毫米波精确探测系统的信号检测及处理

论文摘要

毫米波精确探测分为主动精确探测和被动精确探测。在本文中,主动精确探测指距离高分辨雷达,被动精确探测指被动高分辨成像系统。主动精确探测方式探测距离较远,可以获得目标的速度、角度、距离等精确信息。信号处理是毫米波精确探测系统的一个不可或缺的部分,先进的信号处理技术是提高毫米波探测系统精确性的一个主要因素。主动精确探测系统的信号检测与处理的关键技术有：中频正交采样技术、数字脉冲压缩技术、运动目标检测技术、波形设计等。被动精确探测不发射电磁波,因而没有电磁污染和目标闪烁效应,工作比较隐蔽,不易被发现,对覆盖吸波涂层材料的目标探测能力很强。被动高分辨成像是被动探测的重要研究方向之一,但是被动毫米波成像的一个缺陷是天线口径小,图像分辨率较低,因此用软件处理的方法提高图像分辨率是被动高分辨成像的一个重要研究方向。若把两种毫米波精确探测系统相结合,构成主被动复合探测系统,可以使主动和被动探测系统优势互补,探测目标的详细信息,并通过被动成像系统得到物体的二维图像。结合科研任务,本文主要研究主动和被动精确探测系统的信号处理技术,本文的主要研究工作如下：（1）针对精确探测系统的研究,其一,关于主动精确探测系统,研究了一种距离高分辨雷达-频率步进雷达系统的工作原理,并对其系统参数分析；分析了两种距离高分辨信号-线性调频信号和调频步进信号的工作原理。其二,关于被动精确探测系统,研究了目标在毫米波段的辐射特性,重点研究了毫米波交流辐射计的工作原理,完成了交流辐射计的参数设计；分析了焦平面阵列成像系统参数。（2）研究了毫米波频率步进雷达中频带通采样及数字正交变换的工作原理,介绍了几种常用的正交检波方法及多相滤波理论；设计一组分数延迟滤波器,用于多相滤波法的数字正交变换,并对其做镜频抑制性能分析。对带通采样及多相滤波正交变换进行硬件实现并通过了外场实验。（3）频率步进信号和调频步进信号存在严重的距离-速度耦合现象,必须进行速度补偿。本文分析了速度对频率步进信号的影响,通过波形设计,提出频率步进信号和脉冲多普勒信号复合系统,低速时,只发射频率步进信号,用它测速、测距；高速时,用频率步进信号测距,脉冲多普勒信号测速,实现了频率步进信号的距离高分辨。用同样的方法,对调频步进信号做速度补偿,实现调频步进信号的距离高分辨。（4）在当前技术水平下获得的被动毫米波图像的分辨率还很低,因此图像超分辨处理是毫米波成像系统中必不可少的一个组成部分。本文研究了正则化图像复原的原理,针对退化的毫米波辐射图像退化因素,引入半二次正则化的方法,并给出确定性迭代算法,实现了对毫米波辐射图像的超分辨率复原。文章还介绍了几种常用的图像客观评价准则,并用这些准则对本文引入的方法和几种常用的图像复原方法进行比较评判。（5）介绍了数学形态学的原理及其在图像处理中的应用,提出用数学形态学的方法进行毫米波辐射图像边缘检测,并把边缘信息补偿给经过滤波的图像,从而使图像边缘锐化,层次清晰。同时,文章还提出了用模-1距离法对水平扫描成像造成的错位进行平动补偿。总之,本文的研究内容是实现毫米波精确探测必须解决的问题,为研制毫米波主被动复合精确探测系统奠定良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 毫米波精确探测的意义
• 1.2 毫米波精确探测系统的研究现状及发展
• 1.2.1 毫米波主动精确探测系统的研究现状及发展
• 1.2.2 被动探测系统的研究现状及发展趋势
• 1.3 本文的主要工作和创新
• 2 主动精确探测的原理
• 2.1 引言
• 2.2 频率步进雷达系统
• 2.2.1 频率步进雷达的工作原理
• 2.2.2 频率步进信号波形分析及其脉冲压缩
• 2.2.3 频率步进信号的模糊函数
• 2.2.4 频率步进雷达的测距原理
• 2.2.5 频率步进雷达的测速原理
• 2.2.6 频率步进雷达系统的参数分析
• 2.3 其它几种毫米波高分辨雷达信号原理
• 2.3.1 毫米波线性调频信号
• 2.3.2 调频脉间步进信号
• 2.4 本章小结
• 3 雷达中频采样及数字正交检波
• 3.1 引言
• 3.2 中频直接采样原理
• 3.2.1 几种采样方式
• 3.2.2 频率步进雷达中频信号带通采样
• 3.3 数字正交变换
• 3.3.1 数字正交滤波原理
• 3.3.2 几种常用的数字正交检波实现方法
• 3.4 多相滤波法
• 3.4.1 多抽样率信号理论的抽取和内插
• 3.4.2 多相滤波器原理
• 3.4.3 基于多相滤波器的正交解调
• 3.5 中频采样系统的镜频抑制性能分析
• 3.6 中频采样及数字正交检波实现
• 3.7 本章小结
• 4 高分辨雷达信号分析及速度补偿方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 频率步进信号和脉冲多普勒信号的复合测速
• 4.2.1 频率步进信号的多普勒性能分析
• 4.2.2 复合测速法运动补偿
• 4.3 调频步进信号的多普勒性能分析和运动补偿
• 4.3.1 调频步进信号的多普勒性能分析
• 4.3.2 调频步进信号的脉冲多普勒复合测速
• 4.4 本章小结
• 5 毫米波被动成像原理
• 5.1 引言
• 5.2 毫米波段目标辐射特性
• 5.2.1 物体电磁辐射的数学描述
• 5.2.2 理想黑体的热辐射特性
• 5.2.3 实际物体的热辐射特性
• 5.3 毫米波辐射计原理及参数设计
• 5.3.1 直流全功率辐射计
• 5.3.2 交流辐射计
• 5.4 毫米波焦平面阵列成像分析
• 5.4.1 多波束天线的馈源横向偏焦特性
• 5.4.2 天线阵元排列及扫描方式
• 5.4.3 空间分辨率与采样间隔
• 5.5 本章小结
• 6 基于正则化方法的毫米波被动图像复原
• 6.1 引言
• 6.2 毫米波辐射图像建模
• 6.2.1 辐射图像退化因素
• 6.2.2 毫米波辐射计温度建模
• 6.3. 正则化图像复原的原理
• 6.3.1 正则化的基本原理
• 6.3.2 用半二次正则化方法进行图像复原
• 6.4 图像评价准则
• 6.4.1 Robert梯度和
• 6.4.2 Laplace（4邻域微分）算子和
• 6.4.3 信息熵（Entropy）
• 6.4.4 图像边缘能量
• 6.5 正则化图像复原实验分析
• 6.6 本章小节
• 7 基于数学形态学的毫米波辐射图像超分辨方法研究
• 7.1 引言
• 7.2 数学形态学原理
• 7.2.1 二值膨胀与腐蚀
• 7.2.2 灰值膨胀与腐蚀
• 7.2.3 灰值开闭运算
• 7.2.4 灰值梯度运算
• 7.3 毫米波辐射图像超分辨处理
• 7.3.1 形态学滤波
• 7.3.2 边缘检测
• 7.3.3 边缘补偿
• 7.3.4 平动补偿
• 7.4 本章小结
• 8 结束语
• 8.1 全文总结
• 8.2 下一步工作
• 致谢
• 参考文献
• 附录