优先发表

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In this paper, we propose the utilization of a programmable metasurface for flexibly manipulating ambient Wi-Fi signals. First, we propose a new and efficient optimization algorithm CWGS (Complex Weighted Gerchberg-Saxton), which is based on an electromagnetic scattering model of the metasurface. The proposed algorithm quickly redesigns the complex amplitude distribution of the Wi-Fi field bounced off the programmable metasurface to enhance the Wi-Fi signals at desired locations significantly. Second, we fabricated a large-scale programmable metasurface that operates at the 2.4 GHz frequency band. We conducted several experiments using the fabricated metasurface to verify the proposed optimization algorithm’s feasibility and effectiveness. Both the theoretical and experimental results show that the programmable metasurface can dynamically boost Wi-Fi signals at multiple locations. Besides, we experimentally verified that using the developed strategy could improve the Wi-Fi signals by 23.5 dB. The results of our work improve the usability and practicality of the programmable metasurface in real-world applications and pave the way for wireless communications, future smart homes, and other applications. In this paper, we propose the utilization of a programmable metasurface for flexibly manipulating ambient Wi-Fi signals. First, we propose a new and efficient optimization algorithm CWGS (Complex Weighted Gerchberg-Saxton), which is based on an electromagnetic scattering model of the metasurface. The proposed algorithm quickly redesigns the complex amplitude distribution of the Wi-Fi field bounced off the programmable metasurface to enhance the Wi-Fi signals at desired locations significantly. Second, we fabricated a large-scale programmable metasurface that operates at the 2.4 GHz frequency band. We conducted several experiments using the fabricated metasurface to verify the proposed optimization algorithm’s feasibility and effectiveness. Both the theoretical and experimental results show that the programmable metasurface can dynamically boost Wi-Fi signals at multiple locations. Besides, we experimentally verified that using the developed strategy could improve the Wi-Fi signals by 23.5 dB. The results of our work improve the usability and practicality of the programmable metasurface in real-world applications and pave the way for wireless communications, future smart homes, and other applications.
电磁超材料是由亚波长尺寸单元周期或非周期排列组成的人工结构,能对电磁波的频率、幅度、相位和极化等基本物理特征进行调控,突破了传统材料的限制,可实现很多自然界不存在的有趣物理现象及应用。过去二十余年,超材料因其强大的电磁调控能力一直是物理领域的研究热点。但无源超材料在电磁波调控中存在局限性,如工作频率固定、实现功能单一等。所以,可调有源超材料越来越受关注。通过引入有源元器件,超材料的功能可通过外部激励信号进行动态调控,在实际应用中具有重要意义。目前常用的控制方式包括电控、温控、光控和机械控制等,其中光控具有可远程调控、无接触式控制、调制速度快以及结构简单等优点。该文概述了近年来光控电磁超材料的研究进展,从直流、微波、太赫兹和光频段4种不同频段分别介绍现有光控超材料和超表面的工作,重点介绍其工作机制和应用场景,并对这一快速发展领域进行总结和展望。 电磁超材料是由亚波长尺寸单元周期或非周期排列组成的人工结构,能对电磁波的频率、幅度、相位和极化等基本物理特征进行调控,突破了传统材料的限制,可实现很多自然界不存在的有趣物理现象及应用。过去二十余年,超材料因其强大的电磁调控能力一直是物理领域的研究热点。但无源超材料在电磁波调控中存在局限性,如工作频率固定、实现功能单一等。所以,可调有源超材料越来越受关注。通过引入有源元器件,超材料的功能可通过外部激励信号进行动态调控,在实际应用中具有重要意义。目前常用的控制方式包括电控、温控、光控和机械控制等,其中光控具有可远程调控、无接触式控制、调制速度快以及结构简单等优点。该文概述了近年来光控电磁超材料的研究进展,从直流、微波、太赫兹和光频段4种不同频段分别介绍现有光控超材料和超表面的工作,重点介绍其工作机制和应用场景,并对这一快速发展领域进行总结和展望。
传统的电路模拟吸波材料设计只考虑正入射时的吸波性能,当入射角较大,尤其是大于30°时,雷达吸波器的吸波效果明显恶化。随着现代双站雷达探测技术的发展,雷达探测电磁波可能来自不同的空间方向,这就要求雷达吸波材料不仅在电磁波正入射时具有较高的吸波性能,在斜入射时同样实现良好的隐身特性。为此,该文提出了一种新型的宽带吸波材料。该材料由嵌入集总电阻的导电方环阵列和设计良好的宽角阻抗匹配(WAIM)层组成。由于WAIM层的存在,斜入射情况下的吸波性能明显改善。同时,针对电磁波正斜入射情况,该文提出了准确的等效电路模型以及严格的数学计算模型,使得结构设计清晰明了。测量结果表明,正入射时的吸波带宽达到137.1%。当入射角小于45°时,所设计吸波材料在反射系数衰减至少10 dB情况下的公共百分比吸波带宽达到110.5%。等效电路模型计算、仿真与实测结果之间的相似性验证了该文设计的有效性。 传统的电路模拟吸波材料设计只考虑正入射时的吸波性能,当入射角较大,尤其是大于30°时,雷达吸波器的吸波效果明显恶化。随着现代双站雷达探测技术的发展,雷达探测电磁波可能来自不同的空间方向,这就要求雷达吸波材料不仅在电磁波正入射时具有较高的吸波性能,在斜入射时同样实现良好的隐身特性。为此,该文提出了一种新型的宽带吸波材料。该材料由嵌入集总电阻的导电方环阵列和设计良好的宽角阻抗匹配(WAIM)层组成。由于WAIM层的存在,斜入射情况下的吸波性能明显改善。同时,针对电磁波正斜入射情况,该文提出了准确的等效电路模型以及严格的数学计算模型,使得结构设计清晰明了。测量结果表明,正入射时的吸波带宽达到137.1%。当入射角小于45°时,所设计吸波材料在反射系数衰减至少10 dB情况下的公共百分比吸波带宽达到110.5%。等效电路模型计算、仿真与实测结果之间的相似性验证了该文设计的有效性。
该文提出了一种时变极化编码超构表面的设计方法,实现了对电磁波基波与谐波分布的非线性调控。通过加载开关二极管的方式,超构表面可在2.4 GHz频率处实现转极化与同极化反射之间的动态切换,进而通过调节时域方波调制信号的占空比和频率,可在频域内调控电磁波基波与谐波的能量分配及频率偏移。在此基础上,利用超构表面的动态电磁响应,构建了基于二进制幅度调制方式的超构表面无线通信系统,实现对传输信息的直接调制和实时传输,其中该无线通信系统的最高传输码率可达625 kbps。所有实验结果均与理论计算吻合良好。该文所提出的设计方法在下一代通信、高分辨率成像等实际应用中具有良好的发展前景。 该文提出了一种时变极化编码超构表面的设计方法,实现了对电磁波基波与谐波分布的非线性调控。通过加载开关二极管的方式,超构表面可在2.4 GHz频率处实现转极化与同极化反射之间的动态切换,进而通过调节时域方波调制信号的占空比和频率,可在频域内调控电磁波基波与谐波的能量分配及频率偏移。在此基础上,利用超构表面的动态电磁响应,构建了基于二进制幅度调制方式的超构表面无线通信系统,实现对传输信息的直接调制和实时传输,其中该无线通信系统的最高传输码率可达625 kbps。所有实验结果均与理论计算吻合良好。该文所提出的设计方法在下一代通信、高分辨率成像等实际应用中具有良好的发展前景。
作为超材料的二维形式,梯度超表面由于其超薄结构、灵活的各向同性/异性结构选择和突变相位特性,具有很强的电磁波前操控能力,是目前的研究热点。该文率先提出以激励电磁波的极化元、频率元、角度元、方向元以及出射电磁波的位置元等一元、二元甚至多元信息组合编码的多功能分类方式,详细归类总结了多功能集成超表面的研究进展,获得了多功能集成超表面清晰的研究方案和技术路线。该文对多功能电磁超表面未来可能的发展方向进行了展望,旨在为多功能超表面研究提供新思路,实现更新颖、更复杂和更大容量的集成波前调控和功能器件,促进未来通讯和雷达器件的集成和小型化发展。 作为超材料的二维形式,梯度超表面由于其超薄结构、灵活的各向同性/异性结构选择和突变相位特性,具有很强的电磁波前操控能力,是目前的研究热点。该文率先提出以激励电磁波的极化元、频率元、角度元、方向元以及出射电磁波的位置元等一元、二元甚至多元信息组合编码的多功能分类方式,详细归类总结了多功能集成超表面的研究进展,获得了多功能集成超表面清晰的研究方案和技术路线。该文对多功能电磁超表面未来可能的发展方向进行了展望,旨在为多功能超表面研究提供新思路,实现更新颖、更复杂和更大容量的集成波前调控和功能器件,促进未来通讯和雷达器件的集成和小型化发展。
利用干涉合成孔径雷达(InSAR)技术获取数字高程模型(DEM)时,在地形起伏剧烈区域,干涉条纹十分密集,增加了相位解缠的难度,影响相位展开和高程反演的精度。为了解决该问题,该文提出了一种基于DEM辅助后向投影模型的InSAR高程反演方法。该方法可以在统一的后向投影成像空间中实现成像和InSAR高程反演,并且引入外源DEM作为辅助信息,去除大部分地形相位,有效地降低了干涉条纹的密度,减少了干涉相位的缠绕。此外,该方法在多数情况下可以避免图像配准和相位解缠过程,简化了传统InSAR的处理流程,并且可以实现高精度的高程反演。通过仿真实验和X波段机载双天线InSAR数据的处理验证了该方法的有效性。 利用干涉合成孔径雷达(InSAR)技术获取数字高程模型(DEM)时,在地形起伏剧烈区域,干涉条纹十分密集,增加了相位解缠的难度,影响相位展开和高程反演的精度。为了解决该问题,该文提出了一种基于DEM辅助后向投影模型的InSAR高程反演方法。该方法可以在统一的后向投影成像空间中实现成像和InSAR高程反演,并且引入外源DEM作为辅助信息,去除大部分地形相位,有效地降低了干涉条纹的密度,减少了干涉相位的缠绕。此外,该方法在多数情况下可以避免图像配准和相位解缠过程,简化了传统InSAR的处理流程,并且可以实现高精度的高程反演。通过仿真实验和X波段机载双天线InSAR数据的处理验证了该方法的有效性。
频率分集阵列(FDA)雷达通过在不同发射阵元间引入微小的载频增量,实现发射方向图在脉冲持续时间内对大尺度空域的均匀连续扫描。然而FDA雷达方向图主瓣的扫描特性,使得其在一个方位角度位置的波束驻留时间缩短,积累带宽减小,从而降低其距离分辨率。针对上述问题该文提出了一种空时域联合的FDA雷达波形设计方法,通过引入阵元间的空域相位编码显著改善了相干FDA雷达的距离分辨率,同时在时域设计一种非线性调频波形获得了更低的距离旁瓣。该文从理论上分析了该方法的有效性,并通过仿真实验证明了该波形设计方法同时具有距离向高分辨和低峰值旁瓣比的优势,具有更好的一维距离向成像性能,并分析了其对高速运动目标的观测能力。 频率分集阵列(FDA)雷达通过在不同发射阵元间引入微小的载频增量,实现发射方向图在脉冲持续时间内对大尺度空域的均匀连续扫描。然而FDA雷达方向图主瓣的扫描特性,使得其在一个方位角度位置的波束驻留时间缩短,积累带宽减小,从而降低其距离分辨率。针对上述问题该文提出了一种空时域联合的FDA雷达波形设计方法,通过引入阵元间的空域相位编码显著改善了相干FDA雷达的距离分辨率,同时在时域设计一种非线性调频波形获得了更低的距离旁瓣。该文从理论上分析了该方法的有效性,并通过仿真实验证明了该波形设计方法同时具有距离向高分辨和低峰值旁瓣比的优势,具有更好的一维距离向成像性能,并分析了其对高速运动目标的观测能力。
目前深度学习技术在SAR图像的船舶检测中已取得显著的成果,但针对SAR船舶图像中复杂多变的背景环境,如何准确高效地提取目标特征,提升检测精度与检测速度仍存在着巨大的挑战。针对上述问题,该文提出了一种多尺度特征融合与特征通道关系校准的 SAR 图像船舶检测算法。在Faster R-CNN的基础上,首先通过引入通道注意力机制对特征提取网络进行特征间通道关系校准,提高网络对复杂场景下船舶目标特征提取的表达能力;其次,不同于原始的基于单一尺度特征生成候选区域的方法,该文基于神经架构搜索算法引入改进的特征金字塔结构,高效地将多尺度特征进行充分融合,改善了船舶目标中对小目标、近岸密集目标的漏检问题。最后,在SSDD数据集上进行对比验证。实验结果表明,相较原始的Faster R-CNN,检测精度从84.5%提高到89.4%,检测速率也从2.8 FPS提高到10.7 FPS。该方法能够有效实现高速与高精度的SAR图像船舶检测,具有一定的现实意义。 目前深度学习技术在SAR图像的船舶检测中已取得显著的成果,但针对SAR船舶图像中复杂多变的背景环境,如何准确高效地提取目标特征,提升检测精度与检测速度仍存在着巨大的挑战。针对上述问题,该文提出了一种多尺度特征融合与特征通道关系校准的 SAR 图像船舶检测算法。在Faster R-CNN的基础上,首先通过引入通道注意力机制对特征提取网络进行特征间通道关系校准,提高网络对复杂场景下船舶目标特征提取的表达能力;其次,不同于原始的基于单一尺度特征生成候选区域的方法,该文基于神经架构搜索算法引入改进的特征金字塔结构,高效地将多尺度特征进行充分融合,改善了船舶目标中对小目标、近岸密集目标的漏检问题。最后,在SSDD数据集上进行对比验证。实验结果表明,相较原始的Faster R-CNN,检测精度从84.5%提高到89.4%,检测速率也从2.8 FPS提高到10.7 FPS。该方法能够有效实现高速与高精度的SAR图像船舶检测,具有一定的现实意义。
传统合成孔径雷达(SAR)成像可视为点目标散射模型约束下数据空间到图像空间的映射。然而,真实目标多为延展目标,与传统线性成像处理中的点目标散射模型存在失配,会导致SAR图像表征失真。常见的现象是使延展目标多呈现为孤立强点,阻碍了基于SAR图像的目标辨识等应用。SAR参数化成像技术是为解决上述模型失配问题而诞生的一种非线性成像方法,特点是兼顾点目标和延展目标的散射模型。具体来说,是通过利用不同类别目标的回波或图像的相位与幅度特征对观测角度的敏感性,辨识目标类型,反演目标散射参数,进而根据目标散射的参数化模型,重建目标图像的技术。在对延展目标成像时,可获得比传统线性成像方法更好的图像质量。该文主要介绍了线型延展目标的参数化成像技术,对应真实场景中的孤立强点和连续边缘,深入讨论了基于回波域、图像域的参数化成像技术和试验结果,展望了未来SAR参数化成像技术的发展趋势。 传统合成孔径雷达(SAR)成像可视为点目标散射模型约束下数据空间到图像空间的映射。然而,真实目标多为延展目标,与传统线性成像处理中的点目标散射模型存在失配,会导致SAR图像表征失真。常见的现象是使延展目标多呈现为孤立强点,阻碍了基于SAR图像的目标辨识等应用。SAR参数化成像技术是为解决上述模型失配问题而诞生的一种非线性成像方法,特点是兼顾点目标和延展目标的散射模型。具体来说,是通过利用不同类别目标的回波或图像的相位与幅度特征对观测角度的敏感性,辨识目标类型,反演目标散射参数,进而根据目标散射的参数化模型,重建目标图像的技术。在对延展目标成像时,可获得比传统线性成像方法更好的图像质量。该文主要介绍了线型延展目标的参数化成像技术,对应真实场景中的孤立强点和连续边缘,深入讨论了基于回波域、图像域的参数化成像技术和试验结果,展望了未来SAR参数化成像技术的发展趋势。
飞机尾流是飞机飞行时在其后方产生的一对反向旋转的强烈湍流,对后续飞机飞行以及机场安全起降影响极大,其演化趋势的预测已成为空中交通安全管制的瓶颈,亟需发展基于实时探测数据的飞机尾流行为预测技术。在雷达探测反演得到的尾流涡心位置和速度环量等特征参数基础上,开展飞机尾流行为预测分析,能够预知飞机尾流危害区域,为机场安全起降动态间隔标准制定提供技术支撑。该文结合风场线性切变和最小二乘拟合方法构建了参数化尾流行为预测模型,解决了经典尾流预测模型气象环境参数未随时间演化实时调整的问题。该文根据复杂风场非线性演化特点,设计了基于无迹卡尔曼滤波的数据同化模型,利用雷达探测数据对尾流行为预测进行实时修正。数值仿真验证和实测数据验证结果表明,基于数据同化的飞机尾流行为预测方法能够根据实时探测数据对尾流行为预测轨迹进行修正,得到更加贴近实测的飞机尾流行为预测轨迹。 飞机尾流是飞机飞行时在其后方产生的一对反向旋转的强烈湍流,对后续飞机飞行以及机场安全起降影响极大,其演化趋势的预测已成为空中交通安全管制的瓶颈,亟需发展基于实时探测数据的飞机尾流行为预测技术。在雷达探测反演得到的尾流涡心位置和速度环量等特征参数基础上,开展飞机尾流行为预测分析,能够预知飞机尾流危害区域,为机场安全起降动态间隔标准制定提供技术支撑。该文结合风场线性切变和最小二乘拟合方法构建了参数化尾流行为预测模型,解决了经典尾流预测模型气象环境参数未随时间演化实时调整的问题。该文根据复杂风场非线性演化特点,设计了基于无迹卡尔曼滤波的数据同化模型,利用雷达探测数据对尾流行为预测进行实时修正。数值仿真验证和实测数据验证结果表明,基于数据同化的飞机尾流行为预测方法能够根据实时探测数据对尾流行为预测轨迹进行修正,得到更加贴近实测的飞机尾流行为预测轨迹。
该文深入阐述基于信息超材料的高性能微波计算成像系统架构设计、工作原理与建模分析。首先,利用信息超材料对电磁波优异的调节能力,结合压缩采样理论,重点讨论信息超材料多样杂散波束产生及高性能辐射设计方法。再进一步构建针对高辐射性能信息超材料微波计算成像系统的数值模型,并提出一种高性能色散信息超材料单元,该单元带阻频率捷变特性可覆盖整个X波段。基于该单元设计了一款高透射效率信息超材料透镜,在成像区域内辐射性能较当前超材料孔径提高3倍,辐射效率达到75%。最后基于所构建的数值模型,计算验证所提出的高透射率色散信息超材料透镜对理想散射体的图像还原能力。该文所研究的基于信息超材料的高性能微波计算成像系统,为成像雷达、安防预警、医疗检测等应用提供了坚实的理论依据和前瞻性探索。 该文深入阐述基于信息超材料的高性能微波计算成像系统架构设计、工作原理与建模分析。首先,利用信息超材料对电磁波优异的调节能力,结合压缩采样理论,重点讨论信息超材料多样杂散波束产生及高性能辐射设计方法。再进一步构建针对高辐射性能信息超材料微波计算成像系统的数值模型,并提出一种高性能色散信息超材料单元,该单元带阻频率捷变特性可覆盖整个X波段。基于该单元设计了一款高透射效率信息超材料透镜,在成像区域内辐射性能较当前超材料孔径提高3倍,辐射效率达到75%。最后基于所构建的数值模型,计算验证所提出的高透射率色散信息超材料透镜对理想散射体的图像还原能力。该文所研究的基于信息超材料的高性能微波计算成像系统,为成像雷达、安防预警、医疗检测等应用提供了坚实的理论依据和前瞻性探索。
几何绕射理论(GTD)模型是一种重要的散射中心模型,能准确描述雷达目标主要散射机理的频率依赖行为,但目前在频率依赖因子与散射机理类型之间尚未建立明确、一般的数学关系。该文从射线理论出发,结合几何光学(GO), GTD, 物理绕射理论(PTD)和驻相法(SPM)等方法,推导了理想电导体(PEC)目标任意多次散射机理的频率依赖因子数学表达式。该表达式具有简洁、统一的解析形式,指出散射中心频率依赖因子与形成散射中心的射线反射次数、射线经过的几何元素维数以及射线场焦散情况等因素有关。一系列典型组合体目标的电磁仿真与微波暗室测量数据验证了提出公式的有效性。该文提出的频率依赖因子表达可应用于正向参数化建模中频率依赖因子的正向推算。 几何绕射理论(GTD)模型是一种重要的散射中心模型,能准确描述雷达目标主要散射机理的频率依赖行为,但目前在频率依赖因子与散射机理类型之间尚未建立明确、一般的数学关系。该文从射线理论出发,结合几何光学(GO), GTD, 物理绕射理论(PTD)和驻相法(SPM)等方法,推导了理想电导体(PEC)目标任意多次散射机理的频率依赖因子数学表达式。该表达式具有简洁、统一的解析形式,指出散射中心频率依赖因子与形成散射中心的射线反射次数、射线经过的几何元素维数以及射线场焦散情况等因素有关。一系列典型组合体目标的电磁仿真与微波暗室测量数据验证了提出公式的有效性。该文提出的频率依赖因子表达可应用于正向参数化建模中频率依赖因子的正向推算。
可重构电磁超表面是电磁超表面领域广受关注的热点方向。将可控器件/材料引入超表面设计,可重构超表面的电磁调控性能可以实时灵活动态控制。这极大丰富了超表面的功能,有力推动了超表面由理论设计向工程应用突破。近年来该团队持续关注电磁超表面的最新发展,围绕微波频段的可重构超表面,从理论、技术与应用3个层面开展探索研究。该文首先梳理了国内外在该领域的研究历程,然后从可重构超表面对电磁波的幅度、相位和极化特性调控及其应用等方面着手,综述了该团队在该领域的研究成果,并给出对未来工作的展望。 可重构电磁超表面是电磁超表面领域广受关注的热点方向。将可控器件/材料引入超表面设计,可重构超表面的电磁调控性能可以实时灵活动态控制。这极大丰富了超表面的功能,有力推动了超表面由理论设计向工程应用突破。近年来该团队持续关注电磁超表面的最新发展,围绕微波频段的可重构超表面,从理论、技术与应用3个层面开展探索研究。该文首先梳理了国内外在该领域的研究历程,然后从可重构超表面对电磁波的幅度、相位和极化特性调控及其应用等方面着手,综述了该团队在该领域的研究成果,并给出对未来工作的展望。
混合源定位在无源雷达中发挥着重要作用。针对均匀圆阵下基于相位差方法的定位精度较低的问题,该文提出基于矩阵差分的远场和近场混合源定位方法。首先,利用二维多重信号(2-D MUSIC)分类方法估计出远场源的方位角和俯仰角;随后,利用协方差矩阵差分方法提取出近场源差分矩阵,通过改进的类旋转不变估计信号参数(ESPRIT-like)方法计算出近场源的方位角和俯仰角;进一步地,利用一维多重信号分类方法估计出近场源的距离;最后通过仿真实验对该文所提算法进行验证。该文所提算法在远场源和近场源角度相同的情况下能够有效地识别混合源,并且提高混合源参数估计精度。实验结果表明该算法在信噪比(SNR)为20 dB时,近场源的二维DOA估计误差接近0.01°,而近场源的距离误差接近0.1 m。 混合源定位在无源雷达中发挥着重要作用。针对均匀圆阵下基于相位差方法的定位精度较低的问题,该文提出基于矩阵差分的远场和近场混合源定位方法。首先,利用二维多重信号(2-D MUSIC)分类方法估计出远场源的方位角和俯仰角;随后,利用协方差矩阵差分方法提取出近场源差分矩阵,通过改进的类旋转不变估计信号参数(ESPRIT-like)方法计算出近场源的方位角和俯仰角;进一步地,利用一维多重信号分类方法估计出近场源的距离;最后通过仿真实验对该文所提算法进行验证。该文所提算法在远场源和近场源角度相同的情况下能够有效地识别混合源,并且提高混合源参数估计精度。实验结果表明该算法在信噪比(SNR)为20 dB时,近场源的二维DOA估计误差接近0.01°,而近场源的距离误差接近0.1 m。
基于傅里叶变换的传统逆合成孔径雷达(ISAR)成像方法存在数据存储量大、数据采集时间长的问题。压缩感知(CS)理论利用图像的稀疏性,可以利用有限的数据恢复图像,这极大降低了数据采集成本。但对于多维数据,传统压缩感知方法要将多维数据转化成一维向量,这造成了很大存储和计算负担。因此,该文提出一种基于多维度-交替方向乘子法(MD-ADMM)的多输入多输出-逆合成孔径雷达(MIMO-ISAR)成像快速稀疏重建方法。首先建立基于张量信号的压缩感知模型,然后用ADMM算法对模型进行优化,将测量矩阵分解为张量模态积,用张量元素除法替代矩阵求逆,显著减少所需的内存和计算负担。该方法只需少量的数据采样,就能实现快速成像。与其他基于张量的压缩感知方法相比,该方法具有鲁棒性强、图像质量好、计算效率高的优点。仿真和实测数据验证了该方法的有效性。 基于傅里叶变换的传统逆合成孔径雷达(ISAR)成像方法存在数据存储量大、数据采集时间长的问题。压缩感知(CS)理论利用图像的稀疏性,可以利用有限的数据恢复图像,这极大降低了数据采集成本。但对于多维数据,传统压缩感知方法要将多维数据转化成一维向量,这造成了很大存储和计算负担。因此,该文提出一种基于多维度-交替方向乘子法(MD-ADMM)的多输入多输出-逆合成孔径雷达(MIMO-ISAR)成像快速稀疏重建方法。首先建立基于张量信号的压缩感知模型,然后用ADMM算法对模型进行优化,将测量矩阵分解为张量模态积,用张量元素除法替代矩阵求逆,显著减少所需的内存和计算负担。该方法只需少量的数据采样,就能实现快速成像。与其他基于张量的压缩感知方法相比,该方法具有鲁棒性强、图像质量好、计算效率高的优点。仿真和实测数据验证了该方法的有效性。
基于超表面的关联成像系统解决了关联成像系统探测效率低的问题,但其探测模式数量不足导致了其有效成像点数受限。针对这个问题,该文以参考辐射场空间分布1阶统计特征为基础,建立了基于随机调制超表面的关联成像信号模型,分析了成像误差,并与差分关联成像(DCI)方法相结合,给出了具有鲁棒性的基于超表面的关联成像方法,该方法利用不同模式的差分形成了新的探测模式,降低了相关函数的副瓣干扰,从而提升了成像质量。同时,对一种特殊的差分关联成像方法—梯度关联成像(GCI)方法的成像分辨率进行了分析,该方法通过对超表面单元的特殊设计,可以在不获取图像的情况下,直接在成像过程中提取出目标方位向的边缘信息,可以有效提升关联成像系统对目标边缘的提取能力。最后,通过仿真实验验证了该文理论分析的正确性。 基于超表面的关联成像系统解决了关联成像系统探测效率低的问题,但其探测模式数量不足导致了其有效成像点数受限。针对这个问题,该文以参考辐射场空间分布1阶统计特征为基础,建立了基于随机调制超表面的关联成像信号模型,分析了成像误差,并与差分关联成像(DCI)方法相结合,给出了具有鲁棒性的基于超表面的关联成像方法,该方法利用不同模式的差分形成了新的探测模式,降低了相关函数的副瓣干扰,从而提升了成像质量。同时,对一种特殊的差分关联成像方法—梯度关联成像(GCI)方法的成像分辨率进行了分析,该方法通过对超表面单元的特殊设计,可以在不获取图像的情况下,直接在成像过程中提取出目标方位向的边缘信息,可以有效提升关联成像系统对目标边缘的提取能力。最后,通过仿真实验验证了该文理论分析的正确性。
针对部分均匀高斯干扰环境下的点目标检测问题,该文基于广义似然比准则(GLRT)提出一种适用于空间对称线阵的修正GLRT检测方法。考虑到采样时存在的目标能量泄漏,在接收信号建模时采用目标能量泄漏采样模型弥补泄漏损失,并基于干扰协方差矩阵的斜对称结构降低对辅助数据的需求,最终联合待检测数据和辅助数据实现未知参数的估计,得到兼具有良好目标检测和距离估计性能的斜对称修正GLRT检测方法。仿真结果表明,该方法不仅在部分均匀环境下具有恒虚警特性,而且在辅助数据数量受限时,相比其同类型的检测方法具有1 dB以上的检测性能优势。 针对部分均匀高斯干扰环境下的点目标检测问题,该文基于广义似然比准则(GLRT)提出一种适用于空间对称线阵的修正GLRT检测方法。考虑到采样时存在的目标能量泄漏,在接收信号建模时采用目标能量泄漏采样模型弥补泄漏损失,并基于干扰协方差矩阵的斜对称结构降低对辅助数据的需求,最终联合待检测数据和辅助数据实现未知参数的估计,得到兼具有良好目标检测和距离估计性能的斜对称修正GLRT检测方法。仿真结果表明,该方法不仅在部分均匀环境下具有恒虚警特性,而且在辅助数据数量受限时,相比其同类型的检测方法具有1 dB以上的检测性能优势。
合成孔径雷达(SAR)的自动目标识别(ATR)技术目前已广泛应用于军事和民用领域。SAR图像对成像的方位角极其敏感,同一目标在不同方位角下的SAR图像存在一定差异,而多方位角的SAR图像序列蕴含着更加丰富的分类识别信息。因此,该文提出一种基于EfficientNet和BiGRU的多角度SAR目标识别模型,并使用孤岛损失来训练模型。该方法在MSTAR数据集10类目标识别任务中可以达到100%的识别准确率,对大俯仰角(擦地角)下成像、存在版本变体、存在配置变体的3种特殊情况下的SAR目标分别达到了99.68%, 99.95%, 99.91%的识别准确率。此外,该方法在小规模的数据集上也能达到令人满意的识别准确率。实验结果表明,该方法在MSTAR的大部分数据集上识别准确率均优于其他多角度SAR目标识别方法,且具有一定的鲁棒性。 合成孔径雷达(SAR)的自动目标识别(ATR)技术目前已广泛应用于军事和民用领域。SAR图像对成像的方位角极其敏感,同一目标在不同方位角下的SAR图像存在一定差异,而多方位角的SAR图像序列蕴含着更加丰富的分类识别信息。因此,该文提出一种基于EfficientNet和BiGRU的多角度SAR目标识别模型,并使用孤岛损失来训练模型。该方法在MSTAR数据集10类目标识别任务中可以达到100%的识别准确率,对大俯仰角(擦地角)下成像、存在版本变体、存在配置变体的3种特殊情况下的SAR目标分别达到了99.68%, 99.95%, 99.91%的识别准确率。此外,该方法在小规模的数据集上也能达到令人满意的识别准确率。实验结果表明,该方法在MSTAR的大部分数据集上识别准确率均优于其他多角度SAR目标识别方法,且具有一定的鲁棒性。
双边恒虚警率(BCFAR)检测算法通过高斯核密度估计器计算出合成孔径雷达(SAR)图像的空间信息,并将它与图像的强度信息相结合得到联合图像以进行目标检测。相较于只使用强度信息来进行目标检测的经典CFAR检测算法,双边CFAR有着更好的检测性能和鲁棒性。然而,在复杂环境下出现连片的高强度异质点时(例如防波堤、方位模糊和幻影等),核密度估计器计算出的空间信息会出现较多误差,这会导致检测结果中出现大量虚警。此外,当遇到相邻像素点间相似度较低的弱目标时,双边CFAR会发生漏检。为了有效改善这些问题,该文设计一种复杂环境下改进的SAR图像双边CFAR舰船检测算法(IB-CFAR)。该文所提IB-CFAR主要分为3个阶段来实现,分别为基于非均匀量化法的强度层级划分、强度-空间域信息融合、杂波截断后的参数估计。基于非均匀量化法的强度层级划分可以提升弱目标的相似度和对比度信息,从而提升舰船检测率。强度-空间域信息融合在于将空间相似度、距离向和强度等信息进行融合,在进一步提升检测率的同时对舰船的结构信息进行精细化描述。杂波截断后的参数估计可以去除背景窗口中连片的高强度异质点,最大限度地保留真实海杂波样本,使参数估计更加精确。最后,根据估计出的参数建立精确的海杂波统计模型以进行CFAR检测。该文使用高分3号和TerraSAR-X数据来验证该算法的有效性和鲁棒性。实验结果表明,所提出的算法在包含较多密集分布的弱目标环境下表现良好,在此类环境下能获得97.85%的检测率和3.52%的虚警率,相比于现有的检测算法,检测率提升了5%,并且虚警率降低了10%,但在弱目标个数较少且背景十分复杂的环境下,则会出现少量虚警。 双边恒虚警率(BCFAR)检测算法通过高斯核密度估计器计算出合成孔径雷达(SAR)图像的空间信息,并将它与图像的强度信息相结合得到联合图像以进行目标检测。相较于只使用强度信息来进行目标检测的经典CFAR检测算法,双边CFAR有着更好的检测性能和鲁棒性。然而,在复杂环境下出现连片的高强度异质点时(例如防波堤、方位模糊和幻影等),核密度估计器计算出的空间信息会出现较多误差,这会导致检测结果中出现大量虚警。此外,当遇到相邻像素点间相似度较低的弱目标时,双边CFAR会发生漏检。为了有效改善这些问题,该文设计一种复杂环境下改进的SAR图像双边CFAR舰船检测算法(IB-CFAR)。该文所提IB-CFAR主要分为3个阶段来实现,分别为基于非均匀量化法的强度层级划分、强度-空间域信息融合、杂波截断后的参数估计。基于非均匀量化法的强度层级划分可以提升弱目标的相似度和对比度信息,从而提升舰船检测率。强度-空间域信息融合在于将空间相似度、距离向和强度等信息进行融合,在进一步提升检测率的同时对舰船的结构信息进行精细化描述。杂波截断后的参数估计可以去除背景窗口中连片的高强度异质点,最大限度地保留真实海杂波样本,使参数估计更加精确。最后,根据估计出的参数建立精确的海杂波统计模型以进行CFAR检测。该文使用高分3号和TerraSAR-X数据来验证该算法的有效性和鲁棒性。实验结果表明,所提出的算法在包含较多密集分布的弱目标环境下表现良好,在此类环境下能获得97.85%的检测率和3.52%的虚警率,相比于现有的检测算法,检测率提升了5%,并且虚警率降低了10%,但在弱目标个数较少且背景十分复杂的环境下,则会出现少量虚警。
桥梁作为重要的人造目标,一直都是合成孔径雷达(SAR)图像解译的重要对象之一。目前针对桥梁检测问题已开展了较多研究,核心思想是:首先提取出河流水体,然后再根据河流与桥梁的位置关系检测桥梁。然而,已有的桥梁检测方法依赖于河流提取,很难实现陆上桥梁检测。因为陆上桥梁下方的背景不再是河流,而是陆地,其散射特性、形状分布与河流不同,不能采用传统的水体提取方法来检测陆地背景,进而无法利用桥梁的位置先验知识定位桥梁。针对该问题,该文提出了一种基于极化圆周SAR(CSAR)图像的陆上桥梁检测方法。首先,利用观测场景的圆周极化熵(CPE)实现疑似桥梁目标与陆地背景的分离(该实验中桥梁的CPE均值为0.4018,陆地背景的CPE均值为0.7819,两者具有明差别);然后,根据地物目标的极化熵方差特征和桥梁尺寸特性,抑制虚假目标;最后,根据桥梁的几何特征实现陆上桥梁的准确提取。该文所提方法解决了传统桥梁检测方法需要基于河流提取结果才能实现桥梁检测的问题。机载L波段极化CSAR实测数据处理结果证明了所提方法的正确性、有效性和实用性。 桥梁作为重要的人造目标,一直都是合成孔径雷达(SAR)图像解译的重要对象之一。目前针对桥梁检测问题已开展了较多研究,核心思想是:首先提取出河流水体,然后再根据河流与桥梁的位置关系检测桥梁。然而,已有的桥梁检测方法依赖于河流提取,很难实现陆上桥梁检测。因为陆上桥梁下方的背景不再是河流,而是陆地,其散射特性、形状分布与河流不同,不能采用传统的水体提取方法来检测陆地背景,进而无法利用桥梁的位置先验知识定位桥梁。针对该问题,该文提出了一种基于极化圆周SAR(CSAR)图像的陆上桥梁检测方法。首先,利用观测场景的圆周极化熵(CPE)实现疑似桥梁目标与陆地背景的分离(该实验中桥梁的CPE均值为0.4018,陆地背景的CPE均值为0.7819,两者具有明差别);然后,根据地物目标的极化熵方差特征和桥梁尺寸特性,抑制虚假目标;最后,根据桥梁的几何特征实现陆上桥梁的准确提取。该文所提方法解决了传统桥梁检测方法需要基于河流提取结果才能实现桥梁检测的问题。机载L波段极化CSAR实测数据处理结果证明了所提方法的正确性、有效性和实用性。
随着无线通信技术的发展,全球通信产业对于无线频谱的需求日益增加。在此背景下,雷达与通信的频谱共享(RCSS)引起了工业界和学术界的极大关注。其内涵不仅包括促成雷达与通信设备的同频共存、互不干扰,从而高效利用频谱,还包括设计一种兼容二者的新型一体化系统,使得该系统能同时完成信息传输与目标探测两种功能。该文围绕雷达与通信频谱共享的两种解决方案:(1)雷达与通信系统的同频共存(RCC); (2)雷达通信一体化(DFRC)系统设计,进行了深入而系统的综述。具体而言,该文首先讨论雷达通信在多个频段共存的实例,然后简要介绍了雷达通信一体化技术在多个领域的应用场景。进一步地,讨论雷达通信同频共存和一体化系统的研究进展。最后,总结全文并讨论了该领域内的若干开放问题。 随着无线通信技术的发展,全球通信产业对于无线频谱的需求日益增加。在此背景下,雷达与通信的频谱共享(RCSS)引起了工业界和学术界的极大关注。其内涵不仅包括促成雷达与通信设备的同频共存、互不干扰,从而高效利用频谱,还包括设计一种兼容二者的新型一体化系统,使得该系统能同时完成信息传输与目标探测两种功能。该文围绕雷达与通信频谱共享的两种解决方案:(1)雷达与通信系统的同频共存(RCC); (2)雷达通信一体化(DFRC)系统设计,进行了深入而系统的综述。具体而言,该文首先讨论雷达通信在多个频段共存的实例,然后简要介绍了雷达通信一体化技术在多个领域的应用场景。进一步地,讨论雷达通信同频共存和一体化系统的研究进展。最后,总结全文并讨论了该领域内的若干开放问题。
在进入陌生建筑物内部之前获取其内部结构信息,能够为反恐作战、灾害救援等多种应用提供服务,具有重要的现实意义和研究价值。低频电磁波能够穿透常见建筑物材料传播,进而安全、稳定、隐蔽地获取墙后目标信息。利用低频电磁波获取墙后信息因此成为建筑物内部结构透视领域的研究重点。为获知该领域的发展脉络,并预测未来可能的发展趋势,该文对21世纪初以来该领域国内外公开文献进行了归纳总结。相关文献的梳理结果表明,利用低频电磁波进行建筑物内部结构穿透探测的技术目前主要包括3类:基于反射波测量的穿墙雷达成像技术、基于透射波测量的射频层析成像技术、基于多径信号的墙体位置估计技术。这3类技术均已取得一定具有实际意义的研究成果。该文围绕这3类技术所涵盖主要内容的发展历程进行了梳理,主要包括穿墙雷达墙后静止目标成像原理、基于穿墙雷达的建筑物内部结构观测模式、基于穿墙雷达成像的建筑物内部结构重建技术、基于射频层析成像的建筑物内部结构反演技术、基于多径信号的墙体位置估计技术,并以此对该领域的发展趋势进行了探讨。总结近20年以来低频电磁波建筑物内部结构透视技术的发展历程,可以发现建筑物内部结构穿透探测平台已由传统的机载、车载平台转向微型机器人、无人机等新型平台,而对应的建筑物内部结构信息重建方法,则由传统的雷达成像技术,发展成包含图像增强、稀疏重构等在内的多种新型方法。这些结果表明,建筑物内部结构透视技术正朝着系统化、多样化、智能化的方向发展。 在进入陌生建筑物内部之前获取其内部结构信息,能够为反恐作战、灾害救援等多种应用提供服务,具有重要的现实意义和研究价值。低频电磁波能够穿透常见建筑物材料传播,进而安全、稳定、隐蔽地获取墙后目标信息。利用低频电磁波获取墙后信息因此成为建筑物内部结构透视领域的研究重点。为获知该领域的发展脉络,并预测未来可能的发展趋势,该文对21世纪初以来该领域国内外公开文献进行了归纳总结。相关文献的梳理结果表明,利用低频电磁波进行建筑物内部结构穿透探测的技术目前主要包括3类:基于反射波测量的穿墙雷达成像技术、基于透射波测量的射频层析成像技术、基于多径信号的墙体位置估计技术。这3类技术均已取得一定具有实际意义的研究成果。该文围绕这3类技术所涵盖主要内容的发展历程进行了梳理,主要包括穿墙雷达墙后静止目标成像原理、基于穿墙雷达的建筑物内部结构观测模式、基于穿墙雷达成像的建筑物内部结构重建技术、基于射频层析成像的建筑物内部结构反演技术、基于多径信号的墙体位置估计技术,并以此对该领域的发展趋势进行了探讨。总结近20年以来低频电磁波建筑物内部结构透视技术的发展历程,可以发现建筑物内部结构穿透探测平台已由传统的机载、车载平台转向微型机器人、无人机等新型平台,而对应的建筑物内部结构信息重建方法,则由传统的雷达成像技术,发展成包含图像增强、稀疏重构等在内的多种新型方法。这些结果表明,建筑物内部结构透视技术正朝着系统化、多样化、智能化的方向发展。