基于时空两维随机辐射场的微波凝视关联超分辨成像理论

The spatial resolution of traditional microwave staring imaging radar is limited by the antenna aperture .Therefore, we propose a novel microwave staring correlated imaging radar system based on the temporal-spatial stochastic radiation field, which can break through the limitation of the antenna aperture. In theory, firstly based on the combination of the basic theory of the electromagnetic field and the methods of modern statistics, we will analyze the stochastic properties of the temporal-spatial stochastic radiation field and reveal its general statistical rules. Then we will establish the mathematical model to quantify and characterize the temporal-spatial radiation field in global. Further, we will study the direct mapping relationship between the super-resolution in the beam and the global characterization of the temporal-spatial radiation field, and the formula of limit resolution. In the method, when the formation mechanism of the temporal-spatial radiation field is in-depth studied and the constraints such as the configuration of antennas, the form and the bandwidth of the random signals, are comprehensive considered, the theoretical analysis model of the temporal-spatial radiation field and the design criteria of the random radiation sources will be established. Because of the influence of the random amplitude, frequency, phase of radiation field and the environmental noise ,we will study multi-dimension correlation processing methods and high performance, anti-noise image reconstruction algorithms. Through the establishment and improvement of the super-resolution theory of the microwave staring correlated imaging , it will provide a new way for our country to the remote sensing of the earth observation imaging.

针对传统微波凝视成像其空间角度分辨率受限于天线孔径的关键瓶颈问题，基于时、空两维随机辐射场，研究了一种超越天线孔径限制的微波凝视关联超分辨成像理论、体制和方法。在理论上，基于电磁场的基本理论和现代统计随机相结合的方法，分析微波辐射场时、空随机统计特性，揭示其一般统计随机规律，建立其全局量化、整体表征的数学模型，探索辐射场时空随机特性整体表征与波束内超分辨之间的直接映射关系和分辨率极限公式。在方法上，综合分析时、空随机辐射源天线构型、随机信号形式、带宽等因素，深入研究时、空随机辐射场的形成机理和约束条件，建立随机辐射场理论分析模型和辐射源的设计准则；针对辐射场幅度、频率、相位等多维度随机特性和环境噪声的影响，深入研究微波域多维度关联处理方法与高效、抗噪图像重构算法，建立相关数学模型。通过微波凝视关联超分辨成像理论的建立与完善，其独特的超分辨特性将为我国对地观测遥感成像提供一条崭新的途径。

传统微波凝视成像分辨率受限于天线孔径，在对地观测应用中，无法实现微波高分辨率凝视成像。本课题在微波凝视关联成像基础理论、时空两维随机辐射场形成机理与方法、微波域多维度关联处理方法与高效、抗噪目标重构算法等方面开展研究，建立与完善了一种全新微波凝视关联超分辨成像的理论、体制和方法，为我国高分辨对地观测成像提供了一条崭新思路。研究成果如下：.1.对时空随机辐射场多维度的表征形态和多维度随机性的表征方法进行了深入研究，从统计学、矩阵理论、最优分辨率等角度，分析了辐射场的随机统计特性，提出了其全局性表征方法，建立了全局性表征和超分辨率的直接映射关系，完善了微波凝视关联成像的理论框架。.2. 在时空两维随机辐射场的形成机理及影响因素约束性研究方面，提出了利用多径传播以提高米波雷达辐射场的时空随机特性，从而提高米波雷达分辨力的方法；提出了基于嵌套天线阵列的时空辐射场空间自由度提升方法；提出一种基于辅助阵元的微波关联成像雷达幅相误差校正方法，通过对幅相误差的补偿有效减小了时空辐射场计算误差；提出了基于旋转天线阵列的辐射场生成方法，提高了辐射场的时空随机特性。.3. 在随机辐射源的优化设计方面，从信息论角度，提出了基于分布熵的辐射源频率和阵列构型的优化设计；基于二维正交基函数，提出一种基于优化发射信号的正交辐射场构造方法；结合随机信号波形设计与双发射站布局，提出了一种基于双站雷达垂直辐射的微波凝视关联成像方法；上述研究分别进行了相应的数值仿真验证。..4.在微波关联处理方法与高效重构算法研究方面，提出了基于多重网格算法、Krylov子空间算法、张量压缩感知的降维重构算法等快速成像算法，有效降低了大场景关联成像运算复杂度；针对离散集群目标，提出基于窄脉冲随机信号的自适应微波凝视关联成像方法，减少了获取样本的凝视时间。提出了稳健的目标稀疏重构成像方法，与现有算法相比，在辐射场存在误差时，有效提升了目标成像性能。