复杂场景下基于压缩感知的目标电磁散射与成像

研究了处于复杂场景下目标的逆合成孔径雷达（ISAR）成像问题。首先,建立了目标与复杂环境的电磁散射模型,采用计算电磁学的方法仿真得到了目标的雷达回波数据,进而充分考虑了背景噪声对雷达成像质量的影响。研究发现,目标所处的复杂背景会降低ISAR对目标的成像质量。其次,为减小仿真雷达回波数据所需的计算量,提出采用基于压缩感知（CS）的方法来对该场景进行成像,从而极大降低电磁仿真的计算点数。通过实验发现,在CS成像中,采用数据点使用率为0.4时所得到的成像质量可达到采用转台成像质量的效果。因此,采用基于CS的成像方法,可极大降低目标与场景的电磁散射计算复杂度,使得处于真实复杂场景下的目标电磁仿真和ISAR成像研究切实可行。     

基于压缩感知的动态散射成像

利用基于压缩感知的成像系统可以透过静态的散射介质获得高质量的重建图像. 但是当散射介质动态变化时, 因为采样所得的测量值受到散射介质衰减系数非线性变化的影响, 重建图像质量会大大下降. 针对上述情况, 本文提出基于压缩感知成像系统的测量值线性拉伸算法, 该算法能够对所得到的非线性测量值进行分析, 根据测量值大小的不同将测量值划分成数个区域并计算补偿系数, 从而根据补偿系数进行测量值线性拉伸变换, 使测量值线性化. 最后再对变换后的测量值进行压缩感知重建计算. 通过理论分析、计算机仿真和实验证明了所提算法能够有效地应对动态的散射介质, 提高基于压缩感知成像系统在透过动态散射介质时的图像重建质量.     

压缩感知计算随机表面的微波散射

选择谐波函数作为散射源的表征基函数,利用随机矩阵进行观测,实现了对散射源的稀疏表征,最后通过正交匹配追踪算法解算出表面散射源.利用压缩感知—正交匹配追踪算法与直接求解矩阵方程所得到的散射远场分布一致.     

基于压缩感知的目标频空电磁散射特性快速分析

矩量法是求解目标电磁散射问题的一种常用数值方法,因其精度较高而被广泛应用.应用矩量法求解目标频空电磁散射特性时,随着入射波的角度和频率的变化,需要间隔很小的角度和频率步长反复求解矩量法生成的矩阵方程,运算量极大.为解决此类问题,本文结合压缩感知理论和渐近波形估计形成一种新的有效计算方法.首先,基于压缩感知理论引入一种富含空间信息的新型入射源,其次,在该入射源照射下应用渐近波形估计技术求解,从而快速实现目标频空电磁散射特性分析.     

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.     

表面平整目标的电磁散射快速预估

针对表面基本由平面构成的散射体,在传统弹跳射线法的基础上,对射线跟踪以及射线求交测试方法进行改进,使得该方法对于分析隐身飞行器等有更好的应用。研究了单根射线与三角形的快速求交方法,同时与弹跳射线法相结合,使用三角形对目标进行两次表面拟合,分别得到用于求交测试的稀疏三角面元,以及用于射线追踪的起始三角面元,利用快速求交方法,完成射线追踪,进行物理光学积分,完成目标远场电磁散射的快速预估,将该方法的计算结果与文献结果进行对比,验证了该方法的可靠性,通过计算不同拟合面元密度下情况下的结果,验证了该算法的高效性。     

表面平整目标的电磁散射快速预估

针对表面基本由平面构成的散射体,在传统弹跳射线法的基础上,对射线跟踪以及射线求交测试方法进行改进,使得该方法对于分析隐身飞行器等有更好的应用。研究了单根射线与三角形的快速求交方法,同时与弹跳射线法相结合,使用三角形对目标进行两次表面拟合,分别得到用于求交测试的稀疏三角面元,以及用于射线追踪的起始三角面元,利用快速求交方法,完成射线追踪,进行物理光学积分,完成目标远场电磁散射的快速预估,将该方法的计算结果与文献结果进行对比,验证了该方法的可靠性,通过计算不同拟合面元密度下情况下的结果,验证了该算法的高效性。     

新型压缩感知计算模型分析三维电大目标电磁散射特性

为提高基于压缩感知技术的矩量法在三维电大目标双站电磁散射问题中的计算效率和稳定性,提出新的稀疏、测量和重构方法,构建一种新型压缩感知计算模型.不同于基于欠定方程的传统的压缩感知计算模型,新型计算模型首先采用按行均匀抽取阻抗矩阵的方法构造测量矩阵以获得稳定的计算结果;然后,基于Foldy-Lax方程生成多阶特征基函数并作为稀疏基对感应电流进行稀疏转换;再依据少数低阶特征基函数足以近似表征感应电流的先验条件,将恢复算法简化为最小二乘法;最后,将矩阵方程转换为一个超定系统并采用最小二乘法解出电流系数.与传统的计算模型相比,新型计算模型不仅可以获得更加稳定的精确解,还可以显著提高电大目标双站散射问题的求解效率和计算精度.数值仿真结果证明了新方法的可行性和高效性.     

基于压缩感知的一维海面与二维舰船复合后向电磁散射快速算法研究

矩量法作为数值方法中积分方程方法的代表, 具有计算精度高、所用格林函数自动满足辐射条件、无须额外设置边界条件等优点. 但是在舰船目标与海面复合后向电磁散射仿真中, 传统矩量法需针对每个入射角反复求解矩阵方程组, 导致其在处理后向散射问题时计算量大, 耗时长, 仿真效率低下. 为解决上述问题, 本文提出了一种基于压缩感知技术的矩量法的改进算法. 该算法在求解复合后向散射问题时, 首先利用观测矩阵与传统矩量法中的电压矩阵相乘, 得到一组新的低维度的电压矩阵; 其次通过求解新电压矩阵下的矩阵方程组, 获得电流矩阵的观测值; 最后利用恢复算法(本文采用正交匹配追踪算法)重构出所需的原始入射源照射下的电流系数. 通过与传统矩量法的计算结果对比, 表明本文所提算法能够在保证计算精度的前提下, 明显减少计算时间, 提高计算效率.     

一种新的计算复杂目标电磁散射的MoM-SBR/PO混合法

针对三维复杂电大尺寸金属目标,在传统MoM-PO混合法的基础上,引入基于射线密度归一化(RDN)概念的射线弹跳法(SBR),计算电大PO区域内部的多次反射影响,从而得到一种新的MoM-SBR/PO混合方法,该方法区别于大部分改进的MoM-PO混合法对PO区域内多次反射贡献的处理,避免了迭代物理光学法涉及的多次矩阵相乘问题.与其它几种方法进行比较,结果显示吻合较好.     

基于压缩感知理论的~(252)Cf源中子脉冲信号分析

针对252Cf源驱动核材料产生裂变中子脉冲信号具有脉冲序列特殊的"0,1"稀疏结构之特点,采用压缩感知理论,通过巧妙引入图论中的二分图模型,同时结合二分图的最小覆盖性质,适当添加约束条件,构建了稀疏均匀的观测矩阵。研究结果表明,利用压缩感知理论对"0,1"中子脉冲序列特殊稀疏结构的信号重构算法不仅可行,而且还获得了优于l1范数最小化方法重构结果,这对252Cf驱动核材料的中子脉冲信号分析与处理提供了一种新的途径或方法。     

Correspondence normalized ghost imaging on compressive sensing

Ghost imaging(GI) offers great potential with respect to conventional imaging techniques. It is an open problem in GI systems that a long acquisition time is be required for reconstructing images with good visibility and signal-to-noise ratios(SNRs). In this paper, we propose a new scheme to get good performance with a shorter construction time. We call it correspondence normalized ghost imaging based on compressive sensing(CCNGI). In the scheme, we enhance the signal-to-noise performance by normalizing the reference beam intensity to eliminate the noise caused by laser power fluctuations, and reduce the reconstruction time by using both compressive sensing(CS) and time-correspondence imaging(CI) techniques. It is shown that the qualities of the images have been improved and the reconstruction time has been reduced using CCNGI scheme. For the two-grayscale "double-slit" image, the mean square error(MSE) by GI and the normalized GI(NGI) schemes with the measurement number of 5000 are 0.237 and 0.164, respectively, and that is 0.021by CCNGI scheme with 2500 measurements. For the eight-grayscale "lena" object, the peak signal-to-noise rates(PSNRs)are 10.506 and 13.098, respectively using GI and NGI schemes while the value turns to 16.198 using CCNGI scheme. The results also show that a high-fidelity GI reconstruction has been achieved using only 44% of the number of measurements corresponding to the Nyquist limit for the two-grayscale "double-slit" object. The qualities of the reconstructed images using CCNGI are almost the same as those from GI via sparsity constraints(GISC) with a shorter reconstruction time.     

Efficient implementation of x-ray ghost imaging based on a modified compressive sensing algorithm

Towards efficient implementation of x-ray ghost imaging (XGI), efficient data acquisition and fast image reconstruction together with high image quality are preferred. In view of radiation dose resulted from the incident x-rays, fewer measurements with sufficient signal-to-noise ratio (SNR) are always anticipated. Available methods based on linear and compressive sensing algorithms cannot meet all the requirements simultaneously. In this paper, a method based on a modified compressive sensing algorithm with conjugate gradient descent method (CGDGI) is developed to solve the problems encountered in available XGI methods. Simulation and experiments demonstrate the practicability of CGDGI-based method for the efficient implementation of XGI. The image reconstruction time of sub-second implicates that the proposed method has the potential for real-time XGI.     

基于多模光纤散斑的压缩感知在光学图像加密中的应用

为了安全高效地对图像信息进行传输,提出了一种新颖的基于多模光纤散斑的压缩感知结合双随机相位编码的光学图像加密方法.多模光纤产生的光斑作为压缩感知的测量矩阵,完成对图像的第一次压缩和加密,并且充当第一级密钥;再利用双随机相位编码技术进行第二次加密,实现对图像的完整加密过程,随机相位掩模板充当第二级密钥,解密过程与此相反.通过将光斑测量矩阵与用于压缩感知的常用随机测量矩阵进行对比研究后发现,使用光斑测量矩阵解密后的图像质量更好,而且相比于其他随机测量矩阵在硬件实现上的复杂性与高成本,光斑矩阵可以很容易地通过简单的光学器件来获得,且可以利用工作波长的改变来进行变换,也即第一级密钥非常容易变换.同时经研究表明,本文方法可以有效抵抗统计分析、噪声干扰和剪切等攻击,且对密钥敏感性高,具有良好的鲁棒性和安全性.因此,本文提出的这种基于光斑矩阵的压缩感知与双随机相位编码结合起来的加密方法,可以获得良好的加密效果与极大的密钥空间,并且易于在光学领域整合.     

应用改进的物理光学法和图形计算电磁学近似算法快速计算导体目标电磁散射特性

结合改进的物理光学法和图形计算电磁学法实现了考虑边缘绕射情况下复杂目标的高频电磁波散射的高效且精确求解.传统的考虑边缘绕射的物理光学算法不能直接计算出目标的雷达截面,它需要先计算绕射贡献,然后加上物理光学的散射贡献,最终才能得到目标的雷达截面.通过运用改进的物理光学法对图形计算电磁学法进行修正,直接修正表面法向量,从而修正了表面电流,这样就考虑了边缘处的绕射,提高了算法的效率.这不但充分利用了计算机硬件优势,借助于计算机显示技术,由图形加速卡完成最困难、最费时的消隐工作,而且利用图形计算电磁学的积分公式,将三维空间的积分转化为屏幕像素的二维空间积分,使得计算大幅简化.数值结果表明了所提出方法的精确性和高效性.     

液滴微粒直径分布的激光散射法测量

本文利用氦氖激光器为光源在自行设计的光散射实验装置上对球形微粒群进行了粒径平均直径及直径分布的理论研究和测量.实验结果表明,本实验装置具有测量精度高、适用范围广和测量粒径范围宽等特点.