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太赫茲雷達目標微動特征提取技術 版權信息
- ISBN：9787030743367
- 條形碼：9787030743367 ; 978-7-03-074336-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
太赫茲雷達目標微動特征提取技術 內容簡介
太赫茲頻段處于從微波、毫米波到光學之間的過渡區域，相比傳統微波/毫米波雷達具有成像分辨率高和多普勒敏感等獨特優勢，是目標探測與識別領域的重要發展方向。本書緊密圍繞太赫茲頻段目標微動特征提取這一前沿課題，以太赫茲雷達空間應用為應用背景，采用理論研究、算法探索和實驗驗證相結合的方法，對太赫茲頻段微動目標特性、微動目標高精度參數估計和微動目標高分辨/高幀頻成像等若干問題進行了深入研究，得到了以太赫茲頻段目標表面粗糙的影響機理、太赫茲雷達目標微多普勒解模糊算法、高速運動目標平動補償算法，以及微動目標高分辨/高幀頻成像為代表的典型成果，為太赫茲雷達微動特征提取奠定了基礎。
太赫茲雷達目標微動特征提取技術 目錄
目錄
“空間信息獲取與處理前沿技術叢書”序
前言
第1章 概論 1
1.1 背景及意義 1
1.2 國內外研究現狀 2
1.2.1 太赫茲雷達 2
1.2.2 太赫茲頻段微動研究 11
1.3 本書章節安排 18
參考文獻 19
第2章 太赫茲頻段目標微動特征規律 26
2.1 引言 26
2.2 太赫茲雷達微動目標散射特性建模 26
2.2.1 微動目標運動模型 26
2.2.2 微動目標散射模型 34
2.2.3 微動目標回波模型 42
2.3 太赫茲雷達微多普勒混疊規律 44
2.3.1 微多普勒混疊的出現條件 44
2.3.2 微多普勒混疊的表現 47
2.3.3 微多普勒混疊的影響 50
2.4 太赫茲雷達微多普勒閃爍規律 55
2.4.1 微多普勒閃爍的建模 55
2.4.2 微多普勒閃爍的影響 57
2.5 太赫茲雷達粗糙目標微多普勒規律 58
2.5.1 表面粗糙目標散射建模 58
2.5.2 粗糙線目標擺動微多普勒特性 62
2.5.3 粗糙表面錐體進動微多普勒特性 65
2.5.4 粗糙圓柱旋轉微多普勒特性 68
2.6 太赫茲雷達微動目標微距離調制規律 72
2.6.1 微距離特性 73
2.6.2 圖像域規律 74
2.7 本章小結 77
參考文獻 77
第3章 窄帶太赫茲雷達微多普勒解模糊 80
3.1 引言 80
3.2 基于時頻拼接的抗混疊參數估計 80
3.2.1 算法原理 80
3.2.2 算法流程 84
3.2.3 實驗驗證 85
3.3 基于模值Hough變換的微動參數估計 88
3.3.1 算法原理 88
3.3.2 算法流程 90
3.3.3 實驗驗證 91
3.4 基于逆問題求解的解模糊重建 96
3.4.1 不模糊時頻圖重建的逆問題建模 96
3.4.2 不模糊時頻重建算法 97
3.4.3 實驗驗證 98
3.5 基于相位解纏的解模糊 104
3.5.1 相位解纏模型 104
3.5.2 解模糊算法 105
3.5.3 實驗驗證 107
3.6 本章小結 109
參考文獻 110
第4章 寬帶太赫茲雷達微多普勒解模糊 112
4.1 引言 112
4.2 基于脈內干涉的微多普勒解模糊 112
4.2.1 算法原理 112
4.2.2 實驗驗證 116
4.2.3 性能分析 119
4.3 基于聯合幅度-相位調制的微多普勒解模糊 121
4.3.1 算法原理 121
4.3.2 算法流程 122
4.3.3 實驗驗證 125
4.4 本章小結 131
參考文獻 131
第5章 太赫茲雷達微動目標參數估計 133
5.1 引言 133
5.2 振動干擾情況下目標微動參數估計 133
5.2.1 算法原理 133
5.2.2 實驗驗證 143
5.2.3 性能分析 149
5.3 微小振動目標微動參數估計 151
5.3.1 算法原理 151
5.3.2 實驗驗證 153
5.3.3 性能分析 157
5.4 粗糙表面目標微動參數估計 158
5.4.1 粗糙表面目標散射特性 158
5.4.2 算法原理 160
5.4.3 實驗驗證 161
5.5 基于時頻變換域窄帶成像的粗糙目標微動參數估計 163
5.5.1 粗糙目標時頻變換域窄帶成像 163
5.5.2 基于窄帶圖像的微動參數估計 166
5.5.3 粗糙表面目標微動實驗及分析 167
5.6 本章小結 171
參考文獻 172
第6章 太赫茲頻段微動目標平動補償 174
6.1 引言 174
6.2 基于多項式擬合的目標低速平動補償 174
6.2.1 算法原理 175
6.2.2 實驗驗證 178
6.3 基于二次補償的目標高速平動補償 181
6.3.1 算法原理 181
6.3.2 實驗驗證 185
6.3.3 性能分析 190
6.4 基于多層感知器的目標高速平動補償 192
6.4.1 算法原理 192
6.4.2 實驗驗證 196
6.4.3 性能分析 197
6.5 基于HRRP一階條件矩的平動和微動參數估計 198
6.5.1 基于參考距離實時測量的方法 198
6.5.2 微動和平動參數聯合估計 206
6.6 本章小結 215
參考文獻 215
第7章 太赫茲雷達微動目標二維成像 218
7.1 引言 218
7.2 微動目標高分辨/高幀頻成像 218
7.2.1 成像算法 219
7.2.2 實驗驗證 221
7.2.3 基于高分辨/高幀頻成像的微動目標參數反演 227
7.3 粗糙表面微動目標高分辨成像 232
7.3.1 成像算法 232
7.3.2 實驗驗證 233
7.4 振動干擾情況下高分辨成像 238
7.4.1 振動對目標高分辨成像的影響分析 238
7.4.2 基于自聚焦的振動補償算法 241
7.4.3 基于特顯點的振動補償算法 248
7.5 基于稀疏貝葉斯的方位俯仰微動目標成像 251
7.5.1 壓縮感知理論簡介 251
7.5.2 單頻方位俯仰成像的稀疏表示模型 253
7.5.3 實驗驗證 258
7.6 本章小結 261
參考文獻 261
第8章 太赫茲雷達微動目標三維成像 264
8.1 引言 264
8.2 微動目標三維微動特征提取 264
8.2.1 干涉法原理 265
8.2.2 基于干涉法結合時頻分析的三維微動特征提取 266
8.2.3 三維微動參數求解 268
8.2.4 仿真驗證 270
8.2.5 實測驗證 276
8.3 微動目標三維成像 279
8.3.1 微動目標三維成像模型 279
8.3.2 改進viterbi算法結合位置差值變換的三維成像 282
8.3.3 實驗驗證 289
8.4 本章小結 295
參考文獻 296
第9章 總結與展望 298
“空間信息獲取與處理前沿技術叢書”序
前言
第1章 概論 1
1.1 背景及意義 1
1.2 國內外研究現狀 2
1.2.1 太赫茲雷達 2
1.2.2 太赫茲頻段微動研究 11
1.3 本書章節安排 18
參考文獻 19
第2章 太赫茲頻段目標微動特征規律 26
2.1 引言 26
2.2 太赫茲雷達微動目標散射特性建模 26
2.2.1 微動目標運動模型 26
2.2.2 微動目標散射模型 34
2.2.3 微動目標回波模型 42
2.3 太赫茲雷達微多普勒混疊規律 44
2.3.1 微多普勒混疊的出現條件 44
2.3.2 微多普勒混疊的表現 47
2.3.3 微多普勒混疊的影響 50
2.4 太赫茲雷達微多普勒閃爍規律 55
2.4.1 微多普勒閃爍的建模 55
2.4.2 微多普勒閃爍的影響 57
2.5 太赫茲雷達粗糙目標微多普勒規律 58
2.5.1 表面粗糙目標散射建模 58
2.5.2 粗糙線目標擺動微多普勒特性 62
2.5.3 粗糙表面錐體進動微多普勒特性 65
2.5.4 粗糙圓柱旋轉微多普勒特性 68
2.6 太赫茲雷達微動目標微距離調制規律 72
2.6.1 微距離特性 73
2.6.2 圖像域規律 74
2.7 本章小結 77
參考文獻 77
第3章 窄帶太赫茲雷達微多普勒解模糊 80
3.1 引言 80
3.2 基于時頻拼接的抗混疊參數估計 80
3.2.1 算法原理 80
3.2.2 算法流程 84
3.2.3 實驗驗證 85
3.3 基于模值Hough變換的微動參數估計 88
3.3.1 算法原理 88
3.3.2 算法流程 90
3.3.3 實驗驗證 91
3.4 基于逆問題求解的解模糊重建 96
3.4.1 不模糊時頻圖重建的逆問題建模 96
3.4.2 不模糊時頻重建算法 97
3.4.3 實驗驗證 98
3.5 基于相位解纏的解模糊 104
3.5.1 相位解纏模型 104
3.5.2 解模糊算法 105
3.5.3 實驗驗證 107
3.6 本章小結 109
參考文獻 110
第4章 寬帶太赫茲雷達微多普勒解模糊 112
4.1 引言 112
4.2 基于脈內干涉的微多普勒解模糊 112
4.2.1 算法原理 112
4.2.2 實驗驗證 116
4.2.3 性能分析 119
4.3 基于聯合幅度-相位調制的微多普勒解模糊 121
4.3.1 算法原理 121
4.3.2 算法流程 122
4.3.3 實驗驗證 125
4.4 本章小結 131
參考文獻 131
第5章 太赫茲雷達微動目標參數估計 133
5.1 引言 133
5.2 振動干擾情況下目標微動參數估計 133
5.2.1 算法原理 133
5.2.2 實驗驗證 143
5.2.3 性能分析 149
5.3 微小振動目標微動參數估計 151
5.3.1 算法原理 151
5.3.2 實驗驗證 153
5.3.3 性能分析 157
5.4 粗糙表面目標微動參數估計 158
5.4.1 粗糙表面目標散射特性 158
5.4.2 算法原理 160
5.4.3 實驗驗證 161
5.5 基于時頻變換域窄帶成像的粗糙目標微動參數估計 163
5.5.1 粗糙目標時頻變換域窄帶成像 163
5.5.2 基于窄帶圖像的微動參數估計 166
5.5.3 粗糙表面目標微動實驗及分析 167
5.6 本章小結 171
參考文獻 172
第6章 太赫茲頻段微動目標平動補償 174
6.1 引言 174
6.2 基于多項式擬合的目標低速平動補償 174
6.2.1 算法原理 175
6.2.2 實驗驗證 178
6.3 基于二次補償的目標高速平動補償 181
6.3.1 算法原理 181
6.3.2 實驗驗證 185
6.3.3 性能分析 190
6.4 基于多層感知器的目標高速平動補償 192
6.4.1 算法原理 192
6.4.2 實驗驗證 196
6.4.3 性能分析 197
6.5 基于HRRP一階條件矩的平動和微動參數估計 198
6.5.1 基于參考距離實時測量的方法 198
6.5.2 微動和平動參數聯合估計 206
6.6 本章小結 215
參考文獻 215
第7章 太赫茲雷達微動目標二維成像 218
7.1 引言 218
7.2 微動目標高分辨/高幀頻成像 218
7.2.1 成像算法 219
7.2.2 實驗驗證 221
7.2.3 基于高分辨/高幀頻成像的微動目標參數反演 227
7.3 粗糙表面微動目標高分辨成像 232
7.3.1 成像算法 232
7.3.2 實驗驗證 233
7.4 振動干擾情況下高分辨成像 238
7.4.1 振動對目標高分辨成像的影響分析 238
7.4.2 基于自聚焦的振動補償算法 241
7.4.3 基于特顯點的振動補償算法 248
7.5 基于稀疏貝葉斯的方位俯仰微動目標成像 251
7.5.1 壓縮感知理論簡介 251
7.5.2 單頻方位俯仰成像的稀疏表示模型 253
7.5.3 實驗驗證 258
7.6 本章小結 261
參考文獻 261
第8章 太赫茲雷達微動目標三維成像 264
8.1 引言 264
8.2 微動目標三維微動特征提取 264
8.2.1 干涉法原理 265
8.2.2 基于干涉法結合時頻分析的三維微動特征提取 266
8.2.3 三維微動參數求解 268
8.2.4 仿真驗證 270
8.2.5 實測驗證 276
8.3 微動目標三維成像 279
8.3.1 微動目標三維成像模型 279
8.3.2 改進viterbi算法結合位置差值變換的三維成像 282
8.3.3 實驗驗證 289
8.4 本章小結 295
參考文獻 296
第9章 總結與展望 298
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太赫茲雷達目標微動特征提取技術 節選
第1章 概論 1.1 背景及意義 太赫茲(terahertz， THz)波通常是指頻率在0.1～10THz(對應波長為3mm～30μm)的電磁波，其頻率介于微波與紅外可見光之間，處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡頻段，在電磁波譜中占據特殊的位置，具有與其他波段不同的特殊性質，受到世界強國的高度重視[1-7]。國外方面，美國將其評為“改變未來世界的十大技術”之一，從20世紀90年代開始，美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency， DARPA)便持續安排了一系列太赫茲技術相關計劃，主要包括亞毫米波焦平面成像技術(sub-millimeter wave imaging focal-plane-array technology， SWIFT)、高頻集成真空電子學(high frequency integrated vacuum electronics， HiFIVE)、視頻合成孔徑雷達(video synthetic aperture radar， ViSAR)、成像雷達先進掃描技術(advanced scanning technology for imaging radars， ASTIR)和專門雷達特征解決方案(expert radar signature solutions，ERADS)等計劃，這些計劃涉及太赫茲器件、測量、特性以及應用等各個方面，對于推動美國太赫茲技術的發展具有十分重要的意義。此外，歐洲聯盟也相繼推出了第七框架計劃和第八框架計劃，大力發展太赫茲安檢、通信、芯片、微制造等技術[8-11]。日本將其列為“國家支柱技術十大重點戰略目標”之首，持續支持太赫茲科學研究。在這場太赫茲技術研究熱潮中，各國都希望在太赫茲技術的研究和應用中獲得一席之地。國內方面，近年來863計劃、973計劃以及國家自然科學基金項目等的支持，使得太赫茲波產生、檢測、傳輸發射組件以及應用系統取得了重要進展[12-15]。我國在2005年11月專門召開了“香山科技會議”，專門討論我國太赫茲事業的發展方向，并制定了我國太赫茲技術的發展規劃。太赫茲技術和太赫茲雷達正處于實驗驗證向實際應用的過渡階段，基礎研究和應用研究均呈現出強勁發展的勢頭。盡管在器件成熟度、性能極限、應用方式等方面存在一些問題，但其科學價值、發展潛力和應用前景得到了越來越多的關注和認可[16]。 相比微波/毫米波雷達，太赫茲雷達波長短，帶寬大，具有極高的分辨率，能夠獲取目標運動、細微結構和材料等特性。相比光學/激光設備，太赫茲雷達在保證高分辨的同時能夠進行全天時全天候偵察，可以利用帶寬和陣列實現目標三維成像，具有更好的穿透性和更寬的波束，容易實現目標波束覆蓋。此外，太赫茲雷達避開了傳統隱身材料的吸波頻段，有利于隱身目標的探測[17，18]。因此，太赫茲雷達在軍事領域具有廣闊的應用前景[19-21]。近些年來，隨著太赫茲源、檢測和相關器件的出現，太赫茲雷達技術發展迅速，國內外報道了很多太赫茲雷達系統，其主要應用于高分辨成像研究中[22-27]。但是，目前的研究對象主要是靜止目標或簡單的運動目標，針對太赫茲頻段微動目標的研究還很少。 微動是指目標或目標組成部分相對雷達的小幅度非勻速往復運動或運動分量，由此帶來的多普勒頻移和頻帶展寬稱為微多普勒[28]。微動在自然界和實際生活中普遍存在，如車輛引擎帶來的車體振動、人體行走時四肢的擺動、雷達天線的旋轉、中段彈道導彈的進動等。微動目標的微多普勒特征可以反映目標的電磁特性、幾何結構和運動特征，為雷達目標特征提取和目標識別提供了新的途徑[29，30]。自Chen等[31-33]提出“微多普勒”這一概念，微多普勒特征就引起了國內外學者的廣泛關注，出現了研究目標微動和微多普勒的高潮。近些年來，針對目標微動的建模、分析、提取和成像等的研究取得了很多研究成果，這使得微多普勒特征成為目標識別的有效途徑和重要補充手段[34-39]。但是，之前的研究基本是在傳統微波頻段開展的，并不能完全適用于太赫茲頻段。太赫茲頻段作為微波與紅外之間的過渡頻段，同時具有這兩個頻段的優勢，但是也同時具有這兩個頻段的某些劣勢。因此，太赫茲頻段目標微動特征提取需要研究太赫茲頻段下目標微動的新現象和新問題，針對太赫茲頻段的特殊性進行分析，提出適用于太赫茲雷達的目標微動特征提取算法[40]。 本書以微動目標為研究對象，深入研究太赫茲雷達目標微動特征、目標微動參數估計和微動目標高分辨成像等關鍵問題，尤其是針對太赫茲頻段的特殊性，提出發揮太赫茲頻段優勢、解決太赫茲頻段問題的方法，所提方法大多進行了實驗驗證，對于解決實際問題具有較大裨益，對太赫茲雷達非合作目標，尤其是帶有微動部件的非合作目標的成像識別具有重要意義。 1.2 國內外研究現狀 為了了解國內外太赫茲頻段微動目標特征提取的研究現狀，本節首先簡要介紹國內外典型太赫茲雷達系統，給出其參數、原理和性能分析；然后重點介紹國內外在太赫茲頻段目標微動特征提取方面的研究工作，并通過對比指出目前太赫茲雷達目標微動特征提取研究存在的問題。 1.2.1 太赫茲雷達 1. 國外研究現狀 在太赫茲雷達技術研究的熱潮中，比較有代表性的包括美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)、DARPA等研究機構和Intel、IBM等企業公司，以及其他著名院校、研究所和實驗室。 1988年，McIntosh等[41]研制了一部基于擴展互作用振蕩器(extended interaction oscillator，EIO)的高功率非相干脈沖雷達，載頻為215GHz，主要用于地貌測量。這是公開報道的*早的一部太赫茲雷達系統。1991年，McMillan等[42]為美國軍方提出并研制了一部225GHz脈沖相干雷達(圖1.1)，以脈沖EIO發射，以1/4次諧波混頻器實現全固態接收，峰值功率可達60W。這部雷達是**部太赫茲頻段的相參雷達。受限于真空器件本身，該雷達沒有實現大帶寬發射信號，因此只進行了目標多普勒回波測量實驗，沒有進行成像研究。 自2000年以來，由于在GaAs肖特基二極管倍頻技術方面的優勢，美國噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)在太赫茲雷達領域的研究發展迅速。2008年，Cooper等[43]研制了一部580GHz調頻連續波體制主動相參太赫茲雷達，距離向依靠12.6GHz的大帶寬實現高分辨，方位向依靠窄波束掃描實現高分辨，分辨率為厘米級。隨后，他們對該系統進行了改進升級，將原系統中實現調頻的鐵氧體(yttrium-iron-garnet， YIG)合成器換成了直接數字頻率合成器+鎖相環(direct digital synthesizer+phase locked loop，DDS+PLL)，使系統的頻率穩定性更好；將原系統中20cm的聚四氟乙烯透鏡也換成了二維轉臺上的鋁質橢圓反射器，使光效率提高了8dB，并且消除了雜波干擾[44]。此外，帶寬由原來的12.6GHz提高到28.8GHz，掃頻周期由原來的50ms縮短到12.5ms，距離分辨率提高了2倍，成像時間縮短到了原來的1/4。該系統在4～25m的作用距離對隱藏目標進行了三維成像實驗，*高分辨率小于1cm(圖1.2)。 2011年，Cooper等[45]研制了一套675GHz雷達，信號帶寬接近30GHz，在25m距離進行了人體隱匿物體成像實驗，成像幀率為1Hz，其系統光路圖和典型成像結果分別如圖1.3、圖1.4所示。可以看出，成像幀率對太赫茲雷達站開式成像應用至關重要，高幀率可以防止由雷達和目標之間相對運動引起的模糊和條帶效應，提升成像質量。為了實現更高幀率的成像，該雷達一方面通過時分復用多徑技術將單波束變成雙波束先后照射目標；另一方面，通過前端集成陣列收發器實現多像素點同時掃描成像，大大縮短了成像時間，實現了更高幀率的成像[46，47]。 德國應用科學研究所(Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften， FGAN)-高頻物理與雷達技術研究所(High Frequency Physics and Radar Techniques， FHR)是太赫茲雷達研究的另一個典型代表。2008年前后，他們研制了一部固態電子學220GHz成像雷達，命名為COBRA。該雷達可支撐目標合成孔徑雷達/逆合成孔徑雷達(synthetic aperture radar/inverse synthetic aperture radar，SAR/ISAR)成像研究，作用距離可達170m。該雷達進行了一系列復雜目標高分辨SAR/ISAR成像實驗，目標包括自行車、汽車、飛機和人體等，獲得了厘米級的分辨率[48-51]，其典型成像結果如圖1.5所示。 2013年，FGAN-FHR又成功研制了米蘭達-300(MIRANDA-300)實驗雷達系統，該雷達載頻為300GHz，采用線性調頻連續波(linear frequency modulated continuous wave， LFMCW)信號體制，帶寬達到了40GHz，通過對轉臺上的人體目標進行成像，分辨率達到了3.75mm。2015～2018年，FGAN-FHR對該雷達系統進行了優化升級，使其信號穩定度和成像分辨率進一步提升，得到了更為清晰的目標SAR/ISAR成像結果[52-55]。其雷達前端及其成像結果如圖1.6所示。 在電真空器件和固態電子學器件之外，基于量子級聯激光器(quantum cascade laser，QCL)的太赫茲雷達也得到了迅速發展。QCL基于子導帶間輻射躍遷產生太赫茲光子，通過多周期級聯獲得足夠的增益。與其他太赫茲源相比，QCL具有易集成、轉換效率高、頻點靈活性好等特點，因而在太赫茲成像、太赫茲光譜學和太赫茲通信等方面具有很好的應用前景[56，57]。2010年，美國馬薩諸塞大學亞毫米波技術實驗室(Submillimeter-wave Techniques Laboratory， STL)實現了一部基于THz-QCL的相干雷達成像系統[58，59]。該雷達頻率為2.408THz，以CO2光泵浦氣體激光器(optically pumped molecular gas laser， OPL)為本振，利用肖特基二極管混頻器將THz-QCL鎖頻到本振上。其雷達系統原理及成像結果如圖1.7所示。 此外，值得一提的是太赫茲雷達軍事應用的代表ViSAR(圖1.8)。2014年，DARPA啟動了對ViSAR項目的研究工作。該項目旨在開發低能見度下跟蹤地面運動目標的成像雷達，性能相當于晴朗天氣下的紅外定位系統。該系統工作頻率約為235GHz，設計成像幀率為5Hz，擬搭載平臺為包括AC-130攻擊機在內的低空飛行器，該項目已于2017年進行了飛行測試，取得了預期效果[60]。 2.國內研究現狀 近年來，國內也有多家單位投入太赫茲雷達技術研究的熱潮中，并取得了重要的研究成果。
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