基于压缩感知的频率分集阵列SAR三维成像方法_崔昆仑.pdf

第4 3卷 第2期桂 林 电 子 科 技 大 学 学 报V o l.4 3,N o.2 2 0 2 3年4月J o u r n a l o f G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g yA p r.2 0 2 3收稿日期:2 0 2 1-0 3-0 8基金项目:国家自然科学基金(6 1 6 3 1 0 1 9,6 1 7 0 1 1 2 8,6 1 8 7 1 4 2 5);广西创新驱动发展专项(桂科A A 2 1 0 7 7 0 0 8);桂林电子科技大学研究生教育创新计划(2 0 2 0 Y C X 0 3 5)通信作者:廖可非(1 9 8 4-),男,副教授,博士,研究方向为雷达散射截面积测量、认知雷达。E-m a i l:k e f e i l i a o g u e t.e d u.c n引文格式:崔昆仑,欧阳缮,廖可非,等.基于压缩感知的频率分集阵列S A R三维成像方法J.桂林电子科技大学学报,2 0 2 3,4 3(2):1 0 6-1 1 3.基于压缩感知的频率分集阵列S A R三维成像方法崔昆仑1,欧阳缮1,2,廖可非1,2,李晶晶1(1.桂林电子科技大学 信息与通信学院,广西 桂林 5 4 1 0 0 4;2.桂林电子科技大学 卫星导航定位与位置服务国家地方联合工程研究中心,广西 桂林 5 4 1 0 0 4)摘 要:基于宽带发射信号的相控阵三维合成孔径雷达(S A R)系统硬件设计复杂且接收信号不易分离。通过将频率分集阵列应用到三维S A R中,线阵各阵元只需发射单频信号便可获得宽带观测性能,可大大降低系统硬件要求,但由于频率分集阵列的回波信号具有空间-频率稀疏特性,采用基于匹配滤波思想的传统后向投影算法成像时,分辨率受限且图像旁瓣较高。针对此问题,提出一种基于压缩感知的随机频率分集阵列S A R三维成像方法。该方法通过在切航迹向随机稀疏选取阵元,在沿航迹向随机稀疏选取观测位置,实现对回波数据的二维稀疏采样。在成像部分,采用正交匹配追踪算法对空间目标散射系数进行重构。仿真和实测实验结果表明,该压缩感知成像方法不仅可以减少频率分集阵列三维S A R系统的数据处理量,还能够有效抑制雷达图像旁瓣,成像质量显著提高。利用压缩感知算法,频率分集阵列三维S A R可以在回波稀疏的情况下准确重构目标信息,验证了所提方法的合理性和有效性。关键词:频率分集阵列;合成孔径雷达;压缩感知;三维成像;正交匹配追踪中图分类号:T N 9 5 文献标志码:A 文章编号:1 6 7 3-8 0 8 X(2 0 2 3)0 2-0 1 0 6-0 8F r e q u e n c y d i v e r s e a r r a y 3 D-S A R i m a g i n g m e t h o d b a s e d o n c o m p r e s s e d s e n s i n gC U I K u n l u n1,O U Y A N G S h a n1,2,L I A O K e f e i1,2,L I J i n g j i n g1(1.S c h o o l o f I n f o r m a t i o n a n d C o mm u n i c a t i o n,G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y,G u i l i n 5 4 1 0 0 4,C h i n a;2.S t a t e a n d L o c a l J o i n t E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r f o r S a t e l l i t e N a v i g a t i o n a n d L o c a t i o n S e r v i c e,G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y,G u i l i n 5 4 1 0 0 4,C h i n a)A b s t r a c t:T h e h a r d w a r e d e s i g n o f p h a s e d a r r a y t h r e e-d i m e n s i o n s y n t h e t i c a p e r t u r e r a d a r(S A R)s y s t e m b a s e d o n w i d e b a n d t r a n s m i s s i o n s i g n a l s i s c o m p l i c a t e d,a n d t h e r e c e i v e d s i g n a l s a r e d i f f i c u l t t o s e p a r a t e.B y a p p l y i n g t h e f r e q u e n c y d i v e r s e a r r a y(F D A)t o 3 D-S A R,e a c h a r r a y e l e m e n t o n l y n e e d s t o t r a n s m i t a s i n g l e f r e q u e n c y s i g n a l t o o b t a i n w i d e b a n d o b s e r v a t i o n p e r-f o r m a n c e,w h i c h g r e a t l y r e d u c e s t h e h a r d w a r e r e q u i r e m e n t s o f s y s t e m.H o w e v e r,d u e t o t h e s p a c e-f r e q u e n c y s p a r s e n e s s o f F D A e c h o s i g n a l s,t h e r e s o l u t i o n i s l i m i t e d a n d t h e s i d e l o b e s o f r a d a r i m a g e s a r e r e l a t i v e l y h i g h w h e n u s i n g t h e b a c k p r o j e c-t i o n(B P)a l g o r i t h m b a s e d o n m a t c h e d f i l t e r i n g.T o s o l v e t h i s p r o b l e m,t h i s p a p e r p r o p o s e s a r a n d o m f r e q u e n c y d i v e r s e a r-r a y 3 D-S A R i m a g i n g m e t h o d b a s e d o n c o m p r e s s e d s e n s i n g(C S).T h e a r r a y e l e m e n t s i n t h e t a n g e n t-t r a c k a n d t h e o b s e r v a-t i o n p o s i t i o n s i n t h e a l o n g-t r a c k a r e s e l e c t e d r a n d o m l y a n d s p a r s e l y t o r e a l i z e t w o-d i m e n s i o n a l s p a r s e s a m p l i n g o f e c h o d a t a.I n t h e i m a g i n g p a r t,o r t h o g o n a l m a t c h i n g p u r s u i t(OM P)a l g o r i t h m i s u s e d t o r e c o n s t r u c t t h e s c a t t e r i n g c o e f f i c i e n t o f t a r-g e t s.S i m u l a t i o n a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t C S m e t h o d n o t o n l y r e d u c e s t h e d a t a p r o c e s s i n g a m o u n t o f F D A-3 D-S A R s y s t e m d u r i n g i m a g i n g,b u t a l s o e f f e c t i v e l y s u p p r e s s e s t h e s i d e l o b e s o f r a d a r i m a g e s,a n d t h e i m a g i n g q u a l i t y i s s i g n i f i-c a n t l y i m p r o v e d.B y u s i n g t h e c o m p r e s s e d s e n s i n g a l g o r i t h m,F D A-3 D-S A R c a n a c c u r a t e l y r e c o n s t r u c t t h e i n f o r m a t i o n o f s p a c e t a r g e t s w h e n t h e e c h o i s s p a r s e,w h i c h v e r i f i e s t h e r a t i o n a l i t y a n d e f f e c t i v e n e s s o f t h e p r o p o s e d m e t h o d.K e y w o r d s:f r e q u e n c y d i v e r s e a r r a y;s y n t h e t i c a p e r t u r e r a d a r;c o m p r e s s e d s e n s i n g;3 D i m a g i n g;o r t h o g o n a l m a t c h i n g p u r s u i tDOI:10.16725/45-1351/tn.2023.02.008第2期崔昆仑等:基于压缩感知的频率分集阵列S A R三维成像方法 下视线阵三维合成孔径雷达(s y n t h e t i c a p e r t u r e r a d a r,简称S A R)通过控制阵列天线的空间运动合成虚拟面阵,结合距离脉冲压缩技术获得目标的三维分辨能力,是一种较为灵活的成像体制1-2。然而,这种基于宽带发射信号的S A R系统存在射频端硬件设计复杂和接收信号无法有效分离等问题。与相控阵不同,频率分集阵列(F D A)3-5在阵元间引入一个小的频率增量,通过频率差控制相邻阵元的相位差,使得阵列波束同时包含角度和距离信息,系统发射单频信号也可获得高分辨的距离向。针对F D A波束方向图在距离和角度上的耦合问题,文献6 提出随机F D A的概念,通过将F D A各阵元的频率增量系数设为离散随机整