本文關(guān)鍵詞：主動聲納投影層析成像目標(biāo)探測

  更多相關(guān)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(xué)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(biāo)探測,可能面臨數(shù)目和強(qiáng)度比目標(biāo)都要大許多的類目標(biāo)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(dǎo)環(huán)境,因此得到的科學(xué)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(biāo)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(biāo)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(jìn)行情景分析,即從低維的測量信號估計(jì)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(biāo)的情景進(jìn)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)對情景中目標(biāo)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(xué)上描述為從給定的與情景關(guān)聯(lián)的一維波形集合sm(t)中估計(jì)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(jì)情景的像,通常是從低維的測量信號估計(jì)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(shí)性度量出發(fā),可以分別以最小二乘發(fā)軔的估計(jì)理論和熵出發(fā)的信息理論下的準(zhǔn)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(jìn)行“降維”或“補(bǔ)欠”,通過估計(jì)選擇出相應(yīng)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(xué)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(xué)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(shí)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(yīng)于徑向距離,多普勒對應(yīng)于徑向速度,尋求的是設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)大空間-帶寬乘積陣形使陣響應(yīng)向量集中。成像最本質(zhì)的兩種技術(shù)方法可以歸納為相干處理技術(shù)和非相干處理技術(shù),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(guān)于像的信息,后者是本文的研究重點(diǎn),主要利用空間分集產(chǎn)生的非相干積累來獲得關(guān)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(guān)鍵的數(shù)學(xué)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(yù)定理想路徑運(yùn)動的小尺寸實(shí)陣朝被觀察情景區(qū)域發(fā)射脈沖串，并在相應(yīng)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(jì)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(shí)際情形中，由于實(shí)陣往往會偏離設(shè)定的理想軌道，所以需要進(jìn)行運(yùn)動補(bǔ)償；同時為了使實(shí)陣運(yùn)動過程中保持對準(zhǔn)被觀察的情景進(jìn)行照射，即發(fā)射信號的相位在被觀察情景中心處相關(guān)，還需要進(jìn)行聚焦補(bǔ)償。 本文主要考慮的一種情形是：沿理想軌道運(yùn)動的小尺寸實(shí)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(yīng)于某一個觀察視角，通過層析方法對情景的像進(jìn)行重構(gòu)。本文通過兩種方法來實(shí)現(xiàn)層析成像： （1）對chirp脈沖串的每一個單脈沖計(jì)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(yīng)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(jìn)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(jìn)行概述，第二部分對成像的基本數(shù)學(xué)原理和方法進(jìn)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(jìn)行了仿真驗(yàn)證，第五部分對投影層析成像的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了分析和研究，并對莫干山湖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理和分析。
【關(guān)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(xué)位授予單位】：中國艦船研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(shí)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(chǔ)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(yīng)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(shí)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(bǔ)償和運(yùn)動補(bǔ)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(shí)驗(yàn)研究93-107
• 5.1 層析成像實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)93-96
• 5.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>93
• 5.1.2 原理簡介93-94
• 5.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)94-96
• 5.2 莫干山湖實(shí)驗(yàn)96-107
• 5.2.1 莫干山湖實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)條件介紹96-98
• 5.2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及處理結(jié)果98-107
• 第六章 總結(jié)與展望107-109
• 6.1 論文總結(jié)107
• 6.2 研究方向展望107-109
• 參考文獻(xiàn)109-113
• 攻讀碩士學(xué)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(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

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本文編號：925508