天基视频SAR系统设计及成像算法研究

视频合成孔径雷达（SyntheticApertureRadar,SAR）作为一种新型微波遥感体制,能够实现对热点区域动态目标的持续监视,目前对视频SAR的研究主要集中在机载平台的视频SAR系统,未对天基视频SAR系统设计及成像算法展开深入研究。文章设计了一种基于双站模式的天基视频SAR系统,其中以静止轨道SAR卫星作为发射源,并利用低轨SAR卫星接收目标区域的回波信号。研究了视频SAR成像性能与各主要工程参数间的关系,并提出一种适用于天基视频SAR的成像算法,该算法能够有效解决双站天基视频SAR成像中大斜视角应用与数据重叠等问题,成像结果正确反映了运动目标的散焦、移位现象,同时静止目标取得了良好的聚焦效果。     

TLS密码套件的流量数据随机性分析

密码套件是安全传输层协议(TLS)实现安全通信的基石,包含了密钥交换算法、对称密码算法和消息摘要算法,其中对称密码算法被用于实际通信的数据加密。通过对真实流量的采集与分析,得出了不同TLS密码套件在现网中的分布情况。设计了一种基于密文图像重构、美国国家标准与技术研究院随机性测试套件、卷积神经网络(CNN)等手段的分析方法,对现网主流对称密码算法(AES、ChaCha20)与其他常见对称密码算法(DES、3DES、RC2、RC4)的密文随机性进行分析。实验结果表明:参与对比的所有对称密码算法在电子密码本(ECB)模式下其密文均具有较差的随机性,无法通过大多数测试;AES与ChaCha20二种主流TLS对称密码算法在除ECB模式下其密文均具有良好的随机性,对基于CNN与随机森林的密码算法识别也具有抵抗能力。研究成果可为TLS密码套件的选择与加密流量的深层分析提供参考。      

基于变化映射表的WSN通信数据语义安全算法

提出一种基于变化映射表的语义安全算法.该算法首先针对无线传感器网络(WSN,Wireless Sensor Networks)应用对临界值敏感的特点,采用变精度状态采集方法,建立了一个原始语义与其标识数值的映射表;在此基础上,网关和节点之间通过同步映射表进行通信数据的语义加密和解密,为提高安全性,在通信过程中,映射表基于通信携带的随机变更因子而不断更新.最后给出算法分析及仿真验证,结果表明提出的算法可以有效抑制已知明密文对攻击和实现语义安全.     

基于两层元数据与本体的异构数据共享技术

针对多源、多类、异构数据难以同时共享的问题,提出了一种两层元数据结合本体的信息共享技术.首先,分析了两层元数据的结构,介绍了如何通过两层元数据统一描述多类异构数据.其次,针对元数据缺乏语义信息不能描述数据类别之间的隐含关系的问题,在元数据之上建立本体层,对元数据进行语义描述和本体推理.最后,在数据检索方面,利用Lucene全文检索引擎与SPARQL(Simple Protocol and RDF Query Language)本体查询语言相结合,在关键词查询过程增加了SPARQL检索操作,提高了查全率,并优化了检索时间.实验选取了2014-2015赛季欧洲足球冠军联赛数据作为测试数据,证明了本文方法在异构数据共享上的有效性和元数据查询性能的改进.      

基于子孔径ECS算法的天基视频SAR成像方法

针对天基视频合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)成像中回波数据重叠及实时性要求,提出了一种基于子孔径扩展线性调频变标(Extended Chirp Scaling,ECS)处理的天基视频SAR成像算法。首先提出了大角度聚束视频成像模式下的回波数据分割方法,然后基于重叠率与帧频的要求对回波数据进行子孔径划分,子孔径内部进行ECS成像处理后,在距离多普勒域进行子孔径合成,实现视频成像,从而避免了重叠数据的重复运算,有效提高了视频SAR的成像效率,重叠数据重复运算率由78.1%降为10%,最后通过计算机仿真验证了该算法的有效性。     

基于帧频的星载SAR系统视频成像能力分析

视频合成孔径雷达(video synthetic aperture radar, ViSAR)作为一种微波遥感体制能以摄像式模式对重点区域的时敏目标展开持续性的动态监视,已经受到越来越广泛的关注,但针对视频SAR系统的视频成像能力的分析还不够深入。首先建立了视频SAR回波信号模型,并结合给定的星载SAR系统参数,提出了一种基于帧频的适合分析星载SAR系统视频成像能力的模型,并基于X波段和Ka波段雷达参数对系统进行了仿真分析。研究表明,在形成相同帧率的SAR视频时,SAR系统频率越高,越容易形成独立帧率的SAR视频;在形成相同方位分辨率帧图像的SAR视频时,中心斜视角越大,所需的孔径交叠率越大。研究成果可为星载SAR系统设计提供理论分析支撑。     

基于偏振约束的立体视频快速运动估计算法

分析了平行双目立体摄像系统的偏振约束特性,提出了一种基于偏振约束的立体视频快速运动估计算法.左通道和右通道分别作为基本层和增强层,对右通道结合视差估计和运动估计得到最优的运动矢量预测值初值,采用不同的运动搜索方法,确定右通道最终运动矢量.若最优的运动矢量预测值是由视差估计得到的左通道运动矢量,则根据偏振约束,左右通道图像对应编码块的运动矢量在垂直方向上的分量相等,因而右通道只在水平方向上进行小范围的运动估计搜索,从而大大降低了右通道运动估计的计算复杂度.实验结果表明,在相同条件下,采用该算法编码一帧图像的运动估计平均时间分别只有采用全搜索块匹配算法、钻石搜索法和三步搜索法的0.27,0.58和0.67倍,编码速度得到显著提高.     

基于相关滤波和轨迹预测的视频卫星动态目标跟踪算法

为解决卫星视频中有遮挡或相似目标情况下目标跟踪的问题,提出了一种改进的相关滤波算法,在跟踪框架中加入了干扰判别模块和基于神经网络的轨迹预测模型。通过比较平均峰值相关能量指标值与自适应阈值来判别跟踪器是否受到干扰。双向长短期记忆网络以目标历史轨迹编码为输入来完成轨迹预测,结合相关滤波输出结果和网络预测结果来确定目标的位置。实验表明,所提出算法的精度提升了2.10%,在有遮挡或相似目标等情况下仍具有较好的跟踪性能。     

联合足迹识别与监控视频分析的智能刑侦系统

刑侦破案是打击违法犯罪和确保国家长治久安的基本要求。刑侦破案的一大关键是如何有效地利用采集到的信息。为了更好地配合刑侦工作,提出了联合足迹识别与监控视频分析的智能刑侦系统。该系统基于深度学习方法,首先根据足迹信息,包括鞋印长度、宽度、受力分布情况、步长、步幅等,利用卷积神经网络技术实现嫌疑人个人特征的预测;其次联合周边监控视频大数据进行智能分析比较,利用大数据技术快速处理信息,分析视频中行人的个人特点;最后运用虚拟现实仿真技术构建足部压力和鞋底受力分析有限元模型,利用模型获得各种复杂场景下的仿真足迹。三者相互印证,有机结合,快速筛选刑侦对象。实验结果表明,该系统可以高效准确地根据足迹特征实现身高预测,并且与视频监控大数据相结合,可以迅速缩小排查范围并锁定凶手。      

基于预计算和周期性的ECC标量乘法算法

在研究二进制、带符号的二进制(NAF,Non-Adjacent Form)等常见标量乘法算法的基础上,结合椭圆曲线基点的周期特性和预计算倍点序列方式,提出了一种新的标量乘法算法,并给出了新算法的详细步骤.点的周期性和系数决定了直接进行标量乘法运算还是转化为求其逆元,预计算倍点序列方式避免了椭圆曲线密码体制(ECC,Elliptic Curve Cryptosystem)加解密过程中大量的重复运算.为验证算法的正确性,采用密钥长度为192 bit椭圆曲线,给出了一个具体实例.实例结果和算法分析表明:与二进制和NAF算法相比,新算法虽占用了一些存储空间,但省去了倍点运算的时间开销,同时减少了点加的运算次数,极大地提高了标量乘法运算的效率.该算法的提出对完善ECC理论和加快ECC在实际中的应用具有重要意义.      

基于多语义线索的跨模态视频检索算法

针对现有的大多数跨模态视频检索算法忽略了数据中丰富的语义线索,使得生成特征的表现能力较差的问题,设计了一种基于多语义线索的跨模态视频检索模型,该模型通过多头目自注意力机制捕捉视频模态内部对语义起到重要作用的数据帧,有选择性地关注视频数据的重要信息,获取数据的全局特征;采用双向门控循环单元（GRU）捕捉多模态数据内部上下文之间的交互特征;通过对局部数据之间的细微差别进行联合编码挖掘出视频和文本数据中的局部信息。通过数据的全局特征、上下文交互特征和局部特征构成多模态数据的多语义线索,更好地挖掘数据中的语义信息,进而提高检索效果。在此基础上,提出了一种改进的三元组距离度量损失函数,采用了基于相似性排序的困难负样本挖掘方法,提升了跨模态特征的学习效果。在MSR-VTT数据集上的实验表明:与当前最先进的方法比较,所提算法在文本检索视频任务上提高了11.1%;在MSVD数据集上的实验表明:与当前先进的方法比较,所提算法在文本检索视频任务上总召回率提高了5.0%。      

基于高分四号数据的多时相多通道云检测算法

针对高分四号（GF-4）卫星影像波段较少导致传统云检测算法难以区分云与冰雪像元的问题,提出一种多时相多通道云检测算法。该算法首先对GF-4卫星影像进行辐射定标和配准,然后利用云与典型地表的光谱差异得到潜在云像元,之后利用序列GF-4卫星影像之间的差异识别出移动的云像元,最后利用中红外波段反演地表亮度温度来去除冰雪像元。该算法在海南、辽宁和安徽3个研究区域进行验证,并将检测结果与传统单时相云检测算法、支持向量机（SVM）云检测算法和实时差分（RTD）云检测算法的检测结果进行对比。结果表明,该算法优于其他3种云检测算法,准确识别率均达到90%以上,误检率均低于5%,有利于GF-4卫星影像的进一步利用。     

基于跟踪微分器的多目标数据关联算法

根据目标在运动过程中位置与速度只能连续变化这一事实,提出了杂波环境下基于跟踪微分器的一种多目标数据关联算法.算法利用跟踪微分器得到目标波门内所有量测的位置与速度,通过将其与目标前一时刻的位置和速度的比较来实现在未知杂波环境下的多目标数据关联.该算法直接利用量测数据,不需要目标运动、传感器噪声及杂波的先验统计知识,在目标数已知杂波不很密集的情况下具有良好的数据关联能力.此算法计算量小、结构简单,与目标状态滤波估计算法完全分离,便于模块化设计和与其他滤波算法结合,易于工程实现.仿真结果验证了算法的有效性.     

基于数据压缩的多传感器多假设算法

为解决集中式多传感器系统中多目标跟踪问题,提出了一种新的多传感器多目标算法.提出的算法首先应用经典分配规则对每个传感器送来的观测数据进行排列组合,然后对每个组合中各量测点进行概率加权以获得一个等效量测点,最后根据每个等效量测点产生的互联假设计算其互联概率并获得融合中心的状态估计.给出了该算法与已有集中式多传感器联合概率数据互联算法的仿真比较,仿真结果表明该算法的跟踪性能在探测概率降低的跟踪环境下表现得更为优越.      

改进YOLOv4的表面缺陷检测算法

为解决航空发动机部件表面缺陷检测精度低、检测速度慢的问题,提出一种改进的YOLOv4算法进行智能检测。在路径聚合网络（PANet）结构中融合浅层特征与深层特征,增大特征检测尺度,同时去除自下而上的路径增强结构,提高小目标检测精度和整体检测速度;根据各类缺陷数量不同的情况,优化聚焦损失中的平衡参数,增加权重因子调节各类缺陷的损失权重,将改进后的聚焦损失代替分类误差中的交叉熵损失函数,降低样本不平衡和难易样本对检测精度的影响。实验表明：相比于原始YOLOv4算法,改进后的YOLOv4算法在测试集上的平均精度均值（mAP）为90.10%,提高了2.17%;检测速度为24.82 fps,提高了1.58 fps,检测精度也高于单发多框检测（SSD）算法、EfficientDet算法、YOLOv3算法和YOLOv4-Tiny算法。     

一种基于自动分区的海量科学数据计算框架

在科学研究领域, 存储容量、处理效率和分析精度并不能适应科学数据的指数级增长速度。通过对科学数据结构与标准的研究, 提出了一个海量科学数据计算框架BSDF。提出了一种基于模型驱动的统一数据接口, 实现对异构科学数据的无差别访问;提出了一种基于元数据的自动分区算法, 通过参数预取与超平面维度计算确定任务颗粒度。实验结果表明:与H5Spark科学数据计算框架的基于9项基准测试的性能相比, BSDF计算框架提升了39%~68%;在特定领域PKTM的算法优化上, BSDF达到了41.62倍的加速比。      

基于深度学习的无人机数据链信噪比估计算法

无人机数据链通信受到各种自然与人为的干扰,信噪比（SNR）是信道状态和通信质量的有效评估指标。为解决传统估计算法信噪比估计精度不足的问题,提出了一种卷积神经网络（CNN）与长短时记忆（LSTM）网络结合的估计模型。利用仿真与实测相结合的方式,构建了一个包含不同信噪比、调制方式、衰落信道等信息的无人机通信信号数据集;在网络训练阶段,将样本序列进行分割,对分割后的每一部分序列使用CNN-LSTM网络提取深度特征,多次训练并保存模型参数;在测试阶段,利用构建好的测试集完成对算法的验证与测试,得到信噪比估计值。实验表明,相比于传统信噪比估计算法与单一网络结构的深度学习算法,所提算法的均方误差最低,实现了对信噪比的高精度估计。      

基于遗传算法的飞行管理系统余度配置优化方法

余度设计是飞行管理系统研制过程中提升其安全性的主要手段之一。针对余度设计受制造预算(经济性)与使用阶段维修保障资源消耗(可靠性)的制约问题,基于飞行管理系统的安全性、基本可靠性及经济性数学模型,利用改进后适用于整数优化的遗传算法,提出了一种以安全性为目标、基本可靠性与经济性为约束的余度配置优化方法,并以实例说明其适用于较为复杂系统的余度配置优化。经过敏感性分析发现,安全性指标最优值随着基本可靠性约束下限的提高而降低,随着经济性约束上限的增加而增加。2种约束条件对优化目标竞争约束,在同一时刻只有1种约束条件起主要约束作用。