三十六所項(xiàng)目中期總結(jié)報(bào)告課件

空間信息獲取中的幾個(gè)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生學(xué)術(shù)年會空間信息獲取中的幾個(gè)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(shí)全天候、遠(yuǎn)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(dá)：檢測與測量、成像與目標(biāo)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)重要例子雷達(dá)成像：機(jī)載/星載SAR、ISAR、艦載SAR-ISAR

分布式小衛(wèi)星雷達(dá)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(biāo)、空中高速尋航導(dǎo)彈)。西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)重要基本問題：

測定電磁波傳播方向：波達(dá)方向估計(jì)空間濾波：增強(qiáng)期望方向到達(dá)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)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(diǎn)等相位，C點(diǎn)比A點(diǎn)相位超前如果A點(diǎn)的信號用表示,則B點(diǎn)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(gè)“窄帶”信號,有則

1）比較兩點(diǎn)信號的相位差，可以估計(jì)DOA。2）對各傳感器信號移相補(bǔ)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(shí)，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(gè)信號源從方向到達(dá)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(gè)信號源從方向到達(dá)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(jì)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(gè)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(gè)信號分別來自9由上述信號模型已知不考慮接收機(jī)內(nèi)部白噪聲情況下，N個(gè)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(gè)P維子空間中：西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室稱此P維子空間信號子空間，與其正交的補(bǔ)空間為噪聲子空間。實(shí)際上，由于接收機(jī)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(jì)算其投影矢量長度，并搜索變量就可以獲得P個(gè)波到達(dá)方向，因?yàn)?/p>

西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室真實(shí)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室再看看噪聲信號項(xiàng)在采集的數(shù)據(jù)X(t)中，P個(gè)信號幅度隨機(jī)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(jì)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)分量統(tǒng)計(jì)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(jì)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室R的前P個(gè)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(gè)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)信號161）上述用線性代數(shù)和矩陣論得到的方向估計(jì)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(jì)、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(gè)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(jì)也是個(gè)問題。西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)方法屬于所謂的特征結(jié)17西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)）：修正子空間技術(shù)高階統(tǒng)計(jì)量方法：高斯信號的高階累積量為零。缺點(diǎn)：運(yùn)算量大，要求很大的數(shù)據(jù)量。色噪聲白化方法：需估計(jì)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(dá)信號18信源數(shù)估計(jì)結(jié)果11223300AIC76777767MDL76655766BPD66666656AICLoading21343311MDLLoading11223300BPDLoading21333312西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3、寬帶陣列信號的空時(shí)處理窄帶陣列信號模型瞬時(shí)窄帶信號：波程差是角度和波長的函數(shù)。瞬時(shí)寬帶信號：波到達(dá)各陣元的不同時(shí)延導(dǎo)致信號復(fù)包絡(luò)。需要包絡(luò)補(bǔ)償（自適應(yīng)）西安電子科技大學(xué)雷達(dá)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?yàn)V波器。TTTTTTTTT空時(shí)自適應(yīng)信號處理3、寬帶陣列信號的空時(shí)處理寬帶陣列處理方法：一般結(jié)構(gòu)：多通道橫向?yàn)V波器。TTTTTTT22空時(shí)處理結(jié)構(gòu)分類：

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

目標(biāo)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(shí)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(jìn)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(shí)處理寬帶陣列空頻處理方法對同頻數(shù)據(jù)進(jìn)行類似于窄帶陣列處理FFTF25西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室４、陣列幾何結(jié)構(gòu)空間欠采樣：陣元間距大于半個(gè)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(dá)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)信號處理國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室謝謝！歡迎批評指正！西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號28空間信息獲取中的幾個(gè)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生學(xué)術(shù)年會空間信息獲取中的幾個(gè)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(shí)全天候、遠(yuǎn)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(dá)：檢測與測量、成像與目標(biāo)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)重要例子雷達(dá)成像：機(jī)載/星載SAR、ISAR、艦載SAR-ISAR

分布式小衛(wèi)星雷達(dá)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(biāo)、空中高速尋航導(dǎo)彈)。西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)重要基本問題：

測定電磁波傳播方向：波達(dá)方向估計(jì)空間濾波：增強(qiáng)期望方向到達(dá)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)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(diǎn)等相位，C點(diǎn)比A點(diǎn)相位超前如果A點(diǎn)的信號用表示,則B點(diǎn)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(gè)“窄帶”信號,有則

1）比較兩點(diǎn)信號的相位差，可以估計(jì)DOA。2）對各傳感器信號移相補(bǔ)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(shí)，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(gè)信號源從方向到達(dá)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(gè)信號源從方向到達(dá)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(jì)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(gè)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(gè)信號分別來自37由上述信號模型已知不考慮接收機(jī)內(nèi)部白噪聲情況下，N個(gè)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(gè)P維子空間中：西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室稱此P維子空間信號子空間，與其正交的補(bǔ)空間為噪聲子空間。實(shí)際上，由于接收機(jī)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(jì)算其投影矢量長度，并搜索變量就可以獲得P個(gè)波到達(dá)方向，因?yàn)?/p>

西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室真實(shí)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室再看看噪聲信號項(xiàng)在采集的數(shù)據(jù)X(t)中，P個(gè)信號幅度隨機(jī)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(jì)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(gè)分量統(tǒng)計(jì)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(jì)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室R的前P個(gè)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(gè)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)信號441）上述用線性代數(shù)和矩陣論得到的方向估計(jì)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(jì)、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(gè)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(jì)也是個(gè)問題。西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)方法屬于所謂的特征結(jié)45西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jì)）：修正子空間技術(shù)高階統(tǒng)計(jì)量方法：高斯信號的高階累積量為零。缺點(diǎn)：運(yùn)算量大，要求很大的數(shù)據(jù)量。色噪聲白化方法：需估計(jì)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(dá)信號46信源數(shù)估計(jì)結(jié)果11223300AIC76777767MDL76655766BPD66666656AICLoading21343311MDLLoading11223300BPDLoading21333312西安電子科技大學(xué)

雷達(dá)信號處理國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3、寬帶陣列信號的空時(shí)處理窄帶陣列信號模型瞬時(shí)窄帶信號：波程差是角度和波長的函數(shù)。瞬時(shí)寬帶信號：波到達(dá)各陣元的不同時(shí)延導(dǎo)