无源毫米波成像理论与超分辨信号处理技术研究

论文摘要

无源毫米波成像系统探测物体辐射的毫米波能量,利用辐射强度差异实现成像,可应用于机场安检、场景监控、飞机盲着陆、医疗诊断和环境检测等领域。但由于目标场景毫米波段自身辐射较弱、天线孔径尺寸有限和衍射受限,导致获取的毫米波图像实际分辨率较低,目标分析与检测困难。因此必须深入研究无源毫米波的成像理论、改善图像空间分辨率和提高目标检测能力的方法。本论文基于焦平面线阵扫描的无源毫米波成像理论与超分辨信号处理技术研究主要包括：1.根据目标及场景的毫米波辐射特性和无源毫米波成像机理,在有限空间谱反演的统一理论框架下分析了几种不同体制的无源毫米波成像,描述了其数学本质,为系统分析设计奠定了理论基础。2.通过引入焦-像平面变换算子,导出球面投影关系和非均匀多波束模型,建立了成像过程的空变数学模型,能够分离表征传播、聚集、接收三类不同属性的空变因素的影响。3.提出了球面反投影变换去空变方法,将空变问题转化为空不变问题,显著降低了空变条件下超分辨算法难度及运算量,并改善其性能。在此基础上,针对基于统计优化的超分辨算法的非线性运算会破坏通带频谱的问题,提出了统计优化频谱校正超分辨算法,从而有效地恢复了通带频谱并减小了寄生波纹。4.提出了基于小波分解的最大似然多重网格（WMLMG）超分辨算法,解决了在超分辨处理过程中外推频谱与通带频谱的混叠问题,从而抑制了恢复图像中的混叠寄生,并提高了无源毫米波图像的分辨率。5.针对弱小目标的运动检测问题,提出了基于截断序贯似然比的改进的动态规划算法-SPRTIDPA算法。该算法不仅能够检测出目标,得到目标运动轨迹,同时能够克服常规DPA算法运动起始处轨迹不够准确,并存在少量虚警的问题。综上所述,无源毫米波成像理论与超分辨信号处理算法研究,不仅能够增强无源毫米波图像的空间分辨率,而且对高质量无源毫米波实时成像系统的设计具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 研究动态
• 1.3 本文的主要工作及章节安排
• 1.3.1 本文的主要工作
• 1.3.2 本文的章节安排
• 1.4 本文的主要创新
• 第二章 无源毫米波成像理论基础
• 2.1 黑体辐射特性
• 2.1.1 黑体热辐射理论
• 2.1.2 大气对电磁波传输过程的影响
• 2.1.3 毫米波辐射测量原理
• 2.2 目标及场景的毫米波辐射场
• 2.3 无源毫米波成像机理
• 2.4 成像有限分辨率特性
• 2.5 成像的基本技术途径
• 2.5.1 合成孔径成像
• 2.5.2 相控阵成像
• 2.5.3 焦平面阵列成像
• 2.6 部分典型物质的毫米波辐射特性
• 2.7 本章小结
• 第三章 焦平面线阵扫描成像理论与模型
• 3.1 焦平面线阵扫描成像数学模型
• 3.1.1 焦平面线阵扫描成像空变机理
• 3.1.2 点扩展函数PSF分析与估计
• 3.1.3 成像系统PSF空变数学模型
• 3.2 焦平面线阵扫描成像空变特性分析
• 3.2.1 半径差畸变量与与扫描角度之间的关系
• 3.2.2 曲率与扫描角度之间的关系
• 3.2.3 位移矢量与扫描角度之间的关系
• 3.2.4 点扩展函数的主瓣宽度与扫描角度之间的关系
• 3.2.5 波束点扩展函数横截面椭圆度与扫描角度之间的关系
• 3.3 焦平面线阵扫描阵列采样模式优化
• 3.3.1 瑞利采样与Nyquist采样
• 3.3.2 焦平面阵列采样模式优化
• 3.4 焦平面线阵扫描无源毫米波成像的系统仿真
• 3.5 本章小结
• 第四章 超分辨信号处理方法研究
• 4.1 超分辨成像信号处理概念及必要性
• 4.1.1 超分辨率
• 4.1.2 超分辨信号处理的必要性
• 4.2 超分辨成像信号处理理论基础
• 4.2.1 超分辨的数学基础
• 4.2.2 超分辨的物理基础
• 4.2.3 超分辨限
• 4.2.4 超分辨图像的质量评估方法
• 4.3 超分辨成像去空变预处理方法
• 4.4 基于共轭梯度（CG）超分辨算法
• 4.4.1 共轭梯度形式推导
• 4.4.2 受限制自适应共轭梯度图像复原
• 4.4.3 数值试验与仿真结果分析
• 4.5 基于统计优化的超分辨信号处理
• 4.5.1 Bayesian准则
• 4.5.2 Lucy-Richardson（泊松ML）超分辨算法
• 4.5.3 泊松最大后验超分辨算法
• 4.6 基于小波分解的最大似然多重网格超分辨算法
• 4.6.1 图像的二维小波分解
• 4.6.2 多重网格处理的必要性
• 4.6.3 基于小波的最大似然多重网格超分辨算法
• 4.6.4 WMLMG超分辨算法仿真与分析
• 4.6.5 结论
• 4.7 本章小结
• 第五章 基于顺序毫米波图像的运动目标检测方法
• 5.1 无源毫米波成像弱小目标检测难点
• 5.2 先跟踪后检测（TBD）检测算法
• 5.3 基于改进的动态规划的TBD检测算法
• 5.3.1 动态规划数学模型
• 5.3.2 动态规划基本原理
• 5.3.3 DP算法实现过程
• 5.3.4 DP算法检测门限改进
• 5.3.5 改进DPA算法检测门限性能及评价指标
• 5.3.6 IDPA检测算法仿真分析与性能评估
• IDPA检测算法'>5.4 SPRT_IDPA检测算法
• 5.4.1 多级假设检验方法基本原理
• IDPA算法'>5.4.2 引入多级假设检验方法的SPRT_IDPA算法
• IDPA算法仿真分析'>5.4.3 SPRT_IDPA算法仿真分析
• 5.4.4 结论
• 5.5 本章小结
• 第六章 焦平面线阵扫描无源毫米波成像系统性能分析
• 6.1 影响成像结果的主要因素
• 6.2 探测性能分析
• 6.2.1 探测成像作用距离
• 6.2.2 基于天线扫描及数据仿真的探测
• 6.3 设计准则
• 6.3.1 系统体制准则
• 6.3.2 亮温分辨力准则
• 6.3.3 系统实时性准则
• 6.4 系统组成
• 6.5 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 工作总结
• 7.2 存在的问题
• 7.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的成果