三十六所項目中期總結(jié)報告課件

空間信息獲取中的幾個問題廖桂生電子工程研究所2003年11月27日西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室研究生學(xué)術(shù)年會空間信息獲取中的幾個問題廖桂生西安電子科技大學(xué)1信息獲取的方法有：電磁波：全天時全天候、遠距離（超）聲波：間距離、水下紅外、可見光：高分辨、天氣影響大電磁波方法的主要有雷達：檢測與測量、成像與目標識別信息獲取的基本過程：傳感器陣列采集信號、信號處理提取信息1、空間信息獲取概述西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室研究生學(xué)術(shù)年會信息獲取的方法有：1、空間信息獲取概述西安電子科技大學(xué)2空間信息獲取的應(yīng)用：非常廣泛幾個重要例子雷達成像：機載/星載SAR、ISAR、艦載SAR-ISAR

分布式小衛(wèi)星雷達系統(tǒng)：高分辨率大測繪帶SAR成像、高精度高成測量、高精度MTI(地面慢速目標、空中高速尋航導(dǎo)彈)。西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室研究生學(xué)術(shù)年會1、空間信息獲取概述空間信息獲取的應(yīng)用：非常廣泛西安電子科技大學(xué)3空間信息獲取中的兩個重要基本問題：

測定電磁波傳播方向：波達方向估計空間濾波：增強期望方向到達的信號而抑制其它方向來的信號

超分辨問題西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室研究生學(xué)術(shù)年會1、空間信息獲取概述西安電子科技大學(xué)雷達信號4平面波的等相位面垂直于傳播方向電磁波傳播平面波ABCAC=d*sint’=AC/VB、C兩點等相位，C點比A點相位超前如果A點的信號用表示,則B點的信號為2、空間信息獲取的物理基礎(chǔ)平面波的等相位面垂直于傳播方向電磁波傳播平面波ABCAC=d52、空間信息獲取的物理基礎(chǔ)由空間采樣（傳感器）信號可知：對于單個“窄帶”信號,有則

1）比較兩點信號的相位差，可以估計DOA。2）對各傳感器信號移相補償使得它們在某方向上同相位，再相加--波束形成。問題：多信號--分辨(陣列)，內(nèi)外部噪聲--抗噪

傳統(tǒng)方法：匹配濾波（波束形成）寬帶信號--空時，陣列幾何結(jié)構(gòu)--模糊2、空間信息獲取的物理基礎(chǔ)由空間采樣（傳感器）信號可知：6要求傳感器陣列以均勻線陣為例12N假定：單個信號源從方向到達陣列上2、多信號分辨—線性代數(shù)方法要求傳感器陣列12N假定：單個信號源從方向到達陣7式中，它依賴于陣列幾何結(jié)構(gòu)和波的傳播方向、波長等參數(shù)，稱為陣列流形（arraymanifold）或?qū)蚴噶?steeringvector)。給定陣列結(jié)構(gòu)和已知傳播波長，由可以計算出波的傳播方向。式中，它依賴于陣列幾何結(jié)構(gòu)和波的傳播方向、波長等參數(shù)，稱為陣8假定：P個信號分別來自，N>PA():N*P階矩陣S(t):P維列矢量+噪聲信號2、多信號分辨—線性代數(shù)方法假定：P個信號分別來自9由上述信號模型已知不考慮接收機內(nèi)部白噪聲情況下，N個陣元接收的信號矢量X(t)位于矩陣A的列空間，即N維線性空間中的一個P維子空間中：西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室稱此P維子空間信號子空間，與其正交的補空間為噪聲子空間。實際上，由于接收機電路總是存在內(nèi)部噪聲信號。2、多信號分辨—線性代數(shù)方法由上述信號模型已知西安電子科技大學(xué)10無論有無噪聲，只要求出了信號子空間或噪聲子空間，用方向矢量向這兩子空間之一投影計算其投影矢量長度，并搜索變量就可以獲得P個波到達方向，因為

西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室真實角度對應(yīng)的向信號子空間的投影矢量不變向噪聲子空間的投影矢量為零2、多信號分辨—線性代數(shù)方法無論有無噪聲，只要求出了信號子空間或噪聲子空間，用方向矢11可否由陣列采集的一批數(shù)據(jù)求出信號子空間或噪聲子空間？西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室再看看噪聲信號項在采集的數(shù)據(jù)X(t)中，P個信號幅度隨機矢量充分任意變化，使得所有X(t)包含信號子空間全部信息2、多信號分辨—線性代數(shù)方法可否由陣列采集的一批數(shù)據(jù)西安電子科技大學(xué)12用統(tǒng)計方法,求采集數(shù)據(jù)的自相關(guān)矩陣：西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室在不相關(guān)白噪聲背景下，很容易推得S(t)充分任意變化，即P個分量統(tǒng)計不相關(guān)，則：為對角線大于零的P階對角矩陣2、多信號分辨—線性代數(shù)方法用統(tǒng)計方法,求采集數(shù)據(jù)的自相關(guān)矩陣：西安電子科技大學(xué)13得到：西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室R為N階正定厄米特(Hermittian)矩陣,其特征分解結(jié)構(gòu)為：分別為矩陣R的特征值和特征矢量，且2、多信號分辨—線性代數(shù)方法得到：西安電子科技大學(xué)雷14容易證明：西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室R的前P個大特征值對應(yīng)的特征矢量張成的線性子空間就是前面定義的信號子空間，后N-P個小特征值對應(yīng)的特征矢量張成的線性子空間就是噪聲子空間。2、多信號分辨—線性代數(shù)方法容易證明：西安電子科技大學(xué)15西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室方向矢量在噪聲子空間投影矢量長度搜索角度定義空間譜函數(shù)：2、多信號分辨—線性代數(shù)方法西安電子科技大學(xué)雷達信號161）上述用線性代數(shù)和矩陣論得到的方向估計方法屬于所謂的特征結(jié)構(gòu)法，1979年提出(以MUSIC方法為代表），至今在高分辨譜估計、高分辨測向、高分辨遙感成像、信號特征提取等很多工程技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。2）N-P個小特征值相等的要求很重要。在色噪聲情況下，信號源數(shù)目P的估計也是個問題。西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室2、多信號分辨—線性代數(shù)方法1）上述用線性代數(shù)和矩陣論得到的方向估計方法屬于所謂的特征結(jié)17西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室3、色噪聲抑制問題最優(yōu)濾波技術(shù)：平穩(wěn)信號--維納濾波非平穩(wěn)–Kalman濾波多信號分辨（參數(shù)估計）：修正子空間技術(shù)高階統(tǒng)計量方法：高斯信號的高階累積量為零。缺點：運算量大，要求很大的數(shù)據(jù)量。色噪聲白化方法：需估計噪聲相關(guān)矩陣。其它方法：對角加載技術(shù)、蓋兒圓方法新方法……西安電子科技大學(xué)雷達信號18信源數(shù)估計結(jié)果11223300AIC76777767MDL76655766BPD66666656AICLoading21343311MDLLoading11223300BPDLoading21333312西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國防科技重點實驗室色噪聲環(huán)境下，幾種方法比較的結(jié)果：信源數(shù)11223300AIC76777767MDL7665519西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室3、寬帶陣列信號的空時處理窄帶陣列信號模型瞬時窄帶信號：波程差是角度和波長的函數(shù)。瞬時寬帶信號：波到達各陣元的不同時延導(dǎo)致信號復(fù)包絡(luò)。需要包絡(luò)補償（自適應(yīng)）西安電子科技大學(xué)雷達信號20頻域表示：

頻域表示：21寬帶陣列處理方法：一般結(jié)構(gòu)：多通道橫向濾波器。TTTTTTTTT空時自適應(yīng)信號處理3、寬帶陣列信號的空時處理寬帶陣列處理方法：一般結(jié)構(gòu)：多通道橫向濾波器。TTTTTTT22空時處理結(jié)構(gòu)分類：

空時聯(lián)合處理空時級聯(lián)處理（先空后時、先時后空）從空時譜結(jié)構(gòu)來選擇空時譜是否耦合3、寬帶陣列信號的空時處理空時處理結(jié)構(gòu)分類：3、寬帶陣列信號的空時處理233、寬帶陣列信號的空時處理主瓣雜波旁瓣雜波雜波高度線

目標0-0.51-1+0.50fdc/2fr0cos多普勒通帶主波束3、寬帶陣列信號的空時處理主瓣雜波旁瓣雜波雜波高度線24寬帶陣列空頻處理方法對同頻數(shù)據(jù)進行類似于窄帶陣列處理FFTFFTFFT陣列處理IFFT3、寬帶陣列信號的空時處理寬帶陣列空頻處理方法對同頻數(shù)據(jù)進行類似于窄帶陣列處理FFTF25西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室４、陣列幾何結(jié)構(gòu)空間欠采樣：陣元間距大于半個波長，孔徑變大但是空間模糊解模糊新方法--多基線技術(shù)超大稀布陣，趨于寬帶信號情況，問題復(fù)雜信號偵收技術(shù)中，要求處理超大帶寬信號，如何優(yōu)化布陣以克服模糊問題？西安電子科技大學(xué)雷達信號26空間信息獲取技術(shù)應(yīng)用面很廣泛，其基本方法歸結(jié)為陣列信號處理，目前仍然是十分活躍的研究領(lǐng)域，很有很多基本問題有待解決，尤其是應(yīng)用于天基信息探測系統(tǒng)，又出現(xiàn)了很多新的問題。５、結(jié)論西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室空間信息獲取技術(shù)應(yīng)用面很廣泛，其基本方法歸結(jié)為陣列27西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國防科技重點實驗室謝謝！歡迎批評指正！西安電子科技大學(xué)雷達信號28空間信息獲取中的幾個問題廖桂生電子工程研究所2003年11月27日西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室研究生學(xué)術(shù)年會空間信息獲取中的幾個問題廖桂生西安電子科技大學(xué)29信息獲取的方法有：電磁波：全天時全天候、遠距離（超）聲波：間距離、水下紅外、可見光：高分辨、天氣影響大電磁波方法的主要有雷達：檢測與測量、成像與目標識別信息獲取的基本過程：傳感器陣列采集信號、信號處理提取信息1、空間信息獲取概述西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室研究生學(xué)術(shù)年會信息獲取的方法有：1、空間信息獲取概述西安電子科技大學(xué)30空間信息獲取的應(yīng)用：非常廣泛幾個重要例子雷達成像：機載/星載SAR、ISAR、艦載SAR-ISAR

分布式小衛(wèi)星雷達系統(tǒng)：高分辨率大測繪帶SAR成像、高精度高成測量、高精度MTI(地面慢速目標、空中高速尋航導(dǎo)彈)。西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室研究生學(xué)術(shù)年會1、空間信息獲取概述空間信息獲取的應(yīng)用：非常廣泛西安電子科技大學(xué)31空間信息獲取中的兩個重要基本問題：

測定電磁波傳播方向：波達方向估計空間濾波：增強期望方向到達的信號而抑制其它方向來的信號

超分辨問題西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室研究生學(xué)術(shù)年會1、空間信息獲取概述西安電子科技大學(xué)雷達信號32平面波的等相位面垂直于傳播方向電磁波傳播平面波ABCAC=d*sint’=AC/VB、C兩點等相位，C點比A點相位超前如果A點的信號用表示,則B點的信號為2、空間信息獲取的物理基礎(chǔ)平面波的等相位面垂直于傳播方向電磁波傳播平面波ABCAC=d332、空間信息獲取的物理基礎(chǔ)由空間采樣（傳感器）信號可知：對于單個“窄帶”信號,有則

1）比較兩點信號的相位差，可以估計DOA。2）對各傳感器信號移相補償使得它們在某方向上同相位，再相加--波束形成。問題：多信號--分辨(陣列)，內(nèi)外部噪聲--抗噪

傳統(tǒng)方法：匹配濾波（波束形成）寬帶信號--空時，陣列幾何結(jié)構(gòu)--模糊2、空間信息獲取的物理基礎(chǔ)由空間采樣（傳感器）信號可知：34要求傳感器陣列以均勻線陣為例12N假定：單個信號源從方向到達陣列上2、多信號分辨—線性代數(shù)方法要求傳感器陣列12N假定：單個信號源從方向到達陣35式中，它依賴于陣列幾何結(jié)構(gòu)和波的傳播方向、波長等參數(shù)，稱為陣列流形（arraymanifold）或?qū)蚴噶?steeringvector)。給定陣列結(jié)構(gòu)和已知傳播波長，由可以計算出波的傳播方向。式中，它依賴于陣列幾何結(jié)構(gòu)和波的傳播方向、波長等參數(shù)，稱為陣36假定：P個信號分別來自，N>PA():N*P階矩陣S(t):P維列矢量+噪聲信號2、多信號分辨—線性代數(shù)方法假定：P個信號分別來自37由上述信號模型已知不考慮接收機內(nèi)部白噪聲情況下，N個陣元接收的信號矢量X(t)位于矩陣A的列空間，即N維線性空間中的一個P維子空間中：西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室稱此P維子空間信號子空間，與其正交的補空間為噪聲子空間。實際上，由于接收機電路總是存在內(nèi)部噪聲信號。2、多信號分辨—線性代數(shù)方法由上述信號模型已知西安電子科技大學(xué)38無論有無噪聲，只要求出了信號子空間或噪聲子空間，用方向矢量向這兩子空間之一投影計算其投影矢量長度，并搜索變量就可以獲得P個波到達方向，因為

西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室真實角度對應(yīng)的向信號子空間的投影矢量不變向噪聲子空間的投影矢量為零2、多信號分辨—線性代數(shù)方法無論有無噪聲，只要求出了信號子空間或噪聲子空間，用方向矢39可否由陣列采集的一批數(shù)據(jù)求出信號子空間或噪聲子空間？西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室再看看噪聲信號項在采集的數(shù)據(jù)X(t)中，P個信號幅度隨機矢量充分任意變化，使得所有X(t)包含信號子空間全部信息2、多信號分辨—線性代數(shù)方法可否由陣列采集的一批數(shù)據(jù)西安電子科技大學(xué)40用統(tǒng)計方法,求采集數(shù)據(jù)的自相關(guān)矩陣：西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室在不相關(guān)白噪聲背景下，很容易推得S(t)充分任意變化，即P個分量統(tǒng)計不相關(guān)，則：為對角線大于零的P階對角矩陣2、多信號分辨—線性代數(shù)方法用統(tǒng)計方法,求采集數(shù)據(jù)的自相關(guān)矩陣：西安電子科技大學(xué)41得到：西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室R為N階正定厄米特(Hermittian)矩陣,其特征分解結(jié)構(gòu)為：分別為矩陣R的特征值和特征矢量，且2、多信號分辨—線性代數(shù)方法得到：西安電子科技大學(xué)雷42容易證明：西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室R的前P個大特征值對應(yīng)的特征矢量張成的線性子空間就是前面定義的信號子空間，后N-P個小特征值對應(yīng)的特征矢量張成的線性子空間就是噪聲子空間。2、多信號分辨—線性代數(shù)方法容易證明：西安電子科技大學(xué)43西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室方向矢量在噪聲子空間投影矢量長度搜索角度定義空間譜函數(shù)：2、多信號分辨—線性代數(shù)方法西安電子科技大學(xué)雷達信號441）上述用線性代數(shù)和矩陣論得到的方向估計方法屬于所謂的特征結(jié)構(gòu)法，1979年提出(以MUSIC方法為代表），至今在高分辨譜估計、高分辨測向、高分辨遙感成像、信號特征提取等很多工程技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。2）N-P個小特征值相等的要求很重要。在色噪聲情況下，信號源數(shù)目P的估計也是個問題。西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室2、多信號分辨—線性代數(shù)方法1）上述用線性代數(shù)和矩陣論得到的方向估計方法屬于所謂的特征結(jié)45西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室3、色噪聲抑制問題最優(yōu)濾波技術(shù)：平穩(wěn)信號--維納濾波非平穩(wěn)–Kalman濾波多信號分辨（參數(shù)估計）：修正子空間技術(shù)高階統(tǒng)計量方法：高斯信號的高階累積量為零。缺點：運算量大，要求很大的數(shù)據(jù)量。色噪聲白化方法：需估計噪聲相關(guān)矩陣。其它方法：對角加載技術(shù)、蓋兒圓方法新方法……西安電子科技大學(xué)雷達信號46信源數(shù)估計結(jié)果11223300AIC76777767MDL76655766BPD66666656AICLoading21343311MDLLoading11223300BPDLoading21333312西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國防科技重點實驗室色噪聲環(huán)境下，幾種方法比較的結(jié)果：信源數(shù)11223300AIC76777767MDL7665547西安電子科技大學(xué)

雷達信號處理國家重點實驗室3、寬帶陣列信號的空時處理窄帶陣列信號模型瞬時窄帶信號：波程差是角度和波長的函數(shù)。瞬時寬帶信號：波到達各陣元的不同時延導(dǎo)