压缩感知理论在激光雷达中的应用(2)
4.2 有噪声雷达信号的模拟仿真 25
总 结 28
致 谢 29
参考文献 30
1 绪论
1.1 论文的研究背景和意义
激光是上世纪60年代的对人类产生巨大贡献的科学技术成就之一，它具备价值巨大的几个优点：亮度高、相关性和方向性好、单色。激光雷达是由激光技术和雷达技术结合在一起的产物，发射系统、接收系统、跟踪系统、数据处理是它的四大组成部分。其工作原理是，激光雷达先发射一个激光信号进行目标探测，光束遇到探测目标后反射回来形成一个回波信号，对回波信号的到达时间、频率变化和波束所指方向等进行测量，就可以大致计算出目标的距离，方位和速度等[8,9,10]。至于目标的径向速度，使用反射光的多普勒频率移进行计算，这样还可以测量径向上两个或两个以上目标间的距离，通过计算它们的变化率来求得速度。通常情况下，激光雷达都能得到我们想要的更详细的信息。
在传统的信号采集中，必须以奈奎斯特采样定理为基础，即为了能够精确地重建信号，整个系统的采样频率必须大于信号中最高频率的两倍[16]。由于激光雷达的高分辨率，激光雷达在采集数据时数量十分庞大，这对现有的硬件提出了很高的要求，其中信息采集、运输、处理压力很大。压缩感知理论突破了以往的必须以奈奎斯特定理为参照标准的信号采样方法，达到了在进行数据采样的同时对所采集的数据进行适当合理的压缩的标准，解决了采集的数据过于臃肿、进行采集数据的时间过长以及用来储存数据的空间过于庞大的问题，这在某种程度上大大降低了我们进行数据采样、存储的成本。压缩感知理论描绘了，当信号具有稀疏特性或可以进行稀疏变换的时候，只需要采集少量必要的测量值来精确地实现信号的重建工作。激光雷达是利用接收系统接收到的回波信号通过计算获得目标在空间具体的位置，因此激光雷达测距过程从理论上讲就是通过接收多个回波信号来确定目标空间位置表示的过程。如果压缩感知可以在激光雷达中应用，可以极大的减少必须接收的回波信号的长度，国内外学者和著名激光雷达公司已经在这个方面展开了相关的研究工作，并且已经取得了一定的进展。因为基于压缩感知理论的数据采样、压缩过程能够高速、高效地降低激光雷达系统的采样率，解决系统中采集数据量过于巨大的问题，在之后的传输与存储上也减少了很多压力，这将给激光雷达技术的发展带来巨大变革。
1.2 相关研究现状
1.2.1 压缩感知的研究现状
1.2.2 激光雷达的发展现状
1.3 论文的结构安排
本文研究了压缩感知的算法问题，进行简单信号的压缩感知matlab模拟仿真，研究压缩感知理论在实际信号采集上的可行性。同时，进行了激光雷达信号的研究，找到一个近似的激光脉冲雷达信号，进行压缩采样，重建信号，通过比较提出了压缩感知在激光雷达上应用前景巨大。本文的结构如下：
首先对压缩感知理论和激光雷达的发展历史、国内外学者的研究现状进行了一些基本的介绍，讨论了雷达在军事、民用上的重大作用和意义，最后介绍了论文的主要研究内容。
第二章为下文研究的基础，论述了激光雷达的工作原理、几大系统的组成部分，最后给出了几种常用的雷达信号，总结了激光雷达信号的几个特点。
第三章是本文的重点研究内容，对压缩感知的基本理论进行深刻具体的研究，其中在三个方面进行突出研究，信号的稀疏变换、测量矩阵以及重建算法。在测量矩阵中观测表明压缩采样具有减小采样值的特点；最后重点描述了两种基本的重建算法和它们的计算过程。
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