穿墙目标检测与识别算法研究

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1、中国科学院大学UniversityofChineseAcademyofSciences博士学位论文穿墙目标检测与识别算法研究2013年06月IIlllIIIIIllIJIIIIIIIIIIY2381734ResearchonTargetsDetectionandIdentificationAlgorithmsInThrough—WallImagingByZhangPengADissertationSubmittedtoTheUniversityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulfillm

2、entoftherequirementForthedegreeofDoctorofPhilosophyInstituteofElectronics，ChineseAcademyofSciencesJune，2013研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国科学院电子学研究所或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学

3、位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。虢彩膨嗍纱侈＼厶髟关于学位论文使用权的说明本人完全了解中国科学院电子学研究所有关保留、使用学位论文的规定，其中包括：①电子所有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②电子所可以采用影印、缩印或其他复制手段复制并保存学位论文；③电子所可允许学位论文被查阅或借阅；④电子所可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；⑤电子所可以公布学位论文的全部或部分内容(保密学位论文在解密后遵守此规定)。签名：乡参鸭日期：纱侈、／、旷导师签名：孑锄易殇日期：勿哆．易，矿摘要穿墙成像(Throu

4、gh-Wall—Imaging，TWI)是通过发射电磁波来获取隐藏在墙体或障碍物之后的目标信息。近年来，穿墙成像己在生命检测，反恐维稳和灾害援救等方面得到日益广泛的应用。穿墙目标检测和反演是穿墙成像应用中的两大主要内容，已成为国内外研究的热点课题，本文主要围绕这两方面内容展开深入研究，主要研究内容和结论如下：1．研究了两种常见成像算法(时问翻转和后向投影)的成像分辨率关系。从时问翻转和后向投影算法的基本物理过程出发推导了二者的成像数学模型，由此推导了两种成像算法的点扩散函数，并借助点扩散函数比较了二者的成像分辨率。仿真和实验结果

5、表明，不论是在自由空间还是分层媒质中，两种算法都具有相同的成像分辨率。2．提出了一种快速准确的墙体影响消除方法。从分层媒质格林函数的谱域表达式出发，利用墙体传输系数在频域完整地消除了墙体对成像造成的影响。推导出了墙体传输系数可由其闭合表达式，仅通过简单的乘法运算就能消除墙体影响，避免了求解电磁波传播路径所涉及的非线性方程的数值求解，极大地降低了计算量，提高了成像效率，这种优势在处理多层墙体时体现的尤为突出。3．提出了一种快速准确的穿墙目标检测方法。在频域进行墙体影响消除之后，使用相位偏移算法进行成像。针对频域数据的非均匀采样，使

6、用非均匀傅里叶变换来提高成像精度、加快成像速度，降低了传统插值+FFT算法带来的精度误差，提高了直接求和方法的计算效率，实现了成像精度和速度的很好统一。4．研究了基于对比源方法的穿墙目标反演问题。首先推导了分层媒质谱域格林函数，通过数值求解Sommerfeld积分得到分层媒质格林函数并将其作为背景格林函数，然后利用BCG—FFT方法求解散射场数据，最后采用对比源方法实现了穿墙目标反演，同时分析了频率与测量方式对目标反演的影响。5．提出了一种辐射电流源重建方法。采用等效电流源将非线性积分方程线性化，得到了分层媒质中的散射积分方程，

7、利用泛函方法求解了散射算子的奇异系统，借助奇异系统给出了辐射电流源重建的闭合表达式，分析了频率和墙体介摘要电参数对辐射电流源重建分辨率的影响，揭示了目标域和测量域之间的物理关系，解释了辐射电流源和非辐射电流源之间的关系。6．提出了一种基于等效电流源的穿墙目标反演算法。该方法首先利用散射数据重建辐射电流源，然后将等效电流源的求解转化求解非辐射电流源的最优化问题来处理，通过共轭梯度方法搜索得到全局最优解，进而实现对目标的反演，该方法充分挖掘了散射数据所包含的信息，缩小了解的搜索空间维度，具有求解效率高的优点。同时深入研究了频率，采样

8、间隔，采样长度，噪声水平以及背景估计对反演结果的影响。关键词：穿墙成像，目标检测和反演，成像分辨率，时间翻转，后向投影，相位偏移，非均匀傅里叶变换，分层媒质格林函数，对比源，辐射电流源，等效电流源，共轭梯度堂璺型兰!ABSTRACTThrough．-wall．-