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遥感与人工智能的交叉创新专题简介

李军, 孙显, 于瀚雯, 徐丰, Jon Atli BENEDIKTSSON
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 1026-1026
关键词 人工智能; image; 空谱融合; 高光谱分辨率;

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雷达极化域调控超分辨的原理与方法

Principle and approach to polarization modulation for radar super-resolution

王罗胜斌, 王雪松, 徐振海
中国科学: 信息科学, 2023, 53(5): 993-1007
摘要 分辨是雷达领域的经典问题,尽管经过几十年的发展,但“分不开、辨不清”的矛盾在雷达各类应用中日益凸显.在雷达分辨研究中,模糊函数理论占据绝对主流,同时尝试突破瑞利(Rayleigh)分辨极限的超分辨研究层出不穷,这些方法具有一定的超分辨效果,但因其前提假设而在工程应用中受限.传统分辨理论并未考虑电磁场的极化特性,利用极化技术可大幅提升雷达分辨能力,研究极化与分辨的关系具有重大理论价值.本文从模糊函数出发,重点分析目标幅度和相位对分辨效果的影响,得出“等幅反相”可使雷达突破分辨率极限,结合雷达收发极化调控技术,创新性提出极化域变焦理论,通过全极化域距离像阐释超分辨原理,并且针对实际雷达系统,提出极化域变焦多目标检测与分辨方法,实现多目标的正确判决和距离的有效估计.仿真结果表明,极化域变焦处理对交叉极化不敏感,在高信噪比条件下可将雷达分辨力提升约20倍.
关键词 极化调控; 雷达超分辨; 模糊函数; 极化域变焦理论; 全极化域距离像; polarization modulation; radar superresolution; ambiguity function; polarimetric zoom theory; fullpolarization domain range profile;

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多极化层析SAR植被高度反演基线融合方法

Fusion method for vegetation height inversion with multibaseline PolInSAR data

邢成, 杨健, 殷君君, 张瞻婕
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 606-621
摘要 植被高度反演属于森林定量遥感,在森林测绘、资源评估和生态监测等领域发挥着重要作用.本文基于多极化层析SAR数据进行基线融合植被高度反演,将森林散射相干模型推广到高维空间,通过复数域到幅度–相位域的转化降低模型非线性度,并提出了基于相干分布方差的广义幅相距离,进而发展了多基线联合参数反演方法.本文通过实测P波段极化层析SAR数据对所提方法进行了验证,同时将其与单基线反演法、基线选择法和欧式距离融合法进行了对比分析.实验结果表明,本文所提方法的反演结果与激光雷达获取的高度图相比,相关性更强,均方根误差更低,显著提高了植被高度反演的精度和稳定性.
关键词 森林遥感; 极化层析SAR; 植被高度反演; 多基线融合; forest remote sensing; Pol-tomoSAR; vegetation height inversion; multi-baseline fusion;

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联合数学规划策略和精细极化分解的极化SAR舰船目标检测

Integrating a mathematical programming strategy and fine polarimetric decomposition into PolSAR ship detection

邢世其, 全斯农, 范晖, 王威, 黄大通, 李永祯, 王雪松
中国科学: 信息科学, 2023, 53(3): 585-605
摘要 由于人造目标具有方位多变和结构复杂等特点,设计具有强泛化、易分辨的特征来实现极化合成孔径雷达(synthetic aperture radar, SAR)目标精准检测是一个非常有挑战性的问题.受数学规划思想的启发,在基于物理模型的极化分解框架下,本文设计了一种散射贡献组合特征检测器用于检测极化SAR舰船目标.一方面,利用类差倒数变换和sigmoid函数变换,首先构造了一种旋转二面角散射模型,它能充分反映由方位变化所导致的同极化和交叉极化响应之间的快速转变.结合类偶极子混合散射模型,以及通过设计基于根的判别式的模型求解策略,随后提出了一种极化信息完全利用的八成分目标分解方法,它能够有效刻画舰船目标的局部结构散射并显著改善体散射过估问题.另一方面,通过分析舰船目标不同散射机理的分布显著特性,以及舰船目标相对海杂波的散射独有特性,利用线性及非线性运算等数学规划策略,首先设计了一种稳健的散射贡献组合器特征.随后将该特征与保护滤波器结合,进一步增强其分辨能力以实现最终的舰船目标检测.实验利用不同实测极化SAR数据对所提方法进行了定性和定量验证,结果表明该方法优于现有的其他舰船目标检测方法,检测品质因素最高可达0.96.
关键词 极化合成孔径雷达; 舰船目标检测; 数学规划策略; 精细极化分解; 散射贡献组合器; polarimetric synthetic aperture radar; ship detection; mathematical programming strategy; fine polarimetric decomposition; scattering contribution combiner;

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基于低管秩张量分解的互质阵列自适应波束成形算法

Coprime array-adaptive beamforming based on low-tubal-rank tensor decomposition

程耘, 刘天鹏, 师俊朋, 苏晓龙, 刘振
中国科学: 信息科学, 2023, 53(2): 402-416
摘要 互质阵列因其大阵列孔径和高自由度特性在波束成形领域受到广泛关注.为了充分利用该特性,近年来学者们提出了基于孔洞填充的算法,有效提高了互质阵列波束成形的性能.然而,这些算法存在计算量大、噪声鲁棒性弱等缺点,难以适应复杂多变的实际环境.为此,本文利用张量的多维结构在参数估计上的性能优势,提出了一种基于低管秩张量分解的互质阵列自适应波束成形算法.首先将互质阵列的多采样虚拟信号矩阵重排为张量形式,利用其低管秩特性补全缺失的互相关信息;然后从补全后的张量数据中提取信号参数,并与目标先验进行匹配,最终得到波束成形权矢量.本算法分别利用ADMM和Tucker分解提高了张量补全和分解的运算效率;所设计的目标匹配方案也有效控制了算法误差.仿真结果展示了本算法在性能和计算复杂度相对于现有方法的优势,尤其是在低信噪比和少采样数的情况下.
关键词 自适应波束成形; 互质阵列; 张量分解; 自由度; 参数估计; adaptive beamforming; coprime array; tensor decomposition; degree-of-freedom; parameter estimation;

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计算阵列——计算赋能的数字阵列技术

Computational array — digital array with computational empowerment

吴曼青, 赵逸超, 何峰, 粟毅
中国科学: 信息科学, 2022, 52(12): 2270-2289
摘要 计算阵列是计算与传感深度融合的新一代数字阵列.由于引入单元计算,在发射和接收端构建“阵元–模块–系统”三级分布式计算架构,不仅能开发当前数字阵列的发射自由度,还能最大限度利用感知数据满足大任务中海量数据的传递与分布式计算的需求,解决当前数字阵列数据传输和处理压力.本文对计算阵列进行了综述,主要介绍计算阵列的概念和内涵、能力优势和应用、设计与实现和未来发展趋势.
关键词 计算阵列; 传感计算一体化; 发射自由度; 计算单元; 计算中心; computational array; integration of computing and sensing; computational unit; transmitting freedom; computational center;

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基于散射图卷积网络的PolSAR影像地物分类

Scattering graph convolutional network-based PolSAR image classification

刘旭, 李玲玲, 刘芳, 杨淑媛, 侯彪, 焦李成
中国科学: 信息科学, 2022, 52(10): 1900-1914
摘要 本文针对极化合成孔径雷达(polarimetric synthetic aperture radar, PolSAR)图像解译中特征提取不足与目标分类困难的问题,进行了深入的研究,提出了一种基于散射图卷积网络的PolSAR影像分类方法.在特征提取方面,本文给出了极化散射编码的一维表现形式;同时,考虑目标散射的特性和像素间的复杂关系,结合图论理论,提出了一种新的散射机制的图表示模型,来刻画复杂的极化散射机理;最后,将这种新的散射建模方法和图卷积网络结合,提出了PolSAR图像分类的新方法,从而更加高效、高精度地完成分类任务.实验结果表明,在5幅公开的PolSAR图像上(PolSF数据集),本文提出的算法具有良好的分类性能.
关键词 散射; 特征表示; 图卷积网络; 极化SAR图像; 地物分类; scattering; feature representation; graph convolutional network; PolSAR image; classification;

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稀疏阵列MIMO雷达参数估计研究进展

Research progress on sparse array MIMO radar parameter estimation

刘永祥, 师俊朋, 黎湘
中国科学: 信息科学, 2022, 52(8): 1560-1576
摘要 利用稀疏阵列多输入多输出(multi-input and multi-output, MIMO)雷达的虚拟孔径扩展特性开展参数估计研究具有重要的理论意义和应用前景.本文以稀疏阵列MIMO雷达设计和参数估计为导向,以提高估计精度和降低运算量为落脚点,从子空间类和压缩感知类算法的契合点出发,围绕阵列设计、波达方向估计、角度联合估计等方面,构建了系统的稀疏阵列MIMO雷达参数估计理论.最后,从阵列优化设计、混合目标参数估计、非理想因素抑制和分布式平台搭建等方面展望了稀疏阵列MIMO雷达的发展趋势.
关键词 稀疏阵列; MIMO雷达; 参数估计; 孔径扩展; 压缩感知; sparse array; MIMO radar; parameter estimation; aperture extension; compressive sensing;

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一种同时全极化雷达发射波形和接收滤波器联合设计的抗间歇采样转发干扰方法

An anti-jamming method against interrupted sampling repeater jamming based on designing transmitted waveforms and receiving filters for simultaneous polarimetric radar

王福来, 庞晨, 黄大通, 李永祯, 王雪松
中国科学: 信息科学, 2022, 52(7): 1333-1348
摘要 针对间歇采样干扰生成的高逼真虚假目标串能将真实目标回波掩盖,致使雷达目标检测功能失效的问题,本文以降低脉冲压缩后的干扰能量为出发点,首次提出了在同时全极化雷达体制下,基于正交发射波形和接收滤波器联合设计的间歇采样干扰抑制方法.文中首先建立了以脉冲压缩输出信号旁瓣能量为指标的目标函数;其次,以抑制间歇采样干扰为目的,根据发射波形的恒模约束等条件,建立了同时全极化雷达体制下发射波形与接收滤波器的联合优化模型;最后,通过交替迭代优化方法对该模型求解,继而实现对间歇采样干扰的抑制.数字仿真和半实物硬件系统测试结果表明,本文提出的方法能有效抑制间歇采样干扰,提升全极化雷达在复杂电磁环境下的抗干扰能力.
关键词 全极化雷达; 抗干扰; 间歇采样转发干扰; 波形设计; 非线性优化; fully polarimetric radar; anti-jamming; interrupted sampling repeater jamming; waveform design; nonlinear optimization;

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雷达图像深度学习模型的可解释性研究与探索

Research and exploration on the interpretability of deep learning model in radar image

李玮杰, 杨威, 刘永祥, 黎湘
中国科学: 信息科学, 2022, 52(6): 1114-1134
摘要 虽然深度学习技术在雷达图像处理任务中获得了部分应用,但缺乏对黑盒模型的可解释性分析和全面的性能评估,限制了该技术在雷达图像领域中的应用性能、可信度和广泛性.本文从可解释性入手,提出了雷达图像深度学习黑盒模型分析思路,在开源MSTAR雷达图像数据集上进行实验验证.从深度学习模型的迁移机制和认知机理两个方面进行分析,得到了关于迁移学习、归因方法应用和模型鲁棒性评估方面的相关结论,填补了现有研究的空白.
关键词 深度学习; 雷达图像; 可解释性; 迁移学习; 归因方法; 鲁棒性; deep learning; radar image; interpretability; transfer learning; attribution algorithm; robustness;

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纪念清华大学电子工程系成立70周年专刊

基于Wishart梯度和SIFT方法的极化SAR图像配准

A PolSAR image registration method based on the Wishart gradient and SIFT method

王洪淼, 杨健, 殷君君
中国科学: 信息科学, 2022, 52(4): 687-699
摘要 目前基于多幅极化SAR图像融合的遥感应用受到了广泛关注.图像配准是图像融合应用的一个关键预处理步骤.典型的SAR-SIFT配准算法不能利用极化SAR图像的目标极化信息.本文提出Wishart-SIFT配准方法,即利用Wishart梯度代替SAR-SIFT中的比值梯度,并基于此梯度建立改进的SIFT配准算法,从而充分利用极化SAR图像的目标极化信息.我们在RADARSAT-2和AIRSAR的数据集上分别实验验证了Wishart-SIFT方法在不同视角和不同频段极化SAR图像下的配准效果,结果显示Wishart-SIFT方法在配准精度和稳定性方面均优于SAR-SIFT方法.
关键词 极化SAR; 图像配准; SIFT; Wishart梯度; 多波段; polarimetric SAR; image registration; SIFT; Wishart gradient; multi-frequency;

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频谱拥挤环境下雷达扩展目标探测极小极大波形设计

Radar minimax waveform design for extended target detection in the presence of spectrally crowded environment

徐舟, 朱家华, 范崇祎, 黄晓涛
中国科学: 信息科学, 2021, 51(12): 2134-2148
摘要 雷达频段的逐渐拓宽以及5G通信的广泛应用使得频谱资源越发拥挤,宽带雷达在提高距离分辨率的同时,使得目标散射特征由原来的点特征向距离扩展特征转变.本文立足于频谱拥挤环境下的扩展目标探测波形设计问题,以输出信干噪比(signal to interference pulse noise ratio, SINR)为准则,通过建立极小极大(minimax)优化模型,研究在距离扩展目标冲击响应(target impulse response,TIR)非准确已知情况下,具有良好的频谱兼容与脉冲压缩性能的雷达波形设计问题,确保检测性能对TIR的偏差具有稳健性.在波形优化过程中,借鉴Minorization Maximization (MM)算法的思想,构造序列的子minimax问题对原波形设计问题进行逼近.针对子minimax问题,给出了基于拉格朗日(Lagrange)对偶的求解算法,并对算法复杂度和收敛性进行了分析.仿真结果表明,依照所提算法设计的波形能够满足频谱兼容性且具有较好的脉冲压缩性能,是一种稳健的检测波形,相比当前其他算法,所提算法能够确保迭代的收敛性,而且在TIR先验偏差较大时获得更高的SINR.
关键词 扩展目标探测; 频谱兼容; 极小极大优化; Minorization Maximization算法; 拉格朗日对偶; extended target detection; spectral compatibility; minimax optimization; Minorization Maximization algorithm; Lagrange duality;

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一种提高全极化相控阵雷达极化测量精度的方法

An approach to improve the polarization measurement accuracy of fully polarimetric phased array radar

王占领, 殷加鹏, 庞晨, 李永祯, 王雪松
中国科学: 信息科学, 2021, 51(7): 1183-1198
摘要 天线交叉极化隔离度与全极化相控阵雷达极化信息精确获取密切相关.为提高交叉极化隔离度,基于三馈点微带贴片天线阵元提出了一种全极化相控阵极化状态配置方法.不同于传统的固定极化状态,如线极化和圆极化,该方法可根据波束指向动态调整辐射信号的极化状态.将交叉极化隔离度提高问题建模成一个多变量带约束非线性最优化问题,从而实现全极化阵元激励幅度和相位的最佳配置.同时,为实现全极化相控阵在极化散射特性测量中的统一化表示,推导了任意极化状态下标准散射体的固有和后向散射矩阵的通用表达式.利用全极化相控阵天线验证了所提极化状态配置方法的有效性和可行性.通过仿真分析,结果表明该方法能够获得更高的交叉极化隔离度,并且能够适应相控阵天线波束宽角扫描特性.经过极化状态配置后的隔离度参数可以显著提高全极化相控阵雷达极化测量精度.
关键词 交叉极化隔离度, 全极化相控阵雷达, 极化测量, 极化状态配置, 三馈点微带贴片天线

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高光谱图像光谱维结构相关性及稀疏重建模型

Spectral dimensional correlation and sparse reconstruction model of hyperspectral images

王相海, 王顺, 谢释铖, 李业涛, 陶兢喆, 宋传鸣
中国科学: 信息科学, 2021, 51(3): 449-467
摘要 高光谱图像(HSI)的高维度、高冗余等特性给其传输和处理带来了极大的挑战.近年来基于压缩感知的HSI重建受到重视并成为一前沿问题,在这一领域中有效挖掘HSI的稀疏先验成为提高其重建质量的一个关键.本文首先定义了HSI波段组的"光谱维面",并以此为切入点对HSI光谱维的结构相关性进行研究,获得了如下结论:一是HSI光谱维面的纹理分布较空间域更为简单和均匀,且其纹理的对比度低、平稳度高,更容易被稀疏表达,二是在HSI光谱维面,与参考块相邻的搜索区域内存在着一定数量的与参考块具有较高相似度的光谱曲线块;进一步确定了基于光谱维面的HSI光谱维结构相关性的涵义,并提出了相应的稀疏测量模型;在此基础上,通过整合空间维非局部相关性与光谱维结构相关性的稀疏表示,提出了稀疏模型S-SCo SM,并以其为稀疏约束先验构建了HSI的稀疏重构模型.大量实验表明,所提出的稀疏模型S-SCo SM从空间维和光谱维两个角度更深层次地挖掘了HSI的相关性,获得了更为充分和有效的HSI稀疏约束先验,使HSI的重构质量得到进一步提升,在有效提高重构波段图像空间信息质量的同时,很好地保持了波段组的光谱属性.
关键词 高光谱图像; 光谱维面; 光谱维结构相关性; 联合稀疏; 稀疏重建; 波段组; hyperspectral image; spectral dimension; spectral dimensional correlation; joint sparse; sparse reconstruction; band group;

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构建我国近地小行星探测雷达系统的需求与技术途径探讨

Discussion on the requirements and feasibility of constructing China’s near-Earth asteroids radar system

李海涛, 刘建军, 陈少伍, 樊敏, 严韦
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 325-346
摘要 近地小行星既是人类科学探测的重要目标,也是对人类地球家园构成重要威胁的灾害之源.利用地基雷达系统进行近地小行星探测具有独特的技术优势.随着我国科技实力的不断增强,开展近地小行星雷达探测已经成为科学探测、国家安全和国际义务等领域的关注重点.本文以此为背景,探讨了我国在科学探测、国家安全和国际义务3个领域的近地小行星雷达探测需求,分析了国际上主要的行星雷达系统技术现状和后续重点技术发展方向.结合我国深空测控网和射电天文网的技术现状及未来的发展规划,对后续我国建设地基小行星探测雷达系统的主要技术途径进行探讨,并对不同技术途径的特点进行了初步分析.
关键词 近地小行星; 雷达探测需求; 行星雷达; 技术途径; near-Earth asteroids; radar detection requirements; planetary radar systems; technical approaches;

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复杂运动目标雷达成像研究进展

Progress in radar imaging for maneuvering targets

黎湘
中国科学: 信息科学, 2021, 51(2): 305-324
摘要 雷达成像是获取目标精细结构特征的重要技术途径.对于复杂运动目标,传统基于距离–多普勒(range-Doppler, RD)原理的逆合成孔径雷达(inverse synthetic aperture radar, ISAR)成像性能下降:在距离维上,高速运动导致一维距离像展宽,且雷达系统硬件能力制约了大带宽实现,约束成像纵向分辨率;在多普勒维上,非合作复杂运动呈现的时变和非线性破坏成像条件,约束成像横向分辨率.本文首先分析了复杂运动对ISAR成像的影响机理,接着从距离和多普勒两个维度,对复杂运动目标ISAR成像技术进行了综述,阐述了高速运动补偿、多频段融合成像、高次相位补偿与稀疏ISAR成像等技术途径.进一步针对ISAR成像体制的局限,阐述了复杂运动目标波前调制超分辨雷达成像新途径,其中包括波前随机调制和电磁涡旋两种技术途径.最后对复杂运动目标雷达成像进行了总结与展望.
关键词 逆合成孔径雷达（ISAR）成像; 复杂运动; 高速运动补偿; 多频段融合成像; 稀疏ISAR成像; 波前随机调制; 电磁涡旋; inverse synthetic-aperture radar(ISAR) imaging; complex motion; high-velocity compensation; multiband fusion; sparse ISAR imaging; wave front random modulation; electromagnetic vortex;