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当期论文
2025年
14卷
第3期
上一期
2025, 14(3): 501-527.
摘要
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随着我国空间利益拓展与在轨资产规模增长，非合作空间暗弱目标的高精度探测已成为空间安全防御与碎片清除的核心瓶颈。传统光学或雷达探测手段受限于衍射极限与信噪比约束，对“快、远、小、暗”目标的探测与识别精度不足，激光雷达凭借其高精度、抗干扰等优势，逐渐成为空间目标高精度探测的核心技术手段。通过突破传统激光雷达系统的物理限制，亚像素扫描、合成孔径和反射层析等技术能够实现远距离超分辨成像。该文从总结梳理关键问题和关键技术出发，追踪了3种激光雷达超分辨成像技术的关键技术研究进展，分析了典型实验系统和实验结果，并结合空间探测、遥感测绘等任务需求，阐述了各体制的特点、优势和不足，展望了其应用前景和发展趋势。
2025, 14(3): 528-547.
点云融合技术作为3D (Three-Dimensional)数据处理的重要手段，在多个领域展现出巨大的潜力和应用前景。该文系统地综述了点云融合的基础概念、常用技术方法及其应用，深入分析了不同方法的发展现状和未来发展趋势。此外，该文还探讨了点云融合在自动驾驶、建筑和机器人等领域的实际应用及面临的挑战，尤其是在应对噪声、数据稀疏性和密度不均等问题时，如何在保证融合精度的同时平衡其复杂性。通过全面梳理现有研究进展，为未来点云融合技术的发展提供了有力参考，并为进一步提升融合算法的精度、鲁棒性和效率指明了可能的研究方向。
2025, 14(3): 548-561.
小光斑全波形激光雷达凭借高穿透、完整回波获取能力而蕴含巨大应用潜力。高效精准处理海量回波信号是全波形激光雷达实际应用前提，成为波形分解技术前沿性挑战。对于小光斑全波形激光雷达系统，单目标回波占比高且仅多目标回波需要精细波形分解处理，然而现有方案通常以牺牲精度为代价而采用简单快速波形分解算法，或将全部回波信号无差别进行波形分解而导致效率低下，难以兼顾精度和效率。该研究面向小光斑全波形激光雷达，提出一种时空耦合模型驱动的多目标回波轻量化检测算法，首次实现从未知回波次数的波形数据中高效精准检测多目标回波，有效避免波形分解算法无差别处理单目标回波而引入冗余计算，显著减少波形分解次数。具体地，(1)该算法构建了激光雷达时空耦合回波信号模型，以揭示回波传输的时空特性；(2)基于该模型驱动双高斯函数叠加拟合方式，轻量化估计波形参数；(3)根据信噪比引入自适应相关性判别方法。结合系统发射脉冲一致性，所提方法能够轻量化且准确检测多目标回波信号，在地基和机载波形数据实验结果证明，该研究提出的轻量化多目标回波检测算法检测准确率高达98.4%，召回率93.1%。利用4种波形分解方法结合多目标回波检测，效率显著提高2～3倍，且在单目标回波数量占比增大情况下效率提升更显著。
2025, 14(3): 562-575.
海洋上表层生物光学参数的垂直特征对评估海洋初级生产力和碳循环至关重要。虽然激光雷达技术能够有效探测这些参数，但受限于经验模型在不同区域的适应性差异，反演结果通常存在较大偏差。针对该问题，该研究基于2023—2024年中国某海域多平台激光雷达联合观测数据，结合区域适应性生物光学模型，实现了该海域生物光学参数剖面的高精度反演。其中，叶绿素a浓度剖面反演结果与原位数据一致性较高，决定系数(R2)为0.84，平均均方根误差(RMSE)为0.14 μg·L–1。通过误差传递模型量化分析表明，不同波段的光学敏感性差异显著影响误差分布，蓝光波段有效探测深度为70 m，显著高于绿光波段的58 m。蓝光波段在次表层叶绿素最大值层(SCML)的自身反演偏差较绿光波段低0.18 μg·L–1，进而阐明了各波段光学特性与自身偏差的内在关联，为提升复杂水体生物光学参数剖面反演的可靠性和开展误差分析提供了有效方法。
2025, 14(3): 576-588.
南极数字高程模型(DEM)能够为南极科考活动提供关键地形数据的支撑，还可用于融水池体积估算等研究。但南极自然环境恶劣，传统地面定标方法实施困难，星载激光雷达能够直接获取高精度的地表高程数据，可以有效解决这一问题。ICESat-2作为新一代激光测高卫星，其激光足印间隔仅为0.7 m，其南极冰盖的高程数据产品精度可达厘米级。并且该南极冰盖的高程数据产品与南极洲参考高程模型REMA DEM生成的源数据具有较好的时间匹配度。该文首先利用2015年IceBridge计划的IDHDT4数据产品验证了ICESat-2陆冰高数据ATL06的高程精度。在此基础上，利用验证后的ATL06数据系统评估了REMA DEM 32 m分辨率产品的高程精度。研究表明REMA DEM在坡度小于5°的平坦地形上精度可达亚米级，接近激光测高精度，在坡度达到30°时高程误差的RMSE不超过3.5 m。此外，论文进一步分析了地面光斑轨迹方向与DEM坡向间的夹角和季节对REMA DEM高程精度评估的影响。该文精度验证的结果能够为后续利用该数据产品在平坦地区进行冰面湖水深反演等工作提供理论依据。
2025, 14(3): 589-601.
近年来，针对水面船舶的目标跟踪是船舶自主航行中需要解决的一个重要问题。对于三维的环境感知，激光雷达有着其高分辨率和高精度等特征，长线阵激光雷达通过加上一维扫描，有着比单点和面阵激光雷达更大的视场，在环境感知上有着其独特的优势。由于水面船舶的特征等信息与地面目标的特征不一致，且相关的数据集较少，目前常用的拟合方法无法有效地针对水面目标的特征进行有效感知。文中根据单光子点云以及远距离目标探测的特征提出一种高效的船舶目标跟踪方法。该方法基于近邻点的同步聚类及去噪的方法，并基于船舶的几何特征先验知识通过船舶特征点面提取的方法进行拟合，进一步降低了噪声的影响。结合扩展卡尔曼滤波以及速度估计方法，实现了600 m范围内目标的实时稳定的轨迹跟踪，跟踪均方根误差(RMSE)为0.5 m，单帧处理时间1.02 s，满足工程实时性的需求。并在复杂环境下进行测试，对大型船舶仍有较好的跟踪效果，效果优于常用拟合跟踪方法。为后续智能船舶自主航行提供更完善的信息，实现船舶更好的障碍避让、路径规划。
2025, 14(3): 602-615.
全波形高光谱激光雷达(HSL)在获得高精度、高分辨率的空间数据的同时，还能获得目标的光谱信息，可为不同研究和应用领域提供有效和多维的数据。然而，HSL不同波段发射信号强度存在差异，会导致相应回波信号的差异，难以直接利用回波信号来重建目标在不同波段下准确的光学特性(目标的反射率光谱分布曲线)。以往研究通常利用标准漫反射白板法来获取目标的反射率光谱曲线(标准参照板法)。但在某些复杂的检测环境中白板易受污染，且激光器的发射能量会因环境和设备状态的变化出现波动，进而影响计算精度。因此，从全波形信号本身直接提取信息用于反射率光谱曲线重建是一种快捷的途径。基于此，该文提出一种基于HSL全波形数据的回波强度校正方法，用于快速生成目标的反射率光谱曲线。首先，通过理论分析，证明回波与发射波在形状上的相似性。然后，对HSL全波形的发射信号和回波信号进行偏正态高斯函数拟合，计算各波段在理想情况下标准漫反射白板的发射信号与回波信号峰值比值(归一化因子)。最后，通过结合标准漫反射白板的归一化因子与目标的归一化因子来构建目标的反射率光谱分布曲线。为验证方法的有效性，该文将其与基于标准漫反射板计算的反射率光谱曲线进行了对比实验，并进行木叶分离和目标分类实验以评估其适用性。实验结果表明：(1)利用发射信号校正回波强度，可以获得与标准参照板法相似的反射率光谱曲线。并且在不同温度及光照条件下均表现出良好的稳定性；与标准漫反射白板法相比，该方法有效克服了激光器发射能量波动的影响，尤其在HSL长时间工作条件下，显著提升了反射率光谱曲线的测量精度和一致性。(2)在实际应用中，基于该文方法获得的目标反射率光谱曲线能够快速实现木叶分离，且对果树目标分类准确率超过90%。该文方法简化了全波形高光谱激光雷达的回波强度校正流程，可在数据采集过程中实时快速重建目标高光谱信息。
2025, 14(3): 616-628.
激光雷达缺乏纹理色彩信息，相机缺乏深度信息，激光雷达和相机的信息具有高度的互补性，融合二者能获得丰富的观测数据，能提高环境感知的精准度和稳定性。而对两类传感器的外部参数进行精确的联合标定是数据融合的前提。目前，绝大多数的联合标定方法需要借助校准靶标物和人工选点的方式处理，导致其无法在动态的应用场景中使用。该文提出一种ResCalib深度神经网络模型用于解决激光雷达与相机的在线联合标定问题，该方法以激光雷达点云、单目图像和相机内参数矩阵作为输入以实现参数解算，而方法对外部特征物或靶标的依赖度低。ResCalib是一个几何监督深度神经网络，通过实施监督学习使输入图像和点云的几何及光度一致性最大化，利用单次迭代网络，自动估计激光雷达和相机之间的6自由度外参关系。实验表明该文方法能够纠正旋转±10°和平移±0.2 m的错误标定，标定解算结果的旋转分量的平均绝对误差为0.35°，平移分量为0.032 m，且单组标定所需时间为0.018 s，为实现动态环境下的自动化联合标定提供了技术支撑。
2025, 14(3): 629-640.
针对机场低空区域采用激光雷达进行湍流识别时识别率低的问题，提出了使用一种改进50层挤压激励残差网络(SE-ResNet50)的晴空湍流识别方法。通过引入挤压激励模块，改进网络结构，降低了模型对特征定位的过度敏感，使网络在学习过程中选择性地突出有用的信息特征；以兰州中川国际机场的实测数据建立了样本数据集，依据湍流分类等级抽取弱、中、强3类等量颠簸数据建立平衡数据集进行模型训练。在相同的实验条件下，与卷积神经网络、MobileNetV2和ShuffleNetV1网络相比，改进SE-ResNet50的识别准确率分别提高了7.44%, 6.52%和4.11%，对比各个模型生成的混淆矩阵，表明该文方法的准确率达到了95%，验证了所提方法的可行性。
2025, 14(3): 641-650.
机场泊位引导系统对提高机场安全性和运行效率有着重要作用，为了利用激光雷达精确获取飞机停泊位置，该文提出了一种基于深度学习的点云补全网络并通过点云配准的方式定位飞机中心坐标。首先，参考真实场景中飞机停泊过程进行仿真得到模拟激光雷达点云。接着对遮挡等原因造成残缺的模拟点云进行补全，恢复出完整结构。最后将补全后的点云与飞机模型点云配准，坐标转换后计算出飞机中心点在模拟激光雷达坐标系中的准确位置。实验表明，提出的点云补全网络能够完整地恢复出模拟点云中缺失部分，从而计算出模拟点云的飞机中心坐标，实现了对飞机泊位引导过程中飞机位置的精确检测。为了便于研究人员评估和使用，文中算法可通过https://www.scidb.cn/anonymous/UXZFZkFm 开源获取。
2025, 14(3): 651-663.
该文面向高动态强对抗战场环境下复杂感知系统在探测、跟踪及抗干扰等核心任务中的适应性难题，提出以信息驱动为核心的系统理论模型与构建方法体系。具体而言，构建基于语法、语义、语用的多层信息描述框架突破单一语法结构及表层语义的局限，提出系统动态演化架构打破传统静态建模与固定模式设计的应用壁垒。此外，将上述理论成果应用于分布式雷达探测系统实践，针对系统寻优的复杂性难题，设计基于有限场景交互学习机制与结构化分层优化算法，实现系统有序组织与能力涌现，为复杂战场环境下智能感知系统设计提供了理论范式与技术路径。
2025, 14(3): 664-696.
电磁超表面是一种新型的人工电磁材料，其在无线通信、信号处理等方面展现出了巨大的优势。电磁超表面通过引入外部激励(机械激励、热激励、电激励、光激励、磁激励等方式)实现了对电磁响应更为灵活的动态控制。基于动态调控的方式，电磁超表面能够实现对电磁波的相位、振幅、极化方式、传播模式等特性的精确控制，从而在不同的应用场景中实现波前调控。该文首先归纳总结了电磁超表面动态调控技术的研究进展；然后，讨论了电磁超表面在全息成像、极化转换、超构透镜、波束调控以及智能系统等领域中的研究现状；最后以调控技术为基石总结展望了电磁超表面的发展模式及未来智能化调控的发展趋势。
2025, 14(3): 697-711.
该文针对合成孔径雷达(SAR)成像多模式间分辨率和测绘带宽等参数设计的矛盾问题，提出了一种基于子带搬移拼接的FDA-SAR成像方法，可满足多模式SAR成像的不同分辨率需求。利用频率分集阵(FDA)雷达的多子带并发模式，设计了一种带宽可调控的雷达波形。详细推导了任意带宽合成信号的时频域表达式，实现了阵元方位时延和频带不一致差异补偿。分析了合成信号频谱分布关系对成像性能的影响，采用非均匀子带搬移的频谱合成方式，降低了峰值旁瓣电平，改善了成像性能。该文方法能够同时实现大观测场景粗分辨率成像和重点区域场景精细成像的信号级融合处理，仿真验证了所提方法的有效性。
2025, 14(3): 712-734.
合成孔径雷达(SAR)海洋遥感仿真是面向海洋应用的SAR系统设计的重要分析工具，同时也可以为复杂海洋现象SAR图像的检测、识别提供训练样本，为海洋参数反演提供正演模型，因此在SAR海洋遥感的SAR系统设计和应用中扮演着非常重要的角色。海面的运动特性、时变特性、去相干特性使得SAR海洋遥感的仿真难度和计算量要远远大于陆地固定目标的仿真，如何在保证仿真精度的情况下提升仿真效率是实现SAR海洋成像高精度、高效率仿真的关键。该文介绍了动态海面SAR成像仿真的主要方法以及发展现状和主要问题，给出了动态海面SAR成像高精度仿真中若干关键问题的实现方法，该仿真方法在保证较高的逼真度情况下(典型工况下仿真SAR图像谱谱峰误差3%，谱宽误差4%)，能在10分钟内完成4 m分辨率情况下400 km2场景的仿真。实现并介绍了动态海面SAR成像仿真在波浪谱反演、基于深度对消网络的海浪纹理抑制以及基于Wake2Wake网络的舰船尾迹检测方面的典型应用。这些应用案例一方面验证了该文给出的动态海面SAR成像高精度仿真的逼真度能够达到智能化仿真训练的要求，另一方面也说明了高精度仿真在SAR海洋图像智能化应用有很好的前景，可以成为解决SAR海洋遥感智能化应用中样本数据瓶颈的重要手段。
2025, 14(3): 735-753.
作物和土壤参数是表征作物生长状态、监测作物长势的重要基础。雷达遥感具有全天时、全天候、不受气象条件影响的观测能力，微波的穿透能力也对作物覆盖下土壤参数变化具有较强敏感性，在作物土壤参数反演中极具潜力。该文围绕微波散射理论下的作物土壤参数反演模型展开研究和综述。首先回顾了微波散射模型从理论模型发展为半经验模型的历程，明晰模型理论演变趋势与方法改进方向。然后，详细介绍了基于微波散射机理的作物参数、土壤参数以及作物土壤参数耦合的反演方法。最后，阐明模型不足，结合当下技术发展特点明确了未来发展的重点方向，以期为后续研究提供新思路。
2025, 14(3): 754-780.
海上目标检测识别技术发展需要大量高质量的海上目标多传感器实测数据。针对这一需求，“雷达对海探测数据共享计划(SDRDSP)”升级为“海上目标数据共享计划(MTDSP)”，利用HH极化雷达、VV极化雷达、光电设备、AIS设备开展海上船只目标多源观测试验，获取雷达中频/视频回波切片数据、可见光与红外图像数据、AIS静态与动态报文数据、气象水文数据，覆盖典型海况和多种船型，构建涵盖多种类型海上目标的多源观测数据集，完成同一目标多种模态数据的匹配和标注，并实现目标数据的自动入库管理、条件检索和批量导出，为海上目标特性数据自动获取、长期积累与使用奠定基础。在此基础上，基于实测数据对比分析了不同海况、姿态、极化条件下同一船只目标的时域/频域特征、不同类型船只目标的时域/频域特征，形成了目标特征变化的统计结论。
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