应用稀疏表示的宽带相干超分辨方位估计方法

针对无源声呐中宽带相干处理对邻近弱目标分辨能力仍不足的问题,提出一种相干聚焦后稀疏空间谱求解的宽带超分辨方位估计方法。首先将不同频点数据相干聚焦到参考频点,构成多测量矢量稀疏求解问题,然后采用二阶锥规划内点算法进行稀疏空间谱拟合,实现了宽带弱目标超分辨方位估计。仿真试验结果表明,该方法在弱目标分辨和方位估计精度方面优于宽带非相干和相干信号子空间高分辨处理方法。32元拖曳阵海试数据的处理结果验证了该方法的优越性能,同时说明了该方法在无源声呐探测中应用的可行性。      

应用稀疏表示的宽带相干超分辨方位估计方法

针对无源声呐中宽带相干处理对邻近弱目标分辨能力仍不足的问题,提出一种相干聚焦后稀疏空间谱求解的宽带超分辨方位估计方法。首先将不同频点数据相干聚焦到参考频点,构成多测量矢量稀疏求解问题,然后采用二阶锥规划内点算法进行稀疏空间谱拟合,实现了宽带弱目标超分辨方位估计。仿真试验结果表明,该方法在弱目标分辨和方位估计精度方面优于宽带非相干和相干信号子空间高分辨处理方法。32元拖曳阵海试数据的处理结果验证了该方法的优越性能,同时说明了该方法在无源声呐探测中应用的可行性。     

逆合成孔径成像激光雷达数据采样技术

逆合成孔径成像激光雷达能够实现对运动目标的高分辨实时成像,但激光信号的极大带宽和目标回波信号的微弱性给雷达回波数据的接收和处理带来了较大困难.针对这一问题,提出了基于光外差探测手段和压缩感知理论相结合的信号采样方法,首先通过光外差探测降低回波信号的有效带宽,再结合压缩感知理论实现对信号的稀疏化采样和重构.仿真结果证明了运用本文所提出的采样方法,在使用远低于奈奎斯特定理所规定的采样率时,仍然能够实现对目标的高质量成像.     

逆合成孔径成像激光雷达数据采样技术

逆合成孔径成像激光雷达能够实现对运动目标的高分辨实时成像,但激光信号的极大带宽和目标回波信号的微弱性给雷达回波数据的接收和处理带来了较大困难.针对这一问题,提出了基于光外差探测手段和压缩感知理论相结合的信号采样方法,首先通过光外差探测降低回波信号的有效带宽,再结合压缩感知理论实现对信号的稀疏化采样和重构.仿真结果证明了运用本文所提出的采样方法,在使用远低于奈奎斯特定理所规定的采样率时,仍然能够实现对目标的高质量成像.     

水声信号稀疏重构高分辨角度-多普勒成像

针对傅氏空时二维谱估计分辨率低以及声呐空时采样数据样本数不足给角度-多普勒成像带来困难的问题,提出一种水声信号稀疏重构的高分辨角度-多普勒成像方法和抗混响空时滤波器的稀疏重构方法。该方法在声呐阵列单测量向量的极少观测样本条件下,建立阵列信号的空时稀疏表示模型,应用稀疏表示的匹配追踪算法和基追踪算法重构回波与混响的高分辨角度-多普勒像。并根据运动声呐回波与混响的空时分布规律及声呐待检测距离单元位置的先验信息,沿着混响空时分布脊线设计混响稀疏表示的专用空时导向向量字典,通过重构抗混响空时滤波器来抑制角度-多普勒平面的混响干扰。对运动声呐前视和侧视阵列的计算机仿真结果表明,在混响背景中,该方法采用声呐阵列单测量向量重构了低速运动目标多亮点回波的高分辨角度-多普勒像,频率分辨率突破傅里叶分辨率,角度分辨率突破阵列瑞利限,分辨率明显优于傅氏空时谱估计。      

频域宽带下视多波束三维声成像算法

为解决下视多波束三维成像声呐跨航向分辨率差、旁瓣级高的问题,提出一种频域宽带下视多波束三维声成像算法。该算法将阵元域回波信号通过二维傅里叶变换直接变换到波数-频率域,之后进行深度向匹配滤波,同时选取带宽内的频点进行频域宽带信号的相位补偿,再进行二维逆傅里叶变换回阵元域,实现跨航向-深度向成像处理。沿航向采用时域合成孔径方法,得到三维图像结果.计算机仿真和海上实验结果表明,相比于常规的下视多波束三维成像声呐处理算法,改进的方法跨航向主瓣变窄,角分辨率明显提高,旁瓣降低10~30 dB。相比于传统基于分块DFT的频域宽带波束形成,改进的频域宽带方法避免了跨航向处理中的时域分块插值和多次变换域,复数加法和乘法次数显著降低。改进的频域宽带下视多波束三维声成像算法可以有效地获取水下三维高分辨图像,抑制虚影,明显改善成像质量。同时,计算效率高,更适合于实时成像系统实现。      

一种基于弱监督学习的声图小目标快速检测方法*

小目标检测是声呐图像理解中最引人瞩目,同时又极具挑战性的任务之一。该文基于离散余弦变换和K-近邻聚类,提出了一种快速检测方法。离散余弦变换用于生成图像的指纹,是原始图像在二维频域的一种稀疏表达;改进的K-近邻模型对于带有标签数据的需求量相对较低,提升了算法的处理效率和对弱监督场景的适应性。经试验验证,该方法可在准确率和召回率之间达到一个恰当的平衡点,同时在实时成像的合成孔径声呐图像小目标检测中,获得了较为可靠的结果。     

光栅干涉二维合成孔径的实验研究

本文对一种成像系统——光栅干涉合成孔径成像系统进行了研究,证明这种频域成像系统具有高分辨,甚至超分辨的性能.用计算机控制的模拟点目标以及同步光栅扫描,完成了二维孔径合成实验,证明这种大瞬时光谱带宽的频谱孔径不受衍射极限限制,对空间点目标有极高的位置分辨率,存在超分辨的可能性.     

适用于非匀速直线航迹的FFBP算法在SAS中的应用

时域的快速因式分解后向投影(FFBP)算法便于进行运动补偿,能够更好地适应方位向速度的不均匀和非直线航迹。本文探讨了在合成孔径声呐(SAS)系统中采用FFBP算法针对有一定起伏的非匀速直线航迹成像时的解决方法,参考方位向的速度信息进行非均匀的孔径合并策略,同时在利用相位中心重叠法(DPC)估计出声呐基阵对所规划航迹的左右侧移量后,用最小二乘准则拟合出一条理想的直线航迹并将FFBP算法处理中的初级子图像的原点补偿至此直线。实际海试数据处理结果证明了所提出的方法能够以较好的性能进行成像。     

一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法

当合成孔径声呐测绘带较大时,运动误差的空变效应严重,经典的相位中心重叠算法难以适用。为此,提出了一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法。首先使用混合调制的拉格朗日时延估计算法对前后两帧回波的时延进行估计,之后使用线性回归方法拟合出运动误差,最后利用运动误差的估计值对回波进行逐点精确补偿。仿真数据的结果表明,该算法能够获得比相位中心重叠算法更好的运动估计结果,运动补偿后成像分辨率接近理论分辨率。使用该算法分别对高、低频合成孔径声呐的湖试数据进行了处理,水下地貌和小目标的成像质量均有明显提高。      

交叉验证多路径匹配追踪水声矢量阵稀疏方位估计

水下运动目标的高分辨DOA估计和目标的左右舷分辨问题一直是水声阵列信号处理中的一个核心问题。矢量阵相比于声压阵具有天然的左右舷分辨能力和更高的处理增益,近年来得到了广泛关注。Capon等一些传统高分辨处理方法存在不能解相干源、需要多快拍处理以及对阵列流行误差敏感等多种问题。针对水声阵列信号处理领域面临的以上问题,利用声呐工作场景中空间目标的稀疏性,本文提出了一种基于交叉验证技术的多路径匹配追踪（Multiplepath Matching Pursuit with Cross Validation,CV-MMP）声矢量阵稀疏DOA估计算法。该算法采用交叉验证技术可以在未知场景中目标个数的条件下实现稀疏DOA的估计,相比于常规的声矢量阵Capon算法而言,可以在小快拍数甚至单快拍数条件下实现多目标的稀疏DOA估计以及高分辨能力。仿真和海试试验数据处理验证了提出的算法的有效性。      

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

基于小波阈值法和维纳滤波的稀疏孔径光学系统成像的恢复

在研究稀疏孔径理想衍射成像光学系统的基础上，提出基于改进小波阈值法和维纳滤波的稀疏孔径光学系统成像恢复算法。针对存在噪声干扰的稀疏孔径光学成像系统，设计并利用改进的小波阈值去噪算法，较好地去除了成像噪声，最大程度地得到较为理想的成像结果，然后利用维纳滤波方法实现成像恢复。在实验中，利用光学设计软件ZEMAX设计了不同填充因子的稀疏孔径光学系统，并用本算法进行了成像恢复。实验结果表明，该算法的结果优于单独使用维纳滤波方法所获得的结果。     

均匀背景中的动态小目标光谱数据获取方法研究

光谱是一种可以表征物质特性的光学信息,利用光谱成像仪可以获取处于视场范围内的物质的光谱图像,成熟的光谱成像技术均需要通过多次采集才能够获取完整的光谱图像数据立方体,相应系统的时间分辨率比较低,不适用于动态目标的光谱获取。快照式光谱成像在动态目标光谱成像方面具有较大的优势,其中编码孔径快照光谱成像技术是一种将压缩感知计算方法融入到光谱成像过程和图谱重构过程中的光谱成像技术,在采样过程中完成数据压缩,具有高通量优势,可以利用单次曝光的混叠数据,重构出目标光谱数据立方体,实现快照式成像,使得对动态的目标进行监测成为可能。实现监测需要目标的信息满足稀疏性的假设,实际目标很难满足这样的条件,重构误差比较大,不利于对动态的小目标进行监测和识别。针对均匀背景中动态小目标的光谱数据获取,提出一种双色散通道的编码孔径光谱成像方法,系统由两个通道组成,每个通道均包含一个光谱仪,其色散方向互相垂直,并共用一个前置望远镜系统和编码孔径。该系统可以实时观测均匀背景区域中的动态小目标。由于两个通道的色散方向互相垂直,可以从背景中分离出小目标的位置和相对应的编码。假设目标出现在视场中前后,背景的辐射特性变化很小,利用目标出现前的数据计算出背景光谱;目标出现后,通过帧间差分运算,消除背景辐射的影响,提取出目标位置对应色散区域中数据,利用约束最小二乘算法,重构运动小目标的光谱数据立方体。进行光谱数据重构,进行背景光谱补偿后,获得完整的动态小目标光谱数据。文章对成像过程建立了数学模型,并对重构方法进行了仿真验证,结合编码孔径的统计特征,使目标随机出现在不同的位置,统计重构光谱的峰值信噪比概率分布,并调整目标尺寸,分析目标尺寸对重构精度的影响,最后与编码孔径成像系统的两步软阈值迭代算法重构结果进行了对比。结果表明,这种方法在均匀背景中,采用随机编码矩阵进行编码,目标尺寸小于5×5个像元时,相对于编码孔径成像系统,提高了目标的信息重构精度和概率,并且极大的减小了运算量,可以实现对运动目标的实时监测。     

透过散射介质对直线运动目标的全光成像及追踪技术

光散射是限制光传输以及降低和破坏光学成像性能的主要因素,透过复杂散射介质对运动目标的全光成像是光学领域极具挑战性的技术之一.本文提出一种利用散斑差值自相关透过散射介质对运动目标进行实时追踪的方法.采用赝热光照明,基于光学记忆效应理论,通过对运动目标采集的两帧散斑做差值,然后做自相关运算,计算目标移动的距离,实现对目标的实时追踪,并且利用相位恢复算法进行简单处理就可以重建隐藏目标.对该方法进行了实验验证,成功地对隐藏的运动目标实现了成像与追踪.这种透过散射介质对运动目标的全光成像及实时追踪技术,在生物医学等领域具有重要应用潜力.     

一种基于压缩感知的三维导体目标电磁散射问题的快速求解方法

提出了一种将压缩感知和特征基函数结合的方法来计算三维导体目标的雷达散射截面.利用压缩感知理论,将随机选择的矩量法阻抗矩阵作为测量矩阵,将激励电压视为测量值,然后再用恢复算法可实现二维或二维半目标感应电流的求解.对于三维导体目标,使用Rao-Wilton-Glisson基函数表示的感应电流在常用的离散余弦变换基、小波基等稀疏基上不稀疏.为此,本文将计算出的目标特征基函数作为稀疏基,用广义正交匹配追踪算法作为恢复算法来加速恢复过程,并应用到三维导体目标的雷达散射截面计算中.数值结果证明了本文方法的准确性与高效性.     

Optimization of sparse synthetic transmit aperture imaging with coded excitation and frequency division

An effective aperture approach is used for optimization of a sparse synthetic transmit aperture (STA) imaging system with coded excitation and frequency division. A new two-stage algorithm is proposed for optimization of both the positions of the transmit elements and the weights of the receive elements. In order to increase the signal-to-noise ratio in a synthetic aperture system, temporal encoding of the excitation signals is employed. When comparing the excitation by linear frequency modulation (LFM) signals and phase shift key modulation (PSKM) signals, the analysis shows that chirps are better for excitation, since at the output of a compression filter the sidelobes generated are much smaller than those produced by the binary PSKM signals. Here, an implementation of a fast STA imaging is studied by spatial encoding with frequency division of the LFM signals. The proposed system employs a 64-element array with only four active elements used during transmit. The two-dimensional point spread function (PSF) produced by such a sparse STA system is compared to the PSF produced by an equivalent phased array system, using the Field II simulation program. The analysis demonstrates the superiority of the new sparse STA imaging system while using coded excitation and frequency division. Compared to a conventional phased array imaging system, this system acquires images of equivalent quality 60 times faster, when the transmit elements are fired in pairs consecutively and the power level used during transmit is very low. The fastest acquisition time is achieved when all transmit elements are fired simultaneously, which improves detectability, but at the cost of a slight degradation of the axial resolution. In real-time implementation, however, it must be borne in mind that the frame rate of a STA imaging system depends not only on the acquisition time of the data but also on the processing time needed for image reconstruction. Comparing to phased array imaging, a significant increase in the frame rate of a STA imaging system is possible if and only if an equivalent time efficient algorithm is used for image reconstruction.     

High-resolution angle-Doppler imaging by sparse recovery of underwater acoustic signals

The low resolution of Fourier two-dimensional spatial temporal spectrum estimation and the insufficient sample size of sonar space time sampling data often caused difficulties in high-resolution space time spectrum estimation. Aiming to solve this problem, we proposed a high-resolution angle-Doppler imaging method and designed an anti-reverberation space time filter based on the sparse recovery of underwater acoustic signals. The proposed imaging method established the spatial temporal sparse representation model of array signal under the condition of few observation samples of single measurement vector(SMV), and reconstructed the high-resolution angle-Doppler profile of echo and reverberation through the matching pursuit(MP) algorithm and basis pursuit(BP) algorithm. By utilizing the space time distribution characteristics of echo and reverberation and the prior information of sonar rangecell under test(RUT), a reverberation dictionary composed of special space time guidance vectors was designed, and was used to reconstruct the reverberation and formed an anti-reverberation space time filter to suppress the reverberation interference of angle-Doppler plane. Computer simulations indicated that, under two conditions of forward and side-view array of moving sonar, the single measurement vector of sonar array was successfully used in the reverberation background to reconstruct the high-resolution angle-Doppler profile of low-speed moving target multi-spot echo. Its frequency resolution had a better performance than the Fourier resolution and the angle resolution broke through the Rayleigh limit of the array, the resolution was obviously superior to the Fourier space time spectrum estimation.     

Photonics-based real-time and high-resolution ISAR imaging of non-cooperative target

Real-time and high-resolution imaging is demonstrated based on field trial detection of a non-cooperative target using a photonics-based inverse synthetic aperture radar(ISAR).By photonic generation and de-chirping of broadband linear frequency modulation signals,the radar can achieve a high range resolution thanks to the large instantaneous bandwidth(8 GHz at the K band),as well as real-time ISAR imaging using low-speed analog-to-digital conversion(25 MSa/s).A small-size unmanned aerial vehicle is employed as the noncooperative target,and ISAR imaging is realized with a resolution far better than those achieved by the previously reported photonics-based ISARs.The capability for real-time ISAR imaging is also verified with an imaging frame rate of 25 fps.These results validate that the photonics-based radar is feasible in practical real-time and highresolution ISAR imaging applications.     

可模式识别的水声成像方法

提出一种在自由环境中可以进行模式识别的水声成像方法。利用角域滤波将空间不同入射方向的平面波在阵元域中进行分离,在成像扇面内按要求设计一系列角域带通滤波器,这些滤波器的输出就是从角通带内入射的平面波在阵元域中的快拍数据,可以实现要求输入为阵元域特性数据的目标识别和底质分类等专用的模式识别算法,角域滤波器输出的平面波快拍数据的幅度作为像素值进行水声成像。采用角域滤波的方法可以进行水声成像得到所需要的声图,并且每个像素对应着相应点目标远场平面波入射到接收阵时所产生的快拍数据。仿真和实验数据处理结果表明,采用角域滤波和利用常规波束形成所得到的声图是一样的,并且两种成像方法具有相同的稳健性。