc, combined with the regularization and compressed sensing theory, we will set up the sparse sparse imaging schemes for SA-BiLASAR, the restrictive relationships of the system and target sparsity are discussed. Further, high-efficacy and high-resolution 3-D sparse imaging algorithms and motion compensation methods are developed in the case of double-sparsity. The research of this project is of great significance, since it can improve the fundamental research levels and the innovation abilities of our country in bistatic SAR imaging.

星机双基地线阵合成孔径雷达(SA-BiLASAR)是一种采用遥感卫星作为发射机、飞机挂载线阵天线作为接收系统，具备下视、前视等多视角三维成像能力的一种新体制双基地SAR，在战场监测、灾害救援、飞行器自主导航与着陆等领域具有重要的应用价值。然而，由于收发分置及线阵天线制约，传统成像方法在SA-BiLASAR面临分辨率低、天线阵元数多等问题。本课题拟结合SA-BiLASAR系统特性、目标特性和稀疏信号处理理论，开展基于双稀疏性的SA-BiLASAR高精度三维成像理论与方法研究，围绕其成像建模、成像处理、运动误差补偿等关键问题，引入正则化、压缩感知等方法，建立SA-BiLASAR稀疏成像理论框架，分析系统稀疏性和目标稀疏性的制约关系，构建高效率高精度稀疏三维成像算法和双稀疏特性下运动误差补偿方法。本项目研究可提高我国在双基SAR成像方面的基础研究水平和自主创新能力，具有重要的科学意义。

星机双基地线阵合成孔径雷达（SA-BiLASAR）是实现双基SAR三维成像的一种新的雷达体制，对复杂场景及特殊目标的三维成像具有重要的意义。然而作为一种新的雷达体制及特殊观测构型，SA-BiLASAR成像较传统SAR具有很大的挑战及困难，本项目主要围绕其双稀疏性成像模型、高效高精度成像方法、运动误差补偿算法开展研究：1）研究了SA-BiLASAR系统运动与回波信号特性，建立双稀疏特性下SA-BiLASAR稀疏三维成像模型。2）结合三维成像空间稀疏特性，利用正交匹配追踪等压缩感知算法实现了其高精度三维稀疏成像；针对目标稀疏度未知的问题，基于散射系数服从指数先验分布并结合贝叶斯估计理论，研究了基于迭代最小化稀疏贝叶斯重构的SA-BiLASAR高精度三维稀疏成像方法。3）针对其稀疏三维成像运算效率较低的问题，采用回波信号数据解耦降维、目标位置预测、多分辨逼近等进行优化，提出了四种适用于SA-BiLASAR的高效高精度稀疏三维成像方法：回波信号数据解耦降维算法、基于自适应阈值的三维SAR成像算法、基于稀疏目标位置预测的快速稀疏重构算法、基于多分辨率逼近技术的快速稀疏重构算法。4）针对传统运动补偿方法在SA-BiLASAR精度低等问题，结合其回波特性、稀疏成像模型和运动误差特性，建立了SA-BiLASAR天线相位中心运动误差估计模型，并采用凸优化、稀疏学习等算法提出了三种SA-BiLASAR高精度运动误差估计和补偿方法：基于图像最大锐度的稀疏最优化运动误差估计算法；基于联合函数最优的运动误差估计算法；基于半正定规划的压缩感知自聚焦成像算法。本项目研究工作已申请国家发明专利7项，其中授权发明专利2项；发表国际A类会议论文10篇，SCI期刊文章3篇；培养博士及硕士研究生7名；研究成果获得高分辨率对地观测学术年会青年创新基金论文奖2项。本项目研究工作为推动SA-BiLASAR成像系统的研制和应用奠定理论和技术基础。