微波视觉与SAR图像智能解译

高分辨率雷达成像技术和人工智能、大数据技术的快速发展,有力促进了雷达图像智能解译技术的进步。由于雷达传感器本身的特殊性和电磁散射成像物理的复杂性,雷达图像的解译缺乏光学图像的直观性,准确迅速识别分类的需求对雷达图像解译提出了迫切的挑战。在借鉴人脑光视觉感知机理和计算机视觉图像处理相关技术基础上,进一步融合电磁散射物理规律及其雷达成像机理,我们提出发展微波域雷达图像解译的“微波视觉”的新交叉领域研究。该文介绍微波视觉的概念与内涵,提出微波视觉认知模型,阐述其基础理论问题与技术路线,最后介绍了作者团队在相关问题上的初步研究进展。

基于时频分析的SAR目标微波视觉特性智能感知方法与应用

合成孔径雷达(SAR)目标识别智能算法目前仍面临缺少鲁棒性、泛化性和可解释性的挑战,理解SAR目标微波特性并将其结合先进的深度学习算法,实现高效鲁棒的SAR目标识别,是目前领域较为关注的研究重点。SAR目标特性反演方法通常计算复杂度较高,难以结合深度神经网络实现端到端的实时预测。为促进SAR目标物理特性在智能识别任务中的应用,发展高效、智能、可解释的微波物理特性感知方法至关重要。该文将高分辨SAR目标的非平稳特性作为一种典型的微波视觉特性,提出一种改进的基于时频分析的目标特性智能感知方法,优化了处理流程和计算效率,使之更适用于SAR目标识别场景,并进一步将其应用到SAR目标智能识别算法中,实现了稳定的性能提升。该方法泛化性强、计算效率高,能得到物理可解释的SAR目标特性分类结果,对目标识别算法的性能提升与属性散射中心模型相当。

SARMV3D-1.0:SAR微波视觉三维成像数据集

三维成像是合成孔径雷达技术发展的前沿趋势之一,目前的SAR三维成像体制主要包括层析和阵列干涉,但面临数据采集周期长或系统过于复杂的问题,为此该文提出了SAR微波视觉三维成像的新技术思路,即充分挖掘利用SAR微波散射机制和图像视觉语义中蕴含的三维线索,并将其与SAR成像模型有效结合,以显著降低SAR三维成像的系统复杂度,实现高效能、低成本的SAR三维成像。为推动SAR微波视觉三维成像理论技术的发展,在国家自然科学基金重大项目支持下,拟构建一个比较完整的SAR微波视觉三维成像数据集。该文概述了该数据集的构成和构建规划,并给出了第一批发布数据(SARMV3D-1.0)的组成和信息描述方式、数据集制作的方法,为该数据集的共享和应用提供支撑。

微波视觉三维SAR关键技术及实验系统初步进展

合成孔径雷达(SAR)三维成像在复杂地形测绘、复杂环境下目标发现与识别等方面具有重要应用潜力,是当前SAR领域的重要发展方向之一。为推动SAR三维成像技术的发展和应用,中国科学院空天信息创新研究院牵头设计并研制了一套无人机载微波视觉三维SAR实验系统(MV3DSAR),为相关技术研究和验证提供实验平台。目前该系统的单极化版本已研制完成,并在天津开展了首次校飞实验。该文介绍了该系统的基本构成、主要性能以及系统和数据处理的关键技术,给出了首次校飞实验的实施情况以及初步的数据处理结果,验证了系统的基本性能指标和三维成像能力。该系统为后续SAR三维成像数据集构建和处理方法研究提供了良好的实验验证平台。

多模式遥感智能信息与目标识别：微波视觉的物理智能

多模式高分辨率合成孔径雷达(SAR)的发展,对天空地海环境目标信息感知与特征获取提出了新的挑战,空间遥感大数据与人工智能信息技术的交叉是自动目标识别(ATR)一个新的研究方向与重大应用领域。该文提出,在电磁波与目标相互作用的物理背景下进行人工智能信息技术的研究,即“物理智能”,以发展在人眼不能识别的电磁频谱上形成信息感知的“微波视觉”,实现多模式遥感智能信息与目标识别。该文主要内容基于作者2019年8月15日在“雷达学报第五届青年科学家论坛”上的学术报告。

合成孔径雷达三维成像——从层析、阵列到微波视觉

合成孔径雷达3维成像技术可以消除目标和地形在2维图像上产生的严重混叠,显著提升目标识别和3维建模能力,已经成为当前SAR发展的重要趋势。合成孔径雷达3维成像技术经过了数十年的发展,已提出多种技术体制。该文系统性回顾了SAR 3维成像技术领域的发展过程,深入分析了现有SAR 3维成像技术的特点;指出了SAR回波及图像中蕴含的未被现有技术利用的3维信息,提出“合成孔径雷达微波视觉3维成像”的新概念和新思路,将SAR成像方法与微波散射机制和图像视觉语义有机融合,形成SAR微波视觉3维成像理论与方法,实现高效能、低成本的SAR 3维成像。该文重点阐述了SAR微波视觉3维成像的概念、目标和关键科学问题,并给出了初步的技术途径,为SAR 3维成像提供了新的技术思路。

从物理智能到微波视觉

近10年来,人工智能技术得到了科技与工业界的极大的重视,预示着人类文明将进入智能时代。但是,作为智能时代基础的＂智能科学＂还远未成型。本文从电磁物理信息感知技术的独特视角,讨论智能科学如何发展的一些见解,指出人类智能与外在世界互为对偶问题、相互不可分割的根本属性,因此按人工智能所应对的对象及关联学科分为数学、物理、心理、意识4个阶段。其中第1阶段解决智能形成的通用学习算法的数学理论,第2阶段发展应对物理世界的物理智能。以此为基础,第3阶段发展应对智能涉及社会群体的高阶智能,第4阶段研究自由意识的本质和人工智能能否形成意识的超智能问题。结合笔者电磁信息感知专业领域,提出向物理智能发展的微波视觉新概念、相关内涵以及关键技术的建议,以笔者团队在这一方向的前期工作为例,讨论了以物理智能为基础的智能科学的研究与发展。

格式塔感知规律在SAR图像中的有效性初探

合成孔径雷达(SAR)图像是当前微波视觉研究领域的重要数据源。计算机视觉以光学视觉规律为理论基础,无法有效解译SAR图像。因此,借鉴人类视觉感知规律和计算机视觉技术,并融合电磁物理规律的微波视觉成为当前微波遥感领域的一个重要研究方向。探索微波视觉的认知基础对于完善微波视觉理论体系至关重要。该文旨在探讨光学感知规律在微波视觉中的有效性,作为完善微波视觉理论的基础尝试。格式塔感知规律是一类经典的视觉理论,常用于描述人类视觉系统对外部光学世界的感知规律,是计算机视觉的认知理论基础之一。在此背景下,该文以SAR图像为研究对象,借鉴认知心理学实验的设计流程,对格式塔感知规律中的感知组合律和感知不变律在SAR图像中的有效性进行初步研究,探索微波视觉的认知基础。实验结果表明,格式塔感知规律不能够直接应用到SAR图像的算法设计中,人类视觉系统从光学世界中总结出的知识概念、视觉规律在SAR图像中表现不佳,未来需要针对SAR图像等微波图像的特点总结相应的微波视觉认知规律。

合成孔径雷达三维成像中的视觉语义浅析

"合成孔径雷达微波视觉三维成像",从概念上说,旨在将"视觉语义"引入到合成孔径雷达的成像模型中,以期提高三维成像的质量。对层析合成孔径雷达(TomoSAR)来说,"视觉语义"的引入可望有效减少TomoSAR所需的观测次数。然而,什么是"视觉语义"?从视觉感知的途径看,"单眼"和"双眼"均可以从场景感知三维结构信息;从场景内容看,不同的人对同一幅图像会有不同感受;从视觉神经加工机理看,三维信息加工和二维信息加工也存在一些本质差异。另外,人类视觉感知普遍存在错觉(illusion)现象。那么,到底什么类型的"视觉语义信息"可望在计算的层次上有助于微波三维成像呢?如何借鉴计算机视觉的理论和方法来提取微波三维成像中有用的"视觉语义"信息呢?该文对这些问题进行了一些初步探讨。

面向未来空间电磁信息技术的综合分析

以空间遥感、空间通信、空间导航为标志的空间电磁信息科技是国家社会发展和国家安全的重大战略科技,空间电磁信息形成了"制电磁权"的科技核心。本文论述空间电磁信息的总体形势、未来研究与发展的主要科学任务与技术趋势,提出面向未来空间电磁信息技术的发展方向,构建遥—通—导一体化的空间电磁信息理论,这是麦克斯韦电磁学和香农信息论在空间信息技术时空尺度的延伸,发展电磁大数据表征同化与知识挖掘技术,深化电磁波与天空地海环境目标相互作用机理研究,为发展空间电磁信息技术提出研究计划。