星载SAR-GMTI研究进展

星载SAR-GMTI系统具有地面(海面)大面积侦察、监视和运动目标检测、跟踪、定位的能力,是航天侦察的重要手段之一,可以为战场指挥、精确打击、态势评估提供高质量的情报信息。主要讨论星载SAR-GMTI系统及其研究进展,简述了国内外研究、发展现状,分析了现有的星载SAR/GMTI系统的优缺点和关键技术,探讨了星载SAR-GMTI系统所面临的技术挑战和研究重点。

星载SAR在轨成像高效处理系统硬件实现设计

星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)在轨成像技术是灾害检测、军事侦察等高时效遥感应用场景的关键手段,以现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)+数字信号处理器(Digital Signal Processing/Processor,DSP)为处理核心是一种搭建星载SAR在轨成像系统的典型方案,在异构算力、能效比、灵活度等方面综合评价良好。但现有的FPGA+DSP系统在算法支持、大粒度处理、片上并行加速、复杂矩阵转置方面仍研究不足,成像性能仍然有较大提升空间。本文对支持大斜视、高分辨成像的非线性调频变标算法(Nonlinear Chirp Scaling Algorithm,NCS)算法进行分析,根据运算复杂度和类型将算法划分为主流程和辅助路程,以此为依据提出NCS算法在FPGA+DSP系统中的异构映射方案;针对多通道快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)处理后数据存储形式发生变换、难以流水处理的问题,提出基于时频抽取切换的多通道FFT协同处理方法,保证多通道FFT处理高效进行;针对不同粒度、不同并行度场景下转置需求复杂多变的问题,提出基于X-直接存储器访问(X-Direct Memory Access,XDMA)+片上分割转置的通用交叉转置方案。本文采用2片VX690T FPGA和2片FT6678 DSP为核心处理器研制了星载SAR成像板卡,实现了提出的系统设计方案。同时,本文搭建了基于模拟源+地检的验证环境,对条带/扫描/聚束/滑聚/TOPS模式的仿真点阵数据和条带/滑聚模式的实测数据进行处理。点阵数据的二维峰值旁瓣比约为-13.2 dB,二维积分旁瓣比约为-10.1 dB,成像质量良好;以条带模式为例,图像尺寸为32K×16K,基于NCS算法的平均成像时间为7.81 s,成像速度较现有方案大幅提升。

应用卷积神经网络VGG16的星载GNSS-R海冰检测

针对全球卫星导航系统反射计(global navigation satellite system-reflection,GNSS-R)海冰检测中延迟-多普勒图(delay-Doppler map,DDM)数据噪声大、消融期精度低等问题,提出将VGG16卷积神经网络模型应用于海冰检测。通过深层的网络结构提取DDM多层次特征进行海冰海水分类,以提高海冰检测的精度和稳定性。实验结果表明,与美国国家海洋和大气管理局地表类型数据对比,所提出的基于VGG16海冰检测方法检测准确率为98.02%,有效提升了海冰检测的准确率和稳定性。

星载激光雷达视轴监测系统设计

提出了一种针对星载激光雷达在轨高精度光轴监测与标定需求的多光轴监测方法,该方法基于主动激光光源。通过使用785 nm的激光,分束后分别照射到星敏感器的基准棱镜和接收望远镜的取光棱镜,反射信号被聚焦至监视相机的焦平面,实现了对接收光轴及星敏光轴的精确监测。此外,监视相机还同步采集发射激光的部分能量,用于测量监测发射光轴。文中详细描述了光学系统的设计流程及关键组件的优化方案,并通过地面真空环境试验及在轨监测数据进行了验证。设计结果表明,各监视通道的成像质量达到了衍射极限,收发光轴的设计精度分别为0.09μrad和2.28μrad,关键组件取光棱镜的温控精度达到了±0.2℃。地面的真空热光试验结果进一步验证了该方案的高精度光轴监视能力,收发光轴的监测精度均优于3μrad。最后通过分析激光雷达入轨后的测量数据,确认了视轴监测系统的工作稳定性,成功实现了在轨的高精度光轴监视。该研究成果为星载激光雷达提供了一种有效的在轨高精度光轴监测与标定解决方案。

基于几何的星载探测雷达组网空中目标高度估计算法

星载探测雷达具有全球覆盖、全天候、全天时、不易受到攻击等优点,在预警防御系统中具有巨大潜力。单个星载探测雷达由于俯仰角误差过大,导致其不具备空中目标高度估计能力;准确的目标高度估计对改善目标定位精度及威胁估计能力等具有重要意义。考虑多部星载探测雷达组网,提出了一种基于几何的空中目标高度估计方法,并通过仿真验证方法的有效性。通过仿真比较了雷达探测区域不同位置目标高度估计精度的差别,为组网雷达系统设计等提供技术支撑。

星载6G核心网架构与网元功能设计及验证

为全面提升卫星的在轨服务能力,将6G核心网与卫星融合。针对6G核心网在低轨卫星部署的迫切需求,设计星载6G核心网体系架构,包括分布式架构、离线自治、网元智能化等功能。对星载6G核心网主要网元进行了优化设计,包括接入与移动性管理、会话管理、分布式服务注册与发现等。通过在轨部署和仿真试验,验证了所提星载6G核心网体系架构的有效性。仿真结果表明,集中式星载5G核心网网元之间的平均通信时延为109.3 ms,而分布式星载6G核心网的平均通信时延为60.3 ms,相较而言降低了44.8%;此外,5G集中式服务注册和服务发现的平均时延分别为40.53 ms和40.04 ms,而6G分布式服务注册和服务发现的平均时延分别为35.18 ms和34.91 ms,分别降低13.2%和12.8%。

粗糙海面星载微波视在亮温仿真模型

针对新型星载微波辐射计论证需求,通过研究平静和粗糙海面发射率模型,结合大气辐射模型,建立了典型波段的星载微波视在亮温数学模型,设计了视在亮温仿真模型总体方案,以及平静海面发射率、风速影响发射率、风向影响发射率和辐射传输仿真计算模块方案,开发了星载微波辐射计视在亮温仿真软件,实现了不同大气、海面风、传感器参数条件下的星载微波辐射计海面视在亮温仿真计算,验证了仿真模型的可行性,为星载微波辐射计星地一体化仿真论证提供了技术支撑。

基于星载激光雷达数据的森林地上生物量估算方法比较

近年来,星载激光雷达数据已被广泛用于大尺度森林地上生物量估计,但由于其激光光斑采样点不连续,通常使其需要与辅助数据相结合来估算森林地上生物量的连续分布,且估算方法仍存在许多不确定性。研究以祁连山国家公园为样本,结合星载激光雷达ICESat/GLAS数据、Landsat OLI数据和样地调查数据建立了3种基于非参数化算法(普通克里金插值(Ordinary Kriging,OK),支持向量回归(Support Vector regression,SVR)和随机森林(Random forest,RF))的森林地上生物量估算模型,以森林资源清查数据独立验证各模型估计精度。结果发现:3种模型的均方根误差(RMSE)从低到高依次为SVR(19.053 t·hm^(-2))、RF(21.074 t·hm^(-2))和OK(26.362 t·hm^(-2)),平均相对误差(MRE)从低到高依次为SVR(31.890%)、RF(33.314%)和OK(55.398%),且除OK模型外,SVR与RF模型的总体相对误差(TRE)都在可接受的范围内。进一步对SVR与RF模型生成的森林地上生物量空间分布的准确性进行验证,发现相较RF模型,SVR模型生成的森林地上生物量空间分布与森林资源清查数据更为接近。SVR森林地上生物量估计模型在数量精度和分布精度上都表现更优。结果可为今后基于星载激光雷达数据的森林地上生物量估算提供借鉴。

星载激光雷达估测森林结构参数研究现状分析与展望

星载激光雷达系统可以覆盖机载系统难以到达的偏远地区,从机理上克服光学影像及合成孔径雷达测量的技术缺陷,为快速准确地获取林下地形、树高、生物量等森林结构参数提供了可靠的数据源。对现有的星载激光雷达技术观测体系进行综述,讨论了星载激光雷达数据估测多尺度森林结构参数的适用性,定量化分析现有星载激光雷达研究成果及存在的优缺点。最后,总结当前存在的问题,对星载激光雷达技术未来的前景和发展方向进行了展望。建议后续研究可进一步加大对反演不同森林结构参数、产品体系及标准规范、林业应用精度评价、林业用激光雷达参数设计等方面的深入研究。

复杂光线环境下星载激光光斑图像特征参数提取

星载激光光斑图像易受采集时复杂光线背景的影响,导致激光光斑特征参数提取精度不佳,由此提出复杂光线环境下星载激光光斑图像特征参数提取方法。首先,基于光照校正的Retinex图像增强算法光照补偿及增强星载激光光斑图像,以消除复杂光线环境的影响;其次,基于二次阈值分割与形态学消噪结合方法提取光斑边界;最后,使用一阶灰度重心法与椭圆拟合结合方法完成激光光斑图像特征参数提取。仿真结果表明,所提方法的星载激光光斑图像特征参数提取精度保持在95%以上,具有较好的提取性能。

星载望远镜消光材料积分散射特性测试研究(英文)

在散射理论的基础上,介绍了一种星载望远镜消光材料积分散射特性测试装置,实现对星载望远镜消光材料散射特性更为全面的测量。对积分散射理论、系统构造、系统性能进行了阐述。对系统进行建模仿真分析,得到结论:消光材料的散射特性在不同点位和入射角下存在明显差异,系统能够测量多种条件下消光材料的散射特性,并得到消光材料全面的散射特性分布。研究结果为根据消光材料特性进行针对性设计提供了更全面、更准确的散射特性分布,为杂散光的测量与抑制、高性能光学仪器的研制与装调以及计算光学等领域的研究提供了参考。为空间引力波探测星载望远镜系统的材料选型、特性研究、杂散光分析与抑制提供了基础。

空间引力波星载望远镜测试与评估技术研究进展

在空间引力波探测任务中,星载望远镜承担太空超长干涉光路双向光束准直的重要作用。空间引力波探测对星载望远镜提出了pm级光程稳定性和低于10^(-10)级后向杂散光水平的极高要求。超高水平指标要求超过了当前测试技术的精度极限,因此,针对星载望远镜发展测试与评估技术并开展系统超高精度测试是空间引力波探测计划成功的重要前提。本文在概述国内外在研的空间引力波探测星载望远镜研制情况的基础上,重点围绕星载望远镜的核心技术指标——光程稳定性和后向杂散光,介绍了在研望远镜的测试技术发展现状和已经取得的部分测试成果,以及各研究单位进一步的测试计划,为我国的空间引力波探测的星载望远镜测试与评估技术发展提供参考。

X频段星载合成孔径雷达与船载雷达系统共存研究

依据《无线电规则》和《中华人民共和国无线电频率划分规定》第5.476A款要求,9GHz频段卫星地球探测业务(有源)不得对同、邻频的水上无线电导航和无线电定位业务台站、无线电导航台站、固定业务电台等产生有害干扰,亦不得要求这些台站提供保护。本文主要评估X频段星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar Satell,简称SAR卫星)与船载雷达系统的干扰共存问题。研究表明,SAR卫星对同、邻频的水上无线电导航系统存在一定概率的干扰,且干扰的大小超出了水上无线电导航业务系统的干扰协调门限。因此,SAR卫星使用X频段时,需要评估对水上无线电导航业务系统的干扰。

星载视频SAR模式设计与数据处理

视频SAR可实现对重点区域持续观测并以视频方式呈现出来,其高帧率成像特性有利于对地面/海面机动目标的实时探测,视频SAR及其相关技术作为一种新颖的SAR观测模式成为近年的研究热点。从合成孔径原理出发,SAR载频越高,方位调频率绝对值越大,实现相同分辨率的合成孔径时间越短,越有利于视频的生成,因此通过合理的系统设计,Ka频段星载SAR具备视频工作的能力。然而星载SAR作用距离远,实现视频观测的几何模型、波位设计方案与机载SAR存在较大差异;此外,星载视频SAR幅宽较大,数据量和处理计算量需求巨大,如何快速实现数据处理是保证图像获取及后续应用时效性必须考虑的问题。本文基于珞珈二号(Luojia-2)SAR载荷和实测数据开展了相关研究,首先基于珞珈二号SAR卫星轨道以及平台能力设计了可实际应用的视频模式波位,其次基于时域成像算法提出了一种适合于星载视频SAR快速成像的流水线处理流程,最后基于珞珈二号实测数据完成了视频SAR成像处理。实测数据处理结果表明所提成像处理流程方法适合于星载视频SAR处理快速成像,可高效完成珞珈二号视频SAR实测数据处理。

电磁耦合场对星载弹性元件结构和性能的影响

星载可展天线广泛使用了弹性元件,这些弹性元件机械性能的一致性和稳定性对天线的展开和正常服役至关重要,是可展天线产品满足形面精度指标要求的重要支撑。采用宏观和微观试验相结合的方法,旨在探究电磁场对弹性元件结构和性能的影响,分析其影响机制,为提升星载弹性元件机械性能的一致性和稳定性提供新的途径。研究发现电磁耦合场能够在不改变原有产品精度等级及内部成分的情况下,将星载弹性元件刚度提升2.11%,刚度分布方差降低一个数量级;显微硬度最大可提升8.42%,硬度方差分布下降40.79%;抗蠕变性能提高45.76%,在强化机械性能的同时提高弹簧刚度分布和硬度分布的均匀性,减小个体差异。另外金相微观组织的观测结果显示电磁耦合场对弹簧机械性能的改善具有细晶强化和沉淀强化的作用。电磁耦合强化对提高星载弹性元件结构的性能稳定性和一致性具有重要影响,该技术在未来航天领域具有良好前景。

热载荷下星载天线逆有限元变形重构方法

为实现星载天线结构在服役过程中的实时变形监测,针对真实分布式热载荷下的星载天线板结构,研究了基于应变监测的逆有限元变形重构方法.首先,针对星载天线板结构提出了一种基于四节点四边形逆向壳单元的变形监测方法,通过建立基于位移梯度的单元划分方法,对逆有限元单元划分进行优化,采用最小二乘误差函数构造结构应变与位移的矩阵关系.其次,建立天线板热试验系统,获取典型热载荷下的结构温度分布.然后,建立典型实验温差状态下的复合材料星载天线板结构有限元模型,获取结构表面应变和位移.最后,在典型热载荷下,验证所提变形重构方法的有效性.结果表明,变形重构的位移误差不超过0.5 mm,说明逆有限元法能够在典型热载荷下准确重构天线板变形.

空间引力波探测星载望远镜专题导读(二)

探测空间引力波有望揭开更多的宇宙奥秘。在国家重点研发计划项目的支持下,《光电工程》组织了“空间引力波探测星载望远镜专题(二)”。专题围绕空间引力波探测星载望远镜设计与分析、建造与装调、测试与评估等几个方面介绍了近期的主要研究进展,将为相关领域学者和专家提供技术研究的参考和合作交流的平台,并将积极推动我国空间引力波探测计划的研究进程。

融合星载LiDAR系统GEDI数据与Sentinel-2影像的长江中游洲滩典型禾本科植物高度动态研究

植物是大型河流生态系统的重要成分。但受气候变化和人类活动影响,洲滩禾本科植物高度不断发生调整,进而影响洲滩生境和河道防洪安全,故需长期监测。近年来,伴随着星载激光雷达(LiDAR)技术的发展,应用LiDAR卫星数据反演洲滩禾本科植物高度成为一种可能。本文融合新一代星载LiDAR系统GEDI数据与Sentinel-2影像,基于XGBoost算法构建了考虑物候、累积温度与光合有效辐射指标的洲滩典型禾本科植物高度外推模型,同时利用Attention-UNet算法搭建了洪淹区域识别模型。随后以长江中游洲滩为例,探明了星载LiDAR技术在获取洲滩植株高度方面的性能,分析了各指标对模型精度的影响,并初步得出了洲滩典型禾本科植物高度对不同淹没条件的响应模式。主要结论包括:(1)星载LiDAR系统GEDI具有准确探测洲滩植物高度的能力,与无人机航测数据相比RMSE=0.43 m;(2)运用GEDI数据构建禾本科植物高度外推模型时,考虑物候和累积温度等指标可有效提升模型精度,提升幅度为6.8%~10.7%;(3)利用无人机航测数据对模型外推植物高度进行评价,RMSE=0.80 m。同时从模型外推结果中可知,受2020年流域尺度洪水影响,中游各河段平均植物高度下降了0.03~0.24 m;(4)在2020年流域尺度洪水作用下,淹没历时≤10天的洲滩禾本科植物,其次年株高整体呈增长趋势;而淹没历时>10天时,其次年株高平均下降了2.3%~3.1%。此外,对于日均淹没水深与株高的比值>0.95的洲滩,随着比值增加,洪水对禾本科植株高度的负面作用逐步增强。

星载黑体温度均匀性的优化研究

星载黑体是对星上红外探测器的线性响应度和非均匀性进行标定和校正的关键部件。风云三号气象卫星中分辨率光谱成像仪中所用黑体同时有高温和低温的需求,因此其温度均匀性较难控制。文中对该黑体温度非均匀性的来源进行了分析,提出了拦截温度非均匀性来源的设计思路,并提出了将整片隔热材料应用于黑体均温结构的方案。根据黑体周围环境设计并建立了模拟环境及仿真模型,并对仿真模型进行了试验验证。设计了不同的由紫铜板(Cu)、热解石墨(TPG)和聚酰亚胺(PI)组成的均温结构,并对其均温性能进行了仿真与分析。结果表明,使用一层PI时,温差基本随着PI位置远离黑体而下降,PI在最下层时温差最小且平均温度高于不使用PI的结构;PI位置相同时,PI在紫铜板下一层时温差最小。对于使用两层PI的六层均温结构,PI位置相同的情况下,温差最小结构的特点为优先满足PI之间有两层高导热层,其次满足紧邻黑体有两层高导热层。最优均温结构为“2TPG-PI-TPG-Cu-PI”,使用该结构时黑体温差为0.07 K,显著优于国外同类黑体的0.25 K。

一种低轨星载数据传输天线的设计

针对卫星星座互联网的建设需求,设计了一种低轨星载数据传输天线。低轨星载数据传输天线由反射器、座架机构、驱动控制系统组成,分别进行了介绍。反射器采用正馈环焦形式。座架机构为X-Y构型,具备过顶跟踪通信能力。驱动控制系统采用冷备份设计,提高系统可靠性。低轨星载数据传输天线性能指标满足要求,工作稳定可靠。