基于压缩感知的微波成像研究

基于压缩感知的微波成像研究

微波成像本质上属于电磁逆散射问题,在民用和军事领域都拥有广阔的应用前景。本文主要研究基于压缩感知的微波成像。

首先,本文针对实际应用中常见的无线定位问题,通过设计具有随机辐射特性的超材料结构,提出了一种基于随机辐射平面口径的压缩感知定位方法,并实现了二维平面内散射目标的定位实验。根据超材料在零折射率附近具有很强的非线性色散特性,理论推导出辐射电场的出射角度与频率之间的非线性关系。

基于传统雷达的模糊函数,通过空间-频率二维自相关函数计算验证了辐射场的伪随机性能。利用压缩感知算法对接收到的散射回波与随机辐射场信息作逆散射问题求解,从而实现比传统定位方法更少的数据量和更快的运算速度。

本文设计并实现了基于随机辐射平面口径的压缩感知定位系统,全波仿真和实际实验的定位结果均验证了上述定位方法的有效性。其次,本文针对当前热门的随机照射微波成像问题,利用随机调相的阵列天线获取随机辐射场,提出了一种具有最优成像距离的随机多波束照射微波成像方法,并实现了二维平面内微波成像实验。

同时,仿真实现了基于压缩感知的随机辐射照射成像,表明了利用压缩感知实现超分辨率成像的潜力。为了求解成像模型方程,随机照射成像体制的关键在于产生具有随机电磁特征的辐射场分布,进而实现对目标的随机测量。

利用奇异值分解和互相关性函数分别计算不同距离处成像系统函数的行相关性和列相关性,从而得到具有最优成像距离的随机照射微波成像系统,并通过仿真和实验进行了验证。最后,本文针对较少实验研究的实时微波隔墙成像问题,结合传统的逆散射成像模型和压缩感知理论框架,提出了基于空间压缩感知的实

时微波隔墙成像方法,并实现了对位于封闭墙体内的稀疏目标进行实时隔墙成像实验。

利用成像区域内物体和墙体的稀疏性,通过分时的多天线系统对目标进行不同空间位置测量从而实现压缩感知成像。与传统的电磁逆散射成像方法对比,在成像质量不受损的情况下,成像计算时间减少了两个数量级,表明了实际应用中实时成像的可行性。

根据已知墙体信息,墙体作为均匀背景的一部分构成新的非均匀背景,还提出了非均匀背景下基于压缩感知的隔墙成像方法。