关键词： 信号处理   现场可编程逻辑门阵列(FPGA)   重建光谱  

摘要： 弹光调制傅里叶变换光谱仪(PEM-FTS)凭借其高测量速度、宽光谱范围等优点在宇宙探索、军事等光谱探测领域中被越来越多的使用,具有良好的发展前景。PEM-FTS因其弹光调制器的高调制频率,需要利用快速的数据处理方法对其干涉数据进行处理进而重建光谱。本文利用现场可编程逻辑门阵列(FPGA)作为核心处理芯片对干涉信号进行一系列处理,从而反演光谱。首先根据PEM-FTS干涉数据的特点,对其部分处理方法进行了分析和实现。PEM-FTS因其产生的干涉信号的光程差呈非线性变化,等时间间隔采样会造成光程差非线性,无法直接利用快速傅里叶变换重建光谱,因此对其光谱快速复原算法的研究具有重要意义。为了降低弹光调制干涉信号反演光谱时的偏差,提高处理弹光调制干涉数据的速度并优化数据处理系统结构,分析了非均匀快速傅里叶变换算法的原理,并基于现场可编程逻辑门阵列对非线性干涉信号快速光谱反演算法进行实现;采用了基于FPGA的弹光调制干涉数据处理系统结构,对数据处理方法和数据的存储、显示方法进行了分析与研究。对本文所设计方法的基复原光谱效果进行了分析。Modelsim仿真结果表明,对仿真产生的激光干涉信号光谱复原效果较好,基本满足光谱复原准确性的要求,运行速度较快。最后,利用Signal TapⅡ逻辑分析仪对本文设计的实现效果进行了板级验证。

关键词： 小型无人机   微波辐射计   直接检波接收机   采集控制系统   数据处理  

摘要： 星载微波辐射计是空间对地及大气观测的一种重要设备。为了检验星载微波辐射计对地观测科学数据,需要通过航空校飞试验进行星地同步观测比对,获取机载微波辐射计数据对星载数据进行检验及校正。相较于传统机载微波辐射计,采用基于小型旋翼无人机平台的微波辐射计进行对地观测可以更加便捷的采集到对地观测数据,且具有较好的空间分辨率。本文基于无人机载微波辐射计的应用需求,对其系统结构及数据采集与系统控制进行深入研究。主要研究内容如下:(1)给出了无人机载微波辐射计系统方案,并详细描述了系统组成和性能参数。其中,辐射计的探测频率选取10.65、18.7、23.8、36.5及89GHz,均为水平极化和垂直极化双通道设计,探测地物目标亮度温度、土壤湿度等信息。为适应小型无人机平台,减小辐射计系统重量、功耗、尺寸,各探测频率均采用射频直接检波体制而非传统的超外差接收机体制,实现了辐射计系统小型化。(2)针对无人机载微波辐射计应用需求,提出了无人机载微波辐射计数据采集与系统控制单元的设计方案,并完成了系统电路研制。系统主要功能包括辐射计接收机输出信号采集、定标与观测工作模式控制、GPS定位、仪器温度测量,以及数据存储等。并详细介绍了每个电路模块的器件选型及设计方法。(3)设计开发了系统控制软件。软件根据观测模式与观测周期给出了系统观测流程,同时实现了对每一硬件单元的指令控制,介绍了系统控制程序的层次结构和模块化设计方案。实现了数据的采集、工作模式控制与数据存储。(4)设计开发了PC端用户操作界面上位机软件。软件的开发基于MATLAB App Designer,数据输出以HDF5格式进行文件存储,实现了对数据的解析、处理以及绘图显示,人机交互界面友好。本文最终对数据采集与系统控制单元进行了测试。结果表明,系统数据采集、工作模式控制、温度测量、数据存储功能正常,运行状态稳定,对无人机载微波辐射计系统研制与集成测试奠定了基础。

关键词： 近岸船只检测   数据处理   特征提取   深度学习  

摘要： 基于SAR的船只检测技术用途广阔，不仅可以对特定船只目标进行实时的位置检测，实现有针对性的战略部署，提高国防部队的预警能力，还可以有效把控和调度海运船只，实现海上运输任务的高效运行。近岸区域作为SAR船只目标检测的重点场景，存在港口建筑与船只目标相似度较大导致虚警检测、船只间紧密排列难以区分导致遗漏检测等问题，给SAR船只目标检测任务带来极大挑战，因此如何改进现有的目标检测方法，使其有效应用在SAR近岸船只检测任务中，并在星载与机载等资源功耗受限的平台上，构建出高速高精度的SAR近岸船只目标检测系统就变得尤为重要。　　本文提出了一种SAR近岸船只目标检测的改进算法，并基于嵌入式GPU架构设计了一套实时检测处理系统实现方案。针对SAR近岸区域船只检测任务中虚警与漏检次数频繁现象，提出一种基于改进YOLOX的SAR近岸区域船只检测算法。该方法首先将坐标注意力机制引入特征提取网络中，提升网络的特征提取能力;其次，增加角度分类头，并引入二维高斯分布，通过KL散度评估旋转框损失值，完成目标的角度信息提取;最后，对现有数据集进行旋转框扩充转化，保证数据来源的多样性，使算法模型能学习到不同波段不同海况情形下的船只目标信息，提升算法的鲁棒性，对算法性能进行了测试对比，结果表明，对近岸场景下的船只目标检测效果有较大提升，能有效解决SAR近岸区域下船只检测精度不高的问题。而后在嵌入式GPU架构下，基于整体检测系统的特点对算法进行了加速优化，保证检测系统的实时性。检测系统由ARM和GPU两部分组成，AI洲端主要完成任务调度，GPU实现检测算法网络推理。检测算法处理程序由四部分组成:数据接收部分，数据前处理部分，网络推理部分以及结果后处理部分。使用CUDA实现算法中的数据前处理、网络算子构建与数据后处理部分，优化、测试后封装为核函数供ARM进行任务调度。使用TensorRT实现算法中的网络推理部分，充分利用GPU中的处理核心实现流水并行计算实现高速网络推理。在删中设计并实现整体任务调度流程，并与负责SAR成像的数据产生端FPGA进行级联，实现完整的实时检测处理流程。　　最后，采用实测数据进行试验，对系统实时检测处理能力进行了分析，采用检测精度作为验收指标来对船只检测效果予以检验，实验表明，检测精度较算法改进前有很大提升，误检与漏检情况严重问题得到改善。并通过与不同深度学习检测算法的处理时间进行比较分析，本文所搭建系统的数据处理效率最优，相较于其他检测算法，本系统的检测耗时有极大改善，满足相关实时性指标要求，且本系统整体的功耗较低，可部署在星载与机载等资源功耗受限的平台上，满足相关工程需求。

关键词： 领域专用加速器   NOC   RISC-V   多源雷达数据处理  

摘要： 多源雷达目标跟踪技术通过使用多方位、多形态的雷达扫描实现大批量目标的追踪,相较于传统单雷达扫描方法在目标密集区域更不易出现目标误关联的情况,是目前雷达技术发展的热门方向。当前多源雷达目标跟踪技术存在雷达前端扫描频率与后端数据处理频率不匹配、雷达扫描数据来源广且数目多、人为因素和自然因素造成信号干扰等问题,这些问题导致多源雷达系统后端的数据处理负荷越来越高。当下采用通用处理器完成多源雷达后端数据处理任务的方法已经难以满足多源雷达系统前端的实时性要求。多源雷达数据处理的近邻域算法作为当前多源雷达数据处理的主流算法被广泛使用,本文以该算法为研究对象,通过设计专用硬件加速器加速该算法以满足其高实时性与大算力实际需求。研究表明,该算法主要包括点四个步骤:第一步为点航相关判断,用于建立新点迹与历史航迹的关联;第二步为点迹分离,利用第一部分运算结果对点航相关性进行判断,并将已匹配的点航关系与存疑的点航关系分离;第三步为多目标分配,该步骤使用不同的目标跟踪算法,将第二步得到的存疑点航关系进行目标匹配;第四步为整合,该步骤将第二步和第三步得到的匹配关系整合到一起,此步骤简单,本文不作讨论。本文针对多源雷达数据处理的近邻域算法提出了稀疏化存储的软硬件优化方案,并基于该方案设计了一款挂载了基于片上网络互联结构的专用多并行运算单元加速器的定制化RISC-V片上系统的异构加速器。其中基于片上网络互联结构的多并行单元加速器用于加速实现原算法点航相关判断步骤。该加速器的互联架构采用MESH网络单播层加定制化多播层的双层片上网络设计。本文通过设计多周期维度切割路由器,实现了单播层的XY路由算法,此外还针对本单播网络的数据流特点提出了最优任务映射方案。此外,本文通过定制化设计多播通信网络的整体架构和微架构来满足本应用的特殊多播需求。最后,本文还针对应用需求,对运算、存储、坐标发送网络节点定制化设计了微架构。定制化RISC-V片上系统用于实现算法第二步到第四步,由于算法的第三部分多目标分配可由不同的算法实现,本文针对拍卖算法这一典型多目标分配算法进行研究。本文利用开源RISC-V片上系统生成器Rocket Chip构造了面向该算法的片上系统,并利用RISC-V指令集提供的自定义扩展指令对拍卖算法的利润计算步骤和拍卖替换步骤分别设计了自定义指令及对应协处理器,通过调用这两个协处理器实现对拍卖算法的细粒度加速。实验结果表明,本文提出的异构硬件加速系统在典型坐标数据输入的情况下,与基准片上系统相比,算法通用步骤的加速比为7.38倍,对多目标分配步骤的加速比为2.35倍,对算法整体的加速比为4.01倍,有效提升了多源雷达后端系统的实时性。

关键词： 前向算法   Abel积分   掩星数据处理   精度评估   弯曲角订正  

摘要： 在掩星数据处理和数值天气预报同化掩星数据的流程中,前向算法(Forward model,FM)被用来将折射率转化为弯曲角。FM的精度影响着计算出的弯曲角的精度。本论文为探究FM精度,首先介绍各类FM模型的数理基础。然后,通过设置实验一对比、评估各类FM的精度(包括三种Abel积分与两种插值方法的组合),并选择出精度最高的算法。因为FM精度还受垂直格点分布的影响,所以本文还设置了实验二。实验二基于三种常见资料的格点,使用实验一中的高精度FM模拟该算法在的这些格点上的具体误差。最后,本文将FM应用于掩星数据处理流程中的弯曲角优化模块。本文介绍的FM包括Abel积分方法与插值方法的组合。积分方法包括:直接法direct、指数假设法exp、温度修正的指数假设法exp＿T等。插值法包括:指数样条插值法(log样条插值法)与指数线性插值法(log线性插值法)。它们因为物理假设、数值积分计算方法的不同,导致计算出的弯曲角精度有所差异。实验一使用了ECMWF分析资料作为实验值,FY3D数据作为真值,使用不同的FM实现弯曲角的计算,并评估了其在不同高度的误差特性。结果表明,log样条插值法与log假设法exp组合的FM的计算精度最高。实验二基于三种常见的气象资料格点:137层的ECMWF、31层的FNL、37层的ERA5,使用实验一得出的最高精度FM反演弯曲角,并评估各个高度上的具体误差。结果表明,在137层ECMWF资料格点垂直分布条件下反演的弯曲角精度最高:相对误差在0～35 km为0.5%以内,35～58 km为4%以内,在58～80 km为1.8%以内。本文评估了几类FM的误差特性,并模拟了不同格点分布下FM误差损失的具体值,为掩星数据处理和掩星数据同化提供误差分析的支持。

关键词： 重力基本网   重力网平差   格值系数   零漂率   高原地区  

摘要： 地球重力场的研究是大地测量学的核心问题,地面重力测量能为矿产勘察、大地构造反演、大地水准面精化和地球动力学研究等提供精准的重力场信息,对大地测量、地球物理等领域具有重要意义。重力基本网是我国测绘基准的重要组成部分,相对重力与绝对重力相结合的测量方式在重力基本网建设中得到了广泛的应用。绝对重力测量通过定期校准仪器和参加绝对重力仪比对实验来保证测量的准确性,相对重力仪的格值系数和零漂特性是影响相对重力测量精度的主要因素。在测线较长、地形起伏较大的高原地区,格值系数标定困难且易受多种不确定性因素影响,长期测量中相对重力仪会受到不规则非线性漂移影响,除了增加绝对重力点数量与多余观测量这种比较费时费力的方法,采用适当的参数估计和平差方法可以经济有效提高重力基本网的精度。本文以青海省重力基本网为例,研究了重力基本网解算的原理和算法,编写了重力数据预处理、参数估计与重力网平差的代码。主要内容包括相对重力数据预处理,利用Farrell公式计算了陆地水储量变化对参考重力值的影响。基于参数估计方法,引入相对重力仪格值系数与零漂率作为未知参数或超参数进行了解算。采用不同随机模型优化各重力观测量的权重约束,基于最小二乘、抗差估计及贝叶斯法完成了重力基本网平差解算。根据高原地区重力基本网数据处理中格值系数与零漂率的计算、网平差函数模型与随机模型的选择,从内符合精度与外符合精度两方面分析各参数估计方法及重力网平差模型的适用性。结果表明,2017-2020年陆地水储量变化对各个位置的重力点影响不同,最大值为1.7μGal。由于基线场的重力差不足及其他不确定性因素,标定的格值系数中有系统误差存在,平差模型估计的格值系数削弱了段差与段差互差之间的相关性,其对系统误差的校正效果优于标定的格值系数。增加重力控制点数量与重力差可提高估计的格值系数的准确性,从而得到与绝对重力值更接近的平差值,其中贝叶斯法估计的格值系数对重力控制点数量与重力差最为敏感。贝叶斯法估计的零漂率随时间的变化相对平滑且受重力控制点的影响较小,在所有重力仪观测值均参与平差时,贝叶斯法与最小二乘法平差结果之间差异较小,而对与零漂特性复杂的重力仪,使用往返观测数据计算的零漂率具有更高准确度。当粗差存在的情况下,交叉验证结果表明,最小二乘估计准确度较差,抗差估计得到了更小的重力平差值不符值。ABIC法可优化观测数据的权值约束,采用ABIC法确定初始权可小幅度提高平差准确度。本文建议将格值系数作为未知参数进行估计,以ABIC法确定各类观测量初始权的抗差最小二乘法用于高原地区重力基本网的解算,为高原地区绝对与相对混合重力数据处理平差模型与参数估计方法的选取提供了参考。

关键词： 北斗三号   定位性能   数据质量分析   精密单点定位   电离层约束  

摘要： 北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)已全面建成并提供全球服务。当前,针对GPS高精度定位的算法研究和软件开发等方面已有大量成果,而对于北斗全球范围内高精度算法研究不深入并且定位性能评估较少。针对上述问题,本文在GNSS精密定位理论的基础上,研究北斗全球范围内的数据质量,对北斗B1C/B2a信号双频无电离层组合精密单点定位性能进行评估,提出一种基于电离层约束的北斗单频精密单点定位算法并使用不同格网电离层改正对其定位性能进行了研究与分析。 (1)基于MGEX观测站的实测数据,对北斗卫星导航系统进行全面的数据质量分析研究,并研究不同精密轨道钟差对高精度定位的影响。通过对可见卫星数目、位置精度因子、数据完整性、信噪比、多路径5种观测数据指标进行研究,结果表明北斗全球覆盖率和GPS相当,北斗GEO卫星的数据缺失率较高,北斗卫星信噪比差距体现在频点信号上,和多路径相似。 (2)针对北斗全球范围内B1C和B2a信号缺少双频精密单点定位算法性能评估的问题,从全球分布17个MGEX站的20天数据出发,基于Net＿Diff,对BDS-3 B1C/B2a信号双频组合精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)性能进行了分析研究。研究表明,BDS-3(B1CB2a)静态PPP在高程上的RMS表现较差。在收敛性方面,不论是静态PPP还是动态PPP,BDS+GPS均比单GPS或单BDS具有更好的收敛性,不同天线型号(高端接收机)的收敛性没有明显差异,但观测卫星数量对收敛性有很大影响。 (3)提出一种基于附加电离层约束的北斗单频PPP(Single-Frequency PPP,SF-PPP)算法,通过电磁Ap指数选择2021年8月1号-2021年8月5号电磁活动的平静期观测数据,对九种格网电离层改正约束的北斗单频精密单点定位精度进行实验研究。结果表明:五种最终格网电离层改正,esag格网电离层改正的不论是静态还是动态定位精度最差,在中国境内的测站各个格网电离层改正基本满足北斗单频高精度定位的需求。对于预测格网电离层改正只在个别测站表现出最终格网电离层改正的精度,整体并不如最终格网电离层改正。

关键词： 炮管内壁   形貌检测   误差分析   时序逻辑   数据处理  

摘要： 火炮是国家军事力量的重要组成部分,一直倍受关注。而身管作为火炮中最为关键的部件,在其服役过程中,炮膛内壁因炮弹的磨损挤压、火药的高温侵蚀、膛线的老化破损等负面因素,直接影响着火炮的打击精度、使用寿命、射击稳定。所以对炮管内壁形貌的检测和损伤点的定位是十分必要的。本文针对这种现状,研制了膛内爬行机器人控制系统,并对其控制方式、数据采集方式、同步时钟等关键技术进行了研究,以满足高精度数据采集和高精度瑕疵定位的需求。爬行机器人带动工业相机、激光传感器和控制面板及其他外设实现膛内的爬行和旋转。由于炮膛的内径狭小,尽量减少检测机器人的尺寸,采用炮膛内外两个控制器实现控制功能,外控制器主要实现激光传感器采集的周壁数据模拟电压线性转换,模拟、数字电压源的转换、激光测距仪的数据采集以及汇总内外数据后通过USB2.0和百兆以太网模块上传数据。内控制器主要实现测头旋转电机、机器人爬行电机、转舵电机的驱动控制、工业相机的曝光控制、以及反馈信号传输。内外控制器通过含有使能信号、同步时钟信号、电源、联络信号的50芯总线进行连接。本文对机器人运行时因姿态偏移旋转产生的误差及影响进行了理论分析,提出了在每个同步时钟将误差累积处理的近似方法,并通过转舵电机、倾角传感器实现了姿态校正和误差的补偿,减小了因初始姿态矫正不精准而代入的误差。因为系统有内外控制器、工业相机、激光传感器、激光测距仪、步进电机转舵电机等多个部件,所以时序相对复杂,本文采用CPLD提供时序控制,为系统提供统一高精度的工作时钟。采用FIFO存储器对采集的内壁信息进行缓存,减少了上位机采集数据实时性的压力。论文最后通过155mm口径的标定模拟管和服役炮管的实验对系统进行功能测试,主要对机器人初始位置、炮管轴向位置精度,周向定位精度、径向距离精度进行了检测并对图像采集清晰度进行验证。实验结果表明:轴向精度0.05mm,径向精度0.02mm,周向定位精度达到±0.1°,满足径向阴阳径距离的精度要求,图像获取清晰无畸变,达到了预期的性能要求。

关键词： 井眼轨迹   数据处理   机器学习   待钻轨道优化设计  

摘要： 随着油气勘探开发力度的不断增大,精确的井眼轨迹预测和控制越来越成为制约钻井成功的关键技术。钻井井眼轨迹形成于地下,钻井工程师只能通过随钻监测传感器(MWD)测量的数据来监测井眼轨迹的变化,测量数据无法真实反应井底钻头实际情况,造成钻井井眼轨迹与设计轨道总会发生偏差,轨迹调整频繁,这些情况制约着钻井施工的顺利进行。本文借鉴前人基础研究和相关轨迹预测方法,提出了井眼轨迹数据清洗与处理方法。通过对实时工程数据和测斜数据分析,利用Python的Numpy和Pandas工具包进行了相应的数据清洗、数据融合和缺失值补全,建立了井眼轨迹数据处理流程方法;总结前人研究的四种物理计算模型并利用单井数据进行了实际应用;结合数据处理和井眼轨迹影响因素,利用两种机器学习算法:支持向量机算法(SVR)和循环神经网络(RNN),建立了井眼轨迹智能预测方法,预测精度明显优于传统井眼轨迹预测模型;建立了基于空间圆弧模型和恒工具面模型的待钻轨道优化设计方法,优化求解方法采用精英保留的遗传算法(SEGA),实际求解快速方便,可为现场井眼轨迹控制提供借鉴;最后,根据井眼轨迹预测方法及待钻轨道设计方法,结合各方法特征以及方法的求解过程,开发了水平井井眼轨迹随钻监测及调整设计软件。本文所研究的内容,对于智能钻井背景下井眼轨迹智能控制,推动钻井作业自动化和智能化发展具有一定的借鉴意义。

关键词： 相对定位   GNSS网平差   基线权重准则   最小邻边算法   B/S架构   软件开发  

摘要： 随着互联网、智能云技术的发展,测绘科学也逐步地从传统测绘向信息测绘、智能测绘的方向发展。2020年,中国北斗系统完成全球组网,为我国高精度定位研究与服务翻开了新的篇章。目前获取高精度定位方式主要有三种:PPP、相对定位、PPP-RTK,其中PPP、PPP-RTK在单点定位领域发挥着重要作用,而相对定位在构建高精度大地控制网、地壳运动监测网、精密变形监测网等领域发挥着不可替代的作用。在高精度的GNSS控制网数据处理中,通常选用独立基线进行解算与网平差。然而,现有商业软件并不具备独立基线选取功能,同时大多GNSS控制网平差软件都是基于C/S架构实现的,不具备灵活性和跨平台能力。对此,本文旨在探讨GNSS控制网数据处理关键算法与开发一款基于B/S架构的GNSS控制网数据处理软件。本文的主要工作内容及成果如下:(1)研究与探讨了GNSS控制网数据处理原理。从相对定位模型、周跳探测与修复、整周模糊度固定等方面对原理进行了剖析,详细推导了GNSS三维无约束平差、三维约束平差原理及过程,为后面的软件开发提供了理论支撑。(2)研究与探讨了使用GNSS控制网的独立基线代替全部基线进行网平差的可行性。关于独立基线选取,从解算效率上考虑摈弃基线解算后才能获得的基线质量评价指标,研究与探讨使用基线长度和RDOP值的组合构建基线权重准则,减少了非必要基线的解算工作。针对现有的最小生成树算法,结合GNSS控制网的边多、网型复杂的特点,提出一种最小邻边的独立基线选取算法。通过香港CORS网的数据实验,验证了提出的基线提取准则和优选基线算法的可靠性。(3)随着互联网、智能云技术的发展,基于B/S架构的软件更加贴合人们的需求,也是未来软件发展的趋势。论文就该架构开发了一款GNSS控制网数据处理软件,从软件架构、需求分析、开发技术、存储设计、界面展示等方面作出了分析与介绍,实现了基线解算、独立基线选取、地图显示、网平差等功能。(4)针对论文提出的优选基线准则、最小邻边的独立基线选取算法、开发的GNSS控制网数据处理软件,开展了三个GNSS控制网数据处理实验,按照网型的大小,依次为中国矿业大学南湖校区GNSS控制网、香港CORS网、美国西海岸IGS网。从每个实验的选区概况、观测方案设计、独立基线优选方案、基线解算效率、基线解算结果和网平差结果六个方面展开论述,并将自编软件的处理结果与华测的CGO、中海达的HGO、南方的SGO软件进行了对比,得出在基线解算效率上优于其它软件、基线解算效果上与其它软件相当、网平差处理的稳定性要优于其它软件的结论。论文含有图76幅,表19个,参考文献89篇。