基于结构稀疏的宽角合成孔径雷达成像研究

This project is to develop the wide angle synthetic aperture radar(WASAR）imaging method based on structured sparsity. Firstly, targets scattering characteristic in WASAR imaging geometry varies with the aspect angle, so the WASAR imaging model based on structured sparsity will be built to provide theoretical support for reconstructing the anisotropic targets scattering characteristic. Secondly, to release the problem of the long data acquisition period and large data amount in WASAR large aspect angle imaging geometry, WASAR sampling technique based on correlation principle will be studied to optimize the observation matrix and then ensure the image quality. The third, to solve the underdetermined problem of the observation matrix in echo signal caused by anisotropic targets scattering characteristic, WASAR imaging method based on message passing algorithm and structured sparsity will be elaborated to achieve high quality reconstruction results. Finally, numerical simulation experiments, validation experiments under controlled environment and airborne real data experiments will be carried out to test and complete the WASAR imaging theories and methods based on structured sparsity. This project will give full play to WASAR's potentials and provide theoretical and technical foundation for WASAR data acquisition and information extraction, enhancing WASAR’s application capability.

本项目开展基于结构稀疏的宽角合成孔径雷达(SAR)成像方法研究：针对宽角SAR成像中目标散射特性随观测角度变化的问题，建立基于结构稀疏的宽角SAR成像模型，为重构各向异性目标的散射特性提供理论基础；针对宽角SAR大角度观测几何条件下数据获取周期长、数据量大的问题，研究基于相关性准则的宽角SAR采样设计方法，优化观测矩阵，保证基于结构稀疏的宽角SAR成像质量；针对回波数据中的各向异性目标随观测角度变化的散射特性信息所带来的观测矩阵具有明显欠定性的问题，研究基于信息传递原理的宽角SAR成像方法，推导基于结构稀疏的宽角SAR成像重构算法，获得高质量的目标重构结果；完成仿真实验、可控环境下的原理性实验验证及实际机载数据验证，以期完善基于结构稀疏的宽角SAR成像理论和处理方法，充分发挥宽角SAR的成像潜力，为宽角SAR的数据获取和信息提取奠定理论和技术基础。

宽角SAR（Wide-Angle SAR）雷达系统可以精确地反映各向异性目标的散射特性，但是，宽角SAR的数据获取具有周期长、数据量大等特点，另外，宽角SAR成像场景中大部分目标的方位向散射角较小且具有一定的方向性，即目标的散射特性存在随观测角度变化的特征，叠掩、闪烁现象以及目标几何特性非理想等因素会造成目标的雷达后向散射信息在较宽的观测角度范围内常常存在较大的变化。.针对宽角SAR成像中各向异性目标重构的难点和关键问题，本项目从以下几个方面进行研究：1. 基于结构稀疏的宽角SAR成像模型建立；2. 基于相关性准则的宽角SAR采样设计与优化方法研究；3. 基于结构稀疏的宽角SAR信息传递重构方法研究；4. 可控实验原理性验证及机载数据验证。.本项目研究了目标散射特性的矩阵表示方法、结构稀疏惩罚项的范数表示方法，构建了结构稀疏宽角SAR重构模型，分析了目标散射系数最小持续角度对观测矩阵构建的影响；研究了实用的宽角SAR方位向采样方法、宽角SAR观测矩阵重构性能评价准则，利用宽角SAR观测矩阵相关系数的均值和分布信息，设计了宽角SAR 观测矩阵重构性能评价准则，提出了基于相关性准则的宽角SAR方位采样优化算法；利用信息传递原理，推导了基于结构稀疏的宽角SAR成像算法，利用拟成像算子，推导了基于结构稀疏的宽角SAR成像的高效实现方法。.本项目分别利用项目执行期间设计获取的金属坦克模型暗室转台实验数据以及机载P波段和C波段数据对所提出的理论和方法进行了有效性验证，能够得到更清晰的目标轮廓和更高质量的宽角SAR图像。本项目的研究将为宽角SAR在目标识别、高精度测绘等应用领域提供可靠理论基础和技术支撑。