压缩感知在合成孔径雷达中的应用

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1、20**雷达对抗原理期末报告题目：压缩感知在合成孔径雷达中的应用院（系）信息与电气工程专业电子信息工程学生*********班级********学号**********教师********报告日期20**-**-**1.课题来源1.1论文的研究背景合成孔径雷达(SAR,SyntheticApertureRadar)是二十世纪五十年代发展起来的一种高分辨率的成像雷达,是一种工作在微波波段的相干成像雷达,其原理是通过飞行载体运动来形成雷达的巨大虚拟天线,从而获得高分辨率的雷达图。[Error!References

2、ourcenotfound.,3]SAR具有高分辨率和全天候,全天时,大面积的成像探测能力,[2]它首先在军事应用上显示其优势,之后随着遥感技术的蓬勃发展,它又很快作为微波遥感的重要工具,广泛应用于国民经济的各个领域,是世界各国普遍重视的对地观测手段[4]。它的高分辨率体现在距离向和方位向上，距离向的高分辨率是通过发射大带宽信号或极窄脉冲来获得的，方位向的高分辨率是利用合成孔径技术来实现的。随着对雷达图像分辨率的要求不断提高，系统采样速度和数据处理速度面临着严峻的挑战[5]。传统的SAR成像方法由于受到奈奎斯

3、特采样定理的限制，给高分辨、大场景观测的A/D转换和数据存储传输系统带来沉重负担。近年来，Donoho、Candes和Tao等人提出了一种新的信息获取指导理论，即压缩感知(CS,CompressiveSensing)。该理论指出：当信号具有稀疏性或可压缩性时，通过求解一个最优化问题，就可以依靠远低于Nyquist采样率所采集到的信号测量值实现信号的准确或近似重构。1.2研究的目的和意义压缩感知理论是信息获取与信号处理领域近年发展起来的有重大应用前景的研究方向，有望解决高分辨率雷达系统中的超大数据量的采集、存储

4、与传输问题。传统的信号采集、编解码过程如1-1下。编码端先对信号进行采样，再对所有采样值进行变换，并将其中重要系数的幅度和位置进行编码，最后将编码值进行存储或传输。信号的解码过程仅仅是编码的逆过程，接收的信号经解压缩、反变换后得到恢复信号。这种传统的编解码方法存在两个缺陷：首先，在数据获取和处理方面，Nyquist采样使得硬件成本昂贵，获取的信息冗余度过大且有效信息提取的效率低，在某些情况甚至无法实现对信号的Nyquist采样；其次，在数据存储和传输方面，压缩编码过程中大量变换计算得到的小系数被丢弃，造成了数

5、据计算和内存资源的浪费。Donoho、Candes和Tao等人提出的压缩感知(CompressiveSensing，CS)理论是一个充分利用信号稀疏性或可压缩性的全新信号采集、编解码理论。该理论指出，当信号具有稀疏性或可压缩性时，通过求解一个非线性最优化问题，可以依靠以远低于Nyquist率的方式所采集到的信号测量值实现信号的准确或近似重构。其编解码框架和传统的框架大不一样，如1-2。在压缩感知理论中，对信号的采样、压缩编码发生在同一个步骤，即利用信号的稀疏性，以远低于Nyquist采样率的速率对信号进行非相

6、关测量。通过测量所得到的测量值并非信号本身，而是信号从高维数据空间到低维数据空间的投影值，从数学角度看，每个测量值是传统理论下的样本信号的组合函数，即一个测量值已经包含了所有样本信号的少量信息。[5]压缩感知理论的解码过程不是编码的简单逆过程，而是通过求解一个非线性最优化问题在概率意义上实现信号的精确重构或者一定误差下的近似重构，解码所需测量值的数目远小于传统理论下的样本数。[8]2.国内外在该方向的研究现状及分析合成孔径雷达的概念可以追溯到20世纪50年代初。[11，12]1951年，美国GoodyearA

7、erospace公司的CarlWiley首先提出：可以利用频率分析方法改善雷达的角分辨率。与此同时，伊利诺伊大学控制系实验室独立地利用非相参雷达进行实验，证实频率分析的方法确能改善雷达的角分辨率。以后又用相参雷达做实验，用X波段雷达产生相参基准信号，发射波束宽为4.13°，经过孔径综合后波束宽度变为0.4°。[12]采用非聚焦孔径综合方法，于1953年7月得到第一张SAR图像。当时的信号存储采用磁带，信号处理器为商用的频率分析器。这是合成孔径原理和合成孔径雷达发展的最初阶段。1953年夏，在美国密西根大学举办

8、的暑期讨论会上，许多学者提出了载机运动可以将雷达的真实天线合成为大孔径的线性天线阵列的概念[14]。用这种观点认识合成孔径原理，除了能解释雷达角分辨率的提高及正侧视工作方式能得到最佳角分辨外，还容易使人们认识到合成孔径方法有经相位校正后求和与不经相位校正求和之分，即聚焦和非聚焦信号处理之分。当时人们还认识到，信号的存储和处理是实现合成孔径原理的关键。许多科学家为此做出了努力。美国密西根大学雷达和光学