微波成像是一種不可或缺的遙感技術(shù)，它在農(nóng)林監(jiān)測(cè)、海洋監(jiān)測(cè)、測(cè)繪制圖、軍事偵察等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)是微波成像的一種重要形式，已成為遙感應(yīng)用不可或缺的手段。現(xiàn)有基于奈奎斯特采樣定理和經(jīng)典數(shù)字信號(hào)處理理論的微波成像系統(tǒng)存在雷達(dá)規(guī)模龐大甚至無法實(shí)現(xiàn)、海量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/傳輸難以實(shí)現(xiàn)、成像處理方法復(fù)雜且效率受限以及信息冗余但特征提取困難等瓶頸問題，迫切需要開展微波成像基礎(chǔ)性和前沿性研究。

稀疏微波成像是指將稀疏信號(hào)處理理論引入微波成像，且兩者有機(jī)結(jié)合形成微波成像新理論、新體制和新方法，即通過尋找被觀測(cè)對(duì)象的稀疏表征域，在空間、時(shí)間、頻譜或極化域稀疏采樣獲取被觀測(cè)對(duì)象的稀疏微波信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理和信息提取，獲取被觀測(cè)對(duì)象的空間位置、散射特征和運(yùn)動(dòng)特性等幾何與物理特征。

發(fā)展歷史：

1950年，稀疏信號(hào)處理
2006年，Donoho等人提出壓縮感知理論
2009年，壓縮感知理論被引進(jìn)到成像雷達(dá)中
2009年，國(guó)家973項(xiàng)目“稀疏微波成像的理論、體制和方法”開始，稀疏微波成像的概念被系統(tǒng)提出

如何將稀疏信號(hào)處理應(yīng)用于SAR經(jīng)歷了長(zhǎng)期的探索過程。由于在觀測(cè)場(chǎng)景的稀疏表征、大場(chǎng)景海量數(shù)據(jù)重構(gòu)的計(jì)算復(fù)雜性、系統(tǒng)與重構(gòu)性能評(píng)估等方面存在挑戰(zhàn)，在初始研究階段，將稀疏信號(hào)處理應(yīng)用于SAR系統(tǒng)及其成像在國(guó)際上存在一定爭(zhēng)議。

近年來，國(guó)內(nèi)外有一批研究機(jī)構(gòu)和科學(xué)家開展了將稀疏信號(hào)處理理論引入雷達(dá)成像的研究。2007年，美國(guó)Rice大學(xué)的R. Baraniuk等人首次提出了可將壓縮感知理論引入雷達(dá)成像中。英國(guó)愛丁堡大學(xué)、美國(guó)馬里蘭大學(xué)、德國(guó)弗勞恩霍夫?qū)W會(huì)高頻物理與雷達(dá)研究所（Fraunhofer FHR）、德國(guó)宇航局（DLR）等機(jī)構(gòu)也都開展了有關(guān)稀疏信號(hào)處理理論在SAR成像、目標(biāo)檢測(cè)以及三維成像等SAR應(yīng)用中的研究。 

國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所、清華大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等單位也較早開展了相關(guān)的研究工作。2010年，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（973計(jì)劃）的支持下，聯(lián)合國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)單位組織開展“稀疏微波成像的理論、體制和方法研究”項(xiàng)目。吳一戎院士帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)深入地開展了稀疏微波成像研究。該團(tuán)隊(duì)在稀疏微波成像體制、稀疏微波成像非模糊重建方法、基于三維相變圖的稀疏微波成像性能評(píng)估手段等方面取得了重要原創(chuàng)性成果，并成功開展了星載、機(jī)載、地基等原理性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。研究結(jié)果表明，稀疏微波成像不僅具有實(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能指標(biāo)SAR系統(tǒng)的潛力，而且可提升現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)的成像性能。

1、模型

微波成像系統(tǒng)獲取觀測(cè)場(chǎng)景后向散射系數(shù)的過程可以用線性時(shí)不變系統(tǒng)表示。稀疏微波成像模型由回波數(shù)據(jù)向量、降采樣矩陣、觀測(cè)矩陣、稀疏變換矩陣、后向散射系數(shù)向量和觀測(cè)噪聲構(gòu)成，可通過正則化方法求解。

圖1、稀疏微波成像模型

2、體制

微波成像稀疏觀測(cè)約束是指根據(jù)觀測(cè)對(duì)象稀疏特性建立的稀疏微波成像模型，基于觀測(cè)對(duì)象與獲取數(shù)據(jù)之間的映射機(jī)理構(gòu)建觀測(cè)矩陣。觀測(cè)矩陣的組成元素和構(gòu)建形式?jīng)Q定了稀疏微波成像雷達(dá)系統(tǒng)的性能：觀測(cè)矩陣的組成元素取決于雷達(dá)波形、采樣方式和成像幾何關(guān)系；觀測(cè)矩陣的構(gòu)建形式則與天線足印、天線排列方式有關(guān)。

圖2、SAR不同工作模式方位向觀測(cè)矩陣示意圖

3、重構(gòu)

稀疏微波成像非模糊重構(gòu)方法是指根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)原理，利用稀疏信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)對(duì)象的非模糊成像。從原始數(shù)據(jù)域出發(fā)，將稀疏信號(hào)處理與SAR解耦方法結(jié)合，減少了內(nèi)存需求，提高了計(jì)算效率。該方法廣泛應(yīng)用于ScanSAR、TOPS SAR、滑動(dòng)聚束等工作模式，以及一發(fā)多收SAR成像工作模式。該方法不但適用于滿采樣SAR數(shù)據(jù)，提高和改善成像質(zhì)量，而且在滿足一定條件下，還適用于欠采樣SAR數(shù)據(jù)。

圖3、基于DPCA數(shù)據(jù)處理算子的稀疏微波成像算法流程圖

4、評(píng)估

稀疏微波成像評(píng)估包括系統(tǒng)性能評(píng)估和圖像性能評(píng)估。在系統(tǒng)性能評(píng)估方面，綜合考慮稀疏度、降采樣比、信噪比因素的三維相變圖是常用的方法，它可定量反映稀疏重構(gòu)條件下場(chǎng)景稀疏度和雷達(dá)系統(tǒng)之間的關(guān)系。在圖像性能評(píng)估方面，既可采用分辨能力、峰值旁瓣比等經(jīng)典指標(biāo)，還可采用目標(biāo)背景比、檢測(cè)概率/虛警概率等指標(biāo)。

圖4、三維相變圖

5、實(shí)驗(yàn)

稀疏微波成像實(shí)驗(yàn)是對(duì)其原理、方法和性能方面進(jìn)行驗(yàn)證和評(píng)估。在已有雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)方面，利用稀疏信號(hào)處理的重構(gòu)方法，驗(yàn)證了提升性能的可行性。在機(jī)載原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方面，構(gòu)建稀疏微波成像樣機(jī)，開展航空飛行實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)獲取和信號(hào)處理方法的有效性。在星載原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方面，優(yōu)化現(xiàn)有雷達(dá)衛(wèi)星的波位選擇和信號(hào)處理，達(dá)到提升系統(tǒng)性能的目標(biāo)，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的合理性。

圖5、稀疏微波成像方法提升目標(biāo)背景比結(jié)果

6、設(shè)計(jì)

利用稀疏微波成像原理，在場(chǎng)景稀疏條件下，可不改變現(xiàn)有雷達(dá)硬件設(shè)備，降低方位向采樣頻率，經(jīng)過波位選擇實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)指標(biāo)的提升。根據(jù)稀疏微波成像中非均勻采樣重構(gòu)圖像質(zhì)量?jī)?yōu)于均勻采樣重構(gòu)圖像的特點(diǎn)，放寬星載多通道雷達(dá)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)PRF的約束條件，實(shí)現(xiàn)更大的測(cè)繪帶寬。

圖6、星載稀疏微波成像設(shè)計(jì)原理框圖

7、兩本新書

吳一戎院士提出的稀疏微波成像是指將稀疏信號(hào)處理理論引入微波成像，且兩者有機(jī)結(jié)合形成微波成像新理論、新體制和新方法。它不僅具有實(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能指標(biāo)SAR系統(tǒng)的潛力，而且可提升現(xiàn)有雷達(dá)系統(tǒng)的成像性能。該工作的研究成果已由科學(xué)出版社出版。科學(xué)出版社出版的《稀疏微波成像導(dǎo)論》和《稀疏微波成像應(yīng)用》是吳一戎團(tuán)隊(duì)近十年科研成果的梳理，是稀疏信號(hào)處理應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域不可多得的系統(tǒng)總結(jié)。

8、展望

稀疏微波成像作為微波成像中的新概念和新體制，在遙感應(yīng)用中已經(jīng)取得了重要的進(jìn)展。目前稀疏微波成像仍在不斷發(fā)展完善中，亟待解決在誤差理論分析、觀測(cè)矩陣優(yōu)化等方面的技術(shù)難題。隨著稀疏信號(hào)處理理論和方法的逐步完善，稀疏微波成像將逐步走向?qū)嵱没凸こ袒瑢⒃趯挿Ｑ笙∈枘繕?biāo)雷達(dá)成像、3 維SAR、逆SAR、被動(dòng)雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、探地/穿墻雷達(dá)、寬角/圓跡SAR、特征提取、數(shù)據(jù)壓縮等相關(guān)領(lǐng)域獲得巨大的應(yīng)用。

文章來源：科學(xué)出版社、雷達(dá)學(xué)報(bào)