【基金标书】2010CB731900-稀疏微波成像的理论、体制和方法研究

项目名称： 稀疏微波成像的理论、体制和方法研究 首席科学家： 吴一戎 中国科学院电子学研究所 起止年限： 2010 年 1 月 8 月 依托部门： 中国科学院 一、研究内容 围绕三个关键科学问题，将项目的主要研究内容分为紧密联系而侧重不同的五个方面，包括稀疏微波成像的基础理论研究、稀疏微波成像数据获取体制和方法研究、稀疏微波成像信号处理方法研究、稀疏微波成像数据压缩及特征理解、稀疏微波成像新体制实验和验证，如图 2 所示。针对关键科学问题一，分析微波成像数据的稀疏性，构建稀疏微波成像稀疏 变换矩阵，建立变换域映射关系，形成稀疏微波成像模型，形成稀疏微波信号的变换域表征方法。针对关键科学问题二，深入研究稀疏微波成像空间、时间、频谱、极化以及多维度联合稀疏的稀疏观测约束，形成稀疏微波成像体制，建立稀疏微波成像性能分析方法。针对关键科学问题三，基于稀疏表征和稀疏观测约束，深入研究稀疏域的成像非模糊重建理论和方法，研究信号恢复和信息提取的快速实现方法，研究基于稀疏表示的多通道微波成像原始数据和图像数据高保真压缩技术，完成面向特定应用的稀疏微波成像特征理解。通过研究稀疏微波成像实验方法，构建稀疏微波成 像实验系统，开展实验研究，完成对稀疏微波成像新体制、新方法的原理性实验验证。 关 键 科 学 问 题 一微 波 成 像 稀 疏 表 征与 变 换 域 映 射关 键 科 学 问 题 二微 波 成 像 稀 疏 观 测 约 束关 键 科 学 问 题 三稀 疏 微 波 成 像 非 模 糊 重 建（ 1 ） 稀 疏 微 波 成像 的 基 础 理 论 研 究（ 2 ） 稀 疏 微 波 成 像 数据 获 取 体 制 与 方 法 研 究（ 3 ） 稀 疏 微 波 成 像信 号 处 理 方 法 研 究（ 4 ） 稀 疏 微 波 成 像数 据 压 缩 及 特 征 理 解（ 5 ） 稀 疏 微 波 成 像 新 体 制 实 验 和 验 证图 2 拟开展的主要研究内容 疏微波成像的基础理论研究 建立稀疏微波成像模型，研究观测区域在特定变换域的稀疏化表征，建立稀疏基与微波成像数据之间的映射关系，研究稀疏矩阵和稀疏变换矩阵的构建，研究信号恢复中的先验误差模型、分析与估计，建立在信号恢复过程中基于稀疏约束的数值优化方法，为稀疏微波成像提供理论基础。主要研究内容包括： （ 1） 微波成像中的原始数据和图像数据的稀疏性分 析 针对稀疏微波成像中原始数据以及成像结果中蕴含的稀疏性，揭示目标区域在空、时、频、极化或者联合多维度等域的稀疏性与相应雷达回波稀疏性的内在联系，分析稀疏性的形成机理，揭示微波成像中有关原始数据以及成像结果稀疏特征的一般性规律。 具体研究内容包括：微波成像数据在时、空、频及极化域的稀疏性分析；雷达回波信号稀疏化的数学模型；目标区域与微波成像数据间稀疏性的映射关系；雷达成像结果具有保相性的稀疏性表征。 （ 2） 稀疏微波成像中稀疏基的构建和变换域映射关系 针对稀疏微波成像处理方法必需的数学基础，研究稀疏微波成像中稀疏基 的构建和变换域的映射关系，分析变换域的抽象建模，揭示原始数据与变换域间对应关系的一般规律。 具体研究内容包括：满足微波成像需求的变换域模型；变换域上的稀疏基选取；构造原始数据与变换域间对应关系的线性算子。 （ 3） 稀疏微波成像中采样理论和稀疏矩阵构建研究 针对稀疏微波成像处理方法必需的模型基础，研究稀疏微波成像中采样理论和稀疏矩阵的构建，分析随机化、非均匀的采样格式以及稀疏矩阵的设计和性质，揭示符合稀疏微波成像需求的采样规律。 具体研究内容包括：原始数据的随机化，非均匀采样机理；基于确定性方法的稀疏矩阵 质检 验理论；基于概率方法的稀疏矩阵 质判定理论；稀疏矩阵 质在线性变换下的变化规律。 （ 4） 稀疏微波信号恢复的误差分析与估计 针对稀疏微波成像处理方法必需的统计基础，研究稀疏微波成像中信号恢复的误差分析与估计，分析误差的来源和对恢复结果的影响，揭示稀疏微波成像中信号恢复的误差规律。 具体研究内容包括：稀疏信号恢复误差与稀疏性之间的关联；稀疏信号恢复误差与噪声之间的关联；基于 验统计理论的误差分析。 （ 5） 稀疏微波成像中信号恢复算法和性能研究 研究稀疏微波成像中信号恢复算法及其性能研究，分析影响信 号恢复性能的关键因素，如成功率、稳健性等。 具体研究内容包括：恢复算法的成功率和待恢复信号稀疏表征间的定量关系，恢复算法成功率和稀疏基选取之间的关联，不同微波成像恢复算法性能比较。 疏微波成像数据获取体制与方法研究 利用被观测对象的空间、时间、频谱、极化或者多维度联合稀疏特性，研究利用被观测对象与稀疏数据获取之间的映射关系和数据获取方法，在此基础上构建稀疏微波成像数据获取的理论框架，满足高分辨率宽测绘带微波成像、阵列成像、稀疏孔径动目标检测等具体应用的需求。主要研究内容包括： （ 1） 基于时间稀疏的微波成 像数据获取体制与方法 时间稀疏是指快时间、慢时间二维稀疏采样。快时间上可采用波形设计、调制和降采样，慢时间上采用稀疏采样，通过稀疏信号处理实现无模糊成像和信息提取。可应用于超高分辨率成像、高分辨宽测绘带成像。 具体研究内容包括：针对降低接收信号的采样率的需求，结合接收信号稀疏的特性，研究采用低的采样频率对接收信号进行采样的方法；针对降低方位信号数据量的需求，结合稀疏化信号理论，研究通过降低脉冲重复频率的方式实现信息的无失真获取的方法；研究基于非均匀采样的稀疏微波成像数据获取体制与方法。 （ 2） 基于空间稀疏的微波成 像数据获取体制与方法 空间稀疏微波成像是指利用与平台位置、阵元分布有关的稀疏特性，通过对各通道回波信号的综合处理，实现被观测区域的信息恢复和目标特征信息的提取。空间稀疏可以有效降低雷达系统的复杂度，可应用于阵列天线下视三维成像、阵列天线实孔径成像等。 具体研究内容包括：针对空间系统简化的需求，利用时间稀疏采样与空间稀疏对应的特性，研究空间稀疏数据获取相应的空间稀疏的限制条件，研究基于空间稀疏的微波成像数据获取体制与方法。 （ 3） 基于频谱稀疏的微波成像数据获取体制与方法 频谱稀疏微波成像是指雷达发射和接收采用稀疏频 谱信号，通过稀疏信号处理恢复宽频带信号，并结合时间稀疏微波成像或空间稀疏微波成像等获取被观测对象的超高分辨图像和多频谱特征信息。频谱稀疏化体制也可以有效降低雷达系统的复杂度，可应用于高分辨成像、分类识别。 具体研究内容包括：在频谱稀疏微波成像中，研究利用频谱稀疏特性的数据获取方法；结合稀疏化信号处理，研究基于频率子带的数据获取方法及成像机制，实现高精度的目标特征提取和观测场景的重构。 （ 4） 基于极化稀疏的微波成像数据获取体制与方法 极化稀疏微波成像是指利用简缩极化、混合极化技术，通过稀疏极化通道实现目标的全极化数 据获取，可以减小对雷达系统收发通道数和脉冲重复频率的要求。可应用于地表覆盖分类、目标识别等。 具体研究内容包括：结合目标极化特性表征的稀疏特性，研究基于极化稀疏的微波成像数据获取方法，采用少的极化状态发射 /接收通道，通过稀疏化极化散射矩阵处理方法，实现对观测对象的全极化散射特性信息的获取。 （ 5） 多维度联合稀疏微波成像数据获取体制与方法 联合稀疏微波成像是指利用空间、时间、频谱、极化等两者或者两者以上的稀疏特性，如空间和时间的联合稀疏、频谱和极化的联合稀疏等，实现联合稀疏微波成像，获取被观测对象的空间位置、散射特 性和运动特性等多维度特征。 具体研究内容包括：针对多维度联合稀疏微波成像，研究多个维度稀疏问题的一致性、各维度的特殊性以及相互的制约问题，研究多个维度信号采集的关联和各维度信号的稀疏化程度，通过联合稀疏度较高的维度构造信号的稀疏化数据获取方法。 疏微波成像信号处理方法研究 结合稀疏表征与稀疏约束，研究多维度稀疏信号特征信息挖掘方法，提出稀疏微波成像距离多普勒二维解耦成像重建算子，提出独立或联合的多维度信息恢复方法，形成成像重建的快速化和大数据处理能力。主要研究内容包括： （ 1） 基于稀疏优化的空时频域先验 信息挖掘方法 针对稀疏微波成像处理需要对观测对象在空时频等多维联合稀疏化信息表征，研究稀疏微波成像中先验信息的挖掘，利用构建基于先验信息的稀疏表征域反馈机制，研究结合先验信息的稀疏微波成像处理、多维度信息提取技术。 具体研究内容包括：稀疏微波信号空时频相关特性研究，基于稀疏微波信号的先验信息挖掘技术，结合先验信息的稀疏表征域优化，结合先验信息的多维度信息提取技术。 （ 2） 稀疏微波成像非模糊重建理论和方法 针对稀疏微波信号的采样稀疏性，研究被观测对象 瞬态响应 在稀疏域的表征特性，研究稀疏微波信号在各类稀疏表征域下的距 离 针对利用稀疏微波信号实现全场景全分辨成像重建操作的非线性，研究稀疏微波成像算子的高保相并避免引入虚假信息。 具体研究内容包括：观测对象 瞬态响应 在稀疏域的表征特性，特定稀疏表征域下的二维解耦和非模糊成像算子研究，非线性成像重建的相位保持和恢复研究。 （ 3） 非理想运动平台稀疏微波成像处理 针对机载稀疏微波成像系统存在的平台非理想运动，分析平台非理想运动对稀疏微波信号的调制机理和运动相位误差对信号稀疏表征的影响，研究结合传感器测量数据构造稀疏微波信号的运动补偿机制和可嵌入运动补偿的 稀疏微波成像处理技术。 具体研究内容包括：平台非理想运动对稀疏微波信号的调制机理研究，结合传感器测量数据构造稀疏微波信号的运动补偿机制。 （ 4） 稀疏微波成像快速算法研究 针对稀疏微波成像中从稀疏表征的信号的多维度信息恢复的非线性海量运算，同时信息无损恢复机制需要信息表征全空间，这又是一个大尺度问题，使计算过程进一步复杂化，研究鲁棒快速的信息反演技术，结合合理的信息表征空间以避免在成像过程中引入虚假信息。 具体研究内容包括：研究各类树型级联优化重构机制，研究并行或级联的信息提取运算机制，有效提高运算效率，形成成像重 建的快速化和大数据处理能力。 疏微波成像数据压缩及特征理解 研究微波成像数据的稀疏表示特性和可压缩性，建立微波原始数据及图像数据压缩与恢复的模型和方法，通过稀疏微波数据压缩的性能评估准则检验压缩方法的有效性；完成稀疏微波成像的信息压缩感知和提取技术，实现面向特定应用的稀疏微波成像特征理解。主要研究内容包括： （ 1） 基于稀疏表示的多通道微波成像原始数据保相压缩方法 多通道微波成像的原始数据具有极大的数据量，给数据的采集和存储带来极大的挑战。多通道微波成像原始数据具有稀疏性，可以对其进行高效压缩。 具体研究 内容包括：根据微波成像原始数据的稀疏性，研究微波成像原始数据之间的关联模型和方法；在此基础上，研究微波原始数据的稀疏分解方法，利用微波成像原始数据的稀疏性实现多通道原始复数据的压缩，并通过性能评估准则检验方法的有效性。 （ 2） 基于稀疏表示的微波图像数据压缩方法 针对具有不同稀疏度的微波成像观测对象，利用微波功率图像的稀疏化表征模型，研究微波功率图像的稀疏化数据压缩方法。 具体研究内容包括：研究微波图像的结构、纹理等先验信息提取方法，设计能够实现复杂结构信息稀疏表示的变换基函数，研究微波图像的稀疏表示方法，并据此实 现具有更高逼近精度的图像压缩技术；研究率失真函数，通过码率控制，实现对压缩主观质量的改善；探索将压缩感知应用于雷达图像压缩和解压的可行方法与途径；通过稀疏微波图像性能评估准则检验方法的有效性。 （ 3） 稀疏微波成像的信息压缩感知和提取方法 通常意义上的微波成像是在空、时、频、极化等多个变量域上对目标进行电磁观测，以获得观测对象物理几何特性和电磁特征的描述。在稀疏微波成像中，既可以对目标的空、时、频、极化等多维信息进行联合稀疏化处理和恢复，也可以针对某种特性建立稀疏表示域，完成目标信息提取与特征反演等处理。 具体研究 内容包括：在微波成像信息压缩感知和提取研究中，着重结合先验信息完成目标信号稀疏化；根据不同的信息提取要求，结合稀疏微波成像数据获取的机理和方法，建立联合的稀疏化压缩感知和信息恢复模型；针对稀疏微波成像的不同工作模式，研究基于稀疏表示特性的目标成像和信息提取一体化方法。 （ 4） 面向特定应用的稀疏微波成像特征理解 雷达图像理解是指模拟人类的视觉和分析过程，用计算机来（辅助）完成雷达图像特征提取与分析，并最终揭示图像所包含的信息。在稀疏微波成像的理论框架下，雷达图像的获取和表征均发生了变化，需要在现有微波图像理解模型和方法的基础上，探索新的雷达图像特征理解方式，特别是面向特定应用的稀疏微波成像特征理解方法。 具体研究内容包括：针对海洋目标监测、运动目标检测等典型应用，研究观测目标及区域回波信号的稀疏表示特性；根据稀疏微波成像的数据获取体制，研究观测目标及区域在压缩数据域的表征形式，探索压缩数据域和稀疏表示系数域的特征提取方法以及针对特定目标的检测与分类识别方法，为稀疏微波成像体制下的雷达图像特征理解提供新的思路。 疏微波成像新体制实验和验证 根据稀疏微波成像的机理，开展稀疏微波成像的实验方法和实验设计研究，建 立基于航空平台 /地面平台的稀疏微波成像实验验证系统，建立稀疏微波成像性能评估分析方法，开展科学实验，实现稀疏微波成像的基础理论、数据获取体制、信号处理方法等的原理性验证。主要研究内容包括： （ 1） 稀疏微波成像实验方法研究和实验设计 根据观测区域空、时、频、极化或者联合多维度的稀疏特性，基于稀疏观测约束和稀疏微波成像体制，研究稀疏微波成像实验方法，完成实验设计。 具体研究内容包括：根据观测区域空、时、频、极化或者联合多维度的稀疏特性，研究验证稀疏基和变换域映射之间的正确性和有效性的实验方法；研究稀疏微波成像数据获取 新体制的实验验证方法研究；研究稀疏微波成像信号处理方法的正确性和有效性验证的实验方法；开展相应的实验方案设计。 （ 2） 基于航空平台的稀疏微波成像原理验证 针对海洋监视和成像等典型稀疏场景观测应用，通过现有微波成像系统的适应性改进，构建基于航空平台的稀疏微波成像原理样机，完成新体制和方法的原理性验证。 具体研究内容包括：基于成像雷达系统的距离向和方位向数据稀疏采样，设计微波成像稀疏采样原理验证方案，研制信号随机调制滤波器等单元设备，构建基于航空平台的稀疏微波成像样机，开展飞行试验，完成实验验证。 （ 3） 基于地面平台的稀疏 微波成像原理验证 针对空、时、频或极化等维度稀疏或多维度稀疏的微波成像新体制和新方法的原理性验证研究，利用基于地面平台的实验验证系统具有灵活、可控、可重复的优点，构建基于地面平台的稀疏微波成像实验验证系统，完成实验验证。 具体研究内容包括：基于空、时、频、极化及联合稀疏采样，设计微波成像稀疏采样原理验证方案，研制稀疏阵列天线等关键设备，改进系统的信号产生和获取方式，构建基于地面平台的稀疏微波成像雷达系统，获取实验数据，完成实验验证。 （ 4） 稀疏微波成像性能评估与分析 和传统体制的微波成像方法不同，稀疏微波成像针对 具体应用，其成像和信息提取过程将是有机结合的。需要结合稀疏微波成像的特点，研究能有效衡量稀疏化成像性能的方法，实现对稀疏微波成像有效性的分析和评估。 具体研究内容包括：研究稀疏微波成像系统性能指标体系，提出稀疏微波成像系统性能指标计算方法，研究稀疏微波成像系统性能评估方法。 二、预期目标 体目标 针对我国中长期对地观测的重大战略需求， 研究稀疏微波成像的理论、体制和方法 ，建立 稀疏微波成像理论框架 ， 揭示微波成像数据的一般性稀疏表征规律，建立稀疏基与微波成像数据之间的映射关系 ， 根据观测区域在空、时、频 、极化或者联合多维度域上的稀疏特性，提出稀疏微波成像数据获取和方法，突破稀疏微波成像的信号处理及非模糊重建理论和方法，提出基于信息稀疏表示的微波成像数据压缩方法，形成稀疏微波成像特征理解方法，并完成航空平台与地面平台的稀疏微波成像新体制实验与验证。 在 稀疏微波成像的基础理论 、 数据获取体制、信号处理技术、数据压缩与特征理解方法、新体制实验 等方面取得原创性成果 。 本项目的研究将 为 微波成像 对地观测 中的关键瓶颈问题突破提供理论依据，为我国微波遥感系统的长期规划和发展提供支撑，为提升我国高性能微波成像对地观测能力奠定坚 实基础。同时，本项目研究的开展将极大的促进我国微波成像前沿技术研究基地建设， 为国家培养一批从事 微波成像对地观测 的青年学术带头人和研究骨干。 年预期目标 论和方法方面 建立 稀疏微波成像理论框架，突破微波成像稀疏表征与变换域映射、微波成像稀疏观测约束、稀疏微波成像非模糊重建等关键科学问题。预期目标如下： （ 1） 基础理论 揭示微波成像数据的一般性稀疏表征规律，建立微波成像数据与稀疏基之间的映射关系；根据观测区域在时间、空间、频谱、极化或者联合稀疏特性，提出稀疏微波成像数据获取的理论模型；构建稀疏采样观测矩阵；建立稀疏微波信号恢复的误差分析模型。 （ 2） 数据获取 根据微波成像数据的时间、空间、频谱、极化以及多维联合稀疏特性，明确相应的稀疏微波成像观测约束条件，提出稀疏微波成像数据获取方法。 面向海洋监视和成像、地面运动目标检测与成像等应用，提出稀疏微波成像数据获取体制，支持系统的数据率较现有微波成像系统降低 10 倍。 （ 3） 信号处理 结合 稀疏微波成像体制、信号表征及恢复理论，提出稀疏微波成像距离 建立 稀疏微波成像的多维度信息联合或者独立恢复方法，建立非理想运动平台的稀疏微波成像处理方法，并实现对大数据量重建算法的快速求解。 （ 4） 数据压缩和特征理解 根据微波成像数据和图像数据的稀疏特性，建立海量数据稀疏化表征模型，构建微波功率图像、复图像和原始数据的高保真压缩理论及方法。完成稀疏微波成像信息提取，实现面向海洋目标监测、运动目标检测以及特定目标监视的稀疏微波成像特征理解。 （ 5） 实验验证 形成稀疏微波成像的实验方法，建立稀疏微 波成像系统性能指标体系和评估分析方法，构建稀疏微波成像原理验证样机，完成基于航空平台和地面平台的数据获取和实验验证，为稀疏微波成像的基础理论、数据获取、信号处理和信息提取方法研究提供实测数据。 才培养和基地建设方面 参与本项目的研究所和大学的国家级研究基地有中科院电子所 微波成像技术 国家级 重点实验室 和电磁辐射与探测技术中科院重点实验室、清华大学的信息科学与技术国家实验室（筹）、西安电子科技大学雷达信号处理国家级重点实验室、中国航天科工集团二院二 O 七所的目标与环境电磁散射辐射国家级重点实验室、北京理 工大学的 多元信息系统国 家 重点学科实验室 等，通过科研院所尤其是国家级重点实验室的联合与优势互补，推动微波成像前沿技术研究基地建设 。 在国内外重要刊物上发表论文 300 篇以上，其中 录 100 篇以上，撰写专著3 本以上，申请专利 50 项以上。培养一批从事 微波成像对地观测原创性研究 的青年学术带头人和研究骨干 ， 培养一批从事 微波成像 研究的人才，包括博士后、博士和硕士 100 名 以上 。 三、研究方案 学术思路 本项目的总体学术思路如图 3 所示。面向重大环境和安全问题的高分辨对地观测需求 ，围绕 微波成像稀疏表征与变换域映射、微 波成像稀疏观测约束、稀疏微波成像非模糊重建等关键 科学问题 ，研究稀疏微波成像的基础理论、数据获取、信号处理、数据压缩与特征理解等内容，在稀疏微波成像系统的概念和理论框架、体制、算法、原理性验证方面取得原创性成果。在此基础上，构建基于航空和地面平台的稀疏微波成像实验验证系统，获取稀疏微波成像体制雷达的实验数据，完成稀疏微波成像的原理性验证。 稀 疏 微 波 成 像 基础 理 论 研 究 稀 疏 微 波 成 像 数据 获 取 机 理 和 方 法研 究 稀 疏 微 波 成 像 信号 处 理 方 法 研 究 稀 疏 微 波 数 据 压缩 及 特 征 理 解 稀 疏 微 波 成 像 新体 制 实 验 验 证对 地 观 测 需 求稀 疏 微 波 成 像关 键 科 学 问 题主 要 研 究 内 容 提 出 稀 疏 微 波成 像 概 念 并 构 建理 论 框 架 提 出 稀 疏 微 波成 像 体 制 及 相 应算 法 建 立 基 于 航 空 /地 面 平 台 的 稀 疏微 波 成 像 试 验 系统原 创 性 成 果 微 波 成 像 稀 疏表 征 与 变 换 域 映射 微 波 成 像 稀 疏观 测 约 束 稀 疏 微 波 成 像非 模 糊 重 建国 家 重 大 应 用 需 求 ： 自 然 灾 害 与 环 境 监 测 高 精 度 测 绘 与 资 源 调 查 侦 查 监 视 与 预 警我 国 微 波 系 统 规 划 需 求 ： 高 分 重 大 专 项微 波 成 像 技 术 自 身 发 展需 求 ： 高 分 辨 率 宽 测 绘 带 动 目 标 检 测 阵 列 成 像带 来 挑 战 ： 数 据 获 取代 价 高 海 量 数 据信 息 冗 余 特 征 提 取困 难图 3 项目整体学术思路 稀疏微波成像不仅是对微波成像新概念、新体制的探索研究，而且与应用实践密切相关，直接进行方 法研究或完全基于理论和算法的基础研究都不能完整地回答稀疏微波成像的具体内涵。本项目首先整体统筹，结合 国家重大需求 和微波对地观测系统规划需求，从应用出发，针对高分辨率宽测绘带成像、三维成像、阵列成像、动目标检测等特定应用及其存在的具体问题进行研究，项目研究整体框架如图 4 所示。其中基础理论方面的研究内容将为其它方面的研究提供依据；数据获取体制和方法、信号处理方法、数据压缩和特征理解方法等方面的研究内容相互支撑。并通过基于航空和地面平台的稀疏微波成像实验验证系进行稀疏微波成像的实验和验证。项目采用理论与实验相结合 的研究方法，有效突破各子课题中理论和方法上的难点，指导稀疏微波成像实验的开展，通过实验检验理论、方法和模型的正确性。 成 像 观 测 数 据集 稀 疏 性 分 析稀 疏 矩 阵 构 建 和变 换 域 映 射 关 系采 样 理 论 、 观测 矩 阵 构 建信 号 恢 复 的 误差 分 析 与 估 计信 号 恢 复 快 速算 法 性 能 研 究空 时 频 域 先 验信 息 挖 掘 技 术成 像 重 建 理 论和 方 法非 理 想 运 动 平台 稀 疏 微 波 成像 处 理快 速 算 法 研 究稀 疏 微 波 成像 实 验 方 法研 究 和实 验 设 计基 于 地 面 平台 的 新 体 制实 验 验 证性 能 评 估 与分 析基 于 航 空 平台 的 新 体 制实 验 验 证高 分 辨 率 宽 测 绘 带 动 目 标 检 测阵 列 成 像稀 疏 微 波 成 像 的 理 论 、 体 制 和 方 法 研 究论 文 、 专 利 、 专 著 基 地 建 设 人 才 培 养国 家 重 大 应 用 需 求 我 国 微 波 系 统 规 划 需 求从 应 用 出 发信 号 处 理信 息 获 取基 础 理 论数 据 压 缩 和特 征 理 解实 验 验 证多 维 联 合 稀 疏极 化 稀 疏频 域 稀 疏空 间 稀 疏时 间 稀 疏基 于 稀 疏 表 示的 多 通 道 微 波成 像 原 始 数 据保 相 压 缩 方 法基 于 稀 疏 表 示的 微 波 图 像 数据 压 缩 方 法稀 疏 微 波 成 像信 息 压 缩 感 知和 提 取 方 法面 向 特 定 应 用的 稀 疏 微 波 成像 特 征 理 解图 4 项目研究整体框架 术途径 项目研究中所采取的技术途径如图 5 所示， 本项目 的技术途径是 结合 微波成像 的研究前沿 ， 从 稀疏微波成像的基本原理出发凝练关键 科学问题， 通过应用数学、系统工程、电磁场与微波、电路与系统、信号与信息处理等多学科交叉研究，采取理论研究与实验验证相结合，将高校的理论研究 优势 和研究所的 系统 技术优势结合，进行资源 优 化 整合 。通过理论研究和计算机仿真相结合，开展稀疏微波成像的数据获取体制、信号处理方法、数据压缩和特征理解的研究，利用性能评估体系对计算机仿真的结果进行性能检测和分析；再通过稀疏微波成像实验，获取航空 /地面平台的实测数据，验证稀疏微波成像理论、数据获取体制、信号处理方法的正确性和有效性。 稀 疏 微 波 成 像 的 基 础 理 论稀疏微波成像信号处理稀疏微波成像实验稀 疏 微 波 成 像 应 用实 际 实 验 数 据 处 理计 算 机 仿 真性能评估体系理论研究图 5 本项目拟采取的技术途径 新性 （ 1） 在理论研究方面，首次系统地提出稀疏微波成像概念，形成微波成像数据稀疏表征、数据稀疏获取、信号处理与非模糊重建的理论框架。 （ 2） 在方法研究方面，提出原始数据、复图像和功率图像的稀疏表征、稀疏数据压缩方法、稀疏微波数据特征理解、以及稀疏数据处理和目标信息提取方法，有望解决海量数据传输、存储以及处理中存在的瓶颈问题。 （ 3） 在科学实验方面，拟首次研究基于航空 /地面平台稀的疏微波成像实验方法，构建原理验证样机，开展基于航空和地面平台的数据获取和科学实验，得到实验数据，验证稀疏微波成像机理，构建基于实测数据的评价体系 ,为未来稀疏微波成像系统的构建和应用奠定基础。 国内外同类研究相比的特色 现有微波成像系统的工作体制和成像处理以奈奎斯特采 样定理及经典数字信号处理理论为基础。实际应用中，由于条件受限或受到干扰等情况，获取的数据不再满足采样约束，存在部分缺损或稀疏，常规的处理方法是对缺省信号进行内插和外推，以恢复满足奈奎斯特定理的缺省采样，再进行常规成像处理。本项目则是有针对性地通过稀疏采样获取观测对象在空间、时间、频谱和极化域的稀疏微波信号，最终实现观测区域的非模糊重建。 目前稀疏信号处理理论在国际上已有一些重要的研究成果，与稀疏微波成像相关的研究工作在 域有相关的报道，其观测对象具有明显的稀疏特性，目前将压缩感知理论应用于合成孔径雷达 成像的研究主要基于点目标仿真。本项目的特点是针对分布目标在特定域的稀疏性实现稀疏微波成像，而不是国外研究报导中所涉及的具有明显稀疏特征的少量目标，同时本项目将结合航空 /地面平台进行原理性验证试验。 目前国际上基于稀疏阵列天线雷达的研究工作是在多发多收 (达理论框架下，主要用于目标探测，稀疏阵列天线的副瓣较高，不能直接用于对地成像观测。本项目则是基于空间 /时间稀疏的概念，利用稀疏阵列天线阵列雷达进行对地观测成像。 概括而言，目前国内外相关研究领域还没有形成稀疏微波成像的系统概念，本项目是针对我国现有 微波成像系统的瓶颈问题和国家未来对地观测的重大需求，系统地研究稀疏微波系统的成像机理 、 数据获取体系、信号处理技术、数据压缩和特征理解方法，通过理论和实践相结合，开展新体制实验。具有以下特色： （ 1） 多学科综合交叉 。稀疏微波成像理论、体制和方法研究 的 关键 科学问题涉及学科范围广泛，是 应用数学、系统工程、电磁场与微波、电路与系统、信号与信息处理等众多学科 的交叉研究，必须用多学科交叉的研究模式加以解决。 （ 2） 科研院 所和高 等院 校相结合 。 本项目从 应用需求、技术背景和未来发展中提炼 关键 科学问题，通过研究所和高等学校相结合的方式形成 我国 微波成像 对地观测的自主创新能力 ，形成基础理论研究、关键技术研究和试验验证三个环节的紧密衔接 。 （ 3） 和国家重点项目相衔 接。 本项目拟围绕三个 关键 科学问题，以 稀疏微波成像 为主线，对理论研究的有效性和正确性进行验证。 开展基于航空 /地面平台的稀疏微波成像系统验证。 本项目将和 国家重大科技基础设施“航空遥感系统”以及“ 高分辨率对地观测 ”重大专项 相衔接， 可 构成一个 比较完整的 体系。 得重大突破的可行性分析 首先，在微波成像领域使用稀疏信号处理技术存在物理基础。微波成像的被观测场景是连续变化的，本身往往具有较强的相关性 。微波图像是特定微波观测条件下，场景回波数据经相干合成处理后电磁散射特性的表征。微波成像的稀疏性可以直接体现在微波图像或图像的变换域中。因而，作为被观测场景的不同观测数据集，微波成像原始数据、经部分成像处理的数据、图像或者在其变换域都具有稀疏化表征的可能性。同时考虑到微波成像过程的线性算子特性，可望揭示微波成像数据稀疏表征规律，在微波成像的稀疏表征与变换域映射研究方面取得突破，形成稀疏微波成像理论框架。 其次，国外稀疏信号处理理论方面近年来获得了重大的突破，稀疏信号处理技术日趋成熟。 出 了将稀疏线性回归等价转化为优化问题的充分条件，这个称为 条件约束了为观测区域目标的稀疏度和稀疏采样矩阵各列间的相关度，得到了广泛的应用，大大地深化了人们对于稀疏信号处理的认识。近年来，稀疏信号处理技术中优化问题的数值求解方法已相对成熟。国内研究人员已实现了对国外新近研究成果的理解和掌握，西安电子科技大学、清华大学对稀疏处理 在 空 时 两维自适应处理（ 方面的应用进行了初步研究 。 第三，国内微波成像技术近年来获取突飞猛进的进步。在工程研制方面，我国近年完成了星载微波成像雷达系统，机载合成孔径成像系统已 经可以批量生产交付用户使用。在新体制系统研制方面，我国实现了超高分辨率合成孔径雷达、干涉合成孔径雷达、多极化雷达等机载系统，某些技术指标已经达到国际先进水平。在理论研究方面，我国科研人员紧跟国际研究热点，在三维合成孔径雷达、极化干涉合成孔径雷达、多功能多模式合成孔径雷达系统等方面都开展了大量的研究工作 。 第四，国内科研院所和高校密切关注稀疏信号处理在微波成像技术领域的发展动态，针对典型稀疏的场景或目标，采用 理开展了一些数据处理和仿真的实验研究。如中科院电子所完成了微波暗室点目标稀疏成像试验，典型结果如图 6 所示，实验采用聚束 像模式，发射信号为步进频连续波信号，频率范围为 30 6(b)为经典 法成像结果，图 6(c)为抽取 10%原始数据后用 建技术获得的成像结果，其与经典成像算法结果相比，可以利用较少的原始数据实现非模糊成像，并且有效抑制了经典成像算法中存在的旁瓣问题。西安电子科技大学对长江舰船目标实测数据的成像结果，其中图 7(a)为方位采样满足奈奎斯特定理情况下采用常规成像算法的结果，可以实现对舰船目标的非模糊成像；图 7(b)为方位采样不满足奈奎斯特定理情况下采用常规成像算法 的结果，与图 7(a)相比存在模糊，不能实现对舰船目标的非模糊成像；在与 7(b)同样的数据条件下，图 7(c)为采用 法的成像结果，可以实现非模糊成像，而且很好的抑制了图 7(a)舰船目标成像中存在的旁瓣。这些成果初步验证了稀疏微波成像原理的正确性和可行性，为深入系统地开展稀疏微波成像理论、体制和方法的研究提供了重要的参考。 第五，本项目的参与单位可以为稀疏微波成像的验证提供实验条件和硬件基础。中科院电子所牵头的大科学工程“航空遥感系统”可以为本项目的飞行试验提供载机平台和相应的雷达设备，以获取稀疏微波成像机 载实验数据；中国航天科工集团二院二 O 七所“ 卫星遥感地物波谱特征实验室 ”可以在室内控制的条件下， 获 取 稀疏微波成像 模拟实验测量 数据 。 因此，虽然本项目是国内外首次系统地开展稀疏微波成像研究，但是将稀疏信号处理理论引入微波成像技术，具有物理基础，并且目前稀疏信号处理理论基础坚实，稀疏信号处理方法日趋成熟，开展稀疏微波成像机载 /地面验证实验基础雄厚，不存在不可逾越的障碍，取得重大突破的可能性很大。 (a) 目标光学图 (b) 法成像结果 (c) 基于 论的成像结果 图 6 微波暗室点目标稀疏成像试验 距离向 (m )方位向(m)基于 维成像结果1 . 4 1 . 6 1 . 8 5 4 3 2 10暗室试验 规成像结果距离向 (m )方位向(m)1 . 4 1 . 6 1 . 8 5 4 3 2 10 (a) (b) (c) 图 7 对长江舰船目标实测数据的成像结果。其中， (a)方位采样满足奈奎斯特 定理情况下采用常规成像算法的结果 ； (b)为方位采样不满足奈奎斯特定理 情况 下采用常规成像算法的结果； (c) 为与 (b)同样的数据条件下的 像结果。 四、年度计划 研究内