复杂电磁环境下基于目标动特性的微波成像技术

摘要

在现代城市战场、反恐突击、灾后救援等行动中,穿墙雷达(Through-the-Wall Radar, TWR)能够对隐藏在掩体、建筑物、废墟等环境下的人员进行非侵入式的探测与成像,作为重要的现场态势感知工具,为后续行动提供了信息支撑,增加了行动的有效性,因此,其相关技术的研究具有重要的理论意义和应用价值。
　　由于TWR必须满足高空域分辨力要求,其天线孔径、信号带宽都在沿着更大、更宽的趋势发展,而因此带来的信号处理问题也不断凸显。使用传统成像方法需要对信号进行高速采样,增加了采样系统的压力,同时高采样速率所带来的大数据量将形成对处理系统的二次负担,因此限制了TWR的性能和发展。
　　针对上述问题,本文从一发多收(Single-Input Multi-Output, SIMO)TWR的工作原理和信号传播的物理过程开始,重点研究两个科学问题:墙体散射影响及补偿办法、目标动特性在成像过程中的应用。以下为主要研究内容:
　　1.研究了基于一发多收的合成孔径雷达成像技术,给出了数值仿真结果并讨论了系统结构与参数变化对成像效果的影响;
　　2.研究了传统TWR工作原理并分析了墙壁对于电磁波的衰减、折射等影响,建立了TWR回波模型,针对具有复杂散射特性的墙体,本文研究了一种改进的基于最小化熵的墙体厚度估计方法。该方法利用电磁波在墙壁内的折射模型,采用两组天线阵列的回波数据对墙体参数进行估计,并给出基于后向投影( Back Projection,BP)算法的静目标成像及动目标检测机制。数值仿真证实该方法可有效的估计墙壁参数,显著提升了TWR成像中对目标的聚焦与成像性能。
　　3.为了降低探测系统在信号采样率上的要求,本文充分利用变化检测后的动目标在成像空间上具有的稀疏性,结合墙壁参数建立了 TWR中目标的稀疏表示模型,提出一种基于目标动特性的压缩感知(Compressed Sensing,CS)成像方法,通过该方法能够以远小于奈奎斯特采样定理的采样率获取回波并准确恢复动目标的成像信息,并通过数值仿真验证了方法的有效性,同时给出了系统配置和采样参数与成像性能之间的分析与结论。

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 技术背景与国内外研究动态

1.3 技术难点与本文创新点

1.4 本文研究内容与结构安排

第二章 超宽带合成孔径成像理论基础

2.1 线性调频脉冲雷达工作原理

2.2 基于一发多收的雷达成像算法

2.3 一发多收的雷达成像算法仿真

2.4 系统结构与参数影响

2.5 本章小结

第三章 穿墙雷达参数估计与成像技术研究

3.1 目标与场景特性分析

3.2 TWR回波模型

3.3 杂波抑制

3.4 TWR成像算法

3.5 本章小结

第四章 基于压缩感知的穿墙雷达成像技术研究

4.1 压缩感知理论基础

4.2 基于CS的TWR成像技术

4.3 系统结构与参数影响

4.4 本章小结

第五章 结束语

5.1 主要工作总结

5.2 后续工作展望

致谢

参考文献