Research on spatial-variant property of bistatic ISAR imaging plane of space target

The imaging plane of inverse synthetic aperture radar(ISAR) is the projection plane of the target. When taking an image using the range-Doppler theory, the imaging plane may have a spatial-variant property, which causes the change of scatter’s projection position and results in migration through resolution cells. In this study, we focus on the spatial-variant property of the imaging plane of a three-axis-stabilized space target. The innovative contributions are as follows. 1) The target motion model in orbit is provided based on a two-body model. 2) The instantaneous imaging plane is determined by the method of vector analysis. 3) Three Euler angles are introduced to describe the spatial-variant property of the imaging plane, and the image quality is analyzed. The simulation results confirm the analysis of the spatial-variant property. The research in this study is significant for the selection of the imaging segment, and provides the evidence for the following data processing and compensation algorithm.     

双基地角时变下的逆合成孔径雷达越分辨单元徙动校正算法

采用双基地逆合成孔径雷达距离-多普勒算法成像时,目标尺寸较大或累积转角过大,会引起越分辨单元徙动现象,影响成像质量.针对双基地角时变下逆合成孔径雷达成像的越分辨单元徙动问题,提出了一种校正算法.首先,建立了双基地逆合成孔径雷达回波模型,分析了越分辨单元徙动的产生机理,并通过广义的Keystone变换实现了越距离单元徙动的校正,同时消除了目标非匀速转动对成像的影响.然后,基于图像对比度最大准则估计了图像的等效旋转中心位置,并对距离向绝对定标,进而构造补偿相位项,完成了越多普勒单元徙动的校正.仿真实验结果表明,此方法能够有效地校正双基地角时变下的越分辨单元徙动,提高成像质量.     

0.14 THz高分辨力成像雷达信号处理

为适应0.14 THz超高分辨雷达实时成像的需求,开发了基于CPU+GPU+FPGA的硬件架构和成像处理算法,算法以距离-多普勒为原型,引入L类维格纳分布变换提高横向分辨力,用Keystone变换方法对越距离单元徙动进行校正,并开发了系统非线性补偿算法。在载频0.14 THz、带宽5 GHz雷达样机上进行了逆合成孔径雷达成像试验,获得了3 cm3 cm的成像分辨力和实时成像能力,验证了信号处理方法的有效性。     

Photonics-based real-time and high-resolution ISAR imaging of non-cooperative target

Real-time and high-resolution imaging is demonstrated based on field trial detection of a non-cooperative target using a photonics-based inverse synthetic aperture radar(ISAR).By photonic generation and de-chirping of broadband linear frequency modulation signals,the radar can achieve a high range resolution thanks to the large instantaneous bandwidth(8 GHz at the K band),as well as real-time ISAR imaging using low-speed analog-to-digital conversion(25 MSa/s).A small-size unmanned aerial vehicle is employed as the noncooperative target,and ISAR imaging is realized with a resolution far better than those achieved by the previously reported photonics-based ISARs.The capability for real-time ISAR imaging is also verified with an imaging frame rate of 25 fps.These results validate that the photonics-based radar is feasible in practical real-time and highresolution ISAR imaging applications.     

复杂场景下基于压缩感知的目标电磁散射与成像

研究了处于复杂场景下目标的逆合成孔径雷达(ISAR)成像问题。首先,建立了目标与复杂环境的电磁散射模型,采用计算电磁学的方法仿真得到了目标的雷达回波数据,进而充分考虑了背景噪声对雷达成像质量的影响。研究发现,目标所处的复杂背景会降低ISAR对目标的成像质量。其次,为减小仿真雷达回波数据所需的计算量,提出采用基于压缩感知(CS)的方法来对该场景进行成像,从而极大降低电磁仿真的计算点数。通过实验发现,在CS成像中,采用数据点使用率为0.4时所得到的成像质量可达到采用转台成像质量的效果。因此,采用基于CS的成像方法,可极大降低目标与场景的电磁散射计算复杂度,使得处于真实复杂场景下的目标电磁仿真和ISAR成像研究切实可行。     

成像光谱仪扫描镜运动准确度测量

扫描镜的运动准确度直接影响成像光谱仪对地运动补偿效果,为此研制了一套扫描镜运动准确度测试设备对其进行测量.首先分析了扫描镜的运动补偿原理,从理论上给出了运动补偿曲线;随后以15 m地面像元分辨率和系统调制传递函数下降2%作为依据分别确定了扫描镜的位置和速度准确度要求,列出了扫描镜运动补偿倍数与相对转速误差的关系.基于检定设备1/3法则提出了扫描镜运动准确度测试设备技术指标要求,接着以0.8″绝对式光电编码器为核心建立了一套扫描镜运动准确度测试装置,并从测试方法误差和编码器测角误差两方面对测试装置测角和测速准确度进行了详细分析;最后采用研制的测试装置对扫描镜的运动准确度进行了测量试验.试验结果表明扫描镜位置准确度优于3″±1.2″,4倍补偿时速度准确度为5.6%±1.29%,6倍补偿时速度准确度为3.85%±1.29%,满足成像光谱仪对扫描镜运动准确度要求.外场成像图像证明本文提出的扫描镜运动准确度测量方法及设备可用于成像光谱仪扫描镜的性能检测与验收.     

快速反射镜在像移补偿中的应用

本文提出了一种基于快速反射镜的像移补偿方法用于解决航空成像中的像移问题。首先通过计算航空相机在曝光时间内的像移速度证明了像移补偿的必要性;针对快速反射镜存在伺服模型不确定性的问题,设计了模型参考自适应控制器;最后通过实验验证了该算法的性能,结果显示:采用本算法后,快速反射镜的阶跃响应稳定时间降低了50%以上,在振动情况下快速反射镜的稳定精度都可以达到10μrad,精度比传统控制方案提升10倍以上。最终的像移补偿成像实验成功验证了基于快速反射镜的像移补偿方案有较高的工程应用价值。     

ISAR中运动补偿问题的研究

运动补偿是提高ISAR分辨率的关键技术.本文从距离-多普勒成像原理出发,对几种典型运动误差的补偿问题作了有益的探讨,并给出了相应的光学补偿方案和实验室处理系统,获得了较好的实验结果.同时,讨论了一般运动误差的补偿方案及实时处理的可行性.     

时域压缩合成孔径超分辨水声成像算法

提出一种针对水下稀疏目标的时域压缩合成孔径声呐成像方法(TC-SAS),实现了水声目标高分辨实时成像。通过多子阵的孔径合成,在时域上构造出成像网格格点到有效孔径内逐帧阵列的格林函数,并给出成像区域散射强度到数据域的映射矩阵;然后利用该区域空域稀疏的先验知识,通过正交匹配追踪的稀疏重构方式,解算出成像区域散射系数矩阵,实现了稀疏目标高分辨成像.同时,针对线性调频信号提出数据缩减的方法,通过对观测数据和字典矩阵同时脉压后截取,减小了数据规模;进一步结合二维矩阵数表查表的方法,以空间换时间,实现了区块实时成像。数值仿真以及湖试试验表明,所提算法能分辨出传统的时延求和算法难以分辨的目标,并且在图像清晰度指标上平均提升4.9 dB.改善了合成孔径声呐的成像质量.      

Compressed sensing MR image reconstruction using a motion-compensated reference

Compressed sensing (CS)-based methods have been proposed for image reconstruction from undersampled magnetic resonance data. Recently, CS-based schemes using reference images have also been proposed to further reduce the sampling requirement. In this study, we propose a new reference-constrained CS reconstruction method that accounts for the misalignment between the reference and the target image to be reconstructed. The proposed method uses a new image model that represents the target image as a linear combination of a motion-dependent reference image and a sparse difference image. We then use an efficient iterative algorithm to jointly estimate the motion parameters and the difference image from sparsely sampled data. Simulation results from a numerical phantom data set and an in vivo data set show that the proposed method can accurately compensate the motion effects between the reference and the target images and improve reconstruction quality. The proposed method should prove useful for several applications such as interventional imaging, longitudinal imaging studies and dynamic contrast-enhanced imaging.     

一种稳健的道路主方向提取算法

基于高分辨遥感影像下直线型道路段的形状特征，提出了一种稳健的道路主方向提取算法．该算法基于结构张量计算的方向直方图探测初始主方向，并根据矢量化的边缘计算精确的方向角，使得探测过程稳健、结果准确．在此基础上可以发展交互式的直线道路段或道路网提取算法．实验结果表明，该算法的结果为进一步的道路边线的准确提取提供了保障．     

强背景下模糊闪烁成像目标探测与跟踪

 强背景下空中运动目标主要表现为边缘残缺、模糊,甚至出现闪烁、间断等复杂成像特性,这成为制约目标探测和成像跟踪的瓶颈问题。结合跟踪过程反馈信息来确定目标点扩展函数,利用一种新的Ben-Ezra图像复原模型,解决了目标运动模糊的图像复原问题;采用基于特征伴随值的相似性判断方法,构造联结机制的联想网络模型,来解决目标闪烁和残缺特征的联想问题。对提出的方法进行了图像序列的仿真,取得了较好的实验结果。     

改进可变区域拟合模型的合成孔径声呐图像分割方法

为了自动且高精度地分割合成孔径声呐图像中的目标和阴影区域,提出一种核函数尺度自适应可变区域拟合(RSF)模型的分割方法。使用一种基于K-均值聚类的自动初始化方法对水平集进行初始化,减少了人为干预;提出改进的核函数尺度自适应RSF模型,其利用声呐成像中目标与阴影在沿扫测方向具有近似宽度的一般规律,自适应选择核函数尺度参数,使得对应目标和阴影的水平集函数能够同步演化,提高最终分割精度。通过对真实声呐图像的实验结果分析,验证了该方法能较为准确地实现目标和阴影区域的分割,具有一定的精确性和适应性。      

基于后推式航空数字相机像移补偿试验及效果评价

分析了航空数字相机像移的产生机理,提出了一种后推式像移补偿方法。搭建了航空数字相机的航拍仿真试验台,通过微米电机控制相机镜头反向运动的补偿速度和补偿量,实现后推式像移补偿。利用图像清晰度评价补偿前后的图像效果,补偿后像移残差值低于1/3像素。最后给出了后推式补偿方法与软件补偿方法的对比,结果表明,后推式补偿方法在补偿精度方面优于软件补偿方法,说明了该方法的可行性。     

结合稳健中国余数定理的合成孔径声呐多子带运动补偿算法

针对运动误差过大导致基于相位的时延估计发生模糊的问题,提出了一种多子带处理和稳健中国余数定理结合的合成孔径声呐运动补偿方法。该方法利用前后两帧回波在多个子频带上的相位差获得模糊时延估计,再根据模糊时延之间的关联性,应用稳健中国余数定理估计真实的时延,最后通过所估计的时延对原始回波进行校正。湖试数据处理结果表明该方法能精确补偿运动误差对成像的影响,进行运动补偿后,包裹目标成像结果的方位向虚假目标被有效消除,且目标的轮廓也变得更加清晰;对线缆目标的成像结果进行斜距向剖面分析,剖面图的-3 dB宽度由运动补偿前的9.05个像素点缩小为运动补偿后的2.06个像素点,线缆目标的聚焦程度明显增强。      

Velocity estimation of an airplane through a single satellite image

The motion information of a moving target can be recorded in a single image by a push-broom satellite.A push-broom satellite image is composed of many image lines sensed at different time instants.A method to estimate the velocity of a flying airplane from a single image based on the imagery model of the linear push-broom sensor is proposed.Some key points on the high-resolution image of the plane are chosen to determine the velocity（speed and direction）.The performance of the method is tested and verified by experiments using a WorldView-1 image.     

双侧回波联合的合成孔径声呐运动补偿算法

利用单侧回波可估计合成孔径声呐基阵的斜距误差,但无法区分横荡误差和升沉误差。针对此问题,提出了一种双侧回波联合的运动补偿方法。该方法首先根据双侧基阵运动误差的几何关系,建立了双侧基阵的运动误差模型,再结合偏移相位中心算法估计基阵的横荡误差和升沉误差,最后利用所估计的运动误差对不同掠射角上的回波进行运动补偿。仿真结果表明:该方法能精确估计双侧基阵的运动误差,其估计值与实际值的偏差为10-4 m左右,估计结果的标准差接近克拉美罗下界;对回波进行运动补偿后,能获得比基于单侧回波运动补偿方法更好的成像效果。水下球串目标的湖试数据的成像结果显示,与基于单侧回波的运动补偿方法相比,所提方法能更好地抑制图像的散焦现象。      

基于旋转照明光的数字全息相干噪声抑制

提出一种数字全息相干噪声抑制方法。首先在照明光方位角给定的前提下,通过在极向平面内连续旋转照明光,实现在多角度照明条件下记录离轴数字全息图。然后对所获得的全息图分别重构,同时利用倾斜相差补偿算法和数字图像自相关配准方法分别补偿再现像的相位倾斜及横向偏移。最后将重构像进行非相干叠加,从而有效抑制再现像的相干噪声。实验结果及相关统计评价数据皆验证了该方法的有效性。     

周视大像旋稳海天线方位截距补偿算法

 为使两轴周视光电探测系统在三自由度扰动和大像旋条件下搜索并跟踪水面目标,在虚拟天际线焦平面像五自由度解析表达式基础上,推导出以目标像点和像旋中心线距离作为补偿截距的周视大像旋稳海天线方位截距补偿算法。通过对补偿截距与系统焦距的比值求反正切函数得到补偿角的绝对值,将目标像点和像旋中心点坐标转换到方位旋转坐标系下,并以转换后二者横坐标的代数差正负号作为补偿量的符号判据。该算法是在存在非线性大角度像旋情况下使目标像点逼近像旋中心线,与俯仰机构的向量角补偿算法联动能够使目标像点始终逼近焦平面原点。数学模型仿真验证了单次补偿能够将残差减小到1%左右,真实工况试验也验证了方位截距补偿算法的合理性。     

Feature tracking for projection registration in laboratory-scale reflective tomography laser radar imaging

In range-resolved reflective tomography laser radar imaging system, for accurate image reconstruction, all projections must be aligned to the center of target rotation. Due to the unknown location of the axis of rotation and random target translation, the center of target rotation in each projection cannot be measured accurately and images reconstructed based on range-resolved projections without registration would be dislocated. Here, we apply a feature tracking method to align projections data for tomographic reconstruction in laboratory-scale laser radar imaging. The target was placed on a spin table with an unknown and fixed axis, and the oscillatory motion of the target translation was simulated by a second order inertia filter to accord with the real satellites vibrations. The experimental simulation results demonstrate the effectiveness of this method to improve images reconstruction equality. The application of this method to actual radar imaging in remote distance was discussed and the differences were compared with the lab setups.