基于低秩汉克尔矩阵重构技术...断调频连续波SAR成像方法_闵林.pdf

基于低秩汉克尔矩阵重构技术的星载间断调频连续波SAR成像方法闵 林 刘向前 郝晓龙 郭拯危 李 宁*(河南大学计算机与信息工程学院 开封 475004)(河南大学河南省智能技术与应用工程技术研究中心 开封 475004)(河南大学河南省大数据分析与处理重点实验室 开封 475004)(北京跟踪与通信技术研究所 北京 100094)摘 要：间断调频连续波(IFMCW)合成孔径雷达(SAR)是一种新型的集轻量化、低成本和低功耗于一体的新型SAR系统。该系统采用单根天线发射和接收信号，颠覆了传统的调频连续波(FMCW)SAR系统设计理念。在该模式下，由于发射机工作时接收机关闭，导致合成孔径中出现周期性的间隔，采用传统成像算法进行成像，在聚焦SAR图像中将会出现周期性的虚假目标。为了有效地抑制虚假目标，该文基于子孔径回波数据，提出一种新的成像算法，即基于子孔径投影的低秩汉克尔矩阵重构技术(LHRTSP)。实验结果表明与现有方法相比，所提方法对虚假目标的抑制效果更佳，验证了所提方法的有效性。关键词：合成孔径雷达；间断调频连续波；虚假目标；低秩汉克尔矩阵中图分类号：TN957.52文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)04-1285-08DOI:10.11999/JEIT220239Spaceborne Interrupted Frequency Modulate ContinuousWave SAR Imaging Based on Low-Rank HankelMatrix Reconstruction TechniqueMIN Lin LIU Xiangqian HAO Xiaolong GUO Zhengwei LI Ning(College of Computer and Information Engineering,Henan University,Kaifeng 475004,China)(Henan Engineering Research Center of Intelligent Technology and Application,Henan University,Kaifeng 475004,China)(Henan Key Laboratory of Big Data Analysis and Processing,Henan University,Kaifeng 475004,China)(Beijing Institute of Tracking Telemetry and Telecommunication,Beijing 100094,China)Abstract:The Interrupted Frequency Modulated Continuous Wave(IFMCW)Synthetic Aperture Radar(SAR)is a novel type of SAR system,which has the advantages of light weight,low cost,and low power consumption.The system subverts the design concept of the traditional Frequency Modulated Continuous Wave(FMCW)SAR system,which use a single antenna to transmit and receive signals.In this system,the transmitter andreceiver operate at different time intervals,resulting in periodic gaps in the synthetic aperture.When thereceived echo data is imaged using traditional imaging algorithms,the artifacts will appear in the focused SARimage.In order to suppress effectively the appearance of artifacts,this paper proposes a new imaging algorithmfor subaperture echo data processing,which is called Low-rank Hankel matrix Reconstruction Technique basedon Subaperture Projection(LHRTSP).The experimental results show that the proposed method has bettersuppression effect on artifacts compared with the existing methods,which verifies the effectiveness andsuperiority of the proposed method.Key words:Synthetic Aperture Radar(SAR);Interrupted Frequency Modulated Continuous Wave(IFMCW);Artifacts;Low-Rank Hankel matrix 收稿日期：2022-03-29；改回日期：2022-05-28；网络出版：2022-06-14*通信作者：李宁基金项目：国家自然科学基金(61871175)，河南省自然科学基金(222300420115)Foundation Items:The National Natural Science Foundation of China(61871175),The Natural Science Foundation of Henan Province(222300420115)第45卷第4期电 子 与 信 息 学 报Vol.45No.42023年4月Journal of Electronics&Information TechnologyApr.2023 1 引言合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种2维成像的探测设备，将接收存储的信号作合成阵列处理得到高分辨率的地面场景图像。由于SAR具备全天时、全天候、穿透云雾能力等特点，其在太空探测、军事侦察、目标监测、环境监测、地形绘制等领域有着广泛的应用前景1,2。近年来，轻量化、低成本和低功耗成了SAR系统广泛研究的热点，微型SAR系统成了未来重要的发展趋势。调频连续波(Frequency Modulate Continu-ous Wave,FMCW)雷达系统具备轻量化、低成本和低功耗的特点。因此，将FMCW技术与高分辨率SAR技术相结合成为一种潜在的有效解决方案。20世纪初，欧洲宇航防务集团(EuropeanAerospace Defense and Space Corporation,EADS)研发了FMCWSAR系统3。在FMCWSAR系统中，发射机和接收机同时工作，发射信号的占空比为1，这意味着需要两个独立的天线分别用于发射和接收。较高的发射机功率将会干扰接收机，这便要求发射机和接收机之间需要有较高的隔离度。同时，SAR是一个相干系统，需要一个稳定、同步良好的同步机制在空间分离的发射机和接收机之间进行调制与解调4。一些研究人员采用噪声对消技术来提高天线的隔离性能，但其实施非常复杂，且效果有限5。2010年，英国萨里大学的Ahmed和Underwood结合脉冲SAR系统使用单航天器进行工作的优点和FM-CWSAR系统在低瞬时功率下工作并且系统设计简单的优点，提出星载间断调频连续波(InterruptedFMCW,IFMCW)SAR系统的设计方案4。该系统基于雷达发射和接收信号之间的长时间延迟，按照时延设置，采用单天线间歇性工作于发射与接收状态。自2011年以来，在微型卫星平台中搭载IFM-CWSAR系统成为研究热点。在IFMCWSAR系统中，雷达天线首先工作于发射状态，发射机打开，将FMCW信号传输到地面。当回波信号返回到雷达天线时，发射机停止发射，使用同一天线的接收机接收回波信号，直到接收到所有返回的信号。然后重复这个过程。因此，在IFMCWSAR系统下将产生一个有间断的合成孔径，接收到的回波数据中将出现周期性的数据间隔。根据SAR回波的时频线性映射关系，周期性的数据间隔将导致目标频谱的周期性缺失，采用传统成像算法进行成像时，在方位向会出现周期性的虚假目标，严重影响图像中目标的检测、识别等任务。就SAR回波数据缺失问题，已有一些学者提出了较为有效的解决方案，从而获得聚焦良好的SAR图像。然而，IFMCWSAR系统的数据缺失具有其特殊性，一是周期性数据缺失，二是数据缺失比接近50%，在这种情况下已有算法的性能会受到不同程度的影响。近年来，针对IFMCW SAR的数据缺失问题，已有学者提出了一些数据恢复方法。Ahmed和Underwood提出使用3次样条插值技术恢复缺失的IFMCWSAR回波数据，但精度较差4。Li等人6,7利用现代谱估计技术恢复数据间隔，并通过积累子孔径的方法提高恢复精度，一定程度上压制了SAR图像中的伪影。Liu等人使用压缩感知(Compressed Sensing,CS)方法来恢复缺失数据，称为子孔径稀疏重建技术。该方法采用广义正交匹配追踪(Generalized Orthogonal Matching Pursuit,GOMP)方法对缺失数据进行恢复，具有计算速度较快、精度较高等优点8。然而，场景的稀疏性是使用CS方法的先决条件。之后，Liu等人提出了基于Richardson-Lucy(RL)反褶积算法来恢复缺失数据，以达到抑制虚假目标的目的9。然而，在实测数据中，随着迭代次数的增加，噪声会被放大。在本次研究之前，本文团队已提出了一种基于积累孔径插值技术的缺失数据迭代自适应成像处理方法(Missing-data Iterative Adaptive Approach-Ac-cumulated Aperture Interpolation Technique,MI-AA-AAIT)，用于解决IFMCWSAR系统中存在周期性的数据间隔的问题，取得了较好的结果10。本文基于子孔径投影的低秩汉克尔矩阵重构技术(Low-rank Hankel matrix ReconstructionTechnique based on Subaperture Projection,LHRTSP)，提出了一种基于低秩矩阵恢复的IFM-CW SAR成像处理方法。该方法将子孔径数据投影到相空间矩阵，通过广义迭代加权湮灭滤波器(Generalized Iterative Reweighted AnnihilatingFilter,GIRAF)算法恢复矩阵中的缺失值。实验结果表明，该方法能在不改变原本数据的前提下，有效地恢复回波数据中的缺失值，有效抑制了虚假目标，大幅提高了图像中真实目标的辨别性能。本文结构安排如下：第2节，介绍IFMCW SAR系统的信号模型；第3节，介绍矩阵恢复方法；第4节，提出用所提算法恢复IFMCW SAR回波数据，并给出算法的具体实现流程；第5节，给出点目标和面目标的实验结果，并与其他方法进行对比分析；第6节，对本文进行总结。2 IFMCW SAR原理在脉冲波SAR系统中，雷达天线根据设定的脉1286电 子 与 信 息 学 报第 45 卷冲重复频率(Pulse Repetition Frequency,PRF)发射和接收。在IFMCW SAR系统中，在回波到达接收机之前发射机连续工作，持续发射FMCW信号，然后在几乎相同的接收时间内保持关闭，此时占空比接近50%。IF