所项目中期总结报告.ppt

空间信息获取中的几个问题 廖桂生电子工程研究所2003年11月27日 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 研究生学术年会 信息获取的方法有 电磁波 全天时全天候 远距离 超 声波 间距离 水下红外 可见光 高分辨 天气影响大电磁波方法的主要有雷达 检测与测量 成像与目标识别信息获取的基本过程 传感器阵列采集信号 信号处理提取信息 1 空间信息获取概述 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 研究生学术年会 空间信息获取的应用 非常广泛几个重要例子雷达成像 机载 星载SAR ISAR 舰载SAR ISAR分布式小卫星雷达系统 高分辨率大测绘带SAR成像 高精度高成测量 高精度MTI 地面慢速目标 空中高速寻航导弹 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 研究生学术年会 1 空间信息获取概述 空间信息获取中的两个重要基本问题 测定电磁波传播方向 波达方向估计空间滤波 增强期望方向到达的信号而抑制其它方向来的信号超分辨问题 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 研究生学术年会 1 空间信息获取概述 平面波的等相位面垂直于传播方向 B C两点等相位 C点比A点相位超前 如果A点的信号用表示 则B点的信号为 2 空间信息获取的物理基础 2 空间信息获取的物理基础 由空间采样 传感器 信号可知 对于单个 窄带 信号 有则1 比较两点信号的相位差 可以估计DOA 2 对各传感器信号移相补偿使得它们在某方向上同相位 再相加 波束形成 问题 多信号 分辨 阵列 内外部噪声 抗噪传统方法 匹配滤波 波束形成 宽带信号 空时 阵列几何结构 模糊 要求传感器阵列以均匀线阵为例 假定 单个信号源从方向到达阵列上 2 多信号分辨 线性代数方法 式中 它依赖于阵列几何结构和波的传播方向 波长等参数 称为阵列流形 arraymanifold 或导向矢量 steeringvector 给定阵列结构和已知传播波长 由可以计算出波的传播方向 假定 P个信号分别来自 N P A N P阶矩阵S t P维列矢量 噪声信号 2 多信号分辨 线性代数方法 由上述信号模型已知不考虑接收机内部白噪声情况下 N个阵元接收的信号矢量X t 位于矩阵A的列空间 即N维线性空间中的一个P维子空间中 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 称此P维子空间信号子空间 与其正交的补空间为噪声子空间 实际上 由于接收机电路总是存在内部噪声信号 2 多信号分辨 线性代数方法 无论有无噪声 只要求出了信号子空间或噪声子空间 用方向矢量向这两子空间之一投影计算其投影矢量长度 并搜索变量就可以获得P个波到达方向 因为 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 真实角度对应的向信号子空间的投影矢量不变向噪声子空间的投影矢量为零 2 多信号分辨 线性代数方法 可否由阵列采集的一批数据求出信号子空间或噪声子空间 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 再看看 噪声信号项 在采集的数据X t 中 P个信号幅度随机矢量充分任意变化 使得所有X t 包含信号子空间全部信息 2 多信号分辨 线性代数方法 用统计方法 求采集数据的自相关矩阵 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 在不相关白噪声背景下 很容易推得 S t 充分任意变化 即P个分量统计不相关 则 为对角线大于零的P阶对角矩阵 2 多信号分辨 线性代数方法 得到 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 R为N阶正定厄米特 Hermittian 矩阵 其特征分解结构为 分别为矩阵R的特征值和特征矢量 且 2 多信号分辨 线性代数方法 容易证明 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 R的前P个大特征值对应的特征矢量张成的线性子空间就是前面定义的信号子空间 后N P个小特征值对应的特征矢量张成的线性子空间就是噪声子空间 2 多信号分辨 线性代数方法 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 方向矢量在噪声子空间投影矢量长度 搜索角度定义空间谱函数 2 多信号分辨 线性代数方法 1 上述用线性代数和矩阵论得到的方向估计方法属于所谓的特征结构法 1979年提出 以MUSIC方法为代表 至今在高分辨谱估计 高分辨测向 高分辨遥感成像 信号特征提取等很多工程技术领域获得了广泛应用 2 N P个小特征值相等的要求很重要 在色噪声情况下 信号源数目P的估计也是个问题 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 2 多信号分辨 线性代数方法 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 3 色噪声抑制问题 最优滤波技术 平稳信号 维纳滤波非平稳 Kalman滤波多信号分辨 参数估计 修正子空间技术高阶统计量方法 高斯信号的高阶累积量为零 缺点 运算量大 要求很大的数据量 色噪声白化方法 需估计噪声相关矩阵 其它方法 对角加载技术 盖儿圆方法新方法 西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室 色噪声环境下 几种方法比较的结果 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 3 宽带阵列信号的空时处理 窄带阵列信号模型 瞬时窄带信号 波程差是角度和波长的函数 瞬时宽带信号 波到达各阵元的不同时延导致信号复包络 需要包络补偿 自适应 频域表示 宽带阵列处理方法 一般结构 多通道横向滤波器 3 宽带阵列信号的空时处理 空时处理结构分类 空时联合处理空时级联处理 先空后时 先时后空 从空时谱结构来选择空时谱是否耦合 3 宽带阵列信号的空时处理 3 宽带阵列信号的空时处理 宽带阵列空频处理方法 对同频数据进行类似于窄带阵列处理 3 宽带阵列信号的空时处理 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 阵列几何结构 空间欠采样 阵元间距大于半个波长 孔径变大但是空间模糊解模糊新方法 多基线技术超大稀布阵 趋于宽带信号情况 问题复杂信号侦收技术中 要求处理超大带宽信号 如何优化布阵以克服模糊问题 空间信息获取技术应用面很广泛 其基本方法归结为阵列信号处理 目前仍然是十分活跃的研究领域 很有很多基本问题有待解决 尤其是应用于天基信息探测系统 又出现了很多新的问题 结论 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室 西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室 谢谢 欢迎批评指正