地基深空探测雷达研究进展与展望

地基深空探测雷达通过主动发射电磁波,并接收反射信号,实现对深空目标的精确测量,是研究月球、近地小行星、类地行星等深空目标的重要手段。地基深空探测雷达可以高精度测量深空目标的轨道、自转、形貌等特征,具有全天时全天候观测、精确测距、高分辨率成像等优势,对近地小行星防御和行星科学研究具有重要意义。本文介绍了地基深空探测雷达的概念内涵,梳理了地基深空探测雷达系统的国内外发展现状,回顾了地基深空探测雷达过去数十年间取得的重要历史贡献,包括月球表面高分辨率成像与永久阴影区水冰探测、近地小行星精细形貌特征获取、近地小行星轨道与自转等物理特性精确测量、近地小行星撞击防御任务处置效果快速评估、类地行星表面高分辨率成像与地质结构研究等一系列重要研究成果。在此基础上,本文介绍了分布孔径深空探测雷达的创新机理,通过多部雷达单元协同观测,可突破传统集中式体制地基深空探测雷达的口径和发射功率物理极限,形象称之为“中国复眼”雷达。最后,本文介绍了分布孔径深空探测雷达系统研制与观测实验等最新研究进展,展示了分布孔径深空探测雷达对月球二维成像和三维成像的实验结果,并对地基深空探测雷达的未来发展趋势进行了展望。

基于改进奇异谱分析的毫米波生物雷达干扰抑制方法

针对毫米波雷达间的互扰会造成生物雷达获取的微弱生命体征信号被淹没,导致无法准确测量呼吸心跳的问题,本文提出基于改进奇异谱分析的方法抑制雷达间互扰,通过相关性计算从受扰信号中选取目标差拍信号重构以抑制干扰和消除背景噪声。进一步提出基于信息熵的集合经验模态分解方法消除差拍信号残留的相位噪声,通过信息熵计算从集合经验模态分解后的固有模态函数分量中选择呼吸和心跳信号以抑制残留噪声。实验结果表明,所提出的方法能有效地从受干扰的信号中恢复呼吸和心跳信号,提高呼吸和心跳的信噪比。因此,本文所提方法提高了生物雷达的抗干扰能力,增强了生物雷达的实用性。

基于激光雷达自适应聚类半径的树冠检测研究

为解决丘陵山地果园条件下激光雷达检测过程中面对多尺寸、多距离条件下出现的目标物体漏检、误检等欠分割和过分割问题,提出一种基于激光雷达的自适应目标聚类半径目标物体检测方法。首先,在使用激光雷达感知到周围环境的三维点云后,去除地面点云并且使用体素滤波进行降采样的预处理,在减少数据量的同时去除点云中的噪声点。其次,建立K-d tree模型进行最近邻搜索,以加速欧式聚类的进程,通过自适应确定每颗树冠的聚类半径,使欧式聚类能够得到更好的聚类效果。最后为验证算法准确性和实用性,基于果园履带车平台,采用32线激光雷达对所提算法进行实车测试。结果表明:在丘陵山地果园中该算法可准确聚类果树树冠点云,且实地目标正检率为94.41%。

激光技术在天基成像中的应用进展

针对高轨目标的精细特征识别、亚厘米级空间碎片的探测、全天时全天域成像的主动成像等需求,对目前3类采用激光技术的天基成像手段包括激光雷达三维成像技术、逆合成孔径激光雷达(ISAL)成像技术、激光主动照明成像技术的工作原理、成像性能、优势、应用发展现状进行了对比和总结归纳。对于几类天基激光成像手段,其关键技术均包括了发展小型化高功率激光器,以增强成像的信噪比和成像距离,此外,对于三维激光成像和ISAL成像技术,需要发展大面阵探测器的技术,来提高其成像的视场。总结目前的各类成像手段,ISAL是目前对天基远距离目标逆光成像的唯一手段,具有极大的发展潜力,但在应用时需要考虑逆光条件下的目标跟踪捕获,未来天基应用可以考虑采用逆合成孔径微波雷达技术(ISAR)进行视场引导跟踪。

VMD与MUSIC相结合的超宽带雷达呼吸与心跳检测系统

超宽带雷达是一种重要的生命探测遥感工具,文中利用超宽带雷达穿透能力强、分辨率高等优点,可以得到人体的生命体征信息,处理雷达回波信号可以得到呼吸心跳信息,实现对生命信号的非接触式监测。文中针对回波信号易受环境噪声影响、心跳信号微弱且易受呼吸谐波影响的问题,构造了生命体征模型模拟人体呼吸与心跳频率,提出了一种基于变分模态分解(VMD)与多重分类算法(MUSIC)相结合的方法。使用PulsON440超宽带雷达在1 m距离处进行了实验,与传统的快速傅里叶变换、奇异值分解相比,该方法提取的呼吸和心跳信号更加准确。在不同距离和遮蔽条件下验证了该方法的适用性。结果表明提出的基于MUSIC和VMD相结合的方法能够有效地从大呼吸信号中分离出小心跳信号,准确地检测出呼吸和心跳频率。

基于自适应波束形成技术的相邻目标生命体征检测

基于雷达传感器的非接触式生命体征检测作为一种新型生物医学传感技术在近十几年获得了迅猛的发展。现有的大部分生命体征检测工作受限于雷达体制或者分辨率,无法分离出检测场景中多个位于同一距离、同一波束相邻目标的生命体征信号。针对相邻目标生命体征检测的需求,提出了一种基于自适应波束形成的算法,来实现相邻目标生命体征信号的同时检测。利用自适应波束形成算法生成指向待测受试者的波束,同时在相邻干扰受试者所在角度处生成零陷,实现相邻目标的生命体征检测。实验结果表明,利用本文提出方法能够成功分离出同一距离上的相邻受试者的生命体征信号。

基于微动和探地雷达的城市轨道交通岩溶探测研究

贵阳属于典型的喀斯特地貌,受城市地形条件和电磁干扰,导致深层的岩溶区域探测手段受限,使轨道交通建设面临透水等严重风险。针对贵阳地铁3号线面临的复杂岩溶环境的问题,提出了微动与探地雷达(GPR)相结合的岩溶综合物探方法。在道路表面采用微动法实现40 m以内的大探深检测,通过改变台阵形式、调整检波器间距、避开管线位置等方法避开地表面管线干扰,实现岩溶状态的大范围判断。在隧道开挖掌子面采用100 MHz屏蔽GPR天线进行复核探测,实现岩溶区域的精确定位。在贵阳轨道交通3号线开展了微动与GPR融合的岩溶排查实验,并通过超前水平钻探对判断的岩溶区域进行了取芯验证。实验结果表明,岩溶区域与围岩密实区域波速差异较大,微动方法可以有效实现大探深范围内的岩溶探测,适合城市道路内部岩溶区大探深判断;电磁波在岩溶区域存在强反射、低频特征,在GPR图谱中特征明显,微动与GPR联合可实现岩溶区域的精确定位。超前水平钻探开挖结果验证了所提方法的正确性,避免城市轨道的透水事故。微动和GPR联合的探测方法为城市轨道交通建设大探深病害探测提供了可靠的无损检测方法,保证市政施工的安全性。

空间监视雷达高精度实时目标定轨方法

地基空间监视雷达肩负着新目标发现、编目维持、空间事件监视等太空态势实时感知任务。在太空态势实时感知任务中,必须对空间目标进行实时高精度目标定轨。这类任务对实时性和精度要求都很高,传统方法难以满足任务需求。例如,传统的空间目标定轨算法为事后处理,为达到任务的精度要求需要积累多天多圈数据,不能满足此类任务的实时性要求。而传统的雷达目标跟踪滤波算法仅支持单弧段,其精度无法达到应用要求。为此,本文提出了基于高精度空间目标轨道模型和空间目标轨道预报误差协方差传播理论的不敏卡尔曼滤波(UKF)。该方法采用高精度空间目标轨道模型,支持多装备多弧段雷达观测数据,可以很好地解决多弧段滤波中断导致协方差不匹配的问题。根据仿真实验,跟踪三圈后,实时定轨的目标位置精度可以达到百米级,速度精度达到分米级。

基于双模式驱动时序InSAR技术对天津滨海国际机场形变监测

为解决传统地面监测手段成本高、观测周期长等问题,时序干涉合成孔径雷达(InSAR)技术广泛应用于机场形变监测研究中,但不同单一时序InSAR技术均存在监测缺陷。差分干涉测量短基线时序分析技术(SBAS-InSAR)技术仅适用于大范围区域监测,缺乏单个地表点分析。永久散射体合成孔径干涉测量(PS-InSAR)技术过度依赖相干性,局限于线性形变。为解决单一化监测手段所存在的问题,采用双模式驱动时序InSAR(DMTS-InSAR)技术对机场形变进行分析。基于21景Sentinel-1A升轨雷达影像,以天津滨海国际机场局部区域为研究区,对DMTS-InSAR技术的监测结果进行评估,克服了单一技术分析的局限性。评估后发现滨海国际机场局部区域存在沉降现象,其中机场停机坪处的形变最为显著,最大垂直沉降速率达到25 mm/a。结果表明,利用DMTS-InSAR技术监测机场形变,可获取更为准确可靠的形变结果。

基于毫米波雷达的车内成员监测系统设计

儿童因被遗留在轿车或校车内而中暑,甚至窒息死亡的事件时有发生,造成这些惨剧的主要原因是缺乏有效的技术手段保护儿童人身安全。在这些惨痛的教训面前,为汽车配置专用的车内成员监测系统刻不容缓。针对目前车内成员监测系统应用方案匮乏的现状,为有效杜绝儿童因被遗留在车内而引发令人痛心的事件再次出现,基于毫米波雷达的车内成员监测系统可实现灵敏感知轻微呼吸的胸部运动幅度,探测儿童的存在,并强制采取必要的动作(如强制通风)或发出警告信息(如向车主发出短信、电话呼叫、车辆报警等),避免遗忘在车内的儿童由于窒息导致死亡。这套方案中提到的车内成员探测毫米波雷达利用FMCW、MIMO等技术与高达5G的大带宽,解决了车内多路径导致的虚标问题,并对车内静止物进行了有效的人与物体分类,排除杂波干扰,对车内活体目标进行了精确探测,为解决车内成员探测难题提供了智能化解决方案。

天基逆合成孔径激光雷达LEO目标成像模式设计

对采用天基逆合成孔径雷达(ISAL)对300~2000 km轨道高度的低轨(LEO)目标的掠飞和绕飞成像模式进行了性能分析及可行性探究,分析了成像分辨率和成像时间、最小无模糊脉冲重复频率(PRF)和回波信噪比(SNR)等系统关键指标,并进行了对比。研究结果表明:绕飞成像模式相比于掠飞成像模式可以实现对于目标的多角度持续观测,且绕飞周期较短(1.5~2.1 h),可以快速获取更为丰富的目标信息,具备进一步三维ISAL成像的潜力;脉冲积累时间虽然更长,但在300~2000 km轨道高度范围只有130~190 ms(掠飞成像为0.1~130 ms);最小无模糊PRF(对于10 m转动直径的目标,约为15 Hz)减少一半(减少了对激光器高重频的要求);由于更长的脉冲积累时间,绕飞模式的回波信噪比更高,通过后期处理可以获得更为清晰的图像结果;适用于对重要目标和高价值资产进行快速、高分辨率、全方位的持续观测。而掠飞模式适用于对相近轨道高度面的LEO目标进行遍历和成像,从而建立目标的特征库。

分布式穿墙成像雷达空间配准方法

分布式穿墙成像雷达利用多个穿墙雷达节点在多个视角对室内目标协同探测,可以有效弥补传统单视角穿墙探测的不足。提出了一种基于高斯混合模型的分布式穿墙成像雷达空间配准方法,根据各个节点探测结果中多目标位置关系求解雷达节点位置。首先将各个雷达节点的量测点集建模为高斯混合模型;然后将雷达节点配准问题转化为求解最优坐标变换参数的优化问题;最后采用粒子群优化求解,实现雷达节点空间配准。仿真与实测结果验证了该方法的有效性。

基于雷达测距和测速的GEO目标实时关联算法

针对航迹密集情况下地球同步轨道(GEO)目标容易关联错误的问题,提出了一种基于雷达测距和测速二维判决的GEO目标实时关联算法。利用空间目标两行轨道根数(TLE)建立待关联初始库属目标集;根据空间目标轨道预报误差扩散规律设置粗关联门限,得到二次关联库属目标集;利用雷达测距和测速精度高的特点构建二次关联代价函数,根据归一化加权均方根误差最小原则得到关联结果。仿真结果表明:该算法在目标航迹密集的情况下取得了较好的关联效果,具有较高的关联正确率。

一种双门限自适应脉冲相参应答机的设计方法

脉冲相参应答机用于运载火箭、弹道导弹等外测安全系统,其与地面单脉冲雷达链协同工作,接收并转发地面雷达链的脉冲问讯信号,完成运载火箭、弹道导弹的距离、角度等参数的跟踪测量。本文介绍了脉冲相参应答机的基本工作原理,针对脉冲相参应答机在某运载型号使用的实际飞行应用中偶尔出现的地面雷达漏脉冲现象,提出了一种双门限自适应接收信号处理的脉冲相参应答机设计方法。通过计算机数据仿真、分析,结果表明该方法可以有效解决地面雷达漏脉冲现象的发生,同时相应提升了应答机的触发灵敏度、扩大了动态范围,使该应答机能够更好地应用于其他领域、型号,拓展了应用范围。

基于分布式雷达的宽带脉冲三维测距机制及方法研究

针对脉冲雷达相位测距技术在相位解模糊和测量机理方面存在的局限性,该文提出一种基于分布式雷达的3维测距机制,建立分布式雷达3维测距信号模型。利用天线空间布局引起的序列相位差代替常规由序列脉冲累积引起的相位差,结合微波3维成像处理的基本原理,通过相干积累实现空中观测目标的3维测量和轨迹测量,并利用观测区域的目标空间稀疏分布特性,给出一种基于CLEAN的宽带脉冲雷达高精度3维测距方法。仿真验证和分析结果表明,该文设计的分布式雷达3维测距机制和方法不仅较好地避免了高动态远距离测量环境中的相位解模糊问题,而且还能快速获取观测目标的序列3维图像和位置信息,有效避免了传统单站脉冲相位测量体制只能实现1维测距的能力,为雷达测距应用提供一种新的方法与技术支撑。

改进实孔径雷达角分辨力的广义逆滤波方法

本文寻求一种在扫描实孔径雷达中,利用方位信号处理获得优于天线波束宽度的角分辨力的途径。文中建立了扫描过程的数学模型,并提出了采用广义逆滤波处理实现波束“伪压缩”的方法,阐明了这种方法的物理本质,解决了这种方法最佳解的确定问题。文中用这种方法对雷达实测数据进行了处理,使雷达的角分辨力提高约4倍。

多点定位TOA精确估计及同步误差校正算法

提出了S模式信号的数学模型,讨论了脉冲上升沿测量到达时间(time of arrival,TOA)的精度、统计方法估计TOA的最优值和最优估计的实现方法。然后,提出了一种先解码后测量TOA的改进方法,从脉冲积累的角度导出了改进方法的理论精度,与单脉冲测量的精度相比较有明显提高。针对硬件实现的问题,分析了采样对TOA测量的影响和解决方法。最后,讨论了多点定位的同步问题,将TOA的精确估计值应用于多点定位系统多部接收机之间的同步误差校正。

触地爆炸土体弹坑的多物质ALE法分析

为了研究触地爆炸下土体产生的弹坑,在LS-DYNA软件框架内,提出了基于多物质ALE法的岩土爆炸弹坑数值模拟方法。多物质ALE法综合了拉格朗日方法与欧拉法的优点,不但解决了拉格朗日法中材料的畸变问题,而且克服了欧拉法中移动边界描述得不准确的问题,而且容许在一个网格中包含多种材料。利用该法进行了岩土爆炸弹坑的数值模拟,在后处理中通过物质的流动状态来判断弹坑的形态,而无需通过单元删除或网格变形的方法。模拟结果与CONWEP程序计算值基本一致,弹坑的形成过程和最终尺寸都与客观规律吻合得较好,验证了多物质ALE法模拟岩土爆炸弹坑的有效性。

信道模拟系统动态零值在线标校方法

利用信道模拟系统进行卫星导航系统仿真试验过程中,环境模拟通道的零值漂移会造成无法消除的系统误差,因此需要在仿真运行的过程中对通道零值进行在线标校。基于直接序列扩频体制时延标校接收机的传统零值标校方法,无法解决在线标校时通道零值与设定空间仿真传输时延耦合及多址干扰问题。根据环境模拟通道的空间仿真传输时延变化机理,提出了分离通道零值与设定空间仿真传输时延的方法,并对自校信号测量时的多址干扰强度及抑制方法进行了分析。经过理论分析和仿真计算,所提出的在线零值标校方法精度可达亚纳秒量级。

目标跟踪系统中野值的判别与剔除方法

目标跟踪系统观测的目标坐标值,不仅包含随机误差,有时由于干扰等原因,使得测量值含有远大于随机误差的粗大误差,通常称为野值。带有野值的测量值将导致滤波系统产生记忆效应和误差,甚至导致滤波过程发散。因此,对测量过程产生的野值应予剔除。结合对Kalman滤波原理的分析,说明了基于Kalman滤波的野值判别与剔除方法,并提出了野值判别门限值的计算方法。