反向投影穿透成像的自聚焦理论与实验研究

摘要

表层穿透雷达是利用电磁波对表层下目标定位、检测和识别的设备，在民用和军事领域应用十分广泛。与之相关的信号处理技术中，穿透成像可以有效地降低数据解译难度，意义重大。介质的电磁参数是实现穿透成像的必要条件，但工程环境中，介质参数往往很难精确获知，这给穿透成像带来很大不确定性。自聚焦技术通过评估图像聚焦程度自动调整参数完成聚焦，可有效解决参数未知的问题，实现不依赖参数配置的穿透成像，有利于促进穿透雷达的推广和应用。
　　目前对穿透雷达自聚焦成像技术的研究较少，尚缺乏自聚焦方法的机理与特性等的一些基础理论研究，尤以受介质环境影响较大的探地雷达为甚。本人在学期间，以探地雷达信号处理为主要研究内容，因此，本文开展了探地雷达自聚焦成像的基础理论和方法的研究，以期促进穿透成像技术的发展与应用。论文从自聚焦成像的基本原理、实现自聚焦成像的理论依据、聚焦度函数导出及性能分析三个方面展开了研究工作。
　　穿透雷达的自聚焦成像技术借鉴了光学自动聚焦成像方法，通过评估图像聚焦程度，自动调整参数完成聚焦，从而摆脱未知介质参数的束缚。第二章回顾了光学、SAR/ISAR领域的自聚焦技术，阐述了穿透雷达自聚焦成像的理论模型和实现方法。在自聚焦成像中，聚焦度函数是实现自聚焦的关键，为定量描述其性能，本章提出了衡量聚焦度函数性能的指标及其计算方法。
　　为实现自聚焦成像，图像中必须存在能反映参数偏差程度的特征，因此第三章展开了对探地雷达图像形态特征的研究。本章利用点扩散函数叠加模型，对图像中的扩散旁瓣的成因进行了理论解释，并导出了描述了扩散旁瓣几何形态的数学模型。分析表明，成像结果随参数变化表现出“散焦－聚焦－散焦”规律，从而为自聚焦成像提供了基本依据。
　　聚焦度函数用于评估图像聚焦程度，是实现自聚焦成像的关键，第四章通过理论分析和实验验证，就这一问题进行了研究。首先总结了现有的聚焦度函数及其问题，利用点扩散函数叠加模型，给出了导致一般聚焦度函数性能退化的原因，进一步推导了新的聚焦度函数，最后通过实验验证了文中提出的诸多结论。为使实验数据符合本文的模型假设，引入了基于“信号匹配－脉冲检测－波形替换”原理的时域脉冲压缩技术，并用同态滤波技术解决了匹配信号源未知的问题。

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第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3论文主要工作和结构

第二章 穿透成像自聚焦基本原理

2.1引言

2.2光学图像自动聚焦基本原理

2.3穿透成像自聚焦原理

2.4本章小结

第三章 BP自聚焦成像的图像形态特征

3.1引言

3.2探地雷达BP成像原理

3.3 BP穿透成像的点扩散函数叠加模型

3.4 BP成像的基本图像特征

3.5图像特性的影响因素

3.6参数误差引起的图像散焦

3.7本章小结

第四章 BP自聚焦成像的聚焦度函数

4.1引言

4.2基于经验特征的聚焦度函数

4.3基于图像形态学特征的聚焦度函数

4.4数据脉压增强

4.5聚焦度函数实验分析

4.6本章小结

第五章 结论与展望

5.1论文的主要工作回顾

5.2进一步的研究展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果