強策 夏凌 卿朝進

西華大學(xué)無線與移動通信研究室 成都 610039

壓縮感知—軍用雷達信號處理的新思路

強策 夏凌 卿朝進

西華大學(xué)無線與移動通信研究室 成都 610039

雷達被譽為國防千里眼，是國土防御的重要力量。但是，以奈奎斯特采樣定理為基礎(chǔ)的信號處理方法使雷達尤其是高分辨率雷達面臨著采樣率高、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)傳輸、存儲以及快速處理困難等問題，這就對雷達工作效率產(chǎn)生較大影響。壓縮感知理論帶來了信號采樣理論的重大變革，如果將壓縮感知技術(shù)應(yīng)用到雷達系統(tǒng)中去，將極大的推動雷達技術(shù)的革新與發(fā)展，對提高和改進我軍雷達作戰(zhàn)效能產(chǎn)生積極和深遠的影響。

雷達；信號處理；壓縮感知

引言

隨著信息化戰(zhàn)爭的到來，預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)作為國家空天攻防作戰(zhàn)最主要的信息源，直接從機械化戰(zhàn)爭的幕后走向信息化戰(zhàn)爭的前臺，成為空天戰(zhàn)場的“守護神”，成為影響整個戰(zhàn)爭成敗的關(guān)鍵因素。軍用雷達是獲取陸、海、空、天戰(zhàn)全天候、全天時戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)情報的重要手段之一，是防天、防空、防海和防陸武器系統(tǒng)和指揮自動化系統(tǒng)的千里眼。因而雷達技術(shù)先進與否，成為我軍在戰(zhàn)場上保存自己消滅敵人的關(guān)鍵因素。

一、雷達發(fā)展現(xiàn)狀

軍事上的迫切需要、現(xiàn)代信號處理技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對雷達信號處理的深入研究，促進了雷達的信號處理技術(shù)不斷向前發(fā)展，特別是寬帶雷達的應(yīng)用，具有更高的分辨率，適用于軍事需求。成像雷達通過對接收的寬帶回波信號進行脈沖壓縮獲得距離向（徑向）高分辨率。根據(jù)雷達與目標的運動狀態(tài)，成像雷達可分為合成孔徑雷達（SAR）和逆合成孔徑雷達（ISAR）兩大類。由于ISAR在非合作運動目標的二維成像方面具有高分辨率，在戰(zhàn)略防御、反衛(wèi)星、戰(zhàn)術(shù)武器等領(lǐng)域都有重要應(yīng)用價值，因此一直是國內(nèi)外軍用雷達成像的重點研究方向之一。

近年來，一種結(jié)合干涉技術(shù)和ISAR二維分辨技術(shù)的干涉逆合孔徑雷達（InISAR）三維成像方法引起了人們的關(guān)注。由于InISAR所獲得的三維圖像直接與目標的物理尺寸相一致，能夠反映出雷達目標不受運動特性影響的特征信息，因此成為提高目標識別能力的一種極為有效的技術(shù)途徑。

二、當前雷達系統(tǒng)在信號處理上遇到的難題

現(xiàn)代雷達系統(tǒng)應(yīng)用了大寬帶信號來獲得高分辨率雷達圖像，而高分辨率雷達圖像通常需要大的信號帶寬和長的成像時間才能實現(xiàn)，若信號接收采樣還以奈奎斯特采樣定理為基礎(chǔ)，將意味著導(dǎo)致系統(tǒng)數(shù)據(jù)量的劇增，這對雷達成像系統(tǒng)的信號處理能力特別是實時信號處理能力提出了更高的要求，也給相應(yīng)的硬件設(shè)備帶來了極大的挑戰(zhàn)。另一方面，大型的相控陣雷達系統(tǒng)需要配備成千上萬的元件和昂貴的T/R組件，而雷達觀測場景通常是非常稀疏的，如廣闊的大氣、空中只有少數(shù)的飛機、導(dǎo)彈等，這與大型的相控陣雷達系統(tǒng)和產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)明顯的不平衡，資源浪費非常明顯。而且相控陣雷達在探測遠距離的多個目標時，單位時間內(nèi)的探測脈沖數(shù)是有限的，雷達對目標觀測在數(shù)量和距離上必然相互制約，如果能用更少的脈沖數(shù)獲得所需要的目標信息，那么相控陣雷達的觀測目標數(shù)量將隨之增多。

三、壓縮感知

（一）壓縮感知簡介

壓縮感知（Compressed Sensing，CS）理論是由Donoho、Candes和Tao等人近幾年才提出的，它的出現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的采樣模式，使得在對信號進行少量隨機采樣的情況下也能恢復(fù)原始信號變?yōu)榭赡?。以極低的采樣速率，顯著降低了數(shù)據(jù)存儲和傳輸代價，給信號處理領(lǐng)域帶來新的曙光。該理論核心指出：當信號滿足稀疏性或經(jīng)過某種變換之后能表示成稀疏信號時，就可以用一個與變換基不相關(guān)的觀測矩陣將這個稀疏信號投影到一個低維空間上，而這個比原信號維數(shù)小很多的投影保留了重建原信號所需的信息，然后通過求解一個最優(yōu)化問題就能從這些少量的投影中以高概率重構(gòu)出原始信號。該理論實質(zhì)是通過保留數(shù)據(jù)匯總的有用信息，舍棄無用的部分，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的壓縮。

（二）將壓縮感知運用在雷達信號處理上是可行的

雷達成像的原理是利用雷達接收端獲得回波信號的反射特性在空間上分布的特點，因此根據(jù)雷達回波的信息來重建目標信息的過程就是雷達成像的最根本的體現(xiàn)。在高頻區(qū)域，雷達目標的回波可以認為是由較為重要的散射中心回波的合成，發(fā)射寬帶信號的雷達可以獲得的對分析有用的目標數(shù)量遠小于組成這些散射中心的原始的數(shù)據(jù)樣本數(shù)。雷達目標的這種電磁特性達到了壓縮感知理論對待壓縮信號稀疏性的要求，為將CS理論運用到雷達成像的應(yīng)用研究提供了可能。以上結(jié)論說明雷達回波與信號的稀疏理論相匹配，可以將壓縮感知的相關(guān)理論成果與雷達成像的相關(guān)技術(shù)相結(jié)合。由于壓縮感知理論能夠有效降低雷達系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)率，解決系統(tǒng)中超大數(shù)據(jù)量的采集、存儲和傳輸問題，這將給高分辨率雷達帶來巨大變革。

四、結(jié)語

將壓縮感知技術(shù)運用到我軍的雷達裝備等預(yù)警監(jiān)視系統(tǒng)中，將會大大減少信號處理、傳輸和存儲的時間和成本，提高武器作戰(zhàn)性能，在未來爭分奪秒的現(xiàn)代化、信息化戰(zhàn)場上贏得先機、克敵制勝。

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