內容簡介
     基於高分辨距離像的識彆在雷達自動目標識彆領域具有極其重要的地位,對其理論、方法和技術進行深入研究對國土防空安全的重要性是不言而喻的。《雷達高分辨距離像目標識彆的關鍵應用研究》從工程應用的角度齣發,分析瞭雷達高分辨距離像目標識彆所麵臨的關鍵問題,介紹瞭處理這些問題時所涉及的關鍵理論、方法和技術,並對該領域的未來發展趨勢進行瞭分析和展望。該書共分為7章,其中,第1章為緒論,第2章主要介紹在雜波背景下的魯棒性識彆和雜波抑製問題,第3章主要介紹庫外目標拒判問題,第4~6章主要介紹特徵提取問題,第7章對雷達自動目標識彆技術的未來發展趨勢進行分析和展望。
  該書的讀者對象為從事雷達自動目標識彆研究的科研人員和工程師,以及從事該領域教學及科研工作的高等院校師生。     
作者簡介
     柴晶,博士,曾任中國航天科工集團8511研究所工程師,曾以訪問學者身份在杜剋大學和悉尼科技大學交流訪問。現為太原理工大學教師,主要研究方嚮為模式識彆、機器學習、雷達目標識彆。主持國傢自然科學基金項目《基於包間距離、直接以包為學習對象的多示例學習維數約減問題研究(61403273)》。在國際期刊和學術會議IEEE Transactions on Knowledgeand Data Engineering,Pattern Recognition,Information Sciences,signalProcessing,ACM International Conferenceon Information and Knowledge Management,IET Radar Conference等發錶論文若乾。     
內頁插圖
          目錄
   第1章 緒論
1.1 雷達自動目標識彆綜述
1.1.1 雷達自動目標識彆的基本概念
1.1.2 雷達自動目標識彆的劃分方法
1.1.3 雷達自動目標識彆的意義、曆史和現狀
1.2 雷達高分辨距離像目標識彆研究的關鍵問題
1.2.1 HRRP的方位敏感性問題
1.2.2 HRRP的平移敏感性問題
1.2.3 HRRP的幅度敏感性問題
1.2.4 HRRP的雜波抑製問題
1.2.5 HRRP的庫外目標拒判問題
1.2.6 HRRP的特徵提取問題
1.3 凸優化問題簡介
1.3.1 凸優化的定義
1.3.2 凸優化的形式
1.4 基於核函數的模式分析方法
1.4.1 模式分析方法的發展曆程
1.4.2 核方法的基本概念
1.4.3 核函數優化
1.5 數據介紹和內容安排
1.5.1 數據介紹
1.5.2 內容安排
參考文獻
第2章 寬帶雷達自動目標識彆的雜波抑製問題
2.1 引言
2.2 信號模型
2.3 多普勒域直接濾波
2.3.1 雜波抑製
2.3.2 基於實測數據的仿真實驗
2.3.3 本節小結
2.4 基於Keystone變換的寬帶雷達自動目標識彆雜波抑製
2.4.1 多普勒域直接濾波
2.4.2 頻率-多普勒域信號的提取與雜波抑製
2.4.3 基於實測數據的仿真實驗
2.4.4 本節小結
2.5 基於Hough變換的寬帶雷達自動目標識彆雜波抑製
2.5.1 Hough變換的原理
2.5.2 利用Hough變換提取信號信息
2.5.3 運動補償後提取信號信息
2.5.4 基於實測數據的仿真實驗
2.5.5 本節小結
2.6 本章小結
參考文獻
第3章 雷達高分辨距離像庫外目標拒判問題研究
3.1 庫外目標樣本生成
3.2 拒判性能評估準則
3.3 基於超球體邊界的拒判算法
3.3.1 支持嚮量域描述
3.3.2 多核支持嚮量域描述
3.3.3 本節小結
3.4 基於近鄰邊界的拒判算法
3.4.1 NN分類器
3.4.2 A-KNN分類器
3.4.3 W-KNN分類器
3.4.4 本節小結
3.5 實驗結果
3.5.1 基於AUC準則的實驗結果
3.5.2 基於LF準則的實驗結果
3.5.3 結果分析
3.6 本章小結
參考文獻
第4章 融閤距離準則學習和分類器設計的特徵提取算法
4.1 算法設計
4.1.1 歐氏距離準則測度下最近均值(NM)分類器的應用缺陷
4.1.2 局部均值和最近局部均值(NLM)分類器
4.1.3 大間隔最近局部均值(LMNLM)特徵提取算法
4.2 相關算法比較
4.2.1 稀疏子空間最小誤差(LESS)算法
4.2.2 支持嚮量機(SVM)
4.2.3 大間隔近鄰(LMNN)算法
4.2.4 局部距離準則(LDM)學習算法
4.3 相關算法對LMNLM的啓發和LMNLM的創新點
4.3.1 啓發工作
4.3.2 創新工作
4.4 實驗結果
4.4.1 人工閤成數據集
4.4.2 UCI公共數據集
4.4.3 雷達HRRP數據集
4.4.4 結果分析
4.5 本章小結
參考文獻
第5章 組閤判彆分析
5.1 基於全局優化準則和局部優化準則的特徵提取算法
5.1.1 全局特徵提取算法
5.1.2 局部特徵提取算法
5.1.3 兩種特徵提取算法的分析比較
5.2 融閤全局優化準則和局部優化準則的組閤判彆分析(CDA)算法
5.2.1 算法設計
5.2.2 算法分析
5.3 UCI公共數據集實驗結果
5.4 雷達HRRP數據集實驗結果
5.5 本章小結
參考文獻
第6章 廣義重加權局部均值判彆分析
6.1 LDA算法的應用缺陷
6.1.1 缺陷1
6.1.2 缺陷2
6.1.3 缺陷3
6.1.4 缺陷4
6.2 局部均值判彆分析(LMDA)
6.3 廣義重加權(GRW)學習框架
6.3.1 重加權(RW)方法
6.3.2 對RW方法的擴展
6.4 相關算法的比較
6.5 實驗結果
6.5.1 人工閤成數據集
6.5.2 UCI公共數據集
6.5.3 雷達HRRP數據集
6.6 本章小結
參考文獻
第7章 未來發展趨勢
7.1 趨勢一:拒判算法研究
7.2 趨勢二:在綫學習問題研究
7.3 趨勢三:不同信噪比條件下識彆算法的移植問題研究
7.4 趨勢四:流型學習研究
7.5 趨勢五:非參數貝葉斯統計學習研究
7.6 趨勢六:微多普勒調製特性研究
7.7 趨勢七:其他問題研究
參考文獻      
前言/序言
     雷達高分辨距離像是散射點子迴波在雷達視綫方嚮上投影的嚮量和,它能夠反映散射點目標在雷達視綫方嚮上的幾何結構信息,且相對於閤成孔徑雷達(SAR)圖像和逆閤成孔徑雷達(ISAR)圖像而言,具有易於獲取和存儲量小等優點,因而在雷達自動目標識彆領域受到瞭廣泛關注。
  本書主要結閤雷達高分辨距離像識彆的工程應用背景,從雜波背景下的魯棒性識彆、庫外目標拒判和特徵提取3個方麵介紹雷達自動目標識彆的相關理論和技術的研究進展。具體內容如下:
  第1章介紹雷達高分辨距離像的物理特性,分析基於高分辨距離像的雷達自動目標識彆麵臨的關鍵問題,以及如何應對這些關鍵問題。
  第2章討論雷達高分辨距離像在雜波背景下如何保持魯棒性識彆性能的問題,主要介紹如何進行雜波抑製。
  第3章針對庫外目標拒判問題,介紹一種人工生成庫外目標訓練樣本的方法,並分析和比較基於超球體邊界和近鄰邊界的拒判算法的優缺點。
  第4章介紹一種基於大間隔分類準則的最近局部均值(LMNLM)算法。該算法通過一個綫性變換,將原始歐式距離空間投影到馬氏距離空間,並在投影後的最近局部均值(NLM)分類器的設計中引入分類間隔,從而提升瞭NLM分類器的分類精度。
  第5章從魯棒性和靈活性兩個角度對全局特徵提取算法和局部特徵提取算法進行對比分析,發現全局算法具有較強的魯棒性和較弱的靈活性,而局部算法則與之相反,其魯棒性較弱而靈活性較強。在此基礎上,采用組閤判彆分析(CDA)來摺中考慮魯棒性和靈活性,並將其應用到雷達高分辨距離像目標識彆領域中。
  第6章分析綫性判彆分析(LDA)的4個缺陷,並介紹一種新的特徵提取算法-一局部均值判彆分析(LMDA),來彌補前3個缺陷給識彆帶來的不利影響,以及一個廣義重加權(GRW)學習框架來彌補第4個缺陷給識彆帶來的不利影響。LMDA算法和GRW學習框架的結閤可以大大提高數據的可分性,基於人工數據、公用數據及雷達數據的實驗結果充分錶明它們在提高分類精度方麵的有效性。
  第7章分析和展望雷達自動目標識彆技術的未來發展趨勢,主要從拒判算法研究、在綫學習問題研究、不同信噪比條件下識彆算法的移植問題研究、流型學習研究、非參數貝葉斯統計學習研究、微多普勒調製特性研究等方麵對其未來發展趨勢進行分析和展望。
  在本書成稿過程中,陳澤華、陳宏濤、李偉、劉帆、張仕給予瞭大力協助,在此錶示衷心感謝。
  在撰寫本書的過程中參考瞭一些相關方法和技術文獻,也引用瞭一些相關的論文和著作觀點,在此對有關作者錶示感謝。
  感謝國傢自然科學基金(No.61403273)對本書齣版的資助。
  雷達自動目標識彆技術的發展非常迅速,新的理論、方法和技術如雨後春筍般層齣不窮。由於作者知識水平所限,書中的紕漏和欠妥之處在所難免,懇請廣大讀者批評指正。    
				
 
				
				
					《天際之眼:現代雷達係統的高分辨距離像解析與目標特性挖掘》  內容概要  本書深入探討瞭現代雷達係統在實現高分辨距離像(HRRP)下的目標識彆關鍵技術。內容圍繞HRRP數據的生成機理、特性分析、以及如何利用這些特性進行精確目標識彆展開,旨在為雷達信號處理、目標識彆以及相關軍事和民用應用領域的研究人員和工程師提供一本全麵且實用的參考。  第一部分:高分辨距離像的理論基礎與生成機理  在本書的第一部分,我們將首先迴顧和梳理雷達係統工作的基本原理,重點聚焦於脈衝壓縮技術如何實現距離分辨率的提升,從而生成HRRP。我們將詳細解析不同類型的雷達係統(如脈衝多普勒雷達、綫性調頻雷達等)在HRRP生成過程中所扮演的角色,以及影響HRRP質量的關鍵因素,例如信號帶寬、采樣率、係統噪聲、多普勒效應等。     雷達基本原理迴顧:簡要介紹雷達的工作流程,包括發射、接收、信號處理等,為後續內容奠定基礎。    脈衝壓縮技術解析:深入闡述綫性調頻(LFM)、非綫性調頻(NLFM)等脈衝壓縮技術,說明其如何通過展寬信號帶寬來提高距離分辨率。我們將探討不同編碼方式對HRRP特性的影響。    HRRP的定義與特點:清晰定義HRRP,並分析其作為一種雷達目標散射特性隨距離變化的二維或一維錶示形式的獨特性。我們將討論HRRP的幅度、相位、以及其隨觀測角度、目標姿態等變化的規律。    目標散射中心模型:介紹HRRP生成背後的物理模型,例如幾何散射中心模型、德拜麵模型等,理解目標錶麵散射點的分布如何映射到HRRP。    影響HRRP質量的因素:係統噪聲、雜波、目標運動(包括平颱運動和目標自身運動)、大氣條件等對HRRP清晰度和穩定性的影響進行詳細分析。    HRRP數據獲取與預處理:介紹實際雷達係統中HRRP數據的采集流程,以及數據預處理的重要性,包括幅度歸一化、相位校正、噪聲抑製、迴波窗選擇等,為後續特徵提取奠定基礎。  第二部分:高分辨距離像的目標特性挖掘  本部分是本書的核心,將詳細介紹如何從HRRP數據中提取齣能夠區分不同目標的關鍵特徵。我們將涵蓋從傳統的統計特徵到現代的深度學習特徵提取方法,以及對這些特徵進行分析和解釋。     HRRP時域特徵提取:        幅度統計特徵:如均值、方差、偏度、峰度、能量、信噪比(SNR)等,分析這些特徵在不同目標下的變化規律。        相位統計特徵:探討相位信息在目標識彆中的作用,以及如何提取相位相關的特徵。        峰值分布特徵:分析HRRP幅度峰值的位置、數量、間距、以及能量集中度等特徵。        一維距離像輪廓特徵:例如邊緣檢測、輪廓形狀描述等,將HRRP視為一種“雷達外形”。    HRRP頻域特徵提取:        傅裏葉變換與頻譜分析:將HRRP進行傅裏葉變換,分析其頻譜特性,如主瓣寬度、零點分布、能量集中度等。        倒頻譜分析:探討倒頻譜在揭示目標結構信息方麵的應用。        小波變換特徵:利用小波變換的自適應時頻分析能力,提取HRRP在不同尺度上的細節特徵。    HRRP空間域特徵提取(多站/多角度):        多站HRRP融閤:介紹如何利用不同站點的HRRP信息進行融閤,提高識彆精度。        角度-距離像(RCS-Range Profile):分析目標在不同觀測角度下的HRRP變化,形成二維的RCS-Range Profile,並從中提取角度依賴性特徵。        目標姿態估計:基於HRRP的變化規律,推斷目標的三維姿態信息。    基於深度學習的HRRP特徵提取:        捲積神經網絡(CNN)在HRRP識彆中的應用:介紹如何將HRRP數據轉化為適閤CNN輸入的格式(如圖像),並設計相應的網絡結構(如ResNet, VGG等)來自動學習HRRP的深層抽象特徵。        循環神經網絡(RNN)/長短期記憶網絡(LSTM)在HRRP識彆中的應用:當HRRP序列具有時間關聯性時,RNN/LSTM可以用於捕捉其動態特性。        Transformer模型在HRRP識彆中的應用:探討Transformer模型在處理HRRP序列數據上的潛力,特彆是其自注意力機製。        注意力機製:介紹如何利用注意力機製引導模型關注HRRP中對識彆更重要的區域或信息。        遷移學習與域適應:討論如何利用預訓練模型或將已有的識彆模型遷移到新的HRRP數據集上。    特徵選擇與降維:        過濾法、包裹法、嵌入法:介紹常用的特徵選擇方法,以剔除冗餘和不相關的特徵,提高模型效率和泛化能力。        主成分分析(PCA)、綫性判彆分析(LDA):對提取的特徵進行降維,減少計算量並避免維度災難。  第三部分:基於HRRP的目標識彆算法研究  在提取瞭豐富的HRRP目標特徵後,本部分將重點介紹如何設計和應用各類目標識彆算法,將提取的特徵轉化為對目標類彆的判彆。     傳統機器學習算法:        支持嚮量機(SVM):介紹SVM在綫性與非綫性分類中的應用,及其核函數的選擇。        K近鄰(KNN):討論KNN算法的基本原理及其在HRRP識彆中的參數選擇。        決策樹與隨機森林:闡述決策樹模型的工作方式,以及隨機森林如何通過集成學習提高魯棒性。        隱馬爾可夫模型(HMM):適用於處理具有序列特性的HRRP數據,分析目標狀態轉移。        貝葉斯分類器:基於概率理論的分類方法,適用於處理不確定性數據。    深度學習目標識彆模型:        端到端識彆網絡:直接將HRRP數據輸入深度學習模型,實現從原始數據到類彆輸齣的端到端識彆。        多模態融閤識彆:當存在其他雷達數據(如多普勒譜)或非雷達傳感器數據時,如何將HRRP信息與其它信息進行融閤,以提升整體識彆性能。        對抗性樣本與魯棒性分析:討論生成對抗性樣本對HRRP識彆模型的影響,以及如何提升模型的魯棒性。    識彆性能評估指標:        準確率、精確率、召迴率、F1分數:介紹常用的分類性能評估指標,並解釋其含義。        混淆矩陣:可視化分類結果,分析模型在不同類彆上的識彆能力。        ROC麯綫與AUC值:評估分類器在不同閾值下的性能。    模型訓練與優化:        數據集的構建與劃分:如何構建具有代錶性的HRRP數據集,以及訓練集、驗證集、測試集的閤理劃分。        損失函數的設計:介紹適用於HRRP識彆任務的損失函數,如交叉熵損失、三元組損失等。        優化器與學習率調度:常用優化算法(如Adam, SGD)及其學習率調整策略。        數據增強技術:通過對HRRP數據進行變換(如加噪、平移、鏇轉等),擴充數據集,提高模型泛化能力。  第四部分:HRRP目標識彆的關鍵應用研究  本部分將聚焦於HRRP目標識彆在實際場景中的具體應用,分析不同應用場景下的挑戰與解決方案。     軍事目標識彆:        飛機、導彈、艦船等空中/地麵/水麵目標的識彆:分析不同目標類型的HRRP特性差異,以及在復雜背景下的識彆難題。        隱身目標識彆:探討HRRP在識彆低可探測性目標方麵的潛力與局限性。        目標分類與類型判斷:將HRRP識彆技術應用於區分敵我目標、識彆不同型號的裝備等。        反隱身雷達技術:HRRP作為一種重要的信息源,在反隱身雷達的研發中扮演關鍵角色。    民用領域應用:        無人機監測與識彆:在空域管理、安防領域,利用HRRP識彆不同型號的無人機。        目標跟蹤與識彆:結閤HRRP信息,實現對運動目標的持續跟蹤與身份確認。        環境監測與遙感:利用雷達HRRP分析地物、海洋等目標特性。        交通監測與車輛識彆:在智能交通係統中,識彆不同類型的車輛。    HRRP識彆麵臨的挑戰與未來發展趨勢:        目標姿態變化的影響:如何在目標姿態劇烈變化時保持識彆性能。        雜波與乾擾的抑製:在強雜波和電子乾擾環境下,如何提取有效的HRRP信息。        數據稀疏性與小樣本學習:如何解決HRRP數據集普遍存在的類間樣本不平衡或類內樣本量少的問題。        實時性與計算效率:在滿足實時性要求的情況下,如何設計高效的識彆算法。        多平颱、多傳感器信息融閤:進一步提升識彆精度和魯棒性。        智能目標建模與自適應識彆:研究能夠理解和適應新型目標的識彆方法。        基於AI的可解釋性HRRP識彆:深入理解AI模型識彆HRRP的內在機製,提高對模型決策的信任度。  本書將力求理論與實踐相結閤,通過大量的實例分析和仿真實驗,展示HRRP目標識彆技術的強大能力和廣闊前景,為讀者提供係統性的知識框架和深入的解決方案。