雷达领域前沿研究热点：稀疏微波成像

微波成像是一种不可或缺的遥感技术，它在农林监测、海洋监测、测绘制图、军事侦察等领域有着广泛的应用。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)是微波成像的一种重要形式，已成为遥感应用不可或缺的手段。现有基于奈奎斯特采样定理和经典数字信号处理理论的微波成像系统存在雷达规模庞大甚至无法实现、海量数据存储/传输难以实现、成像处理方法复杂且效率受限以及信息冗余但特征提取困难等瓶颈问题，迫切需要开展微波成像基础性和前沿性研究。

稀疏微波成像是指将稀疏信号处理理论引入微波成像，且两者有机结合形成微波成像新理论、新体制和新方法，即通过寻找被观测对象的稀疏表征域，在空间、时间、频谱或极化域稀疏采样获取被观测对象的稀疏微波信号，经信号处理和信息提取，获取被观测对象的空间位置、散射特征和运动特性等几何与物理特征。

发展历史：

1950年，稀疏信号处理
2006年，Donoho等人提出压缩感知理论
2009年，压缩感知理论被引进到成像雷达中
2009年，国家973项目“稀疏微波成像的理论、体制和方法”开始，稀疏微波成像的概念被系统提出

如何将稀疏信号处理应用于SAR经历了长期的探索过程。由于在观测场景的稀疏表征、大场景海量数据重构的计算复杂性、系统与重构性能评估等方面存在挑战，在初始研究阶段，将稀疏信号处理应用于SAR系统及其成像在国际上存在一定争议。

近年来，国内外有一批研究机构和科学家开展了将稀疏信号处理理论引入雷达成像的研究。2007年，美国Rice大学的R. Baraniuk等人首次提出了可将压缩感知理论引入雷达成像中。英国爱丁堡大学、美国马里兰大学、德国弗劳恩霍夫学会高频物理与雷达研究所（Fraunhofer FHR）、德国宇航局（DLR）等机构也都开展了有关稀疏信号处理理论在SAR成像、目标检测以及三维成像等SAR应用中的研究。 

国内中国科学院电子学研究所、清华大学、西安电子科技大学等单位也较早开展了相关的研究工作。2010年，中国科学院电子学研究所在国家重点基础研究计划（973计划）的支持下，联合国内优势单位组织开展“稀疏微波成像的理论、体制和方法研究”项目。吴一戎院士带领团队系统深入地开展了稀疏微波成像研究。该团队在稀疏微波成像体制、稀疏微波成像非模糊重建方法、基于三维相变图的稀疏微波成像性能评估手段等方面取得了重要原创性成果，并成功开展了星载、机载、地基等原理性验证实验。研究结果表明，稀疏微波成像不仅具有实现更优性能指标SAR系统的潜力，而且可提升现有雷达系统的成像性能。

1、模型

微波成像系统获取观测场景后向散射系数的过程可以用线性时不变系统表示。稀疏微波成像模型由回波数据向量、降采样矩阵、观测矩阵、稀疏变换矩阵、后向散射系数向量和观测噪声构成，可通过正则化方法求解。

图1、稀疏微波成像模型

2、体制

微波成像稀疏观测约束是指根据观测对象稀疏特性建立的稀疏微波成像模型，基于观测对象与获取数据之间的映射机理构建观测矩阵。观测矩阵的组成元素和构建形式决定了稀疏微波成像雷达系统的性能：观测矩阵的组成元素取决于雷达波形、采样方式和成像几何关系；观测矩阵的构建形式则与天线足印、天线排列方式有关。

图2、SAR不同工作模式方位向观测矩阵示意图

3、重构

稀疏微波成像非模糊重构方法是指根据雷达系统原理，利用稀疏信号处理方法实现对观测对象的非模糊成像。从原始数据域出发，将稀疏信号处理与SAR解耦方法结合，减少了内存需求，提高了计算效率。该方法广泛应用于ScanSAR、TOPS SAR、滑动聚束等工作模式，以及一发多收SAR成像工作模式。该方法不但适用于满采样SAR数据，提高和改善成像质量，而且在满足一定条件下，还适用于欠采样SAR数据。

图3、基于DPCA数据处理算子的稀疏微波成像算法流程图

4、评估

稀疏微波成像评估包括系统性能评估和图像性能评估。在系统性能评估方面，综合考虑稀疏度、降采样比、信噪比因素的三维相变图是常用的方法，它可定量反映稀疏重构条件下场景稀疏度和雷达系统之间的关系。在图像性能评估方面，既可采用分辨能力、峰值旁瓣比等经典指标，还可采用目标背景比、检测概率/虚警概率等指标。

图4、三维相变图

5、实验

稀疏微波成像实验是对其原理、方法和性能方面进行验证和评估。在已有雷达数据实验方面，利用稀疏信号处理的重构方法，验证了提升性能的可行性。在机载原理验证实验方面，构建稀疏微波成像样机，开展航空飞行实验，验证了数据获取和信号处理方法的有效性。在星载原理验证实验方面，优化现有雷达卫星的波位选择和信号处理，达到提升系统性能的目标，验证了系统设计方法的合理性。

图5、稀疏微波成像方法提升目标背景比结果

6、设计

利用稀疏微波成像原理，在场景稀疏条件下，可不改变现有雷达硬件设备，降低方位向采样频率，经过波位选择实现系统指标的提升。根据稀疏微波成像中非均匀采样重构图像质量优于均匀采样重构图像的特点，放宽星载多通道雷达成像系统设计中对PRF的约束条件，实现更大的测绘带宽。

图6、星载稀疏微波成像设计原理框图

7、两本新书

吴一戎院士提出的稀疏微波成像是指将稀疏信号处理理论引入微波成像，且两者有机结合形成微波成像新理论、新体制和新方法。它不仅具有实现更优性能指标SAR系统的潜力，而且可提升现有雷达系统的成像性能。该工作的研究成果已由科学出版社出版。科学出版社出版的《稀疏微波成像导论》和《稀疏微波成像应用》是吴一戎团队近十年科研成果的梳理，是稀疏信号处理应用于雷达领域不可多得的系统总结。

8、展望

稀疏微波成像作为微波成像中的新概念和新体制，在遥感应用中已经取得了重要的进展。目前稀疏微波成像仍在不断发展完善中，亟待解决在误差理论分析、观测矩阵优化等方面的技术难题。随着稀疏信号处理理论和方法的逐步完善，稀疏微波成像将逐步走向实用化和工程化，将在宽幅海洋稀疏目标雷达成像、3 维SAR、逆SAR、被动雷达目标探测、运动目标检测、探地/穿墙雷达、宽角/圆迹SAR、特征提取、数据压缩等相关领域获得巨大的应用。

文章来源：科学出版社、雷达学报