空间信息获取中的几个问题.ppt

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西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室研究生学术年会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)。西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室研究生学术年会研究生学术年会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西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室研究生学术年会研究生学术年会1、空间信息获取概述平面波的等相位面垂直于传播方向电磁波传播平面波ABCAC=d*sint=AC/V 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要求传感器阵列以均匀线阵为例以均匀线阵为例12N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，式中，它依赖于阵列几何结构和波的传播方向、波长等参它依赖于阵列几何结构和波的传播方向、波长等参数，称为数，称为阵列流形（阵列流形（array manifold）或导向矢量）或导向矢量(steering vector)。给定阵列结构和已知传播波长，。给定阵列结构和已知传播波长，由由 可以计算出波的传播方向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 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：西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室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 西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室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？西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室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：西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室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：西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室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：西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室R 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西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室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。西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室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西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室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 新方法信源数估计结果11223300AIC76777767MDL76655766BPD66666656AIC Loading21343311MDL Loading11223300BPD Loading21333312西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室雷达信号处理国防科技重点实验室雷达信号处理国防科技重点实验室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：西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室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：频域表示：宽带阵列处理方法：一般结构：多通道横向滤波器。宽带阵列处理方法：一般结构：多通道横向滤波器。TTTTTTTTT空时自适应信号处理空时自适应信号处理3、宽带阵列信号的空时处理空时处理结构分类：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主瓣杂波旁瓣杂波杂波高度线 目标0-0.51-1+0.50fdc/2fr0cos多普勒通带主波束宽带阵列空频处理方法宽带阵列空频处理方法对同频数据进行对同频数据进行类似于窄带阵列类似于窄带阵列处理处理FFTFFTFFT阵列处理阵列处理IFFT3、宽带阵列信号的空时处理西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室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西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室雷达信号处理国家重点实验室西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学西安电子科技大学 雷达信号处理国防科技重点实验室雷达信号处理国防科技重点实验室雷达信号处理国防科技重点实验室雷达信号处理国防科技重点实验室谢谢 谢！谢！欢迎批评指正！欢迎批评指正！