基于物理模型的地雷检测方法研究

论文摘要

通常情况下,由于地雷目标较小且所处环境复杂,基于能量的简单检测方法虚警率过高。本文根据实际雷达系统几何模型和地雷物理特性,分析了地雷散射模型并将其参数化,得到地雷的有效特征并将其用于鉴别。本文针对国防科学技术大学研制的车载前视超宽带地表穿透雷达,首先分析其等效单站模型及全孔径和各子孔径成像特点;然后对地雷电磁散射特性进行建模,说明双峰特征的形成机理及其方位一致性。预筛选是目标检测重要环节,能够有效降低运算量并获取疑似目标区域,是特征提取的必要准备。本文采用常规的检测流程,包括耦合信号抑制、图像增益均衡、恒虚警检测、形态学滤波和加权聚类等。在地雷鉴别过程中,本文选取四个与成像几何及地雷结构相关的特征,分别是方位视角偏离度,双峰特征模型中的双峰间距、双峰峰值比以及主峰宽度。根据特征确定性的特点,分别采用简单门限比较和超球面支持向量机一类分类器进行目标鉴别,在较低虚警率的情况下得到了较高的检测率。通过实测数据验证,基于物理模型提取的特征能够有效抑制杂波,并获得较高检测率。同时,由于成像分辨率受到带宽和孔径长度影响,而其对于目标特征提取密切相关,本文又研究了APES超分辨成像和压缩感知稀疏成像以及基于超分辨图像的特征提取和鉴别方法,这也为地雷目标鉴别研究探索了一条新途径。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 浅埋目标检测的背景及其意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 车载GPSAR 现状
• 1.2.2 浅埋目标检测现状
• 1.3 本文的主要工作和内容安排
• 第二章 成像模型及地雷电磁建模
• 2.1 引言
• 2.2 车载系统介绍
• 2.2.1 系统波形
• 2.2.2 虚拟等效单站
• 2.2.3 子孔径图像获取
• 2.2.4 成像模型及成像原理
• 2.3 地雷电磁散射特性
• 2.3.1 矩量法
• 2.3.2 时域有限差分法
• 2.3.3 物理光学法
• 2.4 地雷双峰特征
• 2.5 地雷方位一致性
• 2.6 本章小结
• 第三章 浅埋目标检测与提取
• 3.1 引言
• 3.2 图像预处理
• 3.2.1 图像耦合信号抑制
• 3.2.2 MNF 杂波抑制及图像增益均衡
• 3.3 CFAR 检测
• 3.3.1 杂波统计特性
• 3.3.2 基于韦布尔分布模型的CFAR 检测器
• 3.4 形态学滤波
• 3.4.1 形态学基本理论
• 3.4.2 结构元素选取
• 3.5 加权聚类
• 3.6 图像处理结果与分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 物理模型参数提取及鉴别
• 4.1 引言
• 4.2 物理模型参数化
• 4.2.1 方位视角偏离度
• 4.2.2 双峰特征模型
• 4.3 双峰特征参数一致性分析
• 4.3.1 双峰间距
• 4.3.2 双峰峰值比
• 4.3.3 主峰宽度
• 4.4 双峰特征参数一致性度量
• 4.5 鉴别器设计
• 4.6 基于BP 成像结果的鉴别
• 4.7 实测数据结果与分析
• 4.8 基于APES 成像结果的模型参数提取
• 4.8.1 APES 基本原理
• 4.8.2 实验结果分析
• 4.9 CS 稀疏成像检测
• 4.9.1 CS 理论及成像算法
• 4.9.2 基于CS 成像结果的鉴别
• 4.9.3 实验结果分析
• 4.10 本章小结
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学期间取得的学术成果