MCJ-UNet:一种双/多通道联合InSAR相位解缠网络

干涉合成孔径雷达(InSAR)可实现地表高程的高效获取,在地形测绘中应用广泛。双/多通道InSAR技术可借助不同通道(基线、频点)的高程模糊度差异,解决相位欠采样问题,完成高程陡变区域的干涉相位解缠,实现InSAR技术在测绘困难区域的有效应用。该文即面向高效高精度相位解缠需求,利用深度学习这一有力工具,结合不同通道的相位特征及相互约束关系,提出了一种双/多通道联合干涉相位解缠网络:Multi-Channel-Joint-UNet(MCJ-UNet)。该网络的构建以双通道(双频、双基线)InSAR为基本观测构型,并可实现向多通道构型的扩展,其构建的核心思路主要包括3点:首先,将干涉相位解缠中的模糊数估计问题转化为语义分割问题,并采用UNet网络完成分割处理;其次,引入挤压激励模块(SE)动态调整信息权重,以增强网络不同通道对其所需信息的感知能力;最后,利用多通道联合约束下的相位残差优化损失函数,实现网络调谐。此外,为避免语义分割结果的边缘细节误差对解缠效果的影响,该文还提出了一种基于多通道联合约束的解缠误差自修正方法,以保证解缠质量。模拟地形仿真数据、真实地形仿真数据以及TerraSAR-X实测数据验证了所提方法的有效性。

合成孔径雷达高分辨率成像虚拟仿真实验平台设计

合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)系统组成复杂,搭载于飞机、卫星等运动平台上才可实现数据获取,难以开展基于SAR雷达实物的实验教学。为解决此问题,设计并搭建了SAR高分辨率成像虚拟仿真实验平台。该虚拟仿真实验平台将系统设计技术、实验设计技术、数据采集过程、信号处理技术、图像评估技术等SAR实验的完整流程进行了高展示度、高保真度、高交互性的计算机模拟。一方面,该虚拟仿真实验可以帮助学生理解SAR设计、工作和应用的流程,巩固相关课程基础知识,激发学习雷达信号处理知识的兴趣;另一方面,可以考查学生对相关知识的综合应用能力,增强学生解决实际问题的技能。该仿真平台已成功应用于虚拟仿真教学课程实践,教学效果良好,对培养新工科技术型人才具有重要意义。

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SAR图像桥梁多次散射的河流水位变化监测方法

河流水位变化监测被广泛应用于洪涝灾害的预警。传统的河流水位监测方法通过在河岸布设水位计来实现,由于需要实地布设并维护水位计,这一方案在交通不便的偏远地区难以实施。本文提出了一种基于时序SAR图像的河流水位遥感监测方法。基于桥梁多次散射机理,通过提取时序SAR图像中的桥梁多次散射信号位置变化,可实现桥下河流水位的变化监测。同时,为了避免船只强散射信号对桥梁散射信号提取的干扰,提出了一种桥梁能量累积算法,首先对时序SAR图像进行配准,中值滤波等预处理操作,并基于形态学的级联拟合处理,准确提取SAR图像中桥梁的方向,接着校正桥梁信号在方位向的徙动,最后对桥梁散射信号沿方位向进行能量积累,船只的散射信号由于和桥梁方向不一致而被分散,此过程大大提高了桥梁散射信号的信杂噪比,从而保证桥梁多次散射信号的准确提取。本文从二次散射信号的成像散焦与斜距提取误差两方面分析了所提方法精度,现有星载SAR数据受分辨率限制可达分米级水位监测精度,在未来,随着星载SAR图像分辨率的提高,该方法有望实现厘米级的水位监测精度。COSMO-SkyMed与Sentinel-1A星载SAR实测数据处理结果验证了所提方法的有效性,与水位计测量结果对比,所提方法的处理精度可达0.38 m,与理论分析结果一致。

基于SAR参数化稀疏成像模型的延展目标多径抑制方法

合成孔径雷达(SAR)与传统光学传感器不同,其利用主动发射电磁波和接收电磁波技术来获取目标区域的二维图像。在实际场景(特别是城区场景)成像中,存在大量直线型延展目标,如建筑物的边缘、桥梁等,且SAR的回波信号中不仅含有电磁波经过目标返回的直接回波,还包括电磁波经过目标与环境背景(地面、水面等)多次反射的干扰回波(即“多径效应”),造成SAR成像中存在多径“鬼影”。现阶段多径抑制方法大多基于点目标模型,难以解决实际场景中由直线型延展目标与环境背景产生的多径鬼影问题。因此,本文提出了基于SAR参数化稀疏成像模型的延展目标多径抑制方法,在稀疏目标与环境背景产生多径效应的情况下,能够实现对直线型延展目标的高质量成像。首先,基于不同回波路径下目标的散射模型,建立了延展目标多径观测模型,有效描述了不同回波路径下点目标与线目标散射特性;然后,采用交替方向乘子法(ADMM)对上述延展目标多径观测模型中不同回波路径下目标的散射系数向量进行了精确估计;最后,基于上述估计结果,提出不同回波路径下的图像重构方法,将各条回波路径的能量都集中到真实目标区域,实现了直线型延展目标的高质量成像。高精度电磁计算数据验证了本文所提方法的有效性。

基于方位向去斜的星载滑动聚束两步成像处理算法研究

两步成像算法通过方位向去斜处理可以有效地降低星载滑动聚束SAR原始回波的多普勒带宽。为了有效地防止频谱混叠,脉冲重复频率(PRF)需要大于方位向去斜后的残余多普勒带宽,这也是两步算法可以应用于滑动聚束SAR数据处理的前提。为此,论文首先在距离向频域和方位向时域内详细地推导方位向去斜处理后残余多普勒带宽的解析表达式,得出残余多普勒带宽与距离向带宽、波束方位向宽度和波束方位向转角有关;然后在距离向时域和方位向时域内通过分析距离徙动引入了距离向信号对方位向信号的幅度加窗效应,定性地分析和验证频域内推导的残余多普勒带宽方程的正确性。最后,通过计算机仿真验证了文中理论分析的正确性。

新体制雷达教学实验平台构建

为满足雷达专业的实验教学改革和创新需要,筹建了新体制雷达教学实验平台。该实验平台是由二维成像雷达、频率步进雷达、相控阵和分布式雷达等4个新体制雷达教学实验子平台组成。可以加深学生对各种新体制雷达的基本工作原理的理解,增强学生的动手能力、解决问题能力和创新意识;学生还可以利用该模块化的实验平台进行创新性实验,为学生课题研究、发表高水平学术论文和申请专利提供数据支撑。

分布式地基雷达深空探测技术

地基雷达深空探测可以获得天体的轨道、形貌、材质等信息,可用于深空的科学研究。地基雷达深空探测的回波信噪比极低,需要增大天线口径、提高发射功率,由于口径、体积等方面的因素,单台套雷达天线不能无限制地扩大,发射功率也不能无限制地提高,因此需要研究可扩展性强的雷达体制。分布式雷达是一种由多部单元雷达和中心控制处理系统组成的新体制雷达,通过增加雷达单元数量,可以实现口径的空域扩展和能量合成,等效形成一部大口径、高功率的雷达,结合长时间积累技术,分布式地基雷达将实现更远距离和更高分辨的深空目标探测,看到更加遥远的天体。

基于压缩感知的地基MIMO SAR近场层析成像研究

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)层析技术是一种通过多航迹观测,获取目标高程信息,重建目标三维结构的重要手段。目前,层析SAR成像多应用于星载与机载平台,均以远场假设为基础,即认为雷达与目标间的距离远大于目标几何尺寸,此时多航迹观测雷达对目标的视角变化很小,目标的散射特征变化很小。但是在近场构型下,多航迹观测雷达对目标的视角变化大,目标的散射特征变化大,现有基于远场假设的层析处理方法不再适用。为解决这一问题,本文研究了基于压缩感知的地基多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)SAR近场层析成像方法,主要包含了以下方法创新:(1)基于孤立强点定标完成通道间幅相误差补偿,提高成像质量;(2)基于散射体结构信息与闪烁强点剔除实现高精度多图配准;(3)利用解斜思想与三维空间几何关系估计高程信息。最后,本研究实现了基于Ku频段MIMO SAR的建筑物三维结构反演。

SAR自然场景实时回波模拟器的设计与实现

设计和实现了一种基于TS201 DSP处理器架构的合成孔径雷达技术(SAR)自然场景实时回波模拟器。阐述了实时回波模拟器使用的仿真模型,剖析了实时回波模拟器实现中的架构设计、并行设计和实时性监测等3个关键技术,介绍了实时模拟器的结构和模块组成,并通过点目标和自然场景的试验证实了模拟器的精确性和实时性。此实时回波模拟器能够根据更新的雷达飞行轨迹实时计算生成回波信号,可以为SAR实时成像处理机和成像处理算法研究提供快速的数据支持。

轨道SAR创新性实验教学平台构建

为了满足雷达专业实验教学的改革和创新需要,构建了一个轨道合成孔径雷达(即轨道SAR)实验教学平台。该平台由不同的功能模块组成,操作安全方便。通过设计和搭建模块化的轨道SAR系统,学生可以深入学习SAR的基本工作原理和系统设计原则;利用该平台采集场景反射的回波信号,并通过对采集的回波信号进行成像处理,学生可以增强对SAR有关二维成像能力的理解,还可以利用该平台进行创新性实验。该平台已经投入了教学试用,并取得了良好的效果。

基于参数化运动补偿的地基雷达对月成像技术

地基雷达对月成像可以获得月球表面的电磁散射特性、地形地貌特征等,可用于月球的科学研究。地基雷达对月成像技术是将合成孔径技术应用到天文探测当中,延迟多普勒技术是地基雷达天文成像应用最为广泛的技术,其关键在于运动补偿。目前,国外在地基天文雷达领域的研究上已趋于成熟,而我国正处于起步阶段。为解决地基雷达对月成像中的难点问题,本文首先基于地月运动几何模型分析了延迟多普勒成像理论的关键问题,包括成像原理、分辨率和模糊问题。接着,本文提出了一种参数化运动补偿算法,该算法以图像熵值为评价指标进行参数搜索,并采用布谷鸟搜索算法提升参数搜索效率。最后,通过仿真验证了算法的有效性,为将来开展试验验证提供了技术支撑。

SAR系统仿真实验教学软件平台的构建

构建了一个合成孔径雷达(SAR)系统仿真实验教学软件平台。该软件平台包括SAR系统参数分析和计算、回波模拟、成像处理、图像质量评估、数据保存和显示控制等6个功能模块。借助该软件平台,学生可先根据SAR指标要求进行SAR系统参数设计,然后进行回波模拟和成像处理,最后通过图像质量评估结果验证所设计系统参数的正确性。该软件平台功能强大,也可以辅助科研项目的仿真实验。

SAR成像算法的实验教学研究

为了加快SAR成像算法人才的培养周期和提高人才培养质量,按照先易后难和循序渐进的设计原则设计了SAR成像算法的实验教学,可以让学生快速地理解SAR的基本原理、正确地实现各种成像处理算法和接触工程中可能遇到的成像处理难题。该实验教学可以强化课堂教学效果,有效缩短SAR人才培养周期,并增强学生的科研的热情。

基于修正斜距模型的GEO SAR远地点的CS成像算法

针对地球同步轨道SAR(GEO SAR)卫星的轨道曲率大,若使用传统直线斜距模型,将不能正确地描述卫星处于远地点时场景目标的"近远近"斜距历程,建立了一种曲率为负的修正斜距模型.该模型能够准确地描述远地点目标的斜距历程;基于该修正的斜距模型精确地推导了GEO SAR远地点回波信号的二维频谱表达式,并给出了一种适用于GEO SAR远地点成像的修正CS成像算法;在方位向成像处理时补偿随距离线性变化速度引起的空变相位,实现GEO SAR较宽的成像幅宽的聚焦处理.并通过场景尺寸为100 km×100 km点阵的GEO SAR成像处理,验证了该基于修正斜距模型的CS成像算法的有效性.

基于模数的干涉相位自适应中值滤波法

为了改善对干涉相位噪声的抑制效果而又确保有用相位跳变信息不被滤除,该文首先研究了模数滤波算法,并提出了一种基于最短子区间搜索的干涉相位模数估计算子对其进行改进,在进一步分析模数估计参数与相位分辨率之间关系的基础上,提出了一种局部相位中心随干涉相位质量自适应变化的中值滤波方法。该方法不仅克服了模数滤波导致的条纹边缘模糊问题,还解决了传统空域滤波进行一致性处理所造成的过滤波和欠滤波问题,而且具有较高的运算效率。最后通过对仿真和实测TerraSAR–X数据的处理和分析,验证了该方法的有效性。

星载高分辨频率步进SAR成像技术

星载合成孔径雷达(SAR)是一种2维高分辨率微波成像雷达。它通过发射大带宽信号实现距离向高分辨,通过合成孔径技术实现方位向高分辨。随着人们对分辨率需求的不断提升,星载SAR正朝着分米级分辨率发展。一方面,受限于现有器件水平,可以通过频率步进技术实现大带宽信号发射,需要研究高精度子带拼接技术、子带间幅相误差对成像的影响与补偿技术;另一方面,受限于有限的波束宽度,可以使系统工作在聚束模式或滑聚模式实现长合成孔径,此时需研究轨道弯曲、“Stop-go”假设误差、电离层与对流层传输误差等非理想因素对成像的影响与补偿技术。因此,该文详细介绍了频率步进信号时序设计与子带拼接,研究星载高分辨率频率步进SAR成像算法与非理想因素补偿方法,最后给出成像算法的仿真验证和性能分析。

新体制民用雷达与实时信息处理研究

随着天线制造技术、超宽带技术、合成孔径技术和信息处理技术的发展,雷达的体积不断减小,探测精度和成像分辨率大大提升,雷达开始在民用领域中活跃起来,尤其是应用于穿透成像、微波遥感成像、滑坡监测和机场异物检测等领域的民用雷达发展十分迅速。为了让民用雷达在复杂的自然环境中具有更高、更稳定的性能,雷达信息处理技术一直在不断创新。本文介绍了民用雷达的新趋势和新技术,以及探墙雷达、微型SAR、边坡雷达和异物检测(Foreign object debris,FOD)雷达实时信息处理的关键问题和解决方案。

双基SAR在地面运动目标检测中的应用

介绍了一种新的卫星发射、气球(浮空器)接收的BSAR/GMTI系统-星球双基地雷达。BSAR雷达由于发射、接收分置,相对于普通的单基雷达,具有获取信息丰富、作用距离远、安全性高、抗干扰能力强和抗截获性能好等突出优点。将星球双基地系统与单基地系统进行比较,分析了星球双基地系统的模型及其GMTI的能力,并给出了一个基于星球双基地雷达系统的SATP方法,并仿真验证了此方法的有效性。

利用梯度重建的稳健多频InSAR相位解缠方法

为解决常规InSAR系统因干涉相位欠采样所导致的陡峭地区高程提取困难问题,提出一种利用多频干涉量进行相位梯度重建并实现相位解缠的处理方法。基于干涉相位的统计分布特性,研究了多频InSAR相位梯度的最大似然估计原理,针对有限观测频点情况下梯度解模糊性能对相位噪声敏感的问题,提出通过基于邻点集的局部曲面建模进行相位梯度重建的稳健算法,并从频点选择、估计区间限定等方面进一步研究了提高算法稳健性的途径。最后通过对仿真和实际DEM数据的试验,验证该方法的有效性。