主动声纳投影层析成像目标探测

发布时间：2017-09-26 20:16

  本文关键词：主动声纳投影层析成像目标探测

  更多相关文章： 成像 欠定逆问题 层析 傅里叶变换 模糊度函数 投影-切片定理

【摘要】：海洋可以看作为一幅华丽的挂毯,其中包含许多种类的信息载荷信号(如海洋生物信号,海洋环境自身的物理及化学现象产生的信号,还有人类在海洋活动过程中产生的人造信号)。对于海洋中的目标探测,可能面临数目和强度比目标都要大许多的类目标干扰,这些高维的干扰信号都被看作是情景信号的一部分,并且海洋自身是一个具有空-时演化特性的波导环境,因此得到的科学问题就是欠定条件下的逆问题。对于这样一个欠定逆问题,需要从仅考虑目标信号的边搜索-边跟踪方法发展到同时考虑情景信号和目标信号的边成像-边搜索-边跟踪方法,其中成像作为前处理,主要用来进行情景分析,即从低维的测量信号估计相对高维的情景信号,因而成像就是一个欠定逆问题求解。本文就是利用投影层析成像方法对包含目标的情景进行若干角度的照射和投影,通过层析算法将这些投影组合起来形成一幅该区域情景的像,进而实现对情景中目标的探测。 成像可以理解为由传感器采集到的观察信号提取用于情景分析的像,在数学上描述为从给定的与情景关联的一维波形集合sm(t)中估计用于描述情景的二维或三维函数(ρ(x, y)或ρ(x,y,z)),因而成像可以看作是由波的空-时域(波前-波形)到像域的变换。大多数情形下,我们都面临从不完备和含噪声数据中估计情景的像,通常是从低维的测量信号估计高维的可分辨的离散像素集合,所以将成像抽象为欠定逆问题求解。对于这样个欠定逆问题,无法直接通过方程求解形式得到唯一解,但从不确实性度量出发,可以分别以最小二乘发轫的估计理论和熵出发的信息理论下的准则,靠引入知识性的不变特征或约束以及合理的数据变换进行“降维”或“补欠”,通过估计选择出相应的最佳解。 成像主要包括时延-多普勒成像、衍射成像、傅里叶光学成像以及本文主要讨论的层析成像,无论是哪一种成像系统,其常用的数学工具就是傅里叶变换、模糊度函数和投影-切片定理。为了实现成像的高可靠分辨,本文主要考虑了时间波形的时延-多普勒高可靠分辨和阵形的空间方位高可靠分辨,其中时延对应于径向距离,多普勒对应于径向速度,寻求的是设计大时间-带宽乘积波形使时延-多普勒模糊度函数集中,同时设计大空间-带宽乘积阵形使阵响应向量集中。成像最本质的两种技术方法可以归纳为相干处理技术和非相干处理技术,其中分别以解卷成像和层析成像为代表,前者是一个匹配滤波形式,利用相干积累来提取关于像的信息,后者是本文的研究重点,主要利用空间分集产生的非相干积累来获得关于像的信息增益,通过对层析成像的理论分析,我们会发现层析成像最关键的数学原理就是投影-切片定理和Radon变换。本文分别将解卷成像和投影层析成像描述为像形成的代数方法和几何方法。 本文主要针对水下情景的主动声纳层析成像,通过沿预定理想路径运动的小尺寸实阵朝被观察情景区域发射脉冲串，并在相应的观察角度接收到脉冲串中单脉冲的反射回波，由每一个角度的回波可以计算得到该角度的投影，通过层析方法将这些投影组合成一幅情景的像。在实际情形中，由于实阵往往会偏离设定的理想轨道，所以需要进行运动补偿；同时为了使实阵运动过程中保持对准被观察的情景进行照射，即发射信号的相位在被观察情景中心处相关，还需要进行聚焦补偿。 本文主要考虑的一种情形是：沿理想轨道运动的小尺寸实阵发射一个chirp脉冲串，且chirp脉冲串的每一个单脉冲的发射和接收对应于某一个观察视角，通过层析方法对情景的像进行重构。本文通过两种方法来实现层析成像： （1）对chirp脉冲串的每一个单脉冲计算一个采样互模糊度函数，作为一个投影，然后通过层析方法将这些投影组合起来形成一幅情景的像。 （2）若chirp脉冲串满足一定条件前提下，，通过每个角度发射的脉冲得到相应的接收回波，通过去调频处理可以得到回波的去调频（dechirped）脉冲，将其近似为该角度处的切片，这样对于整个脉冲串信号，我们可以得到一个切片序列，利用层析的方法对切片序列进行处理形成一幅情景的像。 本文研究内容主要分为五部分展开，第一部分对成像系统进行概述，第二部分对成像的基本数学原理和方法进行论述，第三部分介绍了反射成像和衍射成像，第四部分研究了投影层析成像的理论和方法，并进行了仿真验证，第五部分对投影层析成像的实验进行了分析和研究，并对莫干山湖实验数据进行了处理和分析。
【关键词】：成像 欠定逆问题 层析 傅里叶变换 模糊度函数 投影-切片定理
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U666.7
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 成像系统概述11-23
• 1.1 成像问题简介11-14
• 1.1.1 成像主要研究内容11-13
• 1.1.2 成像的意义13-14
• 1.2 欠定逆问题求解14-21
• 1.2.1 不确实性度量14-19
• 1.2.2 最小二乘中的最大熵19-21
• 1.3 层析成像的发展历史与研究现状21-23
• 1.3.1 发展历史简述21
• 1.3.2 研究现状21-23
• 第二章 像形成基础23-51
• 2.1 傅里叶变换23-34
• 2.1.1 二维傅里叶变换24-26
• 2.1.2 三维傅里叶变换26-31
• 2.1.3 傅里叶变换在成像中的应用31-34
• 2.2 模糊度函数34-44
• 2.2.1 窄带与宽带波形的时延-多普勒表征34-37
• 2.2.2 不确实性椭圆与时延-多普勒分辨力37-42
• 2.2.3 脉冲串的模糊度函数42-44
• 2.3 解卷与层析44-51
• 2.3.1 解卷45-46
• 2.3.2 层析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 时延-多普勒分辨力57-60
• 3.2.2 空间方位分辨力60-69
• 3.3 聚焦补偿和运动补偿69-73
• 第四章 层析成像73-93
• 4.1 投影层析成像74-82
• 4.1.1 原理及方法74-79
• 4.1.2 仿真分析79-82
• 4.2 Chirp 脉冲串的投影层析成像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 层析成像实验研究93-107
• 5.1 层析成像实验设计93-96
• 5.1.1 实验目的93
• 5.1.2 原理简介93-94
• 5.1.3 实验设计94-96
• 5.2 莫干山湖实验96-107
• 5.2.1 莫干山湖实验环境及实验条件介绍96-98
• 5.2.2 实验内容及处理结果98-107
• 第六章 总结与展望107-109
• 6.1 论文总结107
• 6.2 研究方向展望107-109
• 参考文献109-113
• 攻读硕士学位期间参加的科研活动和发表论文113-115
• 致谢115

【共引文献】

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本文编号：925508