结构化信号处理是近年来信息领域发展极为迅猛的一个研究分支,它革新了以Nyquist-Shannon理论为基础的信号处理经典体系的众多结论,开启了面向对象的信息处理的大门,促使挖掘信号的结构性与自适应测量有机结合,推动了信息论、电子学、医疗、应用数学、物理等领域的发展。结构化信号处理研究结构化信号的获取、表征、复原及应用等问题,主要包含4方面内容:(1)研究结构化信号表征与测度的模型和理论;(2)研究结构化信号的复原模型、理论及算法实现;(3)研究信号获取的新体制;(4)研究结构化信号处理的应用。该文以数据和先验两类信息源的融合为主线,讨论了结构化信号处理在信号表征和大尺度信号复原等方面的最新研究结果,并对该领域的发展进行了展望。

叶簇穿透合成孔径雷达(FOPEN SAR)为了探测树林中隐藏目标,通常工作在低信杂比(SCR)的环境中,目标检测难度极大。该文提出一种基于目标散射方位变化特性的增强成像方法,在保证高空间分辨率的同时,增强隐蔽目标图像SCR。对于感兴趣的车辆类目标,目标主侧面与地面形成二面角。当电磁波沿二面角法线方向入射时,回波能量最强。该方法能够获得该方位角对应的高分辨率图像,从而增强目标SCR,提高检测性能。实测机载FOPEN SAR数据验证了该方法的有效性。

该文提出了一种抑制探地和穿墙成像中多径虚假目标的新方法, 虚假目标主要来源于基于伯恩近似的线性成像算法, 该方法忽略了目标之间的多次散射。相对已有抑制多径虚假目标的方法, 该文的主要贡献有两个方面:(a)目标反射率第一次用概率函数模型表征, (b)成像过程中引入随机孔径(从整个孔径中随机选取获得)的概念, 因此, 最终雷达图像可以理解为由随机子孔径得到图像相乘获得的联合概率分布。最后, 通过一组数值算例验证了该方法在探地和穿墙成像中的有效性。

测月雷达是嫦娥三号月球巡视器搭载的重要科学载荷之一, 用以实现月表之下100 m之内的穿透成像。该文介绍了测月雷达的系统组成与工作原理, 对获取到的月球科学数据进行了详细分析。在此基础上研究了有针对性的数据处理方法, 并给出第1通道数据的初步处理结果。从处理结果中可知, 测月雷达有效信号深度达到100m以上, 在大约40 m深处有雷达反射异常, 初步分析为嫦娥三号着陆区月表之下两套地层的分界线。

该文提出了一种便携式伪随机编码超宽带人体感知雷达的设计方法。人体感知雷达主要包括对运动人体目标进行跟踪以及对静止人体目标的呼吸频率进行提取。为了获得较强的穿透能力与较好的距离分辨率,采用了载波为800 MHz的m序列作为雷达发射信号。为了减小雷达系统尺寸,采用高速DAC与FPGA直接合成m序列调制信号,发射信号的平均功率为5 dBm。接收机具有两个混合采样接收通道,第1通道用于实时获得参考码,第2通道用于接收雷达回波。为了提高雷达系统扫描率,采用FPGA内部的多个DSP内核级联来实现脉冲压缩的并行计算。另外,动目标跟踪算法与生命探测算法在Intel处理器内运行,将探测结果传给头盔上的微型显示器进行显示。最后,通过穿墙实验表明,该雷达能实时跟踪墙后16 m内的动目标,同时能提取墙后14 m内静止人体的呼吸频率。

该文研究了一种半椭圆结构分布式加载偶极子天线.通过改进天线臂结构以及采用分布式电阻加载,有效降低电流在天线末端的反射,能够改进天线的输入阻抗特性,展宽天线的工作频带.应用长方体金属反射腔,减小了天线的后向辐射,增强了天线的地下穿透能力.利用电磁计算软件对天线进行了仿真和设计,并加工制作了一部样机,测试了样机的反射损耗和辐射特性等性能参数,测试与仿真结果较为贴合.将该天线应用于探地雷达系统进行地下目标探测实验,实验结果证明该天线满足探地雷达系统的需要.

该文针对中段群目标回波信号分离问题,提出了基于时频域联合滤波的信号分离算法.该算法首先基于自相关原理估计出某一目标的微动周期;然后根据所估计周期对回波进行分段,利用S变换提取各段信号在时频域的强能量区域,各段信号强能量区域的交集即对应了某一目标在时频面上的支撑域.基于该支撑域对回波进行时频域联合滤波即可得到某一目标的回波信号,实现回波信号的分离.仿真结果验证了该文所提算法的有效性.

机动目标回波的多普勒走动和训练样本不足导致常规自适应匹配滤波器(Adaptive Matched Filter, AMF)检测机动目标时运算量大且性能不佳。针对此问题, 该文提出一种基于修正AMF的机动目标检测方法。该方法首先通过对角加载减少样本空间自由度, 从而降低对训练样本数的需求；然后以3次相位变换(Cubic Phase Transform, CPT)分离估计加速度, 并以估计值补偿多普勒走动, 降低联合匹配搜索维度, 进而减少运算量；最后进行积累检测。仿真结果表明, 该方法运算量低, 可实现小样本下机动目标的有效检测, 具有恒虚警(Constant False Alarm Rate, CFAR)特性。

本文提出一种新的双尺度(Modified Two-Scale Model, MTSM)粗糙度地表微波散射模型,采用小波包变换的方法将面上的粗糙度(z(x, y))变换到频域进行处理,粗糙度频谱的低频部分代表大尺度分量,高频部分代表小尺度分量,然后分别用基尔霍夫近似和小扰动模型来分别模拟大小尺度的粗糙度,考虑到小尺度的粗糙度是叠于大尺度粗糙度之上,模型在计算小尺度粗糙度的后向散射贡献时还考虑了大尺度起伏造成的几何倾斜。MTSM的解为大尺度粗糙度的基尔霍夫解加上几何倾斜修正后的小尺度粗糙度的小扰动解。最后采用改进的积分方程模型(AIEM)对MTSM做了初步的验证,结果表明在入射角θ_i<30°,粗糙度较小(ks=0.354)的时候,MTSM有比较好的精度。

BiDirectional体制是德宇航在2012年提出的一种通过单星单次飞行实现秒级重访的新体制,基本原理是利用相控阵电扫描方式生成双波束天线方向图,同时发射两个脉冲照射方位向前后两块成像区域,将同时接收到的脉冲在多普勒域进行带通滤波分离,并分别成像。该文介绍了一种改进的基于BiDirectional体制的多发单收(Multi Input Single Output, MISO)SAR系统,将传统的双波束同发同收改进为分时先后发射和同时接收,利用发射时较优的方向图抑制方位模糊(AASR),获得了较好的效果。文中给出了频谱分离效果、AASR分析和系统设计流程, 给出了改进前后的点目标1 维和2 维成像结果对比, 证明了该改进的有效性, 最后给出了BiDirectional体制与其它几种单星短时重访体制的对比结果。

该文运用Dempster-Shafer(D-S)证据理论融合高分辨率SAR影像的相干/非相干差异特征进行变化检测。首先使用简单线性迭代聚类(SLIC)分割算法完成多时相SAR影像联合多尺度分割。然后在各个分割尺度上提取适宜的强度差异特征及相干差异特征,通过Mean算子融合多尺度差异特征并得到多特征差异图。最后运用D-S证据理论完成多特征差异图融合得到变化检测结果。实验表明该方法可得到较为稳健的变化检测结果。

线阵3维SAR系统可实现对地面场景的3维成像,是近年来研究的热点。但受载机平台和硬件条件的限制,其切航迹向和沿航迹向的分辨率难以提高。为了改善2维分辨率,该文提出了一种用于线阵3维SAR成像的2维快速ESPRIT算法,首先结合盖式圆方法和ESPRIT算法估计出点目标在切航迹向和沿航迹向位置,并通过该文改进的基于“区域生长”的2维位置配对方法替代最小二乘法快速求得目标散射系数,实现线阵2维SAR切航迹向和沿航迹向超分辨成像。该算法具有分辨精度高、运算速度快、实时性能好等优点。仿真实验证明了其有效性。

相位梯度自聚焦算法(Phase Gradient Autofocus, PGA)可有效补偿高次相位误差, 对实时成像系统获取高分辨图像有重要意义。但是该算法一般需要迭代多次, 运算耗时, 且在不同场景的应用中算法的聚焦性能不够稳定, 这些严重限制了PGA算法在实时处理中的应用。选点和加窗是PGA算法的两个关键步骤, 该文提出一种基于数据均值的选点方法和一种基于脉冲包络的窗宽估计方法, 这两种方法对数据的自适应能力较强, 可使算法获得稳定的聚焦性能, 并有效减少迭代次数。实测数据处理结果证实改进的PGA算法可用于实时成像。