迈向原子时间分辨的时间放大技术

如何观测碰撞类过程、爆轰类过程、高电压放电类过程, 如何观测和研究固体中声子和激子的衰变和迁移、光合作用的原初反应过程、原子壳层内的电子动力学行为, 这需要研究时间放大的理论和技术. 本文在短时间放大技术的基础上, 重点研究原子时间的光信息放大机理和极高速成像技术. 变像管极高速成像的时间分辨率已达亚皮秒量级（扫描型）, 成像频率已达 6×108~5×109 fps （分幅型）; 非管极高速成像能达到107~1014 fps的成像频率, 其高速形成机理涉及到利用光的速度、光的并行性, 利用光的振幅、位相、偏振、波长, 甚至要利用光子的量子特性; 电磁波和粒子波的级联系统里能够同时实现极高的时间分辨率和空间分辨率, 能突破光频波段海森堡测不准关系的制约.     

多视观测下雷达转台目标成像的关键参数估计

转台目标模型是逆合成孔径雷达等高分辨率雷达成像系统的基本模型,联合利用多视角观测数据可有效提高转台目标的成像分辨率.针对目标转速、多观测视角差等先验条件未知的转台目标观测情形,文中提出一种基于距离多普勒图像域散射中心位置提取的目标转速、等效旋转中心及各次观测视角差的顺序估计方法.进而,结合卷积逆投影(CBP)算法,形成雷达转台目标高分辨率融合成像的完整方案,取得了优于单视角观测的成像分辨率.同时,分析了参数估计方法的性能及影响性能的若干因素,并通过Monte Carlo仿真验证了性能分析结果.最后,数值实验结果进一步验证了所提供参数估计方法的有效性.     

时间反转镜像技术在微波致热超声成像系统中的应用

论证了不同生物组织对微波能的吸收分布与微波致热声源分布的比例关系，然后将基于伪谱时域方法的时间反转镜像技术用于微波致热超声扫描成像系统中．仿真表明，在很低的信噪比和模型参数存在随机变化的情况下，基于伪谱时域方法的时间反转镜像结果仍然具有良好的成像对比度和成像分辨率．     

窄带雷达自旋目标成像

在详细分析自旋目标窄带雷达回波特性的基础上,提出基于复数后向投影算法的自旋目标成像算法,由于该算法利用旋转散射点的相位进行匹配搜索成像,因此具有较高的分辨率以及成像效率.同时,本文分析了该算法的分辨率及其对雷达脉冲重复频率(PRF)的要求.若目标转速较高而系统PRF无法满足,则根据压缩感知理论以及自旋目标ISAR数据的稀疏性特点,建立了方位欠采样条件下的成像模型,并提出基于正交匹配追踪的自旋目标成像算法.不同条件下的仿真结果验证了算法的有效性.     

综合孔径微波辐射计近场成像方法

随着数字集成技术的发展,综合孔径辐射计的应用越来越广泛,在近距离成像探测领域的应用需求也日益增长。由于近场条件下综合孔径成像机理发生变化,远场傅里叶变换法失效,必须建立新的近场成像算法。首先对近场可视度函数进行分析,指出了近-远场可视度函数的关联,在此基础上提出了基于面聚焦的广义逆数值求解近场成像方法。然后对点源目标和扩展目标进行成像仿真,并与相位修正傅里叶变换法对比,表明此方法的有效性和优越性。最后利用一维综合孔径辐射计开展实地外场成像试验,进一步验证了此方法的可靠性。     

星载合成孔径雷达TOPS模式研究

TOPS(循序扫描地形观测)模式作为一种新的星载合成孔径雷达(SAR)工作模式,通过天线波束指向的改变避免了扫描工作模式SAR图像的扇贝效应.本文给出了一种广义的SAR成像模型,适用于TOPS模式和其他工作模式,以模式因子描述天线的转角率、多普勒中心率、照射时间范围和方位分辨率.分析了TOPS模式带宽扩展和间隔缩放的信号特点及其处理方法,提出了一种以Chirp-z变换算法为基础,引入去转动函数解决输出长度问题的TOPS成像处理流程,最后通过点目标仿真验证了算法的有效性.     

太阳射电观测系统多通道变频电路一致性补偿方法与实现

地基太阳射电观测系统观测信号频带较宽,覆盖十米至毫米波段.限于ADC采样率和输入带宽,通常需要通过变频电路将射电信号分段变频后再进行模数转换.由于模拟器件的差异性,多通道变频电路存在幅相不一致的情况,造成通道间幅相误差,影响接收机测量精度,对极化测量影响尤为严重.本文通过测量太阳射电观测系统中变频电路各通道之间的幅频和相频偏差,计算出每个频点的补偿系数,存入太阳射电观测系统数字接收机的FPGA中.观测时,在FPGA中将ADC输入的数据进行FFT处理,每个通道各频点数据乘以相应补偿系数,削弱通道间不一致性,提升数据质量.选取山东大学槎山太阳射电观测站150～500 MHz太阳射电观测系统进行实验验证,经补偿后通道间幅度差降低至0.5 dBm以下,一些频点差值为0 dBm,相位一致性得到显著提升.实际应用表明,本方法为提升宽频带变频电路一致性提供了解决方案,为低频对周天线阵数字波束合成、同频段多天线相干测量的多通道一致性校正提供了有效参考.     

基于密集采样成像算法的全芯片可制造性检查技术

分辨率增强技术(Resolution Enhancement Technology，RET)在集成电路制造中的应用使得光刻用掩模图形日趋复杂，而掩模制造成本和制备时间也随之增加．由于光刻工艺包含了一系列复杂的物理和化学过程，分辨率增强技术本身很难保证其输出结果的正确性，因此在制造之前，利用计算机对已经过处理的版图作可制造性验证变得十分必要．文中介绍了光刻建模、成像模拟和问题区域查找的算法，回顾和比较了当今流行的post-RET验证方法，并阐述了基于密集采样成像算法(Dense Silicon Imaging，DSI)的可制造性验证的必要性．并在密集采样成像算法的各个关键步骤提出了新的加速算法．在新算法的帮助之下，以往由于计算量太大而被认为不实用的基于密集采样成像的可制造性检查得到了实现．文章的最后部分给出了密集采样成像算法在实际中应用的例子和实验结果．     

基于时频特性的窄带高速自旋目标运动估计及成像算法

针对窄带观测高速自旋目标的逆合成孔径雷达成像,考虑径向运动未精确补偿情况下,利用回波时频特性对自旋目标的运动参数进行高精度估计,并提出了相干单距离Doppler干涉高分辨率二维成像方法.该算法利用相干积分的方法对目标的二维时频谱密度函数进行重构得到目标的二维分布,较原来的算法在分辨率方面有较大改进,在低信噪比条件下同样适用.仿真验证了算法的有效性和参数估计的高精度.     

基于MAPC-RISR的MIMO雷达距离——角度二维超分辨率成像算法

MIMO雷达作为一种新型的雷达体制,其成像兼具实时性和高分辨率的特点,为了充分发挥MIMO雷达在成像方面的优势,提出一种高分辨率的MIMO雷达成像算法.首先将MIMO雷达成像过程分为距离向脉冲压缩和方位向聚焦成像两个过程,采用多波形自适应脉冲压缩技术(MAPC)实现距离向脉冲压缩和发射波形分离,然后在MIMO雷达虚拟阵列端利用超分辨率空间谱估计方法(RISR)进行方位向聚焦成像,得到了观测区域的距离—角度二维高分辨率的成像结果.理论分析表明,与已有的MIMO雷达自适应成像算法相比,所提方法降低了算法复杂度,提高了运算效率.仿真实验验证了所提MIMO雷达成像算法的有效性与优越性.     

面向AFM的纳米目标快速重定位方法

原子力显微镜（atomic force microscope,AFM）具有极高的观测分辨率和作业精度,在纳米材料表征与纳米器件组装方面发挥了不可替代的作用.AFM工作区域的选取依赖于光学显微镜,受可见光波波长的限制,光学显微镜的分辨率一般不超过200 nm,这导致光学显微镜无法有效辨识AFM观测目标样本所在的区域.当样本被移动或者更换AFM扫描探针引起样本与探针针尖的相对位置发生变化时,如何重新将AFM探针精确定位到原观测/操作区域具有非常大的挑战性.本文研究提出了一种新的免标记探针重定位方法,综合考虑了样本角度旋转与位置偏移两个因素,首先利用光学显微镜选取样本基底上易于识别的自然特征作为参照点,基于坐标变换原理实现微米级精度的探针盲定位,进而通过AFM扫描图像的匹配获得X-Y水平方向的位置偏差,通过修改AFM的扫描参数实现纳米目标的原位快速精确重定位.该方法的优点在于不需要在纳米目标样本操作区域上制作特殊的标记,操作过程简单、定位快速、定位范围较广且具有极高的重定位精度.对纳米小球、单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWCNTs）、纳米划痕等样本的重定位实验验证了该方法的实用性和高效性.     

采用加权选通信号的扫描自测试方法

提出了一种采用扫描选通信号基于扫描的自测试方法.各扫描链所对应的权值可通过该算法计算出.在这种测试模式下,测试响应的收集可能在任意时钟进行.该方法力求最大限度地提高数字系统内部节点的可控度和可观测度,从而在几乎不带来额外硬件开销的情况下获得尽可能高的故障覆盖率.实验证明,此方法取得了很好的效果.     

基于压缩感知的多角度合成孔径雷达成像

多角度合成孔径雷达（syntheticapertureradar，SAR）成像是实现多SAR信息融合的重要方式．对提高成像分辨率．重构目标轮廓进而提高雷达目标检测或分类性能具有基础性价值．由于各传感器发射信号和测量位置的多样性，实现多角度SAR成像具有挑战性．如何在噪声干扰情况下快速实现多角度SAR成像是一个新问题．本文建立了基于压缩感知的多角度SAR测量模型．通过对测量矩阵的分析，证明多角度SAR测量角度范围、发射信号载频和空间采样位置是影响成像性能的关键因素，研究了目标空间离散间隔对成像质量和分辨率的影响．以上述分析为基础，本文对多角度SAR发射信号载频和测量位置进行设计，构建满足约束等距性的测量矩阵．针对测量矩阵阶次较高的问题，文章提出用分段正交匹配追踪（stagewiseorthogonalmatchingpursuit，STOMP）进行模型求解，在测量矩阵欠定严重的情况下，该算法可以迅速求得模型最优稀疏解．在实验环节．通过分析多角度SAR参数对成像性能的影响，进一步验证了本文结论．实验验证了模型和相应求解算法的有效性和鲁棒性．     

稀疏化的压缩传感超声图像重构特性研究

传统医学超声成像射频信息存储数据量大,传输耗时且成本高.基于稀疏化的压缩传感技术,研究超声图像的稀疏特性,利用离散余弦变换(DCT)对原始超声图像进行稀疏变换,在稀疏域内进行压缩采样获得降采样数据,然后通过求解L1范数重构原始图像.理论和实验表明,该方法可以很好地应用到超声图像的重构中,且随着稀疏度的减小和测量值的增加,重构图像的峰值信噪比(PSNR值)增加,重构图像的视觉效果较好.     

一种新的顺序数据同化方法

将Monte Carlo方法和H∞滤波技术结合起来,提出了一种适用于非线性系统在不知道观测资料误差统计特性情况下的Monte Carlo H∞滤波顺序数据同化新方法.分别利用Lorenz（1963）系统和浅水方程组对在实际应用中遇到的观测误差时间相关和空间相关问题与集合Kalman滤波同化方法进行了对比数值试验.在观测误差时间或者空间相关且不知道相关统计特性的情况下,新方法的同化结果比集合Kalman滤波方法的更好.结果表明Monte Carlo H∞滤波同化方法对非线性系统是有效和适用的,它不依赖于观测资料的误差估计,对观测误差统计特性的变化具有较好的鲁棒性.另外,新方法中用搜索法寻找到的最小水平因子是随流型演变的.     

多通道雷达天线阵列的设计理论与算法

多通道雷达天线阵列的设计,尤其是MIMO雷达阵列的设计是一个全新的研究内容,涉及MIMO雷达的目标回波空间分集实现、空间采样能力,由此影响目标参数估计、DOA和雷达成像性能.论文从目标散射模型、收发信号模型出发,提出了基于空间卷积理论的MIMO雷达天线阵设计方法与算法,着重分析和介绍了收发复用线性阵情况下的MIMO雷达阵列设计算法,给出了并证明了其等效接收阵列存在的充要条件,在此基础上,论文以目标成像的空间采样和DOA估计性能为例,给出了典型的空间采样模型,对于空间卷积不存在解析解的空间采样模型,也给出了逼近算法.     

机载三波长激光雷达系统

为适应中高空机载多波长激光雷达对地高分辨三维成像发展需求,实现光谱和水陆一体化探测目的,本文提出了一种三波长线性和单光子复合探测激光雷达系统,采用三波长阵列光束照明结合菲涅尔棱镜圆锥扫描方式,实现机载平台快速对地多波长三维成像.本文从系统工作原理出发,详细介绍了三波长激光光源模块、菲涅尔棱镜光束扫描模块、多波长共轴收发光学系统以及线性和单光子复合探测、采集、数据处理等部分.多波长激光共孔径收发、同步采集、处理、存储,保证了光谱与空间几何数据在空间和时间上的完整性和一致性,进而为多波长数据融合和水陆一体化探测提供数据支撑.为测试和评估机载三波长激光雷达的性能,首先进行了系统静态测试,完成了三波长3.6 km目标静态测距试验;然后进行了地面动态测试,完成了系统软硬件联调试验,成像数据与商业雷达基本一致;最后通过机载飞行试验,完成了城市、工业区、丘陵、水库等区域机载对地三波长三维成像,初步实现了水陆一体化探测和三波长线性与单光子数据在光谱和空间维度上的融合.     

基于异步双精度滚动窗口的无人机实时航迹规划方法

针对动态环境中的无人机实时航迹规划问题,提出了一种基于异步双精度滚动窗口的快速规划方法.分别在全局窗口和局部窗口内进行粗略的和精细的航迹规划,并按照不同方式采用不同频率推动窗口滚动,综合应用全局重规划与局部重规划.实验表明,该方法时间效率高,通过调节窗口范围和采样精度,易于平衡实时航迹规划最优性与快速性.     

基于压缩感知的土壤呼吸监测传感网动态采样调度策略

土壤呼吸监测传感网通常部署在野外,无法直接访问电力,并且土壤呼吸测量过程比较复杂、能耗较高,因此在满足重建准确度要求的前提下,希望以尽量少的采样次数来进行测量.利用土壤呼吸真实物理过程中时间序列的相关性,可以采用压缩感知理论来实现采样调度.本文提出了一种基于压缩感知的分段动态采样调度策略:利用前期测量数据进行分析得到的先验知识,对测量时间区间的数据序列进行分段线性拟合,依据分段数据子序列的线性程度度量指标,动态确定各段的采样率.土壤呼吸测量仪在进行监测时,按照分段动态变化的采样率构造压缩感知采样和重建所需的测量矩阵.实验结果表明,相比平均采样率相同的固定采样策略,本文提出的分段动态采样策略能够得到更好的重建质量,即如果以确定的重建误差阈值作为需求,则本文的动态采样策略具有更小的采样率.虽然计算动态采样率会带来一定的计算开销,但减少的采样次数可以节省更多的能量.本文提出的基于压缩感知的分段动态采样策略,虽然在土壤呼吸监测传感网的应用场景中进行了实验和分析,但其思想对于其他类似应用的采样调度和节能问题也具有借鉴价值和潜在的可应用性.     

毫米波宽带太阳射电观测系统的信号平坦度补偿方法

在太阳射电观测系统中,接收机作为核心部分将天线接收到的太阳射电信号进行放大、滤波、数字化处理等操作后生成射电频谱.但接收机内部各种器件的幅频特性不一致性将导致接收机输出信号失真,这种失真在宽带信号时更加严重,使系统输出信号平坦度变差,进而影响观测系统数据的准确性.通过分析,信号不平坦主要来源于系统固定增益的不平坦度及随...