基于频率选择表面的毫米波压缩感知成像技术研究

摘要

压缩感知理论是一个介于数学与信息处理领域间的热门研究前沿，它能够在远小于奈奎斯特采样率的情况下实现信号采集，并能从少量的非相关测量值中高效率重构出原始信号，使其在无线传感器网络、数据重构、图像处理、雷达成像等方面的应用越来越广泛。测量矩阵是压缩感知理论步入实践的关键，它对少量测量值的获取和原始信号的准确重构起着举足轻重的作用，但因其硬件实现的高成本和复杂度，严重制约了压缩感知的推广应用。毫米波具有良好的穿透性能和较强的抗干扰能力，使得毫米波成像技术在安检、探测、反恐等领域拥有无可比拟的优势。因此，利用压缩感知理论的采样特点，研究出一种易于硬件实现、复杂度和成本较低、重构效率较高的毫米波成像体制具有及其重要的现实意义。
　　本文在充分研究压缩感知理论和毫米波成像技术的基础上，围绕构建毫米波压缩感知成像体制，在以下几个方面进行了深入探讨：
　　1、研究了具有带通/带阻特性的频率选择表面理论，并基于PIN二极管开关，设计出可调环路型FSS结构单元，研究了偏置电路对FSS结构的影响。仿真结果表明，在频率为37.5GHz的毫米波辐射下，利用PIN二极管控制这种FSS结构单元的开/关状态，其对应呈现出带通/带阻特性，实现单元处毫米波传输特性的控制。
　　2、针对测量矩阵在毫米波压缩感知成像体制中的关键作用，仿真设计出可随机控制的10×10FSS掩膜板结构，并将这种随机掩膜板放置于毫米波天线上，则可通过这种口径的掩模板获取多次不相关测量，构造出有效测量矩阵。本文通过软件仿真对不同结构的口径进行了200次有效测量，构造了一个200×256测量矩阵，分析了测量矩阵的性能。
　　3、在研究毫米波压缩感知成像原理的基础上，利用重构算法对大小为16×16的原始图像进行恢复重构，验证了本文所提成像体制的可行性。仿真结果表明，这种成像方法易于从硬件上实现，复杂度和成本较低，能以较低测量次数实现较好的图像重构效果。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文结构安排

第二章 压缩感知基本理论

2.1 压缩感知原理

2.2 信号的稀疏表示

2.3 信号的非相关测量

2.4 信号的恢复重构

2.5 本章小结

第三章 基于FSS的随机掩膜板设计

3.1 FSS单元的设计

3.2 偏置电路对FSS单元的影响

3.3 随机掩膜板的设计

3.4 本章小结

第四章 毫米波压缩感知成像

4.1 毫米波压缩感知成像原理

4.2 基于FSS的测量矩阵构造

4.3 图像恢复仿真与分析

4.4 本章小结

结 束 语

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

附录A MATLAB调用HFSS脚本库程序