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[博士论文] 耿杰
信号与信息处理 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种主动式微波遥感技术,能够全天候、全天时地获取高分辨率图像,已经广泛应用于军事目标识别、海洋环境监测、城市覆盖调研等领域。SAR遥感图像分类通过分析地物后向散射特性等信息,实现地物分类,是SAR遥感解译的重要内容。然而,由于SAR图像存在固有的相干斑噪声,目标存在歧义性与不稳定性,不同区域特性不均匀等问题,如何自动的实现高精度SAR图像地物分类仍然是亟待解决的难题。
  本文以实现SAR遥感图像分类为主要研究目标,结合SAR图像的特点,研究基于深度学习神经网络的特征提取与分类方法。本文的主要工作如下:
  首先,SAR图像固有的相干斑噪声导致其有效特征缺乏,针对此问题,提出了深度卷积自动编码网络,挖掘SAR图像潜在的空间特征。深度卷积自动编码网络采用经典滤波器组构成的卷积层获得初始特征表示,利用尺度变换层去除相干斑噪声,采用多层稀疏自动编码器提高特征的区分性,通过形态学校正的后处理减小相干斑噪声对分类的影响。为了在有限训练样本情况下提高分类精度,提出了权值融合表示分类器,实现了测试样本在训练字典表示“竞争性”与“协同性”之间的平衡,从而进一步提高SAR图像分类精度。
  其次,SAR图像获得的目标特性存在歧义性与不稳定性,针对此问题,提出了深度监督收缩网络,提取SAR图像样本特征与类别标签之间的相关信息,提高特征表达的区分度与鲁棒性。深度监督收缩网络利用样本标签的监督项来引入高层语义信息,克服目标歧义性的问题;利用编码函数惩罚的收缩项来增强局部不变性,克服目标不稳定性的问题。为了丰富SAR图像的初始特征,提出了多尺度图像块特征提取模型,能够获得SAR图像低层、中层特征描述。为了更好地抑制相干斑噪声对分类结果的影响,提出了基于图割的空间平滑后处理模型,能够减小误分类杂点。
  再次,SAR图像不同区域特性不均匀导致传统特征提取模型的泛化能力有限,针对此问题,提出了深度循环编码网络,实现全自动的特征提取与分类,增强特征提取模型的泛化能力。深度循环编码网络由图像块循环神经网络和非负Fisher约束编码网络两部分组成。图像块循环神经网络自主学习像素间的相关特性,能够获得SAR图像的空间上下文特征,实现SAR图像自动特征提取。非负Fisher约束编码网络利用非负约束提高编码表示的稀疏性,采用Fisher约束提高特征表达的类内紧凑性,能够增强特征判别能力,从而达到提高分类效果的目的。
  最后,开展了基于SAR图像的海洋养殖浮筏分类提取应用研究。针对海洋SAR图像存在更加严重的相干斑噪声的问题,提出了一种迭代低秩表示算法,不仅有效去除海洋SAR图像的相干斑噪声,而且使得养殖浮筏的轮廓信息更加清晰。针对海洋养殖浮筏分类提取问题,分别采用本文提出的三种深度神经网络进行提取,验证本文提出的深度网络在实际应用中的有效性。
  综上,本文通过对SAR遥感图像的深入分析,研究了基于深度学习神经网络的分类方法,提取了丰富而有效的SAR图像特征,实现了自动的高精度分类,并成功地应用于海洋养殖浮筏分类提取任务,可以为SAR遥感智能解译提供有效方法。
[硕士论文] 邢万里
森林工程 东北林业大学 2018(学位年度)
摘要:地基激光雷达(Terrestrial Laser Scanning,TLS)已经被广泛应用于林业资源调查中,能够实现样地内林木三维结构参数的高精度自动提取,并为大尺度遥感技术如机载激光雷达(Airborne Laser Scanning,ALS)提供大量高精度的地面验证数据。TLS的工作方式分为单测站和多测站,相比较而言,多测站工作方式能够获取样地场景更完整的信息,无论是单木识别率还是林木结构参数提取精度都优于单测站,因此多测站的工作方式在样地调查中应用的更为广泛。已有的TLS点云数据自动配准算法多基于线和面,无法直接应用到林地场景,而传统的人工设置标靶辅助点云数据进行配准的方法工作效率较低。针对已有的TLS点云数据自动配准算法不适用于林地场景的问题,本文提出了一种不需要任何辅助工具的林地TLS点云数据自动配准算法。主要研究内容与实验结果如下:
  (1)针对目前的地面点滤波算法在林分ALS点云数据中应用较好但不适用于林地TLS点云数据的问题,本文提出一种基于八叉树的地面点滤波算法。实验结果表明,该算法充分利用构建八叉树过程体元尺度依次减半的特点,只需设置地面点的分辨率即可实现地面点的全自动高精度滤波。
  (2)针对目前广泛使用的树干点识别算法存在树干点识别精度和效率较低的问题,本文提出了一种基于体元投影密度的树干点识别算法。实验结果表明,该算法能够实现逐体元的树干点识别,提高了树干点识别的效率,并且树干点识别结果的噪声比很小,即在提高效率的同时也提高了树干点识别的精度。
  (3)基于准确识别的地面和树干点云数据,本文提出了一种适用于林地场景的TLS点云数据的自动配准算法。实验结果表明,利用单木位置和胸径信息能够快速搜寻同名点,并实现点云数据的粗配准。针对匹配的树干和地面数据,利用ICP算法能够实现点云数据的精配准,最终实现点云数据的高精度自动配准。
  综上所述,本文将配准过程分为两步:粗配准和精配准,逐步实现林地TLS点云数据的高精度自动配准。基于识别的高精度地面点和树干点估测的单木位置和胸径可用于快速准确的获取基准站和配准站的同名点,实现点云数据的粗配准,在粗配准的基础上使用ICP算法经过多次迭代可实现林地点云数据的高精度自动配准。
[硕士论文] 高丽清
模式识别与智能系统 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:海洋安全监控已成为国民经济可持续发展的一项重要任务,高频地波雷达(High Frequency Surface Wave Radar,HFSWR)使用高频电磁波沿海洋表面绕射传播的特性实施广泛区域内的全天候监测,实现海洋船舶目标的超视距探测。使用HFSWR可实现对我国海洋专属经济区的有效监控,维护国家海洋权益。论文研究HFSWR回波数据生成的距离-多普勒(R-D)图,探索在R-D图中检测船舶目标的算法,完成的主要内容如下:
  1.给出HFSWR和舰船自动识别系统(Automatic Identification System,AIS)数据的来源、组成以及信息处理的流程,对比分析两种数据的不同点。
  2.研究HFSWR回波信号中海杂波、地杂波和电离层杂波的形成原因及特性,针对不同的杂波设计采用对应的方法抑制干扰,稳定检测背景信号,减少杂波干扰对目标检测的影响。
  3.采用了自适应曲线拟合、CA-CFAR、双参数CFAR算法,完成了R-D图差分共四种船舶目标检测算法。自适应曲线拟合和CA-CFAR算法通过设定检测阈值探测目标信号,超过阈值的信号是检测到的目标。双参数CFAR算法根据目标在R-D图中占据单元格的大小设定滑动窗口,滑动窗口可以判断窗口内的信号是否为船舶目标。R-D图差分法是将相邻时间的R-D图看成两帧图像,对相邻时间的两帧图像取差可检测到待定目标,再依据目标速度的时间相关性,对待定目标做最终确认,进而获得真实的船舶目标。
  4.用AIS数据对上述四种算法获得的结果进行验证。将HFSWR数据与AIS数据进行时空统一处理,采用AIS数据信息对文中四种算法的目标检测结果进行匹配和对比。
  经实验验证,本文完成的算法是有效的,而且已投入实际应用。
[硕士论文] 杨启松
模式识别与智能系统 内蒙古大学 2018(学位年度)
摘要:高频地波雷达是海上目标大范围遥感探测的主要手段,相对于传统大型阵列高频地波雷达,小孔径的紧凑型地波雷达具有占地面积小、发射功率低、方便维护和架设等优点。为了扩大雷达的探测范围,可以利用多站高频地波雷达进行组网观测,通过融合多站雷达探测的信息,提高海上目标的探测性能。目前,开展双站紧凑型高频地波雷达目标探测的研究较少,因此本文针对双站紧凑型高频地波雷达的目标关联进行研究,论文主要完成的工作有:
  1.针对双站紧凑型高频地波雷达目标点迹关联问题,总结了目标点迹关联的流程。利用双站紧凑型高频地波雷达定位精度,确定了双站点迹粗关联方法和关联门限的大小。对于粗关联后可关联点迹集中出现的问题,采用了最近邻点迹关联方法解决。由于该方法点迹关联准确率较低,提出了基于拍卖算法全局最优的点迹关联方法。仿真分析表明:基于拍卖算法全局最优的点迹关联方法可以有效对目标点迹进行关联,并且比最近邻点迹关联方法的关联准确率高。
  2.为了开展双站紧凑型高频地波雷达航迹关联方法研究,总结了紧凑型高频地波雷达目标跟踪流程。为了提高目标跟踪中的精度,采用了无味卡尔曼滤波。针对目标跟踪中多个点迹落入航迹关联门限内的问题,采用联合概率数据关联算法解决。由于该算法复杂度高、计算量大,将模糊联合概率数据关联算法引入到紧凑型高频地波雷达目标跟踪中,仿真结果表明:基于模糊联合概率数据关联算法的跟踪方法可以有效跟踪目标航迹,跟踪效果与联合概率数据关联算法相当,且运行时间明显减少,适合工程应用。
  3.针对双站紧凑型高频地波雷达目标航迹关联问题,总结了双站紧凑型高频地波雷达航迹关联流程。利用航迹跟踪后目标的状态,确定了双站航迹粗关联方法。针对航迹粗关联后可关联航迹集中出现的问题,采用基于序贯相似度的全局最优航迹关联方法解决。仿真结果表明:基于序贯相似度的全局最优航迹关联方法可以有效对航迹进行关联,随着航迹长度的增加,关联准确率整体呈现上升趋势并逐步稳定。
[博士论文] 王小珍
地图学与地理信息系统 浙江大学 2018(学位年度)
摘要:浅海水深数据是进行科学研究和海岸管理的重要基础。近岸地形地貌及海岸带环境演变分析大多依赖于船载测深手段,缺乏大范围实时数据的更新,尤其在水浅坡缓的岸滩区域,仍然存在水深数据空白。合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)可以探测水下地形及岸滩变化,作为一种新兴的海洋测深手段,以其独特的优势在一定程度上弥补了传统测深方法的不足。
  本文主要采用数值模拟方法和SAR遥感技术研究浅海水下地形的成像机理和水深反演方法。首先利用流场数值模型分析了两种典型地形对不同方向流场的调制作用,并集成三维水动力模型和成熟的二维雷达成像模型构建了浅海典型水下地形的二维SAR遥感成像模型,分别对近岸平行流场条件下的珠江口伶仃航道地形和复杂流场条件下的苏北浅滩辐射沙洲地形的SAR遥感成像特征和成像过程进行了分析。在此基础上,发展了适用于苏北浅滩沙脊和潮沟相间分布地形的二维水深反演方法,进而结合SAR遥感影像,完成了浅海水下地形反演和地形迁移变化监测的探索性研究。本文的主要研究内容和成果如下:
  (1)在前人研究的基础上,以沙波(正地形)和航道(负地形)两种浅海典型水下地形为研究目标,引入三维水动力模型进行流场数值模拟。将描述水下地形和流场相互作用的流场模型由二维拓展到三维,对水下地形在平行流场、垂直流场以及一般方向流场中各流速分量、海表流速和流速梯度的三维空间分布进行了分析,对水下地形和三维流场的相互作用机制有了新的认识。
  (2)集成三维水动力模型和二维雷达成像模型,建立了珠江口航道地形SAR遥感成像模型。流场模型实时模拟了珠江河口区域复杂的水动力环境以及航道地形所引起的海表面流场变化,通过雷达成像模型得到模拟的SAR图像,与真实SAR遥感影像和水深数据的良好对比结果证明了该模型具有对水下地形进行SAR遥感成像的能力,为后续苏北浅滩辐射沙洲地形的成像研究奠定了基础。
  (3)集成三维水动力模型和二维雷达成像模型,建立了苏北浅滩辐射沙洲地形SAR遥感成像模型,针对太平沙区域进行流场的实时动态模拟和水下地形雷达成像仿真。定性分析了浅海水下地形雷达成像的影响因子,比较了水深和坡度对雷达后向散射信号的影响。结果表明,雷达后向散射强度受平均水深变化的影响较小,受水下地形坡度变化的影响较大。
  (4)基于苏北浅滩地形数据的先验知识,对太平沙研究区沙脊和潮沟相间的水下地形进行了形态拟合,集成苏北浅滩辐射沙洲地形的SAR遥感成像模型,发展了浅海二维水下地形的反演方法。利用SAR遥感影像,对太平沙研究区水下地形的反演做了探索性研究。
  (5)采用苏北浅滩水下地形SAR遥感反演体系中对地形位置的提取方法,利用长时间序列的多种遥感影像,对苏北浅滩麻菜珩和外磕脚两个领海基点所在区域进行了地形迁移变化研究。结果表明,两个区域的地形会发生不同方向的迁移,但在长时间尺度和大空间尺度上保持平衡。
[硕士论文] 高超
测绘工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:SAR立体测图能够提取精度较高的地表三维信息,与稀少控制点区域网平差相结合,成为目前一种较为稳健的SAR测图方法。机载SAR由于其获取干涉和非干涉数据方式简便,获取时间、空间具有可控性,在实际测图中也得到了广泛应用。但稀少控制点区域网平差所需的同名连接点基本是靠人工选取,测图效率较低,机载SAR影像间几何畸变严重,灰度差异大,导致机载SAR影像间匹配精度较低。如何实现自动化、高精度匹配成为机载SAR立体测图实际应用的技术难点。本文针对以上所述匹配难题,充分发掘、利用SAR影像的辅助数据,主要包括InSAR数据和POS数据,提出了InSAR辅助机载SAR影像匹配方法。
  本文主要研究内容包括:
  1.InSAR高程和SAR影像地理编码:传统影像的地理编码依赖于带有高精度地理坐标信息的高程数据,原始InSAR相位高程带有高程信息,但不带有地理平面坐标信息,本文利用POS数据和InSAR相位高程数据,首先对InSAR数据进行了地理编码,获取InSAR DSM编码产品。然后利用带有地理坐标的InSAR DSM数据,对SAR影像进行了纠正。重点对POS数据支持下的InSAR相位高程直接和间接地理编码方法进行了研究。
  2.机载InSAR数据辅助SAR影像匹配:机载SAR影像易受到飞行条件等因素影响,影像质量相对较差,存在斑点噪声,导致匹配的成功率和精度较低,成为SAR影像自动处理的技术难题。本文提出了InSAR相位高程数据辅助SAR影像匹配方法,即利用相同位置InSAR像元与SAR影像像元目标相同、编码后的InSAR DSM一定区域内相对形变较小的特点,通过InSAR DSM之间的匹配并借助InSAR与SAR数据严密的几何转换关系,间接方式获取SAR影像匹配同名点,为SAR影像的匹配提供了一种新的尝试,为SAR影像的自动空三提供新的解决思路。
  3.InSAR辅助SAR影像匹配技术方法的验证:通过在待匹配影像上手工量测参考影像的同名点,与本文匹配技术获取的同名点进行偏移误差计算,获取本文匹配方法的精度和准确率;通过与尺度不变特征转换(SIFT)算法结果进行比较,对本文匹配方法的效果和性能进行评价。
  理论方法和试验结果表明,本文方法的匹配准确率在70%左右,匹配精度达到1~3个像素,准确率和精度均显著高于传统的机载SAR影像直接匹配算法。
[硕士论文] 姚晓杰
计算机科学与技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是一种主动式的微波成像传感器,不受时间、地理条件和天气的限制,通过发射电磁波和接收电磁波获取地面目标点的回波信息,通过对得到的回波进行处理,得到相应地面目标点的实际信息,在军事监测、灾害评估、资源勘测等领域有着广泛的应用。由于雷达获取的实际回波数据掺杂较多干扰信号且获取成本高,目前在算法研制阶段,多采用模拟仿真的方式获取原始回波信号供后续研究使用。
  现如今,雷达可根据当前观测地形采用不同的工作模式,对应于回波模拟,需要对多种雷达工作模式进行仿真。本文通过对雷达飞行时条带模式、扫描模式、滑聚模式和TOPS模式进行分析总结,基于条带模式模拟仿真流程,提出多模式统一模拟仿真流程并进行模拟实现。
  雷达分辨率的提升对模拟仿真而言,需要在仿真区域设置更多的目标点。随着仿真目标点的增多,传统串行模拟仿真时间的时间大幅上升,为了高效的获取雷达回波数据,本文将高性能计算与回波模拟结合起来,通过图形处理器(Graphics Processing Unit,简称GPU)对回波模拟仿真过程进行优化。在优化过程中,根据模拟仿真设备配置的不同给出了三种不同的优化方法:
  (1)模拟仿真设备配置一块GPU:通过对仿真过程及GPU特性的分析,发现GPU处理模拟仿真时产生原子加问题,成为影响GPU性能的瓶颈。为了解决回波模拟原子加问题,本文提出三种改善性能瓶颈的策略:分块策略、流策略和线程任务分配策略,并通过实验数据证明三种策略的优化性能。
  (2)模拟仿真设备配置多块GPU:对模拟仿真任务进行切分,采用基于共享内存的并行编译处理方案OpenMP分配与GPU设备数一致的线程,不同的线程负责不同的GPU设备,最后完成模拟仿真结果的整合。
  (3)模拟仿真设备配置多机多GPU:在单台模拟仿真设备配置多块GPU的基础上,提出基于消息传递接口MPI和基于Hadoop的两种框架解决多机间通信问题,通过实验数据证明两种框架的优化性能。
[硕士论文] 汤晗媛
计算机技术 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)是一种搭载在卫星上,利用合成孔径原理实现高分辨率微波成像的对地观测系统。由于具备全天时、全天候以及一定穿透地表能力的特点,所以在军事、民用等领域有着广泛的应用。
  随着科技的发展和需求的增加,星载SAR朝着多模式、多极化、高效性等趋势发展。为了支撑星载SAR地面处理系统正常工作,会对星载SAR回波仿真系统提出更高的要求,在保证星载SAR回波仿真系统满足实际系统工作特点的同时,还要求其能具备真实性以及高效性,因此给星载SAR回波模拟系统的设计带来了巨大的挑战。
  本文针对多模式星载SAR回波系统提出一种通用的模拟方法。通过介绍星载SAR基础技术,展现星载SAR回波系统的工作特性。然后详细地阐述不同工作模式下星载SAR的工作特点,借助其共通性将多个模式统一到一个系统中。通过改进相关算法,利用并行架构提升系统的性能,并通过引入多种真实系统误差,提高模拟的真实性。
  首先,研究低轨道星载SAR基础技术,重点介绍了卫星平台建模、目标建模、有效载荷建模以及星地几何建模四个方面,展示了多模式星载SAR基本工作特点。
  其次,研究了同步轨道星载SAR回波模拟相关的关键技术。通过对比低轨道和同步轨道星载SAR工作上的不同特点,从轨道建模、斜距建模两个个角度进行阐述,来研究同步轨道星载SAR回波模拟技术。
  最后,借助距离频域脉冲相干法建立多模式星载SAR回波数据生成模型,为体现真实性,引入模糊度模拟。并将该通用模拟方式移植到两种模拟系统中进行验证。一种是基于地面计算平台设计的多模式星载SAR回波模拟系统,实验表明,该系统能够有效地进行多种工作模式下回波数据的模拟。另一种则是基于低功耗GPU计算平台设计的能进行实时成像的星载SAR回波模拟验证系统,实验验证了其有效性的同时,亦证明其实时性的特点,为今后研究星载SAR技术发展奠定基础。
[硕士论文] 陶云红
物理学 北京化工大学 2018(学位年度)
摘要:船只目标的检测在海洋监视应用领域发挥着重要作用,如渔业管理,船舶搜救,溢油污染监测等。合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)以其穿透能力强、空间分辨率高、可以全天时全天候成像的特点,成为了观测海上船只目标的重要遥感工具。随着合成孔径雷达成像技术的不断发展,许多SAR系统都可以提供多极化的数据,与单极化SAR数据相比,多极化SAR数据包含了四个极化通道的信息,如HH,HV,VH和VV通道,蕴含了丰富的极化信息,为进一步提高船只目标检测的准确率提供了可能,因此近年来,利用极化SAR数据对船只目标进行检测吸引了众多学者的关注。
  在极化SAR数据的众多极化信息中,目标的散射机制特性是一种重要的信息,对检测海上的船只目标有着重要的作用与意义,为此,本文开展了如下研究:
  1)利用散射相似性参数来分析极化SAR数据中船只目标与海面的主要散射机制特性,避免了传统极化分解方法提取目标散射机制信息时的复杂运算,从而提高了检测算法的效率;
  2)基于船只目标与海面散射机制的差异性,提出了一种新颖的船只目标检测量,该检测量有效增强了船海间的对比度;
  3)基于核密度估计提出了对检测量的模型估计方法,并结合CFAR检测技术实现船只目标的检测。
  为验证本文所提模型估计方法对检测量的拟合精度以及检测量对船只目标的检测性能,本文对两景C波段的全极化SAR数据进行了实验,并同时做了对比实验。两景数据的实验结果均证明了所提模型估计方法的准确性以及检测量对船只目标检测的有效性。
[硕士论文] 高鹏鹏
信息与通信工程 中北大学 2018(学位年度)
摘要:无线电测距是一种在电磁波应用技术基础上的测距方法,在军事、通信领域具有广泛应用,如无线电近炸引信,利用无线电对于目标距离的探测,从而获得引信引爆的时间等。随着无线电测距应用领域的不断深入,对于探测的广度、精度以及对周遭环境干扰的抵抗程度等性能的要求也越来越高。传统的无线电测距过程中,环境噪声的制约使得实际测距结果与理论计算值之间存在一定差距。针对当前无线电测距受噪声干扰导致测距精度不高的问题,提出了基于混沌信号的无线电测距系统研究,以期利用混沌信号的独特性能来完成对受噪声问题影响的无线电测距系统性能的改进。
  本文在传统无线电测距的基础上,引入混沌信号,利用宽带混沌信号的类噪声性、高频性、尖锐的自相关函数等特性,来提高无线电测距的精度。首先学习混沌系统的基本原理,运用仿真软件对不同混沌振荡电路进行仿真分析,得到最优的Colpitts振荡电路后并进行改进;之后完成混沌信号由仿真到实际的输出,并完成混沌收发电路的设计,包括压控振荡器、放大电路、耦合输出等,最后将混沌参考信号与反射接收的回波信号进行相关算法的研究处理,完成整个无线电测距系统的研究设计。
  实验结果表明,基于混沌信号的无线电测距系统测量的最远距离为6.98m,测距精度为1cm,相较于普通超声波或脉冲信号做探测信号的无线电测距系统精度有一定程度的提升,基本可以满足无线电的测距需求。但探测距离的优化和改进相对较小,在未来的研究过程中,需要在此基础上增加探测距离,对数据研究的算法进行进一步提高。
[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] 麻文刚
通信与信息系统 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:随着工业现代化进程的推进,物位测量设备与环境交互也在快速增加。导波雷达物位计作为新型物位测量仪器,以其耐高温、高压、真空以及受温度粉尘影响小等优点,广泛应用于工业领域。将导波雷达物位计与现场总线结合进行测量物位,能够解决传统意义上的4~20mA回路只能传输单一参数的问题,也保留了对原来的4~20mA模拟回路的兼容性。但测量物位计中存在传感器自身结构产生的回波、二次回波叠加、随机尖峰脉冲及噪声等,导致物位回波中存在虚假回波干扰。本文针对高温、粘稠等恶劣工业应用环境,在HART通信协议与物位测量方法研究基础上,完成了回波信号的采样,对现场回波信号进行识别,得到真实物位回波;采取相应去噪方法消除物位回波中的噪声干扰;利用粒子群方法对测量的物位值样本分析,使得物位值更加可靠。论文在数据处理的基础上完成了软硬件设计,研制出了一套高精度的物位计。
  论文的工作内容主要体现在以下几个方面:
  (1)利用现有设备对高频回波信号进行采样时,难以获取信号的全部特征,导致信号采集不完整。为此,基于回波信号的周期性特点,提出了采用等效采样原理对雷达回波信号处理,将高频信号进行重复采样,在不断增加采样周期的情况下,完成对高频回波信号的时间间隔检测,同时根据RAM与基准时钟提出的混合等效采样完成对信号时间的检测;利用多普勒效应原理进行混频分析,识别多参数物位回波,在MATLAB环境下,得到了含有杂波与不含杂波的信号频谱,对不同的雷达回波信号进行了识别仿真,进而确定出了物位回波。
  (2)针对回波信号中的各种噪声信号干扰,通过自适应最小均方误差算法(Least MeanSquare,LMS)对物位回波信号进行前端处理,利用系统迭代权矢量进行权系数更新,实现LMS滤波;提出利用小波变换处理回波信号,在MATLAB环境下,分析了Sy4、Sy8和Haar小波基处理回波信号的优缺点,利用去相关检验原理确定最优分解层数,提出了改进后的小波变换进行阈值去噪,并且对比了几种小波基对信号的去噪性能;利用粒子群优化方法对测量的物位值样本分析,进行粒子建模,并且提出改进的盲均衡算法,利用MATLAB仿真验证算法的有效性。
  (3)设计了一套新的远程物位测量系统,该系统分为回波信号采集模块和远程手操器两个部分。回波信号采集部分采用基于ARM7的STM32为处理器进行数据处理,在MDK-ARM软件环境下利用C语言进行了模块化编程。HART通讯部分由A5191型芯片与AD5421转换器组成,手操器采用S3C2416作为核心控制的MCU,并在VS2010环境下开发了基于智能设备的MFC软件界面。远程手操器作为便携式设备在工业现场可以实现参数查询、参数设置和标定等功能。
  系统测试与实验表明:物位测量精度可达到1.6%F.S,与现有去噪方法相比,提出的去噪方法在抑制噪声的同时,较好地保留了信号奇异性特征,避免了伪吉布斯振荡;通过优化后的物位值更加可靠、收敛速度较快且稳态误差较小。测量系统具备参数设置、查询和标定等功能,智能化程度较高,本文研究成果已应用于实际工业自动化过程中的物位测量。
[硕士论文] 曹岳飞
大地测量学与测量工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:定位精度是机载激光测深雷达系统的关键性能指标之一。计算分析表明,安置误差是决定机载激光测深雷达系统定位精度的主要因素,因此建立可靠的安置误差标定模型、设计对应的安置误差标定方案,对于提高机载激光测深雷达系统的定位精度十分必要。本文以国产机载激光测深雷达系统为研究对象,在调研国内外机载激光雷达系统安置误差标定方法的基础上,结合国产机载激光测深雷达系统的特点,采用基于平面约束模型的安置误差平差解算模型。主要研究内容包括:
  (1)机载激光测深雷达对地几何定位模型推导。分析了国产机载激光测深系统的构成,定义了各传感器坐标系,针对系统特有卵形扫描结构推导了扫描仪测距定位公式,基于各传感器空间转换关系推导了激光脚点在WGS84坐标系下的对地几何定位模型。
  (2)机载激光测深雷达系统误差源理论分析与定性定量计算。研究了系统主要误差源,定量分析了扫描仪测距、测角误差,集成安置角误差,IMU测姿误差,定位误差对激光脚点定位精度的影响,着重研究了安置角误差对点、线、面特征地物的影响规律,为安置误差标定方案提供理论基础。
  (3)针对机载激光测深雷达的特点,采用基于平面约束模型的安置误差标定算法。从机载点云和地面高精度测绘数据中提取不同朝向的平面地物,并建立平面连接关系,基于激光脚点的坐标计算公式和共面约束条件,利用附有参数的条件平差解算安置误差。通过程序设计和实现,自动解算安置误差。算法中利用点到拟合平面距离的标准偏差迭代计算拟合平面参数,优化了基于特征值法的平面拟合算法,提高了平面的抗差性。
  (4)根据提出的标定方法,给出建立标定场的原则和方法,设计飞行航线,进行了安置误差解算。基于二类高差产生机制,利用平面和斜坡面特征地物评价机载激光测深雷达对地定位精度。实验表明:本文基于平面约束模型的安置误差标定算法可以有效的解算安置误差;经过误差改正,国产机载激光测深雷达的定位精度能够满足设计要求,达到了国外同类产品的精度指标。
[硕士论文] 李乾
电子与通信工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:随着人类社会进入移动互联网的新时代,基于地理位置信息的相关服务也迅速的发展起来。目前人们已经不仅仅满足于室外环境下的位置信息服务,在室内环境下的人员和设备定位等服务也存在巨大需求,但是室内环境不同于空旷的室外,存在许多障碍物,影响无线信号的定位效果,因此如何提高室内无线定位精度的相关技术研究也成为了热点。
  超宽带(UWB)技术是目前新兴的无线通信技术,本文围绕如何提高UWB室内定位精度展开研究,首先在IEEE802.15.4a标准提供的UWB信道模型下进行了信道仿真,确定了在室内环境下非视距传播(NLOS)是造成UWB信号传播时延和信号强度衰减的主要因素。针对NLOS这一问题,本文分析了基于信号强度法(received signal strength,RSS)、基于信号到达角度法(angle of arrival,AOA)、基于信号到达时间法(time of arrive,TOA)、基于信号到达时间差法(time difference of arrive,TDOA)这四种常用定位方法的优劣,其中TDOA法能够发挥UWB信号时间分辨率高的优点,因此本文选择TDOA法。
  确定了定位方法之后,本文介绍了比较经典的基于TDOA的UWB定位算法:Chan算法、Taylor算法以及结合了二者优点的Chan-Taylor协同算法。对这三种算法进行仿真,可知当环境中存在较高NLOS误差的时候,其定位精度都会受到较大影响。因此本文提出使用遗传神经网络算法来拟合TDOA测量数据与目标点坐标值之间的映射关系,通过遗传神经网络强大的非线性映射能力来减小TDOA测量数据中包含的NLOS误差对定位精度的影响。仿真结果表明,遗传神经网络算法在存在较高NLOS误差的环境下,定位精度明显要高于前面所述的三种算法,并且随着NLOS误差的提高该算法仍具有较好的稳定性。同时为了获得更高的定位精度,本文参考Chan-Taylor协同算法,将遗传神经网络算法与Taylor算法相结合,仿真表明二者的结合算法相较于单纯的遗传神经网络算法具有更好的定位性能。
[硕士论文] 徐锦涛
通信与信息系统 兰州交通大学 2018(学位年度)
摘要:本文在详细学习、研究了大量有关无源时差定位算法文献的基础上,对时差定位中的核心问题时延估计的基础互相关算法及其改进算法二次相关算法的相关基础知识、算法原理和计算流程做了详细地介绍。并对已有的常见二次相关算法的改进算法进行了总结和阐述。
  在对二次相关算法的基础知识、性质以及算法本身做了深入的研究后,对于相关函数类时延估计算法计算时延时,需要信噪比较好的数据包,但缺乏相应地质量评价方法问题,提出了一种对照二次相关方法。该方法在二次相关算法的基础上,结合互相关函数的性质,设立了一组对照二次相关组,简称对照组;对原二次相关算法,简称原始组。由于原始组需要两个信号并对其中一个信号做自相关,在对照组中,取在原始组中未做自相关的信号,并对该信号做自相关。在其余时延估计过程中,通过利用互相关函数的性质,对后续过程做出相应的调整,使得在理想无噪声影响时,对照组可以和原始组获得相同的时延值。随后对该对照二次相关方法的基础上做了进一步的改进,改进后减少了一次互相关运算。
  在实际含有噪声的情况下,如果不同监测设备之间的距离较远,不同监测设备之间的噪声相对独立,所以可以认为不同监测设备接收到的信号所携带的噪声是独立的。当信噪比较低时,原始组和对照组计算结果会有差异,通过这种差异可以对数据包的质量好坏进行评价。本文首先通过仿真,对对照二次相关方法的判断阂值做了初步的选择,并给出了该判断阈值。随后通过实测数据对本文提出的对照二次相关方法及判断阈值的检测能力进行了验证。验证结果表明本文提出的对照二次相关方法及判断阈值可以满足实际应用的要求。
  对于通过对照二次相关方法筛选出的较好的数据包,在利用二次相关对实际数据包进行时延估计时可能存在的多个最大峰值点问题和利用快速傅立叶变换进行计算存在的栅栏效应问题。本文结合多项式拟合对二次相关计算结果的峰值点进行拟合,将计算结果的精度推进到亚采样点级别,以便求解出更加精确的峰值位置,从而获得更高的时延估计精度。在对利用多项式拟合对二次相关算法计算结果峰值点拟合时,由于峰值过大造成拟合困难的问题,提出了通过对待拟合点进行线性归一化后再进行多项式拟合的解决方法。最后通过实测数据验证了基于多项式拟合的二次相关算法的有效性及优越性。该算法可以较好地解决多个最大峰值点问题和栅栏效应问题,并且在数据包质量较好的条件下,与二次相关算法相比可以获得更加精准的时延值。
[硕士论文] 崔晓明
电子与通信工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:随着雷达技术的发展,雷达信号的调制方式也趋于复杂。面对日益复杂的电磁环境,传统的五参数已不能满足对雷达信号识别的要求,需要对雷达信号的脉内调制特征进行分析,以实现对敌方雷达的有效识别。本文以几种典型的雷达信号为研究对象,对复杂调制雷达信号的调制识别问题展开深入研究。
  首先,介绍了时频分析的基本理论,然后结合电子对抗的雷达信号环境,建立了多项式相位信号(PPS)、正弦调频信号(SFM)、S型信号和调频调相复合信号(LFM-BPSK和FSK-BPSK)的数学信号模型,并对信号进行了时频分析,总结了信号的时域、频域和时频域的特征;
  其次,基于决策树分类思想对复杂调制雷达信号的识别展开研究。针对非线性调频信号,通过对信号作二阶离散多项式相位变换,可以对多项式调频信号(2阶和3阶)和正弦调频信号进行识别;针对复合调频信号,采用有效带宽比阈值法对信号进行识别。然后对线性调频信号(LFM)、二相编码信号(BPSK)、频率分集信号(FSK)、SFM、S型信号、LFM-BPSK信号和FSK-BPSK信号8种信号同时存在的情况下,通过提取信号的相位特征、FRFT特征、带宽特征和离散多项式相位变换特征,采用决策树分类机制,对信号进行逐一识别;
  最后,提出一种基于神经网络分类器的复杂调制雷达信号的识别算法,提取了信号的偏度、峰度、频谱差异系数、近似熵、盒维数、信息维数和FRFT变换系数共7种特征参数;阐述了神经网络分类器的原理和特点,对BP算法流程进行了深入研究;然后将提取的7种特征通过BP神经网络模型进行训练,基于MATLAB平台,仿真对比了该算法与决策树分类算法对8种雷达信号的识别情况,验证了基于神经网络分类的复杂调制雷达信号算法的可行性。
[博士论文] 曹士连
交通信息工程及控制 大连海事大学 2018(学位年度)
摘要:在航海教育培训实践中,雷达模拟器较之真雷达设备更具灵活性且成本更低,因而被广泛应用于雷达操作使用训练。目前国内的雷达模拟器主要采用以二维岸线(或等高线)数据为基础的扫描线求交算法生成雷达图像,导致生成的回波图像目标遮挡关系不明确,真实感不高,训练效果受影响。为解决上述问题,本文开展了以三维场景数据为数据源的雷达图像生成方法研究,论文的主要研究工作如下:
  1.通过对比雷达工作过程和三维场景绘制过程,发现两者有诸多相似之处,也存在一些明显的差异,在此基础上提出了利用场景绘制技术生成仿真雷达图像的方法。该方法采用透视投影绘制三维场景,实际上是利用了图形处理器内置的z-Buffer算法解决目标遮挡判断问题,绘制过程中利用可编程图形处理器在着色器程序中计算雷达探测距离和回波强度,计算结果保存在帧缓存内,再从帧缓存读取距离和回波强度并转换为雷达径向扫描线进而生成仿真雷达图像。针对透视投影foreshortening现象造成的远距离低平目标回波图像断裂现象进行了分析,提出了一些针对性的缓解措施,同时也分析了一次绘制生成多条扫描线带来的方位映射误差。
  2.分析了径向扫描线从极坐标到直角坐标扫描变换过程中出现的死点和盲点现象,提出了利用纹理映射实现扫描变换的方法,该方法不再将径向扫描线直接映射到屏幕上,而是存储于矩形纹理图像中,将圆形雷达显示区域划分为若干小扇形,再将纹理图像映射到小扇形上形成雷达图像。纹理映射方法将扫描变换过程与图形绘制过程结合在一起,实际上由GPU来完成扫描变换过程,简单高效,且很好地克服了扫描变换过程中的死点和盲点现象。
  3.为寻求合理的仿真雷达图像回波强度算法,分析了孤立目标和扩展目标的雷达方程,确定了适用于雷达图像仿真的雷达方程,提出了基于雷达方程的回波强度算法。采用sinx/x天线方向图函数分析雷达天线的方向性,提出了雷达波垂直方向衰减算法,提出通过操作纹理图像像素来实现回波的横向扩展和径向扩展以及旁瓣回波。根据ITU的建议标准计算雷达波的大气吸收损耗、降雨损耗和云雾损耗,并提出了基于GPU的雷达波传播衰减实现方法。采用γ常数模型和经验模型计算目标的后向散射系数。仿真实验表明,扩展后的回波真实感进一步提升,回波强度符合雷达波基本特性,能够较好地模拟增益调节效果。
  4.阐述了创建地形、港口设施和助航标志和船舶等三维雷达数据的基本方法,利用创建的模型进行仿真实验,仿真结果表明场景绘制方法能够在3s左右生成360°圆周扫描雷达图像,满足实时性要求,图像能够反映不同尺寸、不同航向船舶回波的变化。
  利用场景绘制方法生成的仿真雷达图像遮挡判断明确,回波强度合理,真实感更高,为雷达使用训练提供了更好的基础条件。
[硕士论文] 戚宪东
测绘工程 山东科技大学 2018(学位年度)
摘要:GNSS定位技术已逐渐发展成熟,在室外可以为用户提供良好的位置服务,然而在室内或高楼林立的市区,GNSS技术因其信号无法穿透建筑物而很难发挥定位功能。智能手机普及率急速上升,性能也逐渐增强,使得基于智能手机的室内定位研究成为室内定位技术研究领域的热点,出现了基于智能手机的蓝牙、WiFi、蜂窝移动等定位技术,从定位技术所需工作量、外部设施、运算需求、成本等角度出发,基于手机内置传感器的PDR定位技术优势突出,但航向精度是阻碍PDR定位算法精度提升的难点之一,航向精度的提升是PDR算法中亟待解决的问题。在此背景下,本文研究了基于智能手机内置传感器的PDR算法,并探究了提高航向精度的方法,主要内容如下:
  1.分析对比了PDR航向解算过程中两种更新解算四元数的方法,理想条件下四阶龙格库塔法比二阶龙格库塔法精度要高。实验结果表明,在以手机内置传感器为研究对象时,采用二阶龙格库塔法和四阶龙格库塔法的定位算法相比,采用二阶龙格库塔法解算的定位精度更高。
  2.研究了Mahony滤波算法,利用加速计数据对陀螺仪数据进行误差补偿,在一定程度上减少了陀螺仪的随机漂移误差。实验结果表明,Mahony滤波算法可以显著提高横滚角和俯仰角的精度,但对航向修正效果不明显,故对定位算法的定位精度也没有起到提升作用,甚至会导致最终定位精度降低。
  3.研究了HDE算法,为该算法应用到基于手机内置传感器的PDR中并增强其稳定性,增设了算法启用的判断条件,改进了步长衰减模型,将HDE算法的直接修正对像改为航向角。实验结果表明,HDE算法可以大幅度的提升航向精度,并在一定程度上提高了定位精度:在400m左右的室内环境下,定位精度可以保持在5m以内,定位精度提升了65%以上。
[硕士论文] 吴迪
软件工程 哈尔滨工程大学 2018(学位年度)
摘要:目前位置信息服务(Location-based service)在国防军事、公共安全、交通运输和社交网络等领域作用日益凸显。据统计,人们约70%以上的活动时间集中在室内,因此室内定位需求比室外更为迫切。UWB由于其厘米级及以下的定位精度,相比Wi-Fi、蓝牙、RFID(Radio Frequency Identification)等手段在室内定位领域具有更为广阔的应用前景。然而,目前UWB与移动终端的集成方案中,定位信号与通信数据分离,造成了通信资源浪费;而硬件的成本以及系统的定位刷新率等因素限制了定位效率。
  因此,本文期望定位和通信相融合以充分发挥UWB的优势,旨在基本不降低现有定位精度的前提下,实现UWB室内定位和通信的一体化,以提高资源利用率。论文的主要工作如下:
  首先,针对UWB无线技术与现有设备集成困难的问题,提出了一种UWB定位和通信一体化的总体框架,研究了可以用于2维室内定位的定位和通信一体化系统,设计实现基站与移动终端的无线化,摆脱了基站的空间布局限制,并完成系统的硬件设计,实现了一体化平台与移动终端的通信。
  然后,设计了一种UWB定位和通信一体化的通信帧,实现融合数据的共存,降低控制中心的计算量;并针对设计的硬件系统和通信帧,提出了一种用于室内定位和通信一体化的方法,该方法使用F-Δt模型,结合系统误码率对一体化系统的通信帧数据增量作出估量,在以确定概率不影响定位刷新率的情况下,可以求得融合通信数据的比特数范围。通过对比较分析不同测距方法中Δt带来的定位误差,提出通过双向TOA来对误差进行弥补。
  最后,通过实验表明F-Δt模型与双向的TOA融合,以轻微的定位精度代价实现了UWB定位和通信一体化。
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