宽带雷达目标估计：正交压缩采样与波形设计

Wideband radar with high resolution has wide applications to target imaging, classification and identification. Its central task is to estimate the target reflectivity density which distributes in range-Doppler plane discretely or over a continuum. It has been proved that the reflectivity density is identificable and can be estimated by transmitting a set of waveforms derived from a kernel corresponding to the density. However, the implementable theory needs to be further explored. Due to Doppler scaling effect, the central frequency and bandwidth of the radar echoes are different from the transmitting waveforms, which put further burdens for echo sampling and processing. This proposal proposes a waveform diverse wideband radar to implement the multiple transmitting waveforms and studies the sub-Nyquist sampling of the radar echoes, the target reflectivity estimation and the waveform design. To achieve these aims, the proposal first develops a quadrature compressive sampling suitable for the sub-Nyquist sampling of the wideband echoes, and then establishes a compressive sampling reconstruction based theory on waveform design and identificability of the target reflectivity density. The proposed waveform design and target estimation are conducted in compressed domain, thus having small data size and low computational load. The results are applicable to the implementation of the wideband radars.

带宽雷达具有高的分辨率，可广泛应用于目标成像、分类和识别等，其核心任务是估计离散或连续地分布在距离-多普勒平面上的目标反射特性。业已证明目标的可辨识性和估计方法可通过发射“多个雷达信号”和处理相应回波来实现。但是，宽带雷达的可实现理论仍需深入研究。特别是由于多普勒尺度效应，目标回波的中心频率和带宽相对于发射信号发生变化，为回波信号的采样和处理带来新的挑战。本项目提出采用波形分集实现多发射信号宽带雷达，研究宽带雷达的低速采样、波形设计和目标估计。与其它研究不同，本项目以正交压缩采样为纽带，在获取回波基带信号低速采样的同时，建立低速采样与目标反射特性和雷达波形之间的关系，继而构建基于压缩采样可重构性的波形设计和目标可辨识性理论及目标估计方法。该研究不仅实现宽带信号的低速采样，而且波形设计和目标估计方法都是在压缩域进行的，具有数据规模小、计算量少的优点，其研究成果可应用于实现宽带雷达系统。

本项目基于压缩感知理论框架，开展面向宽带雷达应用的正交压缩采样系统设计与实现研究，发展相应的基于正交压缩采样数据的雷达信号处理技术。项目取得的主要研究成果包括：.（1）针对雷达回波特点，提出了基于正交压缩采样的宽带雷达信号采集系统，开展了相应的系统设计方案研究，并实现了硬件原理电路。针对宽带雷达频谱感知的需求，开展了多带雷达回波信号的sub-Landau率采集系统设计，提出了一种多带正交压缩采样系统。.（2）考虑雷达应用中目标回波信号实时性采集的要求，开展了基于正交压缩采样的雷达回波快速实时重构技术研究，提出基于分块滑动思想的雷达回波快速实时重构方法，并理论分析了分块重构时的信号重构性能。此外，还针对高速运动目标跨距离门的情况，开展了运动目标回波信号快速实时重构技术研究。.（3）针对宽带雷达时延-尺度因子模型，发展新的适用于宽带雷达的稀疏表示模型及其相应的处理方法。根据宽带雷达信号的频谱特性和结构特性分别提出了三种宽带雷达时延-尺度因子联合估计方法：基于改进型梅林匹配滤波的参数估计方法、基于原子范数最小化的参数估计方法以及基于稀疏贝叶斯学习的参数估计方法。.（4）针对宽带雷达合成孔径成像（SAR）应用，开展了基于低速采样的SAR成像技术研究，对于稀疏目标场景和非稀疏目标场景分别提出了基于正交压缩采样的SAR成像方法。作为压缩感知理论在SAR领域应用的延伸，我们还开展了基于不同分辨率SAR图像下的InSAR成像方法研究，提出了基于稀疏重构的InSAR成像技术。.（5）为了解决宽带雷达在复杂电磁环境中对抗干扰的问题，开展了宽带雷达抗干扰技术研究，针对窄带干扰提出了基于正交压缩采样数据的干扰抑制算法。在宽带雷达成像应用中，开展了基于多个脉冲周期联合处理的窄带干扰抑制方法研究，提高了宽带雷达在复杂电磁环境中的成像性能。