基于稀疏感知的毫米波干涉综合孔径辐射成像和目标检测方法研究

摘要

毫米波干涉综合孔径辐射成像系统利用多个小孔径天线合成了一个等效的大孔径天线接收目标场景的毫米波辐射信号，通过复相关运算直接在空频域测得可见度函数并对其反演得到目标场景的毫米波亮温图像，有效的提高了毫米波辐射成像系统的空间分辨率和灵敏度等探测性能，具有隐蔽性强、对金属目标敏感、不受沙尘、烟雾、夜晚等恶劣条件干扰的优点，在军事和民用领域如导航、对地遥感和反恐安检等方面获得了广泛应用，在目标探测领域具有重要地位。 毫米波干涉综合孔径辐射成像的最终目的是获得高质量的毫米波亮温图像并对其进行有效的目标检测以满足不同应用需求，因此高性能的反演算法和目标检测方法是毫米波干涉综合孔径辐射成像的研究重点。论文结合稀疏感知理论，从毫米波干涉综合孔径辐射成像的基础原理和模型入手，深入研究成像反演的特征，提出了基于稀疏感知的毫米波干涉综合孔径辐射成像反演方法，并结合视觉显著性理论，研究了适用于毫米波干涉综合孔径辐射成像机制的目标检测算法，主要包括以下几个方面的研究内容: (1)毫米波干涉综合孔径辐射成像的目标特性、建模仿真、成像反演特征等方面的研究。首先介绍了毫米波目标辐射特性并从统计特性角度进行了建模仿真，接着从二元干涉仪入手，利用系统传输特性推导了远场毫米波干涉测量的复相关输出和目标场景毫米波亮温分布的关系，并对上述模型进行改进得到了远近场统一的复相关输出和目标场景毫米波亮温分布的关系，最后介绍了毫米波干涉综合孔径辐射成像反演算法的基本思想和方法，分析了现有的反演算法面临的问题。 (2)毫米波干涉综合孔径辐射成像一维稀疏成像模型与相应的一维成像反演算法的研究。从毫米波干涉综合孔径辐射成像反演的数值处理角度出发，分析了毫米波干涉综合孔径亮温图像的统计特点，归纳了其特有的先验信息，结合压缩感知理论提出了毫米波干涉综合孔径辐射成像一维稀疏成像模型;针对该模型提出了稀疏正则化反演算法，该算法降低了系统数据处理量，提升了成像反演的准确度和鲁棒性;通过对稀疏正则化反演算法稀疏求解性能的挖掘，结合针对毫米波干涉综合孔径亮温图像的统计特点而改进加权的参数，提出了重加权L1范数反演算法，该算法进一步提高了对系统噪声和误差干扰的抑制能力，提升了成像反演的准确度。 (3)毫米波干涉综合孔径辐射成像二维稀疏成像模型与相应的二维成像反演算法的研究。通过对毫米波干涉综合孔径辐射成像一维成像反演模型的修正，得到了二维成像反演模型，结合低秩矩阵恢复理论提出了毫米波干涉综合孔径辐射成像二维稀疏成像模型;针对该模型提出了二维奇异值阈值反演算法，该算法降低了系统数据处理量，克服了一维成像反演方法难以反演大维度毫米波亮温图像的不足;从无约束拉格朗日模型角度出发，提出了二维加速近端梯度反演算法，该算法在低数据处理量下进一步提高了成像反演的速度，提升了成像反演的准确度。 (4)基于频域显著性的毫米波干涉综合孔径亮温图像目标检测算法的研究。根据毫米波干涉综合孔径辐射成像的特点和毫米波干涉综合孔径亮温图像的统计特征，建立了毫米波干涉综合孔径辐射成像的目标检测模型，结合视觉显著性理论，提出了基于频域显著性的毫米波干涉综合孔径亮温图像目标检测算法，解决了成像反演过程中信息损耗对传统空域检测方法产生不良影响的问题，增强了对弱目标的检测能力，提高了检测速度和准确度。 (5)毫米波干涉综合孔径辐射成像系统的设计实现。以二元干涉仪为基本单元，借助模块式部件，设计实现了一个近场扫描式双通道毫米波干涉综合孔径辐射成像系统，进行了干涉条纹测试实验，对成像系统的性能进行了验证;借助点辅助源对近场成像系统的估计参数进行了校准，并进行了反演成像实验，验证了论文提出的基于稀疏感知的成像反演方法的有效性。

目录

声明

摘要

符号注释表

1绪论

1．1研究背景和意义

1．2国内外研究概况

1．2．1干涉综合孔径辐射成像系统

1．2．2干涉综合孔径辐射成像反演方法

1．2．3干涉综合孔径辐射成像目标检测方法

1．3稀疏感知理论和视觉显著性检测理论

1．3．1稀疏感知理论

1．3．2视觉显著性检测理论

1．4论文结构安排与创新点

2毫米波干涉综合孔径辐射成像原理与建模分析

2．1引言

2．2电磁波辐射理论与建模

2．2．1黑体辐射与物体毫米波亮温

2．2．2毫米波目标辐射统计模型

2．3毫米波干涉综合孔径辐射成像原理与模型

2．3．1毫米波干涉测量的基本原理

2．3．2毫米波干涉测量原理的统计特性模型

2．3．3近场成像原理与远近场统一模型

2．4毫米波干涉综合孔径辐射成像反演方法

2．4．1毫米波干涉综合孔径辐射成像反演面临的问题

2．4．2毫米波干涉综合孔径辐射成像反演的数学模型

2．4．3毫米波干涉综合孔径辐射成像反演算法

2．5本章小结

3基于一维稀疏感知的毫米波干涉综合孔径辐射成像方法

3．1引言

3．2稀疏表示理论和一维稀疏感知模型

3．3毫米波干涉综合孔径辐射成像一维稀疏成像模型

3．4毫米波干涉综合孔径辐射成像稀疏正则化反演算法

3．4．1稀疏正则化反演算法

3．4．2仿真实验及结果分析

3．5毫米波干涉综合孔径辐射成像重加权L1范数反演算法

3．5．1重加权L1范数反演算法

3．5．2仿真实验及结果分析

3．6本章小结

4基于二维稀疏感知的毫米波干涉综合孔径辐射成像方法

4．1引言

4．2二维稀疏感知理论与模型

4．3毫米波干涉综合孔径辐射成像二维成像模型与稀疏表示

4．4毫米波干涉综合孔径辐射成像二维奇异值阈值反演算法

4．4．1二维奇异值阈值反演算法

4．4．2仿真实验及结果分析

4．5毫米波干涉综合孔径辐射成像二维加速近端梯度反演算法

4．5．1二维加速近端梯度反演算法

4．5．2仿真实验及结果分析

4．6本章小结

5基于显著性理论的毫米波干涉综合孔径亮温图像目标检测方法

5．1引言

5．2显著性理论与频域显著性检测模型

5．2．1显著性理论

5．2．2显著性检测模型

5．3基于频域显著性的毫米波干涉综合孔径亮温图像目标检测算法

5．3．1毫米波干涉综合孔径亮温图像目标检测的特点

5．3．2基于频域显著性的目标检测算法

5．4仿真实验及结果分析

5．5本章小结

6毫米波干涉综合孔径辐射成像系统实验验证

6．1引言

6．2毫米波干涉综合孔径辐射成像系统关键部件

6．2．1天线扫描模块

6．2．2系统射频接收模块

6．2．3高速数据采集模块

6．2．4系统软件的界面设计

6．3干涉条纹测试与成像实验

6．3．1干涉条纹测试与参数校正

6．3．2近场毫米波干涉综合孔径辐射成像实验

6．4本章小结

7全文总结与展望

7．1全文总结

7．2存在的问题及工作展望

致谢

参考文献

附录