本书在介绍随机过程理论基本概念和微波成像雷达系统模型的基础上,通过分析微波成像雷 达回波中频、视频信号以及图像和干涉相位等信号的统计特性,着重阐述了白噪声过程、高斯过 程、窄带过程以及随机过程线性变换等概念和方法在工程中的应用。全书共6章,各章均配有适 量思考题,并有配套软件,供读者深入理解本书的内容。
本书深入浅出、表述简洁、概念清楚、内容新颖,既可作为高等院校相关专业的本科生、研究生 的教材或教学参考用书,也可作为通信、雷达、控制等相关领域的科研人员的参考用书。
《微波成像雷达信号统计特性》一书是作者将多年来的科研成果与教学经验相融合编写而成的,结合微波成像雷达系统获取、处理和应用3个环节,分析了中频回波信号、视频回波信号、图像信号、干涉信号等信号的统计特性;利用随机过程对信号进行建模,应用窄带过程、高斯过程、白噪声过程等概念以及随机过程通过线性系统等理论,深入浅出地推导了这4种信号的统计特性,并且给出了统计特性在实际图像处理中的应用。精准、简练、新颖、系统是本书的特色。
随书所附的《微波成像雷达信号统计特性》配套软件中主要包括软件的MATLAB封装代码和使用说明。配套软件包括随机过程数字图像处理雷达仿真三个模块,本书中的仿真结果均是采用雷达仿真模块得到的。配套软件的运行需要本地安装MATLAB。
20世纪50年代提出的合成孔径雷达( Syn t he t i c Ape r t ur e Rada r,SAR)是一种能够全天时、全天候工作的主动微波成像雷达。它通过距离 向脉冲压缩和方位向孔径合成实现二维高分辨率成像,分辨率可达厘米 级。随着微波成像雷达载荷和平台技术的迅速发展,大量的SAR图像数 据被获取,微波成像雷达技术也已成为一项比较成熟的技术。目前,高分 辨率SAR图像已被广泛应用于军事侦察、地形测绘、灾害监测、环境监 控、国土勘测、资源普查、海况监视、海岸监测、大气探测、空间探测、星球 探测等,以及军事、陆地、海洋和空间的各个方面。
为了更好地实现SAR图像的应用,必须深入研究SAR图像噪声抑制、目标检测、分类与识别等处理方法,而SAR图像的统计特性义是SAR 图像处理和应用的基础。SAR图像是SAR对目标场景的一次观测,或者 视为观测量的一个样本。因此,必须利用随机过程理论等课程给出的 随机信号分析工具对SAR图像的统计特性进行分析。而SAR图像是目 标散射特性通过微波成像雷达系统的获取和成像处理之后的输出,其统 计特性归根结底取决于目标场景、微波成像雷达系统和成像处理器的共 同作用。因此,为了更逼真、更精确地得到微波成像雷达图像的统计特 性,必须从分析目标回波信号统计特性及通过微波成像雷达获取和成像 处理后的统计特性变化入手。
与确定性信号分析不同,随机信号只能分析其在样本空间上表现出 来的有规律的群体特性,即统计特性。由于随机信号的许多统计特性不 能像确定性信号的取值那样被直接观察和形象描述,因此通常难以理解。 另外,研究统计特性的数学工具也比较有限,从而导致SAR图像统计特 性虽然被广泛应用,但是关于其如何被分析和推导的研究却相对较少。
本书作者长期从事微波成像雷达系统的性能分析、成像处理、图像处 理和应用等方面的研究工作以及概率论随机过程理论等随机信号分 析相关课程的教学工作。本书是作者将多年来的科研成果与教学经验相 融合编写而成的,结合微波成像雷达系统获取、处理和应用3个环节,分 析了中频回波信号、视频回波信号、图像信号、干涉信号等信号的统计特性;利用随机过程对信号进行建模,应用窄带过程、高斯过程、白噪声过程 等概念以及随机过程通过线性系统等理论,深入浅出地推导了这4种信号的统计特性,并且给出了统计特性在实际图像处理中的应用。
本书以学习与思考相结合、知识与情景相结合、理论与实际相结合 为理念,注重问题的分析、知识的应用和概念的理解。具体来说,就是在本书的编写过程中力求做到:精准、简练、新颖和系统。
( 1) 精准。本书给出的微波成像雷达机理和模型均来源于最经典的 描述,并且已经在实际工程项目中得到了验证。微波成像雷达系统的数 学模型真实地反映了实际工程中的物理工作机理和过程,微波成像雷达 信号统计特性的推导结果也利用真实数据进行了验证。同时,第3~6章 后面都给出了相应的仿真结果,验证了理论分析的正确性。
( 2) 简练。本书在微波成像雷达系统的建模过程中,通过集中解决主 要问题和问题的主要矛盾,给出了简化而又准确的系统模型。应用随机 过程理论知识进行分析的过程中,也采用通俗易懂的最简模型。第1章 高度凝练地给出了随机过程的基本概念,第2章给出了微波成像雷达最 基本的系统模型,每一章的开始都给出了本章统计特性分析所需的随机 过程理论基础知识,力求深入浅出。
( 3) 新颖。本书的内容主要来自微波成像雷达技术领域中的前沿课 题,有些内容来源于作者近年来取得的研究成果。同时,在内容的编排 上,从随机过程的基本知识出发,到微波成像雷达信号统计特性的推导, 再到雷达信号统计特性在图像处理中的应用,不仅有助于读者掌握信号 统计特性的推导过程,而且也便于读者理解随机过程理论的基本概念,明 确统计特性在实际中的应用。
( 4)系统。本书利用随机过程理论对微波成像雷达从获取、成像处理 到图像应用完整链条上的每一步信号的统计特性进行了分析。第2章给 出了微波成像雷达的系统模型,第3~6章针对微波雷达地面场景、回波 获取、成像处理、干涉处理等各环节的信号统计特性进行了分析,所有章 节内容结合在一起构成了微波成像雷达图像统计特性的完整分析过程。
本书可供通信、雷达等相关领域的专业技术人员参考,作为其在微波 成像雷达获取、处理和应用等各阶段中的信号统计特性的学习资料;同时 也可作为普通高等院校相关专业的本科生、研究生学习随机过程理论的 教学参考用书,或者作为专业研讨课的教材和教学参考用书,还可供相关专业的教师阅读参考
随书所附的《微波成像雷达信号统计特性》配套软件中主要包括软 件的MATLAB封装代码和使用说明。配套软件包括随机过程数字 图像处理雷达仿真三个模块,本书中的仿真结果均是采用雷达仿真 模块得到的。配套软件的运行需要本地安装MATLAB。
配套软件可通过扫描本页的二维码关注北航理工图书公众号回复 2807获得下载地址。如有疑问请发送邮件至g ood t e x t book@126. c om或拨打 010 82317036联系图书编辑。
本书的第1章、第4章、第5章和第6章由徐华平教授编写,第2章由 王鹏波副教授编写,第3章由杨威副教授编写,最后由李春升教授统稿。 博士生张家伟参与了第3章和第4章部分内容的编写工作,博士生杨波 和李硕参与了第5章和第6章的部分仿真工作,硕士生高帅、本科生乔舒 浩参与了本书配套软件的开发工作。感谢周荫清教授在本书编写过程中 给予的帮助,感谢北京航空航天大学星载SAR课题组对本书编写工作的支持。
由于作者水平有限,书中难免存在不妥甚至错误之处,恳请各位读者 批评指正。
作 者
2018年7
徐华平:北京航空航天大学电子与信息工程学院教授、博导。主要从事多维度遥感信息协同探测、高分辨率微波雷达三维和四维信息获取、微波雷达图像处理和应用等方面的研究工作。主持了国家自然科学基金、973子课题、863课题等项目。发表论文80余篇,其中SCI检索20余篇,他引百余次,授权发明专利16项;获2012年国防科技进步二等奖,入选2013年教育部新世纪优秀人才。主讲本科生和研究生随机过程理论课程以及留学生Stochastic
Process课程,获2011年北京市青年教师基本功教学比赛一等奖、最佳演示奖、最佳教案奖,获2013年教育部来华留学英文授课品牌课,获校优秀主讲教师、研究生课程卓越教学奖、教学优秀奖等。
第1章 随机过程简介
第2章 微波成像雷达基本原理
第3章 地面场景散射特性建模
第4章 微波成像雷达回波信号统计特性
第5章 微波成像雷达图像统计特性分析
第6章 微波成像雷达干涉相位的统计特性分析
参考文献