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镜像综合孔径辐射计阵列排布和图像重构方法研究

易观理  
【摘要】:综合孔径微波辐射成像技术是一种干涉测量成像技术,它利用一个稀疏阵列来代替大的实孔径天线,克服了实孔径天线体积大、重量大的缺点,具有无需机械扫描就能对场景进行瞬时成像的能力,因此具有广泛的应用前景。但随着实际应用对成像性能要求的不断提高,该成像技术也暴露出了其系统结构和信号处理非常复杂的问题。而近年来提出的一种新型的干涉测量成像技术——镜像综合孔径微波辐射成像技术,较好地改善了传统综合孔径成像技术中存在的缺陷。镜像综合孔径微波辐射成像技术结合了双天线干涉测量技术和Lloyd镜面干涉测量技术,利用稀疏天线阵列和反射面,间接测量空间频率域的余弦可见度函数采样(双天线的相关输出是多个不同的余弦可见度的线性组合),再通过反演算法获得场景的亮温图像。镜像综合孔径成像技术能极大地降低系统结构和信号处理的复杂度,且有效地提高系统空间分辨率性能。但作为一种新型的成像技术,镜像综合孔径成像技术还存在着很多值得研究和完善之处,例如现有的稀疏阵列排布无法满足其成像要求,故而导致系统出现基线缺失和转移矩阵的秩严重缺失的问题,此外该成像技术的图像重构方法有着进一步研究的必要与改进的可能。本文针对镜像综合孔径辐射计的阵列排布和图像重构方法进行了以下的研究: 首先研究一维镜像综合孔径的阵列排布方法。根据镜像综合孔径微波辐射成像基本原理,提出了镜像综合孔径阵列排布优化的三个基本准则:最大基线覆盖准则、最大秩准则和最少阵元数准则。深入分析最大基线覆盖准则、最大秩准则与阵列尺寸之间的关系,还证明出最大秩准则是镜像综合孔径阵列排布的核心准则。在此基础上,给出一维镜像综合孔径阵列排布优化的数学模型,并提出采用搜索算法来对该优化问题进行求解。仿真结果表明:在相同的阵列尺寸条件下,一维镜像综合孔径系统能够获得的最大基线约为一维传统综合孔径系统的2倍,因此在系统分辨率性能上约有100%的提升;再者,为获取同的系统分辨率性能,一维镜像综合孔径系统的单元天线个数仅略有减小,但是由于其系统相关输出中无需同相/正交解调,使得其模数转换器数目和相关器数目都是传统综合孔径系统的一半,大大降低了系统的硬件复杂度。 其次研究二维镜像综合孔径的阵列排不方法。根据二维镜像综合孔径微波辐射成像的基本原理,给出了二维阵列排布的优化模型。为降低二维阵列排布问题的复杂度,提出从两个方面对该问题进行改善:一方面,提出一种新的阵列排布优化方法——首先采用筛选法快速获得满足最大秩准则的二维稀疏阵列,然后在此基础上研究二维稀疏阵列的排布特点,根据这些稀疏阵列的排布特点,对优化模型提供额外的约束条件,以减小二维阵列排布问题的复杂度;另一方面,结合阵列排布设计问题的特点,提出了一种适用于阵列排布优化问题的群搜索优化算法。结合上述两个方面内容,采用带空间约束的群搜索优化方法对二维镜像综合孔径阵列排布优化问题进行求解,该方法能快速地获取稀疏度较高的二维镜像综合孔径阵列。根据这些研究,还给出了一种实用性较好的二维镜像综合孔径阵列排布——双L形阵列。仿真结果表明,双L形阵列相对传统综合孔径的U形阵列而言,具有更高的空间分辨率性能,且系统结构复杂度较低。 最后研究基于偏最小二乘的镜像综合孔径图像重构方法。根据镜像综合孔径成像基本原理,描述了镜像综合孔径成像系统的G矩阵反演模型。将此图像重构问题看为一个线性回归估计问题,并提出一种改进的偏最小二乘方法对该问题进行求解,相对于标准偏最小二乘法而言,改进的偏最小二乘方法对应的回归模型r更为适合于镜像综合孔径的反演问题。此外,还提出利用L曲线准则选取潜在成分个数的方法。仿真结果表明,基于偏最小二乘的G矩阵反演法获得的重构图像的质量要优于现有的Tikhonov正则化方法和截断奇异值方法。


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