探地雷達陣列成像算法研究_本科畢業(yè)論文設計-資料下載頁

【導讀】中國地質大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。本人授權省級優(yōu)秀學士學位論文評選機構將本學位論文的全部。致的了解，不難看出探地雷達未來的發(fā)展方向。多輸入多輸出雷達是在數(shù)字陣列雷達、大的發(fā)展?jié)摿Γ饾u成為下一代雷達的主要發(fā)展方向之一。破陣元間距半波長限制、提高角度分辨率、提高系統(tǒng)自由度等。MIMO雷達借鑒已經成熟。的陣列信號處理技術，為雷達信號處理提供了新思路。然而，MIMO雷達在提高信號處理。題，波形設計和陣列結構優(yōu)化問題以及系統(tǒng)自由度過高導致的自適應算法性能下降等問題。GprMax用于雷達正演，操作簡單，而反演則比較復雜。束形成技術以及反向投影成像算法。基于不同的理論基礎，這些算法又衍。對算法進行仿真，并得到仿真圖像。

　　

【正文】 31） 為載頻，為正交復包絡，滿足： , 1=i， j=M （ 432） 理想正交情況下 g(t)為沖激脈沖，但由于通常為一定時寬的時域正交信號， g(t)可以看做是其低旁瓣自相關函數(shù)，假設各個發(fā)射信號波形的自相關函數(shù)形式相同，并忽略互相關影響。假定目標為包含 Q個散射中心點散射模型。不考慮噪聲和天線輻射方向圖的影響，第 n 個接收陣元的回波信號為： （ 433） 其中 =()為接收陣元的坐標，發(fā)射陣元坐標 =()，是第 q個散射中心的散射系數(shù)， 表示發(fā)射信號從發(fā)射陣元 m經散射中心 q到接收陣元 n的傳播時延，可寫為： （ 434） MIMO雷達的基帶回波信號表示為： （ 435） 對應于多觀測通道的輸出結果，由此，接收端將得到 MN路基帶回波信號。 SAR BP 算法基本原理 BP 算法最初是根據(jù) CT 成像的投影切片理論推導出的一種 SAR時域成像算法。 BP 算法通過回波數(shù)據(jù)在時域的相干疊加實現(xiàn)高分辨成像，其基本原理可以用點目標結合線性陣列模型來解釋。 假定 SAR 平臺沿直線勻速運動采集數(shù)據(jù)，由此采樣點可以構造成一空間直線陣列，SAR 的雙程傳輸模型可以等效為目標向天線陣列的輻射模型，具體參 見圖 43。 19 圖 43 SAR 的回波歷程 圖 44 BP 算法的聚焦過程 根據(jù)圖 43中 SAR的幾何關系，可以得到目標到天線陣列的時延曲線 (如圖 44所示 )，具體的時延表示式為： （ 436） 為了簡便起見，發(fā)射信號直接表示為沖激信號 ，那么 SAR 的時域回波數(shù)據(jù)為： （ 437） 20 BP 算法的基本思想是通過計算目標點到各個天線孔徑點之間的雙程時延，而后沿相應的時延曲線進行相干疊加 (見圖 (b))，求疊加結果的幅度得到所需目標點的后向散射強度，即： （ 438） 對成像區(qū)域中的各個點遍歷上述“延遲 — 求和”過程，即可得到每個點的散射強度值。當成像區(qū)域的像素點與目標位置重合時，式 (438)就會沿著目標的時延曲線積分，實現(xiàn)相干疊加。當像素點與目標位置不重合時，式 (438)將無法進行相干疊加，從而就可得到目標的精確成像結果。 標準 BP 算法描述 MIMO雷達的回波數(shù)據(jù)表示式是關于發(fā)射孔徑位置變量、接收孔徑位置變量和時間 t的函數(shù)形式，在方位向上無論是信號包絡還是載頻相位項都與變量和有關，在距離時間向已經通過匹配濾波進行了 壓縮，常規(guī)的頻域 SAR成像算法難以同時完成對發(fā)射孔徑和接收孔徑的方位聚焦。因此， MIMO 雷達成像的首選處理方法就是不受陣列形式限制的 BP 算法。 應用標準 BP 算法對 MIMO雷達回波數(shù)據(jù)進行成像處理之前，首先對 MIMO雷達回波數(shù)據(jù)的時延曲線進行分析。目標散射點 q 對應的傳播時延可表示為： （ 439） MIMO 雷達方位向成像處理時需要同時聚焦收發(fā)孔徑的時延曲線，而傳統(tǒng)的 RD 算法、 RM 算法及 CS 算法等一般只能聚焦發(fā)射孔徑或是接收孔徑的時延曲線，所以它們難以實現(xiàn) MIMO 雷達成像，但 MIMO雷達復雜 的時延曲線特征對于標準 BP 算法卻不會產生影響。 按照 BP 算法的基本原理，建立如圖 45所示的成像處理幾何結構。圖中對成像區(qū)域進行了網(wǎng)格劃分，即通過均勻采樣將連續(xù)圖像離散化。區(qū)域劃分后像素點之間的間隔一般與分辨率相當，因為間隔太大會造成圖像的欠采樣，影響成像質量，而間隔過小又會加大算法的運算量。圖 ，這只是為了方便繪制 MIMO 雷達成像處理的幾何結構，并不代表它們之間的實際分布關系。 假定成像區(qū)域劃分為 K個像素點，以 (k=1,2,… ,K)和 (l=1,2,… ,L)分別表示距離向和方位向上像素點的坐標值，和則表示像素點（）到發(fā)射陣元 m和接收陣元 n的距離，如圖 45所示。 21 圖 45 MIMO 雷達標準 BP 算法的成像處理幾何結構 在球面波輻射接收模型下，像素點（）與收發(fā)天線位置組合（）之間的雙程時延為： （ 4310） 距離壓縮后的 MIMO 雷達回波數(shù)據(jù)表示為： （ 4311） 標準 BP 算法需要對它完成方位向的聚焦處理。成像區(qū)域像素點（）的聚焦結果可以表示為： 22 （ 4312） 上述 BP 算法的成像處理包含三個過程：基頻包絡的時延調整 ， 載頻項的相位校正和數(shù)據(jù)相干疊加，具體的算法處理流程如圖 46所示。從圖中可見，標準 BP 算法的處理流程簡單，相位補償容易，同時在成像過程中不存在任何假設條件的情況下對 MIMO雷達成像的陣列形式沒有限制，是一種魯棒性很強的時域成像算法。但標準 BP 算法的處理過程需要逐點精確聚焦，這使得算法的運算量很大，這是標準 BP 算法的主要缺點，所以 MIMO雷達成像使用標準 BP 算法時需要特別注意這個問題。 圖 46 MIMO 雷達標準 BP 算法流程圖 信號分選 時間延遲 相位校正 沿發(fā)射孔徑 和接收孔徑 相干疊加 選擇初始像素點 劃分成像區(qū)域 確定像 素點 的時延曲線 改變像素點位置 判斷是否遍歷 整個成像區(qū)域 MIMO雷達回波數(shù)據(jù) e（， t） e(,) K (k,l) (k+1,l)或 (k,l+1) e(， ) 否 是 成像結果 23 標準 BP 算法仿真 實驗場地設在一棟大樓的樓頂，因此收發(fā)孔徑及目標場景距離的取值范圍都會受到一定的限制，但參數(shù)的選擇都滿足誤差分析的要求。為了便于對實驗系統(tǒng)參數(shù)進行描述，以天線導軌方向為 x軸方向，以導軌的水平垂直方向為 y軸方向建立二維直角坐標系。接收陣列的孔徑長度為 1m，陣元間距為 ，分布于 x軸上的 [ 0. 5 m， 0. 5 m] 區(qū)間；發(fā)射陣列包含 3個發(fā)射陣元，它們的坐標分別為 ( 0. 7 m， 0 m) 、 ( 0 m， 0 m) 和 ( 0. 7 m， 0 m) 。目標的參考中心到天線導軌的距離為 10m，相應的坐標為 ( 0 m， 10 m)。多散射點目標包括 4個散射點，它們的坐標分別為 ( 0. 25 m， 9. 5 m) 、 ( 0. 25 m， 10. 5 m)、 ( 0. 25 m， 9. 5 m)、 ( 0. 25 m， 10. 5 m) 。發(fā)射信號的中心波長為 0. 03 m，帶寬為 200 MHz。利用標準 BP 算法對上述 MIMO雷達實驗系統(tǒng)所錄取的實測數(shù)據(jù)進行成像處理，處理結果如圖 47所示。 圖 47 多散射點標準 BP 算法成像結果 24 第五章 總結與展望 本文考慮到 MIMO 雷達成像技術的應用背景，針對 MIMO雷達的成像基礎問題、成像算法等進行了深入的研究，并且對雷達正演做了模擬成像，主要內容如下： 研究了 MIMO雷達成像所涉及的數(shù)據(jù)獲取方式、陣列特性等基礎性問題。通過 MIMO雷達成像的數(shù)據(jù)獲取方式研究，證明多觀測通道效應是 MIMO雷達實時成像的基本保障條件。 模擬了探底雷達正演的成像過程。設定目標模型的對應參數(shù)，利用 GprMax軟件對目標體進行二維建模。 研究了 MIMO雷達數(shù)字波束形成技術。如果能夠對相控陣雷達的波束形成及自適應處理 技術進行改進應用于 MIMO 雷達中，則能夠提高目標定位精度和多目標分辨能力，并能夠更有效地抑制雜波和干擾。 研究了 MIMO 雷達成像 BP 算法。基于 SAR BP 算法原理，導出了 MIMO 雷達標準BP 算法。考慮到標準 BP 算法的實現(xiàn)效率問題，提出了 MIMO 雷達 TCCBP 算法，它是基于時延曲線校正的。結合 SAR RD算法，提出了 MIMO雷達 RDBP 算法，它具有高于標準 BP 算法和 TCCBP 算法的運算效率。 從 MIMO雷達概念提出至今，人們對 MIMO 雷達各方面關鍵技術的研究日趨深入，MIMO 雷達的多方面性能優(yōu)勢也 逐步得到證實。由于 MIMO 雷達成像技術尚處于起步階段，其技術本身比較復雜，尚有許多理論和實際問題需要進一步深入研究： (1) 正交發(fā)射信號及其分選方法設計。設計適用于 MIMO 雷達成像技術的發(fā)射信號波形及其分選方法需要進行研究。 (2) 雷達正演成像的效果圖有待提高。 (3) 文中提出了很多種算法技術，但是，各種算法都有自己的優(yōu)缺點，在今后的研究中，應該結合各種算法綜合考慮，逐步完善成像算法。 25 致謝 四年的本科生學習即將結束，在這段時光里充滿了艱辛與快樂、挑戰(zhàn)與收獲，我得到了諸多老師、同學和朋友的關心、支持與幫助。值此論文完 成之際，謹向他們表示衷心的感謝。 26 參考文獻 [1] 王懷軍， MIMO雷達成像算法研究，博士學位論文，國防科學技術大學， 202009。 [2] 雷文太、黃春琳、王懷軍等，合成孔徑與實孔徑雷達譜域成像算法對比分析，數(shù)據(jù)采集與處理， 2020。 [3] 王懷軍、許紅波、陸珉等， MIMO雷達技術與應用分析，雷達科學與技術， 2020。 [4] 王懷軍、黃春琳、陸珉等， MIMO雷達反向投影成像算法，系統(tǒng)工程與電子技術， 2020。 [5] 姜偉， MIMO雷達信號處理關鍵技術研究，博士學位論文，北京理工大學， 2020年 11月 30日。 [6] 黃玲，多輸入多輸出探地雷達方法研究，博士學位論文，吉林大學， 2020年 4月。 [7] 黃韜、袁超偉、楊睿哲等， MIMO相關技術與應用，北京 : 機械工業(yè)出版社， 2020年 3月 4日。 [8] 夏威， MIMO雷達模型與信號處理研究，博士學位論文，西安 : 西安電子科技大學 , 2020年 3月 8日。 [9] 孔令講，淺地層探地雷達信號處理算法的研究，碩士學位論文，西安：西安電子科技大學， 2020年。 [10] 粟毅、黃春琳、雷文太，探地雷達理論與應用，北京 : 科學出版社， 2020年。 [11] 曾 昭發(fā)、劉四新、王者江、薛建，探地雷達方法原理與應用，北京 : 科學出版社， 2020年。 [12] 王青， MIMO雷達陣列設計方法研究，碩士學位論文，國防科學技術大學研究生院，2020年 7月。 [13] 何子述、韓春林、劉波， MIMO雷達概念及其技術特點分析，電子學報， 2020年。 [14] Nikolaus Lehmann, Some Contributions on MIMO radar,Newark,New jersey Institute of Technology, Doctor thesis of Philosophy,2020. [15] James Irving， Rosemary Knight， Numerical modeling of groundperating radar in 2D using MATLAB， Computers amp。 Geosciences 32， 2020