介质目标近场二维SAR微波成像电磁参数估计方法

运用SAR 成像原理对近场的金属介质目标进行毫米波成像研究,阐述了基于合成孔径雷达的二维微波成像算法原理,并详尽推导算法的计算方程。利用仿真软件获得的目标近场散射电场,采用成像算法进行逆散射微波成像。对实际生活中的常用有耗材质特氟龙进行成像仿真,成像效果良好,验证了成像算法的可行性。最终实现了多种介质目标的电磁参数的定量预估,并分析了影响目标成像效果的因素。通过预测值的仿真实验验证了SAR 微波成像测定介质目标的电磁参数方法的正确性和可行性,为实际微波成像系统进行非金属材料的电磁参数测定提供了有价值的参考方法。     

基于GPU的图形电磁计算加速算法

本文利用现代图形加速卡中GPU(Graphics Process Unit)的可编程管线,实现了图形电磁计算(GRECO)方法.与原有的方法相比,在利用物理光学和物理绕射理论的基础上,计算速度提高了20倍左右.并且利用GPU实现了射线追踪算法,用于目标上多次散射的计算,使得GRECO方法可以快速计算具有凹腔结构目标的电磁散射.本方法对于目标识别和逆合成孔径成像等方面的研究具有重要的应用价值.     

近程目标毫米波全息成像算法及仿真

为解决近程毫米波雷达目标探测过程中产生的回波相位干涉问题,引入全息技术研究近程目标的毫米波散射特性成像.该方法利用相位补偿因子,在波数域补偿电磁波的波前球面弯曲,反演目标的真实几何形状特征.给出了单目标散射特性一维成像的仿真实验,验证全息成像算法的有效性.对有无相位补偿情况下的多目标散射特性一维成像进行比较,结果表明该...     

基于三维SAR成像的RCS近远场变换方法研究

微波3维成像能够准确地从背景噪声中分离出目标的散射信息,适用于外场目标电磁(EM)散射特性的分析和研究,因而从3维合成孔径雷达(SAR)成像的角度研究目标电磁的散射特性是目前的一个新兴的热门课题。该文以此为背景,首先从Stratton-Chu积分方程出发详细推导3维SAR的近场波数域成像过程,解释3维SAR成像的物理意义;然后阐述基于3维SAR成像的雷达散射截面积(RCS)近远场变换原理,介绍3维SAR图像的散射中心提取方法,给出基于3维SAR成像的RCS近远场变换算法;最后通过FEKO软件进行了仿真实验,得到了5个点目标的RCS近远场变换的方位特性曲线和频率特性曲线,并通过与理论情况的对比,验证该算法在RCS近远场变换技术中的有效性。     

雷达舱和天线罩的电磁散射

在目标散射问题中,雷达舱和天线罩的散射机理有极大相似之处。在该类散射问题中,电磁波进入腔体时首先在整流罩上进行反射和折射,电磁射线进入雷达舱和天线罩后入射于天线上,天线反馈电磁射线,电磁射线透过介质罩形成了散射电磁波。对射线入射于非金属目标的轨迹分裂提出了更为精细的解决方法,并用射线方法计算了该类目标的雷达散射截面。     

基于双向射线追踪的损耗介质目标散射计算

双向解析射线追踪(Bi-directional Analytical Ray Tracing,BART)算法从发射端和接收端同时追踪电磁波射线在导体表面的弹跳过程,并用解析的三角形表征射线束的横向尺寸,极大地提高了电大尺寸导体目标的电磁散射计算速度.将此算法进一步推广,发展了扩展型双向解析射线追踪(Extended BART,E-BART)算法,并应用于电大尺寸、有耗介质目标的高频电磁散射计算.针对介质面元,E-BART算法需同时考虑反射射线和透射射线的追踪过程,并计算物理光学(Physical Optics,PO)和几何光学(Geometry Optics,GO)散射参数.损耗介质的射线传播过程满足复Snell定理,传播方向由等相面确定,衰减方向由等幅面确定.考虑到损耗介质内部的格林函数与空气的格林函数不一致,提出了PO/GO近似变换的思想来计算相应的散射场.与商业FEKO软件的计算结果对比,证明了E-BART算法的准确性和高效性,并分析了几种典型目标的散射特性.     

典型线面目标合成孔径雷达参数化成像

在复杂场景(特别是城区场景)合成孔径雷达(SAR)遥感成像中,存在大量线、面目标,如城区中的道路和建筑物边缘等目标,这些线面目标微波散射信号方向性强。传统SAR从单一视角获取场景的散射信息,且传统成像算法均基于点目标模型,使得传统SAR图像中线面目标主要特征表现为一系列的强散射点,而非线散射特征和面散射特征,最终造成SAR图像中目标不连续,SAR图像解译困难。因此,该文通过建立典型线段、三角面元目标的参数化回波模型,对线面目标SAR成像机理进行了深入细致的研究;并基于提出的参数化模型对线面目标进行参数化成像,即首先基于贝叶斯理论和所提的参数化模型对典型的线面目标进行分类判决,随后采用再成像的方式获得有效表征线、面目标散射特征的SAR图像,为线、面目标SAR图像解译提供有效支撑。最后,数值仿真实验成功验证了所提算法的有效性和正确性。      

平面分层媒质中目标的TAM-BP成像算法

表层穿透雷达(Surface Penetrating Radar,简称SPR)可对公路、墙体等层状媒质中的目标,如钢筋、管道、电缆等进行探测和定位,是一种有效的无损探测工具。为得到这些目标的位置和散射强度,对雷达记录剖面进行高精度成像处理是必须的。基于"延迟-累加"运算的时域反向投影(Back Projection,简称BP)成像算法可对均匀媒质中的点目标进行二维精确成像,但不适用于分层有耗媒质。本文通过分析电磁波在平面多层媒质中的传播特性,导出了平面多层媒质中目标的时延-幅度修正BP(Time-delay and Amplitude Modified BP,简称TAM-BP)成像算法并给出了详细的处理流程。通过对仿真数据和实测SPR数据的处理,结果显示该算法可以对平面多层媒质中的点目标进行高分辨成像。     

基于目标物理特征和压缩感知的地雷目标鉴别方法

通过压缩感知(Compressed Sensing, CS)算法可以实现对目标的稀疏成像,并获取其空间散射结构用于目标鉴别和识别。该文针对穿透地表成像的前视超宽带虚拟孔径雷达(Forward Looking Virtual Aperture Radar, FLVAR)实测数据,以CS理论为基础对地雷目标进行稀疏成像,利用地雷目标电磁散射的稀疏性实现其散射结构的提取,将目标散射特性转化为与物理结构相关的几何特征,并基于该特征进行目标的分类鉴别。新方法不仅拓展了地雷鉴别的新思路,而且也为压缩感知在目标散射结构提取和目标鉴别上的应用进行了初步有效的尝试。     

微波透镜成像技术在目标识别中的应用研究

研究了微波透镜成像技术及其在目标识别中的应用。提出基于望远镜原理的新体制雷达,实现雷达目标的横向距离高分辨,结合高精度跟踪雷达现有的径向距离高分辨,进行雷达目标三维识别的新概念。此外,针对微波频段的电磁波绕射、衍射效应严重,微波透镜成像效果较差的问题,提出了虚拟透镜成像技术,并进行了成像验证,获得较好的成像效果。     

结合MD自聚焦算法与回波模拟算子的快速稀疏微波成像误差补偿算法

稀疏微波成像是将稀疏信号处理理论引入微波成像中,利用系统的稀疏约束突破传统合成孔径雷达(SAR)成像中系统复杂度的瓶颈,是微波成像的新理论、新体制和新方法。在传统的机载SAR成像中都会面临非理想运动带来的回波相位误差问题,可通过基于回波数据的自聚焦算法加以解决;但在机载稀疏微波成像中,因稀疏微波成像采用稀疏重建算法取代了传统SAR中基于匹配滤波的信号处理方法,传统的基于回波数据的自聚焦算法难以直接应用。现有基于稀疏重建的自聚焦算法主要基于两步迭代方法,收敛速度慢、运算量大。该文以基于回波模拟算子的快速稀疏微波成像算法为基础,将子孔径相关(MD)自聚焦算法引入,与之结合构建了新的MD-回波模拟算子自聚焦算法。该方法继承了基于回波模拟算子算法快速重建的优势,并利用MD自聚焦算法实现了回波2次相位误差的正确补偿,与现有基于两步迭代的稀疏微波成像自聚焦算法相比,收敛速度快,并可以实现较好的自聚焦效果。      

Microwave Imaging in Layered Media: 3-D Image Reconstruction From Experimental Data

A prototype microwave imaging system for imaging 3-D targets in layered media is developed to validate the capability of microwave imaging with experimental data and with 3-D nonlinear inverse scattering algorithms. In this experimental prototype, the transmitting and receiving antennas are placed in a rectangular tub containing a fluid. Two plastic slabs are placed in parallel in the fluid to form a five-layer medium. The microwave scattering data are acquired by mechanically scanning a single transmitting antenna and a single receiving antenna, thus avoiding the mutual coupling that occurs when an array is used. The collected 3-D experimental data in the fluid are processed by full 3-D nonlinear inverse scattering algorithms to unravel the complicated multiple scattering effects and produce 3-D digital images of the dielectric constant and conductivity of the imaging domain. The image reconstruction is focused on the position and dimensions of the unknown scatterers. Different dielectric and metallic objects have been imaged effectively at 1.64 GHz.      

飞行器RCS近场三维成像的几何设计与性能分析

飞行器隐身设计是先进飞行器总体设计的关键环节，随着更为复杂的结构以及新兴复合材料应用于飞行器制造，基于缩比模型的电磁散射特征分析变得不再精确，在室内或者室外较小区域内开展对全尺寸飞行器电磁散射特征的近场成像与诊断已经成为高效率评估隐身特性的重要方式，受到国内外的广泛关注。本文介绍了两种典型的飞行器近场成像几何，基于球面波分解理论分别建立了信号模型，推导了频域成像处理算法，对比分析了两类不同成像几何对应的成像处理流程，提出子孔径成像处理是分析飞行器电磁散射特征的基本策略；归纳了平面阵列三维成像与柱面阵列三维成像在成像处理复杂度、点散布函数、应用特点等方面的区别与联系。文中通过仿真数据的三维成像验证了所提信号模型与处理算法的正确性。     

紧缩场室内双站散射成像测量

介绍了利用紧缩场与喇叭天线配合使用进行双站二维成像测量的方法。给出用于此测试方法的成像算法——抛物面反投影法。并分别采用线性反投影、球面反投影和抛物面反投影处理点阵目标的仿真数据,比较三种成像方法的差异。按该方法构成实验系统,对几个典型目标进行双站成像测试,验证了方法的有效性。同时对比单站成像的结果,考察目标双站成像所体现的散射特性。     

短脉冲非相参雷达的逆合成孔径成像及其稀疏恢复成像技术

短脉冲非相参雷达(NCSP)的辐射源输出微波脉冲持续时间短,针对于高速运动目标而言,其脉冲持续时间内的目标运动可忽略不计,对回波信号不需进行专门的脉冲内运动补偿。为了利用短脉冲非相参雷达信号进行逆合成孔径雷达成像,该文应用补偿相参处理的方法,去除辐射信号包络时间不确定性和初始相位的不确定性影响,在常规方法进行包络对齐和初相补偿后可利用距离-多普勒(RD)方法进行逆合成孔径雷达成像,仿真验证了补偿后信号成像的可行性。然而,短脉冲非相参雷达的载频随机抖动的因素会导致距离-多普勒成像结果在多普勒维度产生随机调制的旁瓣,影响成像的质量。利用稀疏恢复技术,在成像空间中对目标的散射中心进行稀疏重构,利用正交匹配追踪(OMP)算法和稀疏贝叶斯学习(SBL)算法进行成像,从而实现了抑制非相参因素引起的成像旁瓣,改进了成像质量,通过仿真验证了方法可行性。     

Three-dimensional nonlinear image reconstruction for microwave biomedical imaging

Active microwave imaging has attracted significant interests in biomedical applications, in particular for breast imaging. However, the high electrical contrasts in breast tissue also increases the difficulty of forming an accurate image because of the increased multiple scattering. To model such strong three-dimensional (3-D) multiple scattering effects in biomedical imaging applications, we develop a full 3-D inverse scattering algorithm based on the combination of the contrast source inversion and the fast Fourier transform algorithm. Numerical results show that our algorithm can accurately invert for the high-contrast media in breast tissue.     

一种超宽带穿墙雷达的三维成像算法研究

提出了一种应用于超宽带穿墙雷达的三维成像算法。在研究后向投影算法原理的基础上,构建了电磁波穿透介质墙的数学模型,补偿了电磁波在墙体中传播的时间延迟,推导了基于偶极子近场辐射模型的穿墙改进后向投影算法,给出了算法的实现流程。利用FDTD得到采样数据,运用算法的具体流程实现对介质墙存在下的目标进行三维成像。验证了算法的有效性,分析了墙体和目标间耦合作用对成像效果的影响。     

基于快速后向投影的超宽带冰雷达数据成像算法

该文提出一种新的冰雷达成像算法,该算法可以在获得高分辨率冰下剖面图的同时,拥有较高的处理效率.该算法是一种基于快速后向投影的超宽带(UWB)冰雷达成像方法,其修正了多层媒质情况下的雷达与目标之间的距离,以及因多层媒质造成的距离徙动几何变化.该文分析了算法的原理,给出了算法实现的具体步骤,并将其应用于点目标仿真和航空冰雷...     

A new fast method for the reconstruction of 2-D microwave images ofrotating objects

The problem of microwave imaging of rotating objects is approached from a digital signal processing point of view. Attention is focused on the reconstruction of the two-dimensional (2-D) image of an object obtained by processing complex samples of the continuous wave (CW) signal return received for different object aspect angles covering a 2pi total variation. The effects of a polar sampling of the Fourier transform (FT) of the target reflectivity function on the impulse response of the imaging system are analyzed. A criterion for the choice of the angular sampling interval in order to control the image blurring is given. Finally, a new and fast digital signal processing method for image reconstruction is proposed. This method reconstructs high resolution images of rotating targets illuminated by a CW electromagnetic signal or by a large bandwidth transmitted signal. This algorithm is suitable for processing wideband received signal of targets observed for a large variation of the viewing angle, so it is very attractive for the reconstruction of very high spatial resolution target images in SAR/ISAR systems. To show the performance of the method we finally present and discuss the results obtained by applying the proposed technique on simulated and experimental data.