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[硕士论文] 韩刘帮
机械工程 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:旋转式激光雷达(LiDAR,Light Detection and Ranging)是一种集激光技术、雷达技术和光机电一体化技术于一体的主动式探测技术,已成为获取空间三维数据的一种重要技术手段。旋转式激光雷达具有探测范围广、精度高、速度快、稳定性好等优点,在军事、汽车、SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)建图、火灾救援、无人机避障与路径规划以及煤矿下巷道变形监测等领域具有重要应用价值。
  本文在详细剖析传统旋转式激光雷达系统组成和关键技术的基础上,主要从旋转式激光雷达的数据传输方式、旋转实现方式、控制器编程方式等方面进行改进:
  首先,针对传统旋转式激光雷达系统旋转部分与固定部分之间采用电刷通信导致的寿命低、转速慢的问题,提出了替代传统电刷的基于LiFi(Light Fidelity)的全双工无线通信系统进行旋转式激光雷达旋转部分与固定部分间的数据传输。
  其次,根据旋转式激光雷达的测量距离和测量速度需要,选择了合适的激光测距传感器;同时,为了解决旋转部分供电问题,设计了无线供电模块,并根据旋转式激光雷达的特点设计了中空式的永磁式无刷电机,来实现旋转式激光雷达旋转部分的供电与旋转;并设计了机壳等相关结构。
  再次,使用LabVIEW for STM32编程环境分别对旋转式激光雷达旋转部分与固定部分的控制器进行了程序编写,并对上位机数据处理软件进行了程序设计,从而构成了旋转式激光雷达的软件系统部分。
  最后,对旋转式激光雷达进行了扫描测试及误差分析,并对通过旋转式激光雷达扫描及上位机软件处理后得到的点云图像进行了基于SIFT算法的人体轮廓识别。
[硕士论文] 徐龙阳
计算机科学与技术 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:基于位置信息服务(Location Based Service,LBS)技术已经被广泛应用在导航、救援以及定位追踪等领域。由于室内环境复杂易变,无法很好感知卫星信号,GPS定位难以满足人们的定位需求,国内外学者提出多种室内定位技术如红外线定位、超声波定位、RFID定位、WIFI定位,移动传感器定位等,这些技术取得较好的定位效果,但普遍存在各自的局限性,难以实现大规模推广应用。
  本文针对移动智能手机内嵌的多种传感器(加速度计、陀螺仪以及磁力计等)实现行人航位推算(Pedestrian Dead Reckoning,PDR)存在的传感器漂移、累计误差等问题,展开研究工作,具体研究为以下三个方面:
  (1)BP神经网络模型预测移动距离。传统PDR技术通过行人步数检测、步长估计来实现行人移动距离计算,步骤繁琐,容易出现检测和计算误差。本文引入BP神经网络模型,利用大量数据对模型进行训练和测试,实现较好的预测效果,从而有效减少传统PDR技术计算移动距离带来的计算误差。
  (2)设计一种微航向角融合算法。行人行走方向可以通过陀螺仪和磁力计计算得到,由于传感器自身测量不精确性和环境的干扰,单一传感器计算角度具有较大的累积误差。因此,本文提出了一种微航向角融合算法,通过将行人行走过程划分四类微场景,利用三种微航向角进行分类加权融合获得行走航向角,有效降低传感器的累积误差。
  (3)行人室内位置追踪。通过行人移动距离和航向角,实现位置追踪。本文一共测试16个人,实验结果表明,相对于使用单一的陀螺仪或磁力计计算方向角,定位误差保持在1~4m范围内,PDR(BP+陀螺仪)方法有7个人。PDR(BP+磁力计)方法仅有4个人。提出的定位方法PDR(BP+微航向角融合)结果有12个人的,占总人数的75%,其中,最好的定位误差仅有2.16m,表明提出的定位方法能够有效降低误差累积影响。
[硕士论文] 汪强
电路与系统 安徽理工大学 2018(学位年度)
摘要:目标的电磁散射特性作为雷达侦测、识别、追踪目标的信息来源一直是计算电磁学领域探究的热点。如何高效的对其进行定量分析也一直受到研究者们的广泛关注。本文围绕特征基函数法(CBFM)进行展开,针对CBFM在求解目标单站雷达散射截面(RCS)中存在的不足提出了一些改进措施,以达到提高算法求解效率的目的。
  本文首先介绍了矩量法(MOM)的基本原理,接着详细介绍了CBFM,CBFM根据其构造基函数(CBFs)的方式不同又分为三类,其中基于奇异值分解的特征基函数法(SVD-CBFM)由于构造出的CBFs和缩减矩阵不随激励变化而改变,因此非常适用于目标单站RCS问题的求解,本文正是在SVD-CBFM的基础上提出了一些改进措施。
  SVD-CBFM在构造CBFs时需要大量的平面波激励照射每一个子域,得到的CBFs数目较多,造成奇异值分解的时间较长。此外,该方法没有考虑到激励中存在的冗余信息,且忽略了不同子域之间的互耦作用,计算精度很难进一步提高。针对上述不足,本文提出一种改进的特征基函数法(ICBFM),ICBFM首先考虑到激励中存在的冗余信息,利用奇异值分解去除激励中的冗余量;其次,ICBFM充分考虑到子域间的互耦作用,求解出子域的次要特征基函数,同时为了不增加CBFs的数目,ICBFM利用融合CBFs的措施重新构造出了一种新的CBFs,由于新的CBFs中包含了次要特征基函数的信息,因此在CBFs数量没有增加的情况下计算精度却得到了提高;最后,为了进一步节约求解时间,提出了基于ICBFM的加速技术,有效地提高了ICBFM的求解效率。
[硕士论文] 张俊杰
计算机科学与技术 武汉科技大学 2018(学位年度)
摘要:受限于地理位置、气候等因素影响,不便于采用真实雷达开展教学。使用雷达模拟器进行实训教学是一种可行的手段。以高程数据作为雷达仿真图像的底层数据,优点是精度高,应用灵活,可用来构建三维地形。本文对高程数据进行深入研究,并结合雷达散射截面积(Radar Cross Section,RCS)模型和计算机仿真技术,主要研究内容如下:
  (1)针对高程数据的特点,从数据融合、采样插值、文件拼接、文件分割和索引等方面对高程数据的处理方法进行研究。提出将电子海图的航道和人工建筑信息融入高程数据,为RCS建模奠定基础;通过实验分析三种高程插值方法的优缺点以应对不同采样精度需求;介绍了对零散高程数据块的拼接方法;提出基于四叉树的文件分割与索引算法,便于后续数据文件的查找使用。
  (2)以高程数据为基础,对不同类型目标的RCS计算方法进行研究。针对人工建筑,使用改进的Gordon方法和高阶抛物线方程法分别用于大、小型目标的RCS计算,并验证实验结果;针对自然地形,介绍了基于小平面单元模型的RCS计算方法,该方法借助于归纳统计的地形地貌因子,可获得较真实的结果;针对高程数据特性,提出地面回波强度计算公式,通过统计高程分布概率,人工拟合参数变化曲线,突显目标回波强弱差异。
  (3)以RCS为影响目标回波强弱的主要因素,对雷达图像进行仿真。在仿真前,提出RCS预计算方法,设计了RCS储存和检索的数据结构,降低实时计算量;在仿真中,改进扫描线求解方法,解决像素点重复计算和遗漏问题;在仿真后,针对图像计算误差,提出基于KNN的图像填充算法,优化图像质量。
  最终结果图像岸线轮廓与卫星图像基本吻合,目标正确且仿真效果良好,证明了由高程数据生成雷达仿真图像的可行性,该研究成果已成功应用于某型航海雷达模拟器中。
[硕士论文] 方辉
机械工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:为了实现对侧壁悬挂式雷达多维隔振的目的,提出了一种基于并联机构的隔振平台。由于机载雷达侧壁悬挂的特殊性及工作空间的要求,对隔振器提出了双向隔振、尺寸和重量的要求。本课题设计的隔振平台满足10°倾角侧壁悬挂的安装方式、安装位置以及多维隔振性能等要求。隔振平台为基于并联机构的八杆被动隔振装置,自由度为6,具有多维隔振功能;因为侧壁式悬挂时隔振杆既有受压也有受拉状态,单个隔振杆具有拉压双向隔振性能;同时,该平台具有冗余保护和大位移保护设计,以提高机载雷达可靠性。利用Adams软件对隔振平台进行正弦扫频和半正弦波冲击仿真以及隔振器行程仿真,验证平台具有多维隔振和防冲击性能;设计振动实验所需夹具,满足模拟机载雷达板侧壁式工作要求。完成原理样机制造并在振动台上对原理样机进行正弦扫频和半正弦波冲击实验,隔振器大位移行程实验。对比仿真和实验数据可以发现,仿真模型与实验模型具有较好的一致性,该隔振平台具有良好的减振性能,对侧壁悬挂式雷达具有很好的保护作用。
[硕士论文] 徐盛良
检测技术与自动化装置 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:目前,室外导航技术在人们的生活中己被广泛应用。而在卫星导航系统难以覆盖的室内环境,位置服务的需求日益迫切。随着经济的高速发展、智能制造技术的快速上升,工厂、仓库、大型室内场馆、个人位置服务等领域都需要精准的室内位置信息。在消防救援、应急疏散等特殊场景下,室内定位显得尤为重要。故需要一个高精度、低成本、低功耗、快速响应的室内定位系统。
  本文基于射频信号强度及超声波测距原理,提出了一种射频与超声结合的室内网格定位方法与系统。在M×L个方格的定位区域内,每个方格的4个角各安装一个带有无线通信功能和可测出信号强度的超声波测距模块构成定位基点。待定位的移动目标首先读取定位区域内几个特殊的定位基点的信号强度值,根据信号强度的强弱将定位区域缩小,然后在缩小的区域通过超声波测距进行精确定位。
  论文对系统进行了软硬件设计,对静态和动态定位进行了实验,并对关键元件进行了选型和参数设置。基于单片机的硬件系统包括定位基点模块、移动目标模块、无线通信模块。软件采取了模块化设计,给出了各程序流程图,并进行了上位机设计。
  本文通过射频信号强度的强弱确定出粗定位区域,超声波测距确定出移动目标的准确位置,大大降低了功耗,且成本低,精度高。采用不同信道、地址滤波进行数据传输,建立无线自组网系统,抗干扰性变强,数据传输稳定。对超声波测距值进行线性补偿,然后对定位出的坐标值进行移动平均滤波法滤波,使数据更加可靠和准确。系统将定位出的坐标显示在可视化界面上,实现实时跟踪显示。对测距数据和定位数据进行了大量实验,并进行了误差补偿和分析,实验结果表明,静态定位偏差不大于4cm,动态定位偏差不大于5cm。
[硕士论文] 王肖玥峰
控制工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:室内定位技术的影响延伸到了包括军事、科技、以及人们普通生活在内的各个领域。信号强度室内定位是一种新颖的定位方法。本文根据信号强度衰减的规律,设计了一种较为准确的定位方案。论文主要工作如下:
  (1)对信号强度衰减的规律进行了研究。利用cc1101芯片进行实验验证了信号强度受外界遮挡的影响;通过大量测信号强度实验的数据得到信号强度变化函数的参数;将信号强度变化函数通过cc1101芯片进行测距实验,分析该芯片测距的规律。
  (2)设计了一种改进的压缩感知定位方法。压缩感知定位方法复杂度较大,对较多的目标进行定位时准确度不高,为此本文提出了一种简化的压缩感知算法,在降低复杂度的同时满足对大量目标定位精度不下降的功能。
  (3)设计了一种改进的三边测量法。cc1101芯片受较近距离的遮挡物影响比较大,本文提出一种剔除无效数据的三边测量法,克服了部分定位模块受遮挡物干扰后导致定位精度下降的问题。
  (4)设计了一套定位系统。对定位模块和目标模块进行了硬软件设计,使用压缩感知算法与三边测量法结合的方法作为定位算法,并利用平台实现该方法定位。
  实验结果表明,本文提出的压缩感知与三边测量法结合后的定位方法具有较好的定位精度,并同时克服了三边测量法不能够准确定位较远距离的目标的缺点和压缩感知算法数据量庞大的缺点,具有一定的优越性。
[硕士论文] 刘安
计算机科学与技术 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:随着基于位置信息服务的不断发展以及无线网络的广泛部署,人们对于位置信息的需求日益提高,包括查找路径,消费推介,兴趣点发现等等,利用无线信号获取目标的位置信息成为研究的热点。在室外定位技术领域,利用GPS的定位是行之有效的方法,但是由于“城市峡谷”效应,在室外的环境中信号会受到各种建筑物的影响,产生严重的信号衰落与多路径效应,使得GPS方法在室内的环境中无法正常工作。其他的技术,由于部署困难、精度要求、抗干扰能力差等原因而得不到推广与应用。通过探测无线电信号强度,可以检测人在移动过程中对信号强度的改变,得到信号损耗的变化,并转变为距离参数来确定行动轨迹。但是信号接收强度(Received Signal Strength,RSS)信号会随着时间波动,而且对环境噪声具有很强的敏感度,会对定位结果造成很大的偏差,因此在实际运用中效果较差。近几年兴起的信道状态信息(Channel State Information,CSI)方法在准确度上有了很大的提升,但是基于CSI的方法大多需要对位置信息建立指纹数据库,因此对于在未知环境中进行位置识别较难实现,对定位的实时性也有较大的影响。本文的主要研究内容如下:
  1.在室内定位中,非视距传播路径对于信号传播具有很严重的影响,所以识别出定位区域内的非视距路径对于定位准确度具有重要意义,本文提出了对视距传播路径与非视距传播路径的二分类:在实验中发现振幅的分布特性与相位差在不同环境条件下的变化是有迹可循的,提出了基于SVM的特征分类方法来对遮挡条件进行识别。实验结果表明提出的分类方法在真实场景中可以取得较好的分类结果。
  2.目标在移动过程中,对于已知位置的参考点而言,往往伴随着不同的角度变化与距离变化,本文中将已知位置的发射端作为参考点,提出了一种利用CSI信息的、可在未知环境中进行轨迹跟踪的方法,通过将定位区域划分为一些大小相同的区间,这些区间可以表示为由(λ,θ)构成的二元组,分别代表了与AP(Access Point,AP)的距离信息与角度信息。利用物理层的CSI信息作为数据的来源,可利用手持装备(device-based)及非手持装备(device-free)进行数据收集,通过对二维信息的分析来实现室内位置的确定。
  3.在对传统的基于指纹数据库的室内定位方法进行复现的过程中,发现了误差与效率低的原因,并提出了改进的方法:利用SVD方法对子信道信息进行信道融合的指纹信息获取方法,降低了由于CSI的不确定性衰落带来的准确度误差,同时简化了指纹对比过程,提高了效率。本文在建立指纹数据库时,考虑到了由于待测点改变对整体指纹数据库的动态影响,减小了定位误差。对不同场景进行分析,发现在利用KNN算法进行指纹匹配时,最合适的k值不仅与场景的几何特征有关,也与场景的多径效应程度相关,从而进一步提高了定位的准确度。
[硕士论文] 张子煜
控制理论与控制工程 合肥工业大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着毫米波雷达在智能交通工具上的大规模应用,对雷达测量范围与精度的要求越来越高,雷达的测试问题日益突显。雷达发射信号作为雷达系统的一个重要组成部分,其功率、频率、调制方式等参数是影响雷达工作性能的关键因素。需设计一款毫米波雷达信号测试与分析系统,实现对毫米波雷达发射信号的测试评估。
  本文以毫米波雷达发射信号为研究对象,对系统测试方案、关键技术和系统实现进行了讨论与研究。主要内容如下:
  (1)对雷达发射信号进行研究,制定了毫米波雷达发射信号测试方案。对毫米波雷达测试标准进行研究,从时域、频域和调制域三个方面分析测试需求,确定了测试内容和系统结构。
  (2)对毫米波雷达信号检测方法和调制参数估计方法进行研究。利用时频分布估计信号瞬时调频斜率,基于瞬时调频斜率对雷达发射信号进行检测,得到发射信号中有效分量的起止位置;利用核函数改进信号的时频分布,采用时频分布峰值提取的方法,得到信号调制参数估计;在MATLAB环境中利用三角波和锯齿波调制信号,对算法进行了仿真对比,提高了调制域参数的估计精度。
  (3)对雷达发射信号测试与分析系统进行设计,给出了系统的总体结构和测试软件架构;详细设计了控制模块、通信模块、数据处理模块以及显示模块,完成毫米波雷达信号测试与分析软件设计。
  (4)利用模拟信号源产生三角波线性调频信号和锯齿波线性调频信号,对本文设计的毫米波雷达信号测试与分析系统进行测试和分析。
[博士论文] 冉磊
控制科学与工程;模式识别与智能系统 西安电子科技大学 2018(学位年度)
摘要:现代战场环境日益复杂,为实现末制导阶段的精确导航与打击,雷达导引头正发挥着越来越重要的作用。在末制导阶段,雷达导引头一般具有低分辨搜索、高分辨成像、高分辨跟踪的工作流程。在低分辨搜索阶段,雷达波束进行大范围扫描并实现目标初步筛选。转入高分辨成像模式后,雷达获取疑似目标的高分辨图像并进行目标识别,实现目标精确选择。在高分辨跟踪阶段,对目标位置进行高精度测量,实现导航修正与攻击点选择,最终完成打击。本文围绕高分辨成像阶段的合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像这一关键技术展开研究。具体研究内容包括以下几个方面:
  1.研究了前侧视SAR快速时域成像方法。在现有快速分解后向投影(Fast Factorized Back-Projection,FFBP)算法的基础上,提出了基于目标检测技术的自适应FFBP(Adaptive FFBP,AFFBP)算法,提高了时域成像算法的处理效率。标准FFBP算法执行逐像素点插值和积累,计算效率较低。AFFBP算法的核心思想是将目标检测技术嵌入FFBP成像过程中,子孔径低分辨图像经过目标检测后,输出目标像素点坐标,后续处理便可以只对目标像素点进行插值和积累。为避免目标检测算法的重复运行,设计了多幅子孔径图像的自适应目标检测方法。与传统“先成像后检测”的处理方式不同,AFFBP实现了“边检测边成像”,它能够保留目标像素点并剔除杂波背景,减少插值次数,提高计算效率。仿真与实测数据实验验证了所提方法的有效性和高效性。AFFBP算法适用于稀疏场景成像,如海面场景。
  2.研究了前侧视SAR的距离空变自聚焦算法。在传统图像偏置(Map-Drift,MD)算法的基础上,提出了扩展的图像偏置(Extended MD,EMD)算法,实现对距离空变相位误差的精确估计和校正。MD算法适用于正侧视成像模式,且仅能估计非空变相位误差。弹载SAR通常工作于前侧视模式,而且相位误差的距离空变性通常是不能忽略的,这限制了MD算法的应用,需要对其进行扩展。提出的EMD算法首先估计非空变相位误差,然后估计距离空变相位误差。在距离空变相位误差估计过程中,EMD建立了线性空变运动误差模型,并确定了最优线性空变系数,最终实现前侧视SAR精确聚焦。实测数据实验验证了EMD算法的有效性。
  3.研究了飞行平台的三维航迹误差估计算法,利用加权总体最小二乘(Weighted Total Least Square,WTLS)估计核提高了三维航迹误差的估计精度。首先,在雷达波束照射范围内,选择多个局部场景,并利用后向投影算法获得多幅局部图像。之后,建立了基于有限离散余弦系数的锐度最优目标函数,并对局部图像进行锐度最优自聚焦处理,获得多个局部相位误差函数。在局部相位误差函数估计过程中,对锐度最优目标函数的梯度进行了加权估计,能够避免得到局部最优解。接下来,根据三维航迹误差和局部相位误差函数之间的投影关系,建立了线性方程组,并利用WTLS估计核提高航迹误差求解精度。利用更新后的航迹参数进行成像,能够获得聚焦良好的SAR图像。实测数据实验验证了所提方法的有效性。
  4.研究了前侧视SAR的距离-方位两维空变自聚焦算法,实现对两维空变相位误差的精确估计和校正。首先建立了两维空变相位误差的多项式信号模型。为求解该模型,通过两维滑窗自动选择多个局部图像。基于局部图像数据,利用加权斜视相位梯度自聚焦(Weighted Squint Phase Gradient Autofocus,WSPGA)估计核获得多个局部相位误差函数。然后,将这些局部相位误差函数联立,并利用WTLS估计核确定两维空变误差模型中的未知系数。最后,在FFBP成像过程中可以实现逐像素点相位误差校正,获得聚焦的图像。实测数据实验验证了所提方法的有效性。
  5.研究了前侧视模式下的运动目标聚焦问题,提出基于高阶相位误差校正的运动目标成像(High-order Phase Correction-based Ground Moving Target Imaging,HPC-GMTIm)算法。军事目标机动性较强,在前侧视SAR观测期间,引入的高阶相位项是不可忽略的。HPC-GMTIm算法在子孔径周期内假设目标匀速运动,而全孔径周期内认为目标机动运动。因为子孔径周期很短,匀速运动假设通常是成立的。基于匀速运动假设,子孔径信号可简化为三阶多项式函数。利用Hough变换估计多普勒中心,分数阶傅里叶变换抽取多普勒调频率后,可以获得运动目标在子孔径周期内的瞬时多普勒频率(Doppler Frequency,DF)。基于子孔径的瞬时DF估计值,利用总体最小二乘估计核可以反演出全孔径周期内的运动目标信号,进而实现校正与聚焦。与现有GMTIm算法相比,HPC-GMTIm算法能够估计更多高阶相位,提高运动目标的聚焦精度。仿真与实测数据实验验证了所提方法的有效性。
[博士论文] 万鹏武
军队指挥学;军事通信学 西安电子科技大学 2018(学位年度)
摘要:近年来,随着传感器网络(WSN)、物联网(IoT)、以及无人机(UAV)等小型低成本技术和设备的不断发展,使得针对无线信号辐射源的精确被动定位技术受到国内外研究学者的普遍关注,该技术在民用领域和军事领域都有着非常广阔的应用前景。基于到达时间差(TDOA)的被动定位技术以其定位精度高、速度快、隐蔽性好的优势更是受到重视,但是对于一些特殊的应用场景和定位需求,还存在许多技术问题尚未解决。本文针对TDOA被动定位在民用和军事领域的几项关键技术进行了系统的分析和研究,并提出了相应的解决方法。本文主要的研究成果总结如下:
  1.存在同频干扰的情况下,针对传感器接收到的同频混叠信号TDOA定位参数精确估计进行了研究。将多通道盲源分离(BSS)技术引入对混叠信号的处理中,实现对干扰信号的完全分离,同时考虑到分布式传感器网络中各节点接收信号幅度衰减不一致的情况,采用基于相关系数测量的干扰信号二次提取算法,在接收端实现了对干扰信号的有效恢复,避免了同频混叠信号对目标信号TDOA定位参数估计产生的影响,进而采用相位转换的广义互相关算法实现对干扰信号的TDOA参数估计,通过计算机仿真和室外测试验证了本方法的有效性。
  2.研究了复杂电磁环境中多径效应对于TDOA定位精度产生的严重影响甚至导致定位失效的问题。同时结合传感器网络与无人机的优势,构建了基于空中传感器网络的信源TDOA被动定位系统模型,该方法可完全规避在地面定位时由于复杂电磁环境对定位结果产生的影响。综合考虑传感器位置校准、传感器几何分布构型以及TDOA被动定位中参考节点的选择对定位结果的影响等问题,在非线性定位方程求解阶段,采用半正定松弛(SDP)算法获得信源位置的初始估计,并以此作为迭代算法的初始解进一步精确求解,最终获得精度较高的信源位置信息。计算机仿真部分,通过对比几种不同定位方法的性能,验证了所提方法的有效性和可靠性也初步探讨了信源和传感器之间的几何分布对于定位精度的影响。
  3.在军事领域,基于合成孔径思想研究了采用单架无人机对敌方侦察雷达被动定位的方法。首先给出了基于单架无人机的雷达源虚拟到达时间差(VTDOA)被动定位系统模型,在定位参数估计阶段充分考虑雷达脉冲信号的特点,引入了范数逼近法在接收端重构雷达天线主瓣波束方向图(MBP),并以其最大点对应的时间差作为VTDOA参数估计值;由于雷达天线的扫描周期是定位过程中的一项重要参数,采用无人机在空中悬停状态下持续接收雷达脉冲信号的方法对该参数进行了估计,并构建了基于单架无人机的雷达源VTDOA被动定位非线性方程组。通过对雷达定位非线性方程的合理简化,推导出了雷达位置估计的闭式解。在计算机仿真部分,分别讨论了采用不同范数和基函数近似雷达主瓣波束方向图并估计VTDOA参数的性能,通过对比给出了性能最优的范数和基函数组合,同时对比分析了雷达脉冲重复次数、脉冲宽度对估计雷达扫描周期产生的影响,最后分析了雷达脉冲重复频率、无人机虚拟孔径以及位置误差对雷达源定位精度的影响。
[博士论文] 范照晋
光学工程 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:自合成孔径激光雷达(SAL)提出以来,就以其天生的极高探测精度受到广泛关注。它也是理论上在数公里范围内获得厘米级探测精度的唯一手段。同时得益于大调谐带宽激光器的出现,SAL也在微观探测领域有着重要的发展前景。然而在实际应用中,由于光波和微波发射机制的不同,诸多因素制约了SAL的发展,所以它还未像合成孔径微波雷达(SAR)那样得到广泛应用。在本论文中,就制约SAL发展的几点关键技术展开研究。
  1.由于SAL的发射源是激光器,激光器的线宽决定了出射激光的相干长度,也就决定了SAL的实际探测范围。而一般激光器的相干长度很短,很难满足SAL的需要。针对这一问题,论文展开了对单纵模窄线宽激光器的研究。通过对单纵模选频技术和线宽压窄技术的分析,同时考虑到SAL在实际应用中对发射源体积的要求,提出并实现了一种基于相移光纤光栅和饱和吸收体相结合的新结构的单纵模窄线宽光纤激光器。通过对该光纤激光器的线宽、功率和稳定度等关键技术指标的测试,说明该激光器完全能够满足未来SAL的应用需求。
  2.目前大部分的SAL均使用的是线性调频激光作为发射源,而线性调频激光的线性度直接决定了SAL距离向分辨率的好坏。为了补偿调频激光的线性度,SAL系统大多是通过对参考通道的数据进行分析,在后期对SAL的距离向相位误差加以补偿。这变相加大了后端数据处理难度,同时也无法对调频激光线性度进行实时监测和实时补偿,使得后期SAL的成像效果恶化。文中提出一种对线性调频激光信号线性度进行实时监测的新方法。该方法利用希尔伯特变换对参考通道外差中频信号进行实时处理,可以及时反映出信号频率随时间的变化,进而可以实时补偿调频激光的线性度。
  3.为了实时补偿SAL线性调频光源的非线性误差,系统使用现场可编辑门阵列(FPGA)作为非线性补偿系统处理器。将参考通道外差中频信号和FPGA内部的一个标准信号源做比较,使用锁相环将中频信号和标准信号进行锁定。锁相环的输出信号经过FPGA处理后转化为激光器调频元件的驱动信号,从而对SAL调频激光源的非线性进行补偿。论文首先利用希尔伯特变换法对该调频激光的线性度进行了实时监测。在不加入和加入补偿系统的不同情况下,线性度的改善非常明显。随后又利用该非线性补偿系统对SAL距离向成像效果进行了实际测试。使用非线性补偿系统后距离向的分辨率有了大幅提高,约为没使用前的26倍。
  4.论文还将SAL中应用的线性调频激光技术扩展到微波光子学领域。提出并实现了一种基于大带宽调频激光器和双马赫-曾德尔干涉仪(MZI)架构的新型光生微波方法,有望在将来成为基于SAL的微波光子雷达解决方案。该方法利用一路MZI的超长光纤延迟线产生的外差拍频信号来获得微波信号。另一路拥有较短光纤延迟线的MZI作为参考通道对线性调频激光的线性度进行补偿,从而优化产生的微波信号的相位噪声指标。在测试中经过优化的相位噪声指标提高了31.34dB。同时通过改变线性调频激光的调频率,系统实现了从1.743GHz~5.134GHz微波信号的连续覆盖。由于光电探测器带宽的限制,实验结果没能获得更高频率的微波信号。如果有更合适的实验条件,该方法产生的微波信号频率有望能够突破100GHz。
  本论文深入分析了制约SAL实际发展的诸多问题中的两类:发射光源窄线宽问题和发射光源线性调频非线性问题。在此基础之上提出了相应的解决方案,并在实验室条件下分别实现了单纵模窄线宽光纤激光器系统和线性调频激光源非线性实时补偿系统。通过实际测试,二者均达到了预期的性能指标。另外,论文还将线性调频激光非线性补偿技术运用到新兴的微波光子学领域。提出并实现了一种全新的光生微波方法。该方法比起其他已知光生微波方法有着体积小、价格低、易于实现等等诸多优势,为未来的微波光子学和微波光子雷达提供了一条崭新的发展之道。
[硕士论文] 李罩羚
集成电路工程 东南大学 2017(学位年度)
摘要:随着信息技术的高速发展和智能手机的普及,基于手机的室内定位技术逐渐成为研究的热点。目前在室内定位技术中,基于地磁匹配(Magnetic Matching,MM)的室内定位方法,无需额外设施仅利用地磁场在室内受到软磁体和硬磁体的磁场干扰而产生的各点异性,通过指纹匹配(Fingerprint Matching,FM)的方法即可实现快捷准确的定位。在室内环境下,地磁数据与手机的姿态和高度密切相关,而在不同使用场景下手机的姿态和高度有显著差别,虽然通过对磁力计的标定可以减小姿态对地磁数据的影响,但依旧残留了很多误差,而高度对地磁的影响,有些论文虽有提及,但并没有深入研究。
  本文研究了高度对采集的地磁数据的影响,考虑到手机大部分时间都是处于打电话、发短信、导航和放在口袋中这几种场景,分析了这四种场景下手机的姿态和高度的区别以及对采集的地磁数据的影响,提出一种适用于手机多使用模式的WiFi辅助地磁定位方法,具有更好的鲁棒性,在不同场景下都能精确定位。该定位方法根据高度来划分模式,通过姿态判断手机所使用的模式,建立手机在不同使用模式下相对应的离线地磁指纹数据库,实现在手机多种使用场景下准确匹配地磁指纹。同时融合已有的WiFi定位技术,通过WiFi的定位结果限定地磁指纹的搜索范围,实现更准确的地磁指纹匹配,提高定位精度。
  实验结果表明,在手机不同使用模式下,基于使用模式识别的WiFi辅助地磁指纹匹配组合定位系统的平均定位精度达到3.6m,且有很好的鲁棒性。
[博士论文] 王志斌
信息与通信工程;信号与信息处理 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)和干涉合成孔径雷达(Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR)因其全天时、全天候的工作特点在军用和民用领域发挥了巨大作用,而传统SAR系统面临着“最小天线面积限制”,无法同时实现高分辨率和宽测绘带(High-Resolution and Wide-Swath,HRWS)成像,多通道SAR系统是突破上述限制的有效手段,逐渐成为遥感领域的研究热点。
  随着多通道SAR的发展,多通道InSAR也得到了广泛关注。本文针对多通道SAR和InSAR数据处理中的若干关键技术进行了深入研究,论文的主要内容和创新点概括如下:
  (1)方位多通道SAR成像处理关键技术
  第三章针对方位多通道成像处理中的关键技术展开研究,首先建立了方位多通道SAR回波信号和通道误差模型,然后针对星载方位多通道SAR系统通道相位偏差估计问题,本文提出了一种基于多普勒谱优化的通道相位偏差估计算法。该算法以重构的方位向多普勒谱为目标函数,采用牛顿迭代法或者迭代的最小化过程来优化得到通道间的相位偏差。基于仿真数据和实测数据的实验验证了该算法的有效性。然后,本章对比分析了传递函数法和空时阵列处理法在方位无多普勒模糊重构方面的性能,为无多普勒模糊重构算法选择提供建议。
  (2)俯仰多通道SAR成像处理关键技术
  第四章针对俯仰多通道成像处理中的关键技术进行了深入研究,首先建立俯仰多通道信号模型,然后针对俯仰向通道间相位偏差估计问题,提出了两种估计方法:
  提出了一种基于图像相关的俯仰通道相位偏差估计方法,该算法首先利用俯仰向通道接收数据之间的相关性,对相邻通道间聚焦成像后的SAR复图像进行干涉处理得到相邻通道间的干涉相位,该相位中包含地形相位和通道间相位偏差;然后对干涉相位作干涉处理得到相邻通道干涉相位的差分相位,去除地形相位后,得到通道间相位偏差的差分相位,此时只能得到通道相位偏差的相对值;最后,基于图像最大对比度优化算法确定各通道的相位偏差。利用车载SAR系统获取的多通道数据验证了本文算法能够有效地对通道间的相位偏差进行估计。
  通过分析通道间的相位偏差对指定零陷的位置的影响,本文提出了一种基于差波束天线方向图的通道相位偏差估计方法。该方法利用俯仰向接收通道形成差波束天线方向图,通过优化指定零陷处能量最低以获得通道之间的相位偏差,利用车载SAR系统获取的多通道数据验证了该方法的有效性。
  (3)多通道InSAR成像处理关键技术
  第五章的研究工作分为两部分:第一部分是多通道HRWS InSAR处理,HRWS成像使得干涉相位的规模增大,增大了相位解缠的难度,本章提出了一种单基线快速相位解缠方法:
  针对多通道HRWS InSAR干涉相位数据规模大的问题,提出了一种L1范数分块的单基线相位解缠方法,该方法首先通过对“正-负”残点进行预连接从而进行L1范数聚类分块,然后通过对残点对之间所有可能的连接路径进行优化选择,求取最优路径和权值,用于由残点转换形成的网络的优化求解。最后采用最小费用流(Minimum Cost Flows,MCF)算法对预连接的残点对优化求解,从与同一个残点连接的所有不同极性残点中确定最优残点对。该算法的优点是处理高效,并且能够保证L1范数全局解和局部解的一致性,避免由图像分块解缠、拼接处理导致的局部不连续的问题,利用星载实测数据对该算法进行了验证,该算法不仅能够获得连续的解缠相位,而且能够提高处理效率,适用于未来HRWSInSAR数据处理。
  第二部分针对由多通道SAR系统构成的多基线InSAR系统展开了研究,多基线系统通过增加采样,能够解决单基线InSAR在地形复杂区域相位欠采样的问题,针对多基线InSAR处理,本文提出了一种多基线相位滤波和相位解缠方法:
  提出了一种基于短基线解缠相位补偿的多基线相位滤波方法,该方法以短基线解缠相位补偿不同基线下获取的各干涉相位中的地形相位,使滤波窗口内的相位分布更平稳,并且结合多基线干涉相位信息以增加滤波窗口内的样本数,提高了干涉相位滤波性能。基于仿真数据和实测数据的实验结果验证了本文方法的有效性。
  提出了一种基于单基线解缠相位辅助的多基线相位解缠方法,该方法利用短基线解缠处理稳健、效率高的优点,根据基线和解缠相位之间的关系,利用短基线解缠相位补偿长基线中的地形相位,从而稀疏化干涉条纹,降低解缠处理难度,仿真数据处理结果表明,该方法能够有效克服长基线解缠结果中出现解缠相位不连续的问题。
[博士论文] 张海瀛
信息与通信工程;信号与信息处理 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:全极化合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)系统通过发射正交极化电磁波获取地物的全极化散射信息。全极化干涉SAR(Interferometric SAR,InSAR)系统在获取全极化散射信息的基础上,增加了地物干涉信息的获取。相比于单极化SAR系统,全极化SAR/InSAR系统具有更强的地物目标特征信息获取能力,已在农业、林业、海洋、减灾和交通等领域得到了广泛的应用。
  全极化SAR/InSAR观测数据中往往存在通道串扰、幅度和相位误差,必须进行定标后才能使用,这对全极化SAR/InSAR数据定标技术提出了需求。本文对全极化SAR/InSAR数据定标中存在的问题进行了深入研究,主要内容和创新点概括如下:
  (1)对通道噪声稳健的Ainsworth定标算法研究
  第三章研究了现有Ainsworth算法对极化通道噪声敏感的问题。首先,理论分析了现有Ainsworth算法对通道噪声敏感的原因;然后,针对该问题,提出了一种对通道噪声稳健的改进Ainsworth定标算法。该算法在考虑交叉通道噪声功率不一致以及低信噪比情况的基础上,修改了迭代过程中交叉极化通道不平衡参数估计公式,并对原有的迭代过程进行了修订。实验结果表明,该改进算法具有良好的参数估计性能。在小串扰情况下,结合Ainsworth算法假设条件少以及保持极化方位角信息的优势,改进的Ainsworth算法可以作为优选的定标算法。
  (2)面向高串扰情况的稳健定标算法研究
  针对高串扰情况下的极化定标问题,第四章开展了以下研究工作:
  理论分析了Quegan算法、A算法和Az算法等典型定标算法应对串扰大小的能力,并利用仿真数据对算法性能随串扰的变化进行了说明。基于理论和仿真分析结果,得出了以下结论:在高串扰情况下,Az算法性能最优,Quegan算法次之,A算法最差,但是它们都无法保持稳定的估计性能。
  提出了一种面向高串扰情况的非迭代极化定标算法。该算法在保留串扰参数高阶项的条件下,构建了关于串扰的非线性方程组,通过求解该方程组即可实现串扰参数的精确估计。为了进一步解决低信噪比、高串扰下的参数估计问题,提出了一种通道噪声功率估计算法。实验结果表明,考虑通道噪声估计的面向高串扰情况的非迭代极化定标算法,在高串扰以及低信噪比情况下,可以实现极化失真参数的精确估计,并且可以实现通道噪声的有效估计。
  (3)基于裸露地表的同极化通道不平衡度估计定标算法研究
  针对观测场景中角反射器缺失情况下同极化通道不平衡度估计问题,第五章开展了以下研究工作:
  理论分析了裸露地表在X、Ka等高频波段下的极化散射特性,并利用X波段机载实测数据对其理论极化散射特性进行了验证。基于理论和实测分析结果,得出了以下结论:在高频波段下,裸露地表的HH极化通道与VV极化通道间的幅度差和相位差较小,而且后向散射能量中的螺旋散射分量很低。因此,裸露地表可以作为一种有效的分布目标定标体。
  提出了一种面向X、Ka等高频波段全极化SAR数据的同极化通道不平衡度估计定标算法。该算法充分利用了裸露地表的相位散射特性,将Shi算法中的二维搜索降为一维搜索,实现了同极化通道不平衡度的稳定求解。同时,该算法利用裸露地表的幅度散射特性对同极化通道不平衡度的搜索范围进行约束,进一步增强了算法的稳定性。实测数据处理结果验证了该算法的有效性。
  (4)全极化SAR/InSAR数据定标优化处理技术研究
  针对全极化SAR/InSAR数据定标处理中遇到的协方差矩阵估计、极化干涉相位不一致问题,第六章开展了以下研究工作:
  提出了一种联合功率和同极化与交叉极化间相关系数的定标像素点提取方法。该方法首先利用功率信息排除图像中的低功率像素点,然后利用同极化与交叉极化间相关系数选取参与协方差矩阵估计的像素点,最后排除功率过高的像素点,避免饱和像素点对协方差矩阵估计结果产生影响。实测数据处理结果表明,在全极化SAR数据定标处理中应用该方法,可以有效提高定标算法的参数估计稳定性以及应对不同场景数据的能力。
  提出了一种主辅空间极化通道间极化干涉相位校正算法。该算法利用极化差分干涉相位的统计特性解决参数k引起的交叉极化通道干涉相位不一致问题,同时,利用无垂直结构分布区域极化差分干涉相位为零的特性解决极化定标残余相位误差引起的极化干涉相位不一致问题。实测数据处理结果表明,该算法可以实现对极化干涉相位不一致性的有效校正。
[博士论文] 张锐
物理学;无线电物理 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:雷达成像的自动目标识别(Automatic Target Recognition,ATR)技术在现代工程应用中发挥着重要作用,已经成为国内外研究的重点课题。目标分类识别主要利用雷达成像中目标含有一些特定的信息,提取特征向量对目标的类型进行判别。按照雷达分辨性能,ATR可分为低分辨目标识别及高分辨目标识别两大类,低分辨雷达回波信号中可用于目标识别的特征信息非常有限,仅能做粗略的估计,无法得到精确识别,而高分辨雷达回波信号中包含目标更多细节信息,有利于目标信息的特征提取,实现对目标正确的分类识别。基于高分辨雷达的自动目标识别,从采用回波信号形式上看,可分为三大类:基于高分辨一维距离像、基于合成孔径雷达成像以及基于逆合成孔径雷达成像的目标识别。近年来,高分辨距离像雷达、合成孔径雷达和逆合成孔径雷达成像技术日渐成熟,为目标自动识别技术的发展提供了强有力的支持。
  论文对雷达高分辨一维距离像(High Resolution Range Profile,HRRP)、合成孔径雷达(Synthetic aperture radar,SAR)成像的目标识别及识别过程中成像分辨率的提高进行相关研究。首先分别对基于逆合成孔径雷达(Inverse synthetic aperture radar,ISAR)高分辨一维距离像和MSTAR SAR图像的目标识别进行了分析仿真;然后在提高成像分辨率方面,利用超宽带信号提高距离像分辨率,同时在方位向横向定标问题中,研究了超宽带信号下加速雷达回波信号参数估计的方法。论文的主要工作包括以下几个方面:
  1.在介绍SAR和ISAR成像原理、建立成像模型的基础上,分析了SAR成像中距离徙动的校正,对点目标模型进行SAR成像仿真。ISAR成像方面分析了经典的二维转台模型,分别对平动引起的包络和相位误差问题介绍了常用的最小熵包络对齐和相位梯度自聚焦算法。最后回顾了经典的高频电磁计算方法,通过等效边缘电磁流法计算两种飞机目标的电磁散射特性,利用其结果进行ISAR成像仿真实验。
  2.在距离像目标分类识别领域,提出了一种基于一维酉旋转不变技术估计信号参数(Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques,ESPRIT)算法目标高分辨一维距离像重构的目标分类识别方法。酉ESPRIT算法的主要思想是通过酉变换将数据从复数域转换到实数域,提高数据利用率的同时减少计算量,酉ESPRIT算法相比于传统ESPRIT算法具有更高的分辨率和更好的抗噪声能力,在此基础上进行目标一维散射中心的提取和一维距离像的超分辨重构,通过幅度归一化消除方位敏感性并通过中心矩提取其平移不变特性,最后利用神经网络分类器进行目标识别。
  3.提出一种基于形态学方法特征提取的目标分类识别方法。由于SAR图像中含有很多背景噪声影响雷达目标识别的正确率,因此利用无边界主动轮廓提取技术从图像模型的角度出发,给出图像模型应满足的全局能量泛函。该方法不仅抗噪声能力强,迭代收敛速度快,而且能够收敛到全局最优,对SAR图像分割,提取目标轮廓边界清晰。然后对轮廓特征做Hu式不变矩提取平移、旋转和比例不变性,利用支持向量机进行目标的分类识别。实验数据利用MSTAR数据库中的实测数据,对地面三种目标进行分类识别。
  4.为了获取距离像高分辨率,提出了一种利用不同频带信号合成超宽带雷达信号的方法。首先,分别估计出每个频带下信号的全极点模型,在获得相干子带信号之前使其调整到最佳匹配状态。然后经过处理得到不同频段子带互相干,构造一个全局极点信号模型,将不同频带信号合成融合,得到超宽带信号,进而提高距离像分辨率。
  5.由于ISAR成像目标一般为非合作目标,需要对ISAR横向定标以确定方位向尺寸,有助于更准确的提取目标特征,对雷达回波信号的参数估计是横向定标中的关键技术。针对这一问题,讨论了一种在超宽带线性调频信号下,基于压缩感知的二次搜索参数估计方法,该方法利用数据量少,大大节省参数估计的运算时间,有利于后期对目标识别的实时处理。
[博士论文] 李龙
控制科学与工程;模式识别与智能系统 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:在如今日益复杂的地面战场环境下,利用传统雷达信号处理技术已无法实现对地面目标的准确探测,因此对雷达目标识别技术的需求愈加迫切。高分辨一维距离像可以提供目标在雷达视线上的结构信息,其成像条件简单、容易获取且运算与存储压力小的特点,使得基于高分辨一维距离像的雷达地面目标识别技术受到了广泛的关注和研究。目前,基于高分辨一维距离像的目标识别技术已经取得了一定的进展与突破,但是针对弹载这一特定的应用场合,目标非合作性导致的训练模板库非完备问题,地面目标相似导致的特征向量低可分性问题,复杂地面战场环境导致的低信噪比与假目标干扰问题,特征空间分布的随机性导致的分类边界不准确问题,严重地影响了目标识别的总体性能。本论文以实现复杂战场环境下的目标识别为出发点,围绕上述弹载雷达地面目标识别中存在的问题展开研究。具体包括以下几个方面:
  1.为解决雷达地面目标高分辨一维距离像识别中,非合作目标模板库非完备的问题,提出一种基于混合模型的雷达非合作目标高分辨一维距离像仿真方法。本方法基于模型匹配目标识别基本思想,利用有限的目标信息进行建模仿真,从而构建完备的目标训练模板库。本方法通过构建目标精细化散射点模型,并利用时域高频电磁散射计算方法获得散射点的散射强度,同时基于距离单元服从的统计分布特性,建立散射点间的统计相关性,以实现目标高分辨一维距离像电磁散射特性与统计分布特性的兼顾。通过与目标实测数据的对比,本方法所生成的目标高分辨一维距离像与实测目标数据具有较高的相似性。利用本方法生成识别模板库,并基于实测数据进行测试,验证了本方法在目标识别中的有效性。
  2.为提取高分辨一维距离像的低维度、高可分性特征,提出基于统计核函数相关判别分析的特征提取算法。本算法通过对目标高分辨一维距离像距离单元统计特性的分析,分别构建距离单元理想统计模型与非理想统计模型下的统计核函数,对不同统计模型下的目标特性进行描述,从而实现最小信息损失的特征分量提取。以此为基础,基于可分性判别分析与典型相关分析理论构建特征融合准则函数,实现特征空间中类内相关性与类间差异性最大化,同时减少目标特征中的冗余信息,保证特征向量的低维度特性。利用实测数据对本算法进行验证,结果表明,在保证目标特征向量低维度的条件下,本算法有效地提高了特征向量的可分性,从而改善了高分辨一维距离像目标识别系统的总体性能。
  3.为提高低信噪比下高分辨一维距离像目标识别性能,提出基于稀疏-低秩联合学习的噪声稳健目标识别方法。本方法通过对稀疏、低秩的联合表示,实现对目标高分辨一维距离像局部特征与全局特征的提取。以此为基础,在训练阶段利用支持向量理论与字典学习原理,对特征提取字典进行优化,从而提高特征向量的可分性;此外,为了更加精确的对目标特征空间进行描述,结合机器学习理论,采用基于联合可分性分析的多分类器加权融合字典学习方法,进一步提高本模型的识别性能。在测试阶段,利用因子分析模型匹配方法对去噪声字典进行优化,从而实现对噪声的有效抑制,保证了目标识别系统的噪声稳健性。实验结果表明,本方法可在低信噪比条件下有效地恢复目标高分辨一维距离像,并实现较高的识别正确率。
  4.针对雷达地面目标高分辨一维距离像识别中的目标鉴别问题,构建一种基于聚类-空间描述的目标鉴别器。在训练阶段利用基于相关系数预处理的K-Means聚类方法对库内目标特征空间进行区域划分;针对特征向量的多区域聚合性,采用改进的支持向量域描述方法确定特征空间边界;最终利用特征空间边界与加权K近邻原则实现目标鉴别。本方法解决了库内目标与库外目标的鉴别问题,完善了目标识别系统的功能。通过对训练特征空间的区域划分,在有效地减小了运算复杂度的基础上,实现了更为精确的特征空间描述。最后通过实测数据进行实验,验证了本方法具备优良的鉴别性能与实时处理能力。
  5.为实现雷达高分辨一维距离像目标识别中鉴别与分类的联合处理,构建一种基于多重支持向量模型的目标识别器。根据目标高分辨一维距离像特征空间的密度分布,对基于密度敏感的多重支持向量模型进行组合优化,实现对特征空间的区域分割,并构建多个子分类超平面,实现对不同密度、不同类别目标的特征空间区域划分,以得到更为精细化的目标特征空间描述。本方法有效地解决了特征空间密度分布非均匀给目标识别带来的分类偏差问题,同时实现了目标鉴别与分类的融合。此外,本方法基于支持向量模型,内存需求少、计算复杂度低,适合目标识别系统的实际工程应用。利用实测数据得到的实验结果表明,本方法具有良好的目标鉴别与目标分类性能,并具备一定的工程实用化潜力。
[博士论文] 王珏
信息与通信工程;信号与信息处理 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:外辐射源雷达成像系统一般利用第三方机会照射源作为系统发射站,通过部署多个接收站于感兴趣的区域周围以对目标进行探测。与常规雷达成像系统相比,其具有成本低,抗指向性干扰以及生存能力强等优点。通过灵活的系统布站,还可以实现对隐身目标的有效探测。由于具有上述种种优势,外辐射源雷达成像系统受到了众多科研机构的重视。
  然而,外辐射源雷达成像系统还存在一些技术上亟待解决的难题,主要包括以下两个方面:1)第三方照射源一般并非是为雷达探测所设计,辐射源信号一般带宽较窄,且为连续波信号,因此传统合成孔径雷达成像中的“停-走”模型不再适用,且距离分辨率较差;2)灵活的系统布站方式虽有利于提高成像系统的探测性能,但同时使系统构型变的较为复杂,使得成像算法的设计较为困难。针对上述问题,本文从三个方面开展了相关的研究工作以改善系统的成像性能:首先,基于层析成像原理建立了成像系统构型,在此基础上对目标回波信号模型进行了推导,分析了回波信号的空间采样谱域分布与系统构型、分辨率之间的关系,并从系统点扩散函数的角度出发分析了优化布站的方法;其次,开展了窄带连续波信号下的高分辨成像算法的研究,考虑到散射点目标稀疏分布的特性,进一步提出基于压缩感知的稀疏成像算法;最后,分析了运动平台非理想运动对回波信号的影响,建立了含有运动相位误差的回波信号模型,并提出了相应的运动补偿方法对回波信号相位误差进行修正以改善系统成像性能。全文具体研究内容为:
  1、建立了外辐射源雷达成像系统的基本构型,在此基础上,对回波信号模型进行了理论推导。分析了辐射源数量对回波信号空间采样谱域分布的影响,并从回波信号空间采样谱域的角度分析了成像系统的分辨性能。对成像系统的点扩散函数进行了理论推导,并由此探索了布站方式与成像系统分辨性能之间的联系,从而讨论了基于点扩散函数分析的布站优化方法;
  2、从层析成像的角度对回波信号模型进行了分析,得到了回波信号与目标场景散射系数函数之间的傅里叶变换对关系。在辐射源数量较多时,通过对回波信号采样频谱的分析,给出了基于插值方法的DFT重构方法。在辐射源数量较少,回波信号的空间采样频谱稀疏分布较时,开展了极坐标格式成像算法的研究,通过在极坐标格式下设计与回波信号空间采样频谱相匹配的圆卷积核函数,有效避免了成像算法中的插值过程,实现对目标场景的高分辨重构;
  3、针对成像过程中受天气、地形等客观因素影响,实际获取的信号空间采样谱域可能存在缺失,传统成像算法性能严重恶化的问题,开展了基于压缩感知的稀疏成像算法的研究,分析了字典矩阵的相关性与稀疏重构算法性能之间的关系,并建立了字典矩阵的列相关性与布站构型之间的联系,进一步通过模拟退火方法对布站构型进行优化,从而改善系统的成像性能,仿真实验验证了所提方法的有效性;
  4、由于信号传播受大气层的干扰,系统中运动平台的非理想运动,真实的回波信号可能会受到相位误差的污染而导致图像散焦。针对上述问题,本文开展了适用于外辐射源雷达成像系统的运动补偿方法的研究。通过建立含有相位误差的成像模型,分析相位误差对成像过程的影响特性,提出了基于定点迭代算法的相位误差估计方法。在稀疏成像算法过程中,提出了通过最小化相对重构误差的方法实现对回波相位误差变量估计的方法,并通过仿真验证了所提方法的有效性。在上面的相位误差估计方法中,并未对相位误差变量的形式进行假设,因而所提运动补偿方法是一种非参数化的方法,可用于补偿任意形式的相位误差变量。
[博士论文] 王士刚
信息与通信工程;智能信息处理 西安电子科技大学 2017(学位年度)
摘要:合成孔径雷达由于其全天时、全天候的工作特点,已成为当下遥感对地观测的重要手段,在军事和民用领域都有着广泛的应用。近年来,随着合成孔径雷达成像技术的发展,星载和机载雷达平台获取到了海量的高分辨对地观测影像,为精确的场景感知提供了丰富的数据。然而,当前的雷达图像解译能力无法满足采集到的海量数据的处理需求,致使有价值的信息无法被有效挖掘出来服务于具体应用任务。传统的人工解译方法通常耗时耗力,如何让计算机代替人来完成海量雷达图像中关键目标信息的获取任务,是当前雷达遥感领域的重要研究课题。
  本文围绕高分辨雷达图像中目标的实时检测任务,提出从生物视觉认知的角度来设计场景显著信息启发的智能雷达目标检测算法,以期突破当前雷达目标检测技术发展中存在的瓶颈问题,为海量数据的实时、准确解译提供新的解决思路和方法。具体地,研究工作将以生物视觉注意机制的建模为切入点,然后以所设计的场景显著建模方法为分析工具,来探索适用于复杂场景的智能雷达图像目标检测算法。主要创新点总结如下:
  1.针对显著建模问题的病态特点和对先验知识的依赖性,提出了基于有向图和多尺度贝叶斯推理的复杂场景显著图生成方法。根据显著物体在空间上所具有的闭合和包围特性,设计了基于超像素的有向图路径优化模型用于图像区域的显著度量。此外,将该模型扩展到了多个尺度以应对“小距离累积”问题,并设计了多尺度贝叶斯推理模型实现了像素级的显著融合。所提方法在MSRA-1000数据集上取得了较经典显著检测方法更优的性能,同时在包含有不同尺寸、位置和数量显著物体的混合验证数据集上取得了满意的检测结果。
  2.为解决传统人工设计规则在复杂场景显著建模中的鲁棒性问题,提出了一种基于判别字典学习和联合贝叶斯推理的显著检测方法。设计了基于独立子空间假设的判别背景字典学习模型,可从图像中主动学习出具有区分力的显著线索。同时,推导出了可用于多源显著信息融合的联合贝叶斯推理模型,能结合异构视觉信息实现可靠的显著度量。所提方法的有效性在基准显著数据集上得到了验证,并且其在自适应图像缩放问题上展现出了应用潜力。
  3.鉴于单个显著线索在复杂场景建模中有限的泛化能力,提出了一种基于混合稀疏学习的多源显著线索融合模型。从轮廓显著的角度提出了一种新的显著线索-“最小跨度距离”,并设计了其实现的离散优化模型和迭代求解算法。在所获取的轮廓显著信息基础上,建立了一种进行多源线索融合的混合稀疏学习模型,可结合稀疏认知先验和图像边界先验实现显著图的联合优化。在大规模显著数据库上的测试结果表明,所提方法在复杂场景下具有较强的显著建模能力。
  4.针对高分辨SAR影像中目标所呈现出的结构化和弱散射特性,提出了一种基于层次化稀疏显著建模的快速舰船目标检测方法。设计了基于随机森林的鲁棒场景显著建模方法,实现了对场景中感兴趣区域的准确感知。接着在所提取的感兴趣区域基础上,设计了一种基于恒虚警率技术的动态轮廓模型,可以实现对目标区域的精确定位。在实测高分辨SAR数据上的测试结果表明,所提方法较传统的舰船检测方法有更好的性能。
  5.为提升在高分辨SAR影像下目标检测算法的性能和效率,提出了一种基于自适应显著搜索的物体级恒虚警快速舰船检测方法。建立了布尔图和格式塔原理的指导下的显著搜索模型,可以从场景中快速提取高质量的目标候选区域,避免穷尽搜索带来的巨大计算开销。基于所提取的目标候选区域,设计和推导了一种物体级的恒虚警率检测器,可以实现杂波的自适应建模及目标的准确定位。所提方法在实测的海洋和港口SAR数据上取得了较经典的舰船检测方法更优的定位精度。
  上述工作从脑启发计算的角度来对智能图像理解问题进行研究。在视觉注意机制的计算上提出了新的理论模型,在雷达图像目标检测上取得了新的性能突破,为复杂场景显著建模和目标检测提供了有效的解决方案。研究工作对于雷达遥感技术的发展兼具理论意义和实用价值。
[博士论文] 孙冬全
电子科学与技术;电磁场与微波技术 东南大学 2017(学位年度)
摘要:间隙波导技术是近年微波毫米波研究领域的一项新技术,它采用平行放置的金属良导体表面以及人工磁导体表面作为电磁屏蔽手段。两个表面无需直接的物理接触即可形成一个宽带的电磁禁带。目前,常见的间隙波导结构包括:脊间隙波导、槽间隙波导、倒置微带间隙波导等。脊间隙波导的主模为TEM模,与微带线类似。槽间隙波导的传输主模为准TE10模,与矩形波导类似。与微带线相比,脊间隙波导采用空气作为介质,具有较低的插入损耗。脊间隙波导又是一种封闭式传输线结构,具有更高的电磁兼容特性。与传统波导相比,槽间隙波导不需要直接的物理接触。这使得槽间隙波导具有更高的设计便利性,且无需考虑电气接触问题。因此,开展间隙波导技术研究具有重要价值。另一方面,单天线体制的毫米波FMCW反射功率对消技术是FMCW雷达技术的研究热点之一。本文结合间隙波导技术,对35GHz单天线FMCW反射功率对消技术以及FMCW单目标测距雷达系统开展了相应的研究。本文的主要研究进展包括以下几个方面:
  1.对基于间隙波导技术的宽带阵列天线技术开展了相关的研究。目前,间隙波导阵列天线普遍采用脊间隙波导或者垂直极化槽间隙波导作为馈电方式,工作带宽低于15%。本文首次采用水平极化槽间隙波导作为馈电方式,成功研制了中心频率为35GHz的高效率8×8阵列天线。该天线由四层金属层构成。天线的最底层为由T型槽间隙波导功分器级连而成的4×4馈电网络。第二层为4×4相位调整层。该层通过改进的扭波导阵列解决了T型水平极化槽间隙波导功分器相位反相的问题。第三层为4×4槽间隙波导谐振腔层。第四层为8×8矩形窗口辐射单元阵列层。实测结果显示,阵列天线的工作频带为31.5GHz到39.7GHz(S11<-10dB),相对带宽达到23%。与已见报道的间隙波导阵列天线相比,有效展宽了工作带宽。天线的实测效率优于70%,与同类型天线相当。
  2.在槽间隙波导的基础之上,提出了一种全槽间隙波导的结构。全槽间隙波导由四个独立的非接触金属构件构成,这大大提高了设计以及加工的灵活度。许多采用传统波导技术难以加工的电路结构采用全槽间隙波导技术可以很方便的完成。为了验证全槽间隙波导的电气性能,设计并加工了Ka波段全槽间隙波导以及Ka波段全槽间隙波导膜片滤波器。结果显示,全槽间隙波导电路在设计灵活性大大提高的情况下,保持了与传统矩形波导相当的电气性能。
  3.采用间隙波导技术设计的器件,可以在不需要拆卸整体结构的情况下,实现核心部件的替换或者调节,从而可以很方便地调整电路性能。为了验证这一思路,本文设计了一款Ka波段耦合度可调节的缝隙耦合波导耦合器。通过替换在窄边开有不同倾斜角度的耦合缝隙的耦合板可以实现所需的耦合度。
  4.间隙波导电路无需物理接触的特性使得电路子部件之间的相互位移成为可能。利用这一特性,本文研制了一种扭动角度可实时调节的矩形扭波导。该扭波导结构由多个具有非接触式法兰的矩形波导构成,可以实现±90°范围内的任意扭角。在平面非接触法兰的基础之上,提出了柱面非接触法兰,并成功研制了H面可弯折矩形波导以及可旋转矩形槽间隙波导到同轴线的转换器。该转换器与另一个传统波导同轴转换器级联即可构成一个宽带波导旋转关节。
  5.以一维钉床作为慢波结构,提出了H面相位矫正喇叭天线,并开展了仿真设计与实验研究。间隙波导以二维钉床结构作为人工磁导体表面,该结构也是一种慢波结构。通过在H面喇叭天线中心线上加载慢波结构,喇叭天线中心区域的等效波长变短,从而降低了中心区域与边缘区域之间的相位差,在辐射口径实现较为均匀的等相位面。利用这种技术可以有效缩短最佳H面喇叭天线的长度,维持增益不变。
  6.采用DDS结合固态倍频技术对Ka波段高线性度扫频源进行了方案设计和实验研究。本文采用ADI公司2.5GHz主频的DDS芯片AD9915作为直接数字频率合成器,采用TI公司DSP芯片TMS320VC5509A作为控制器,成功研制了DC-1GHz的超宽带高线性度扫频源。以此为基础,经过×2×8×3的倍频链倍频以及中等功率放大器放大之后,完成了Ka波段毫米波高线性度扫频源实验样品的研制。
  7.对FMCW反射功率对消系统进行了理论分析并设计了反射功率对消实验验证系统。在系统设计过程中,对各个通路之间的延时做了相应的分析与优化,从而实现了较宽的对消带宽。另一方面,在控制环路设计中对环路带宽也做了相应的分析,从而优化了载波对消和相位噪声对消的综合效果。本文完成了35GHz FMCW反射功率对消系统的实验研究,实现了较宽的工作带宽,较好的静态以及扫频状态下泄漏功率对消比。
  8.对FMCW雷达单目标测距开展了实验研究。完成了频率灵敏度控制电路设计,AD采样电路的设计,AD与DSP之间基于EDA技术以McBsp为接口的串行数据通信,基于DSP的中频信号处理,以及DSP与串口屏之间的通信。最后将FMCW扫频源、高效率间隙波导阵列天线、反射功率对消器以及上述信号处理等相关电路进行系统集成,形成了一个简单的FMCW测距雷达系统,实现了单目标测距功能。
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