碩士研究生論文開題報(bào)告范文指南
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一、課題來源、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與水平及研究意義、目的。
1.1 課題來源
數(shù)據(jù)的獲取是實(shí)驗(yàn)研究的關(guān)鍵步驟，過去的幾十年間傳感系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的能力不斷地得到增強(qiáng),需要處理的數(shù)據(jù)量也不斷增多。而在傳統(tǒng)的采樣過程中，為了避免信號(hào)失真，采樣頻率不得低于信號(hào)最高頻率的2倍，依照奈奎斯特采樣定律會(huì)導(dǎo)致海量采樣數(shù)據(jù)，大大增加了存儲(chǔ)和傳輸?shù)拇鷥r(jià)，這無疑給信號(hào)處理的能力提出了更高的要求，也給相應(yīng)的硬件設(shè)備帶來了極大的挑戰(zhàn)。尋找新的數(shù)據(jù)采集、處理方法已成為一種必然，近幾年誕生的壓縮傳感(Compressive Sensing，CS)理論是一個(gè)充分利用信號(hào)稀疏性或可壓縮性的全新信號(hào)采集、編解碼理論。該理論表明當(dāng)信號(hào)具有稀疏性或可壓縮性時(shí)，通過采集少量的信號(hào)投影值就可實(shí)現(xiàn)信號(hào)準(zhǔn)確或近似重構(gòu)。壓縮傳感理論為數(shù)據(jù)采集技術(shù)帶來了革命性的突破，受到了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。在低成本數(shù)碼相機(jī)音頻、醫(yī)學(xué)成像、雷達(dá)成像和圖像重建、天文學(xué)觀測(cè)(圖像本身就稀疏，例如天空的星星)、軍事偵查(用很簡(jiǎn)易的攝像機(jī)隨機(jī)記錄場(chǎng)景可以完全重構(gòu)軍事地圖)、資源探測(cè)、信道編碼等高、精、尖等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。因此開展這方面的研究很有意義,應(yīng)用前景也非常廣泛。
探地雷達(dá)是一種有效的淺層隱藏目標(biāo)探測(cè)技術(shù),利用電磁波在媒質(zhì)電磁特性不連續(xù)處產(chǎn)生的反射和散射實(shí)現(xiàn)非金屬覆蓋區(qū)域中目標(biāo)的成像探測(cè)。在工程地質(zhì)勘探方面已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用,尤其是它的高分辨率和地下目標(biāo)快速成像技術(shù),得到了普遍的認(rèn)可。但是國(guó)內(nèi)投入使用的探地雷達(dá)幾乎全部是從國(guó)外進(jìn)口的。因此研制和開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的探地雷達(dá)系統(tǒng)是十分必要的。從事探地雷達(dá)研究的主要任務(wù)之一就在于如何使探地雷達(dá)接收到的回波信號(hào)以圖像的形式顯示,并對(duì)接收的回波信號(hào)進(jìn)行處理,以改善數(shù)據(jù)質(zhì)量,為進(jìn)一步的地質(zhì)解釋提供清晰的探地雷達(dá)回波剖面圖,從而使我們能夠方便地觀測(cè)、識(shí)別地下目標(biāo)物體。
由于探地雷達(dá)信號(hào)具有很好的稀疏性,可以很好的滿足壓縮傳感的條件,因此將壓縮傳感技術(shù)運(yùn)用在探地雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)獲取上,可以解決海量數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)問題,能顯著降低圖像處理的計(jì)算量。此外還可以省去雷達(dá)接收端的脈沖壓縮匹配濾波器,降低接收端對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器件帶寬的要求。設(shè)計(jì)重點(diǎn)由傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)昂貴的接收端硬件轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)新穎的信號(hào)恢復(fù)算法,從而簡(jiǎn)化雷達(dá)成像系統(tǒng)。
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與水平
壓縮傳感理論是應(yīng)用數(shù)學(xué)與信號(hào)處理領(lǐng)域中一個(gè)非常新的研究方向，自從2006 年起有正式論文發(fā)表之后，迅速引起國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究者的高度重視。該領(lǐng)域的先驅(qū)者有加州大學(xué)洛杉磯分校的Terence Tao、加州理工大學(xué)的Emmanuel Candès、斯坦福大學(xué)的David Donoho、以及萊斯大學(xué)的Richard Baraniuk 等。國(guó)內(nèi)關(guān)于這方面的研究則剛剛起步，發(fā)表論文甚少，但中科院電子所、西安電子科技大學(xué)、燕山大學(xué)、西南交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、北京交通大學(xué)等單位的一些研究組已經(jīng)開始著手研究。
目前該領(lǐng)域的研究工作主要集中在理論層面，奠基性的工作有，Tao、Candès、Donoho 等人已經(jīng)構(gòu)建了壓縮傳感的理論框架，給出傳感矩陣Φ 須滿足的充分條件，即一致不確定性原理(Uniform Uncertainty Principle，UUP);傳感矩陣的行數(shù)M 與信號(hào)稀疏度K 之間須滿足M ≥ K *log(N) 等等，發(fā)表了一系列重要論文[5-8]。除此之外，也有許多關(guān)于解決該理論中具體問題的研究成果，主要集中在傳感矩陣與重構(gòu)算法兩個(gè)大的方面。關(guān)于傳感矩陣的研究，目前選用的矩陣是隨機(jī)的，如高斯矩陣或貝努利矩陣等[9-12]。如何構(gòu)造確定的(非隨機(jī)的)傳感矩陣是目前該領(lǐng)域中的一個(gè)公開問題。DeVore利用多項(xiàng)式構(gòu)造方法獲得滿足UUP 特性的矩陣，但只針對(duì)稀疏度K 較小的.情況成立[13]，該問題還遠(yuǎn)沒有得到解決。在信號(hào)重構(gòu)方面，有大量文獻(xiàn)將最優(yōu)化方法和匹配跟蹤方法引入該問題中進(jìn)行求解[14-17]，但缺乏對(duì)算法收斂性與穩(wěn)定性的討論。在硬件實(shí)現(xiàn)上，Rice 大學(xué)的Baraniuk 教授等研制出單像素相機(jī)[18]和A/I 轉(zhuǎn)換器[19-21]，吸引了國(guó)內(nèi)外眾多媒體的眼球。隨后也有一些硬件方面的相繼報(bào)道，例如，麻省理工學(xué)院Wald 教授等人研制出MRI RF脈沖設(shè)備[22]，麻省理工學(xué)院Freeman 教授等人研制出編碼孔徑相機(jī)[23]，伊利諾伊州立大學(xué)Milenkovic 等人研制出DNA 微陣列傳感器[24]等等，然而，由于缺乏有效的壓縮傳感矩陣判別理論，除Rice 大學(xué)的單像素相機(jī)(硬件成本昂貴，重建算法效率低下)外，其它硬件均缺乏嚴(yán)格的理論分析。經(jīng)過近兩年的發(fā)展，壓縮傳感在理論方面已經(jīng)取得了許多重要的成果，許多研究者已經(jīng)開始將之投入到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，如信息、醫(yī)學(xué)等學(xué)科[25-36]。
探地雷達(dá)技術(shù)在國(guó)外起步較早。德國(guó)人Hulsmcyer在1904年首次嘗試用電磁波信號(hào)來探測(cè)遠(yuǎn)距離地面物體。1910年，Lcimbach和Lowy在德國(guó)專利中提出了利用電磁波來探測(cè)埋藏物體的方法。20世紀(jì)70年代以來，由于高速脈沖形成技術(shù)、取樣接收技術(shù)及汁算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，探地雷達(dá)技術(shù)得到迅速的發(fā)展，地下淺層目標(biāo)探測(cè)得以實(shí)現(xiàn)，國(guó)外開始出現(xiàn)各種形式的實(shí)驗(yàn)性雷達(dá)，美、日、加拿大等國(guó)有幾家公司相繼推出了自己的產(chǎn)品，探測(cè)深度可達(dá)50多米，分辨率達(dá)厘米級(jí)。美國(guó)陸軍已開始實(shí)施代號(hào)為FCS—MDN(Future Combat System Mine Detection and Neutralization)的研究計(jì)劃，在1996年至2006年問投入大量資金用于研制有效的反坦克塑性地雷探測(cè)裝置，并已經(jīng)研制出一些演示系統(tǒng)，目前正在進(jìn)行進(jìn)一步的技術(shù)攻關(guān)。這一項(xiàng)目中研制的探地雷達(dá)系統(tǒng)包括馬可尼(Marconi)公司的手持和車載下視探地雷達(dá)、SRIInternational的前視探地雷達(dá)、Mirage Systems開發(fā)的用于直升機(jī)的三維合成孔徑探地雷達(dá)和PSI的車載下視合成孔徑探地雷達(dá)。為克服傳統(tǒng)脈沖雷達(dá)的缺陷，這些系統(tǒng)普遍使用步進(jìn)頻率雷達(dá)而且具有合成孔徑成像能力。歐洲聯(lián)合科研中心(Joint Research Center)也開展了地雷探測(cè)技術(shù)的研究，并且建立地雷信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù),該數(shù)據(jù)庫(kù)搜集了多種類型探地雷達(dá)的大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。
國(guó)內(nèi)對(duì)探地雷達(dá)的研究起步較晚，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在分辨率、使用方便性、對(duì)雷達(dá)信號(hào)成像和圖像解釋技術(shù)等方面與國(guó)外產(chǎn)品存在差距，但是由于不斷引進(jìn)和借鑒國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)，近年來在該領(lǐng)域內(nèi)也取得了較為顯著的研究成果。航天部25所從20紀(jì)80年代中期開始進(jìn)行用于地雷檢測(cè)的探地雷達(dá)技術(shù)的研究和實(shí)驗(yàn)。20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)開始重視探地雷達(dá)技術(shù)的研究和應(yīng)用，并且開發(fā)出新的實(shí)用產(chǎn)品，如北京愛爾迪公司的CBS一9000和CR-20 GPR系統(tǒng)，中國(guó)電波傳播研究所研制的LTD-3探地雷達(dá)等。
當(dāng)前隨著探地雷達(dá)技術(shù)的飛速發(fā)展，先進(jìn)的高分辨數(shù)據(jù)處理和成像技術(shù)成為探地雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵，成像算法也趨于多樣化。本世紀(jì)初Carlton J.Leuschen等提出了時(shí)域有限差分逆時(shí)偏移(FDTD reverse time migration)技術(shù)，提高了探地雷達(dá)成像算法的適用性，簡(jiǎn)化了計(jì)算。2003年XuXiaoyin提出了基于熵最小化的優(yōu)化Stolt偏移成像算法，能夠適用于水平速度變化的情況。目前常用的探地雷達(dá)成像算法有距離偏移(Range Migration,RM)算法、逆時(shí)偏移(Reverse Time Migration ,RTM)算法、標(biāo)準(zhǔn)后向投影(Standard Back Projection,SBP)算法等通過標(biāo)量波動(dòng)方程建立目標(biāo)散射場(chǎng)和目標(biāo)函數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)而對(duì)目標(biāo)散射場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理。為了得到較好的成像效果,以上算法都要求雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)散射信號(hào)進(jìn)行高密度采樣以獲取足夠的成像數(shù)據(jù)。當(dāng)探測(cè)區(qū)域較大時(shí),還需要雷達(dá)系統(tǒng)在大采樣區(qū)域?qū)嵤└呖讖矫芏炔蓸?這導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)量大、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)。這些算法都沒有考慮到地下非層狀目標(biāo)一般僅占探測(cè)區(qū)域很小部分這一先驗(yàn)知識(shí)。
小波變換是近年來提出的一種非平穩(wěn)信號(hào)的分析方法,它被認(rèn)為是Fourier分析的突破性進(jìn)展。它克服了Fourier分析中所存在的時(shí)頻局部分析能力差的缺點(diǎn),能夠在不同的時(shí)間和頻率尺度上對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。同時(shí),小波理論表明,小波變換可以使一個(gè)信號(hào)的能量在小波變換域中集中于少數(shù)系數(shù)上,小波系數(shù)較大者,攜帶信號(hào)能量也較多;小波系數(shù)較小者,攜帶信號(hào)能量也較少。這也是該文中小波去噪的理論基礎(chǔ)。
1.3 研究意義、目的
經(jīng)過近兩年的發(fā)展，壓縮傳感在理論方面已經(jīng)取得了許多重要的成果，許多研究者已經(jīng)開始將之投入到實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，如圖像壓縮、去噪、信號(hào)的檢測(cè)與估計(jì)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等。壓縮傳感理論通過隨機(jī)測(cè)量利用少量的采樣數(shù)據(jù)可以很好的重建稀疏目標(biāo)信號(hào),在信號(hào)分析和重建領(lǐng)域有重要研究?jī)r(jià)值。最具代表性的工作是美國(guó)賴斯大學(xué)Baraniuk 率領(lǐng)的研究小組采用壓縮傳感技術(shù)設(shè)計(jì)出了單像素相機(jī)，吸引了國(guó)內(nèi)外眾多媒體的眼球。除此之外，壓縮傳感在其他許多方面都有著很好的應(yīng)用前景，比如去噪與壓縮，信息論與編碼，統(tǒng)計(jì)信號(hào)處理，機(jī)器學(xué)習(xí)，雷達(dá)成像，特征綜合，目標(biāo)識(shí)別，醫(yī)學(xué)成像，天體光譜處理等等。本文通過將壓縮傳感技術(shù)運(yùn)用在探地雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)獲取和圖像重建上,可以解決海量數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)問題,能顯著降低圖像處理的計(jì)算量。此外還可以省去雷達(dá)接收端的脈沖壓縮匹配濾波器,降低接收端對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換器件帶寬的要求。設(shè)計(jì)重點(diǎn)由傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)昂貴的接收端硬件轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)新穎的信號(hào)恢復(fù)算法,從而簡(jiǎn)化雷達(dá)成像系統(tǒng),大大減低設(shè)備制造成本。因此基于壓縮傳感的雷達(dá)成像技術(shù)研究具有重要的理論和實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。
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