本文關鍵詞：主動聲納投影層析成像目標探測

  更多相關文章： 成像 欠定逆問題 層析 傅里葉變換 模糊度函數(shù) 投影-切片定理

【摘要】：海洋可以看作為一幅華麗的掛毯,其中包含許多種類的信息載荷信號(如海洋生物信號,海洋環(huán)境自身的物理及化學現(xiàn)象產(chǎn)生的信號,還有人類在海洋活動過程中產(chǎn)生的人造信號)。對于海洋中的目標探測,可能面臨數(shù)目和強度比目標都要大許多的類目標干擾,這些高維的干擾信號都被看作是情景信號的一部分,并且海洋自身是一個具有空-時演化特性的波導環(huán)境,因此得到的科學問題就是欠定條件下的逆問題。對于這樣一個欠定逆問題,需要從僅考慮目標信號的邊搜索-邊跟蹤方法發(fā)展到同時考慮情景信號和目標信號的邊成像-邊搜索-邊跟蹤方法,其中成像作為前處理,主要用來進行情景分析,即從低維的測量信號估計相對高維的情景信號,因而成像就是一個欠定逆問題求解。本文就是利用投影層析成像方法對包含目標的情景進行若干角度的照射和投影,通過層析算法將這些投影組合起來形成一幅該區(qū)域情景的像,進而實現(xiàn)對情景中目標的探測。 成像可以理解為由傳感器采集到的觀察信號提取用于情景分析的像,在數(shù)學上描述為從給定的與情景關聯(lián)的一維波形集合sm(t)中估計用于描述情景的二維或三維函數(shù)(ρ(x, y)或ρ(x,y,z)),因而成像可以看作是由波的空-時域(波前-波形)到像域的變換。大多數(shù)情形下,我們都面臨從不完備和含噪聲數(shù)據(jù)中估計情景的像,通常是從低維的測量信號估計高維的可分辨的離散像素集合,所以將成像抽象為欠定逆問題求解。對于這樣個欠定逆問題,無法直接通過方程求解形式得到唯一解,但從不確實性度量出發(fā),可以分別以最小二乘發(fā)軔的估計理論和熵出發(fā)的信息理論下的準則,靠引入知識性的不變特征或約束以及合理的數(shù)據(jù)變換進行“降維”或“補欠”,通過估計選擇出相應的最佳解。 成像主要包括時延-多普勒成像、衍射成像、傅里葉光學成像以及本文主要討論的層析成像,無論是哪一種成像系統(tǒng),其常用的數(shù)學工具就是傅里葉變換、模糊度函數(shù)和投影-切片定理。為了實現(xiàn)成像的高可靠分辨,本文主要考慮了時間波形的時延-多普勒高可靠分辨和陣形的空間方位高可靠分辨,其中時延對應于徑向距離,多普勒對應于徑向速度,尋求的是設計大時間-帶寬乘積波形使時延-多普勒模糊度函數(shù)集中,同時設計大空間-帶寬乘積陣形使陣響應向量集中。成像最本質(zhì)的兩種技術方法可以歸納為相干處理技術和非相干處理技術,其中分別以解卷成像和層析成像為代表,前者是一個匹配濾波形式,利用相干積累來提取關于像的信息,后者是本文的研究重點,主要利用空間分集產(chǎn)生的非相干積累來獲得關于像的信息增益,通過對層析成像的理論分析,我們會發(fā)現(xiàn)層析成像最關鍵的數(shù)學原理就是投影-切片定理和Radon變換。本文分別將解卷成像和投影層析成像描述為像形成的代數(shù)方法和幾何方法。 本文主要針對水下情景的主動聲納層析成像,通過沿預定理想路徑運動的小尺寸實陣朝被觀察情景區(qū)域發(fā)射脈沖串，并在相應的觀察角度接收到脈沖串中單脈沖的反射回波，由每一個角度的回波可以計算得到該角度的投影，通過層析方法將這些投影組合成一幅情景的像。在實際情形中，由于實陣往往會偏離設定的理想軌道，所以需要進行運動補償；同時為了使實陣運動過程中保持對準被觀察的情景進行照射，即發(fā)射信號的相位在被觀察情景中心處相關，還需要進行聚焦補償。 本文主要考慮的一種情形是：沿理想軌道運動的小尺寸實陣發(fā)射一個chirp脈沖串，且chirp脈沖串的每一個單脈沖的發(fā)射和接收對應于某一個觀察視角，通過層析方法對情景的像進行重構。本文通過兩種方法來實現(xiàn)層析成像： （1）對chirp脈沖串的每一個單脈沖計算一個采樣互模糊度函數(shù)，作為一個投影，然后通過層析方法將這些投影組合起來形成一幅情景的像。 （2）若chirp脈沖串滿足一定條件前提下，，通過每個角度發(fā)射的脈沖得到相應的接收回波，通過去調(diào)頻處理可以得到回波的去調(diào)頻（dechirped）脈沖，將其近似為該角度處的切片，這樣對于整個脈沖串信號，我們可以得到一個切片序列，利用層析的方法對切片序列進行處理形成一幅情景的像。 本文研究內(nèi)容主要分為五部分展開，第一部分對成像系統(tǒng)進行概述，第二部分對成像的基本數(shù)學原理和方法進行論述，第三部分介紹了反射成像和衍射成像，第四部分研究了投影層析成像的理論和方法，并進行了仿真驗證，第五部分對投影層析成像的實驗進行了分析和研究，并對莫干山湖實驗數(shù)據(jù)進行了處理和分析。
【關鍵詞】：成像 欠定逆問題 層析 傅里葉變換 模糊度函數(shù) 投影-切片定理
【學位授予單位】：中國艦船研究院
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U666.7
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 成像系統(tǒng)概述11-23
• 1.1 成像問題簡介11-14
• 1.1.1 成像主要研究內(nèi)容11-13
• 1.1.2 成像的意義13-14
• 1.2 欠定逆問題求解14-21
• 1.2.1 不確實性度量14-19
• 1.2.2 最小二乘中的最大熵19-21
• 1.3 層析成像的發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀21-23
• 1.3.1 發(fā)展歷史簡述21
• 1.3.2 研究現(xiàn)狀21-23
• 第二章 像形成基礎23-51
• 2.1 傅里葉變換23-34
• 2.1.1 二維傅里葉變換24-26
• 2.1.2 三維傅里葉變換26-31
• 2.1.3 傅里葉變換在成像中的應用31-34
• 2.2 模糊度函數(shù)34-44
• 2.2.1 窄帶與寬帶波形的時延-多普勒表征34-37
• 2.2.2 不確實性橢圓與時延-多普勒分辨力37-42
• 2.2.3 脈沖串的模糊度函數(shù)42-44
• 2.3 解卷與層析44-51
• 2.3.1 解卷45-46
• 2.3.2 層析46-51
• 第三章 反射成像和衍射成像51-73
• 3.1 成像方程51-57
• 3.1.1 反射成像方程51-55
• 3.1.2 衍射成像方程55-57
• 3.2 成像分辨力57-69
• 3.2.1 時延-多普勒分辨力57-60
• 3.2.2 空間方位分辨力60-69
• 3.3 聚焦補償和運動補償69-73
• 第四章 層析成像73-93
• 4.1 投影層析成像74-82
• 4.1.1 原理及方法74-79
• 4.1.2 仿真分析79-82
• 4.2 Chirp 脈沖串的投影層析成像82-93
• 4.2.1 原理及方法82-85
• 4.2.2 仿真分析（1）85-88
• 4.2.3 仿真分析（2）88-93
• 第五章 層析成像實驗研究93-107
• 5.1 層析成像實驗設計93-96
• 5.1.1 實驗目的93
• 5.1.2 原理簡介93-94
• 5.1.3 實驗設計94-96
• 5.2 莫干山湖實驗96-107
• 5.2.1 莫干山湖實驗環(huán)境及實驗條件介紹96-98
• 5.2.2 實驗內(nèi)容及處理結果98-107
• 第六章 總結與展望107-109
• 6.1 論文總結107
• 6.2 研究方向展望107-109
• 參考文獻109-113
• 攻讀碩士學位期間參加的科研活動和發(fā)表論文113-115
• 致謝115

【共引文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：925508