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星载光子计数激光测距雷达的实时去噪方法

红外与毫米波学报 2024年第2期43卷 242-253页

作者：谭崇涛于文博向雨琰李少辉余婧王倩莹李松武汉大学电子信息学院湖北武汉430072 中国空间技术研究院北京100098 武汉量子技术研究院湖北武汉430010

星载光子计数体制激光测距雷达系统具有高重频、高精度等显著优势,但也面临原始数据量大且噪声数据占比过高的问题。为适应星上数据通道的传输能力,需压缩原始数据量并保障信号光子的查全率,因此必须发展以硬件为主体的实时去噪算法。... 详细信息

星载光子计数体制激光测距雷达系统具有高重频、高精度等显著优势,但也面临原始数据量大且噪声数据占比过高的问题。为适应星上数据通道的传输能力,需压缩原始数据量并保障信号光子的查全率,因此必须发展以硬件为主体的实时去噪算法。本文提出一种粗精结合的快速去噪算法,首先基于激光器发射脉宽、系统噪声率、目标特性以及接收光子事件的局部密度信息进行粗去噪,剔除部分噪声光子;再利用直方图统计,对保留的光子事件进行精去噪,确定信号光子区间及最终的信号光子及其时间信息。通过蒙特卡洛仿真和ICESat-2实测数据对算法进行验证,测试结果表明,本算法查全率大于94%、查准率大于93%、调和平均值大于94%,运行效率提高了10%。算法可以实现光子事件的快速实时去噪,为星上硬件实时去噪处理提供了理论基础。

关键词：光子计数激光测距粗精去噪数据密度直方图统计

ITRF2014框架下顾及降雨量与水文负载的CMONOC坐标时间序列关系分析

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第6期49卷 960-969页

作者：何月帆聂桂根武曙光李海洋廖密郭雨武汉大学卫星导航定位技术研究中心湖北武汉430079 地球空间信息技术协同创新中心湖北武汉430079 湖北珞珈实验室湖北武汉430072

水文负载对中国大陆构造环境监测网络(crustal movement observation network of China,CMONOC)测站坐标时间序列具有重要的影响,而降雨量直接影响了水文负载的量级大小。利用ITRF2014(international terrestrial reference frame 2014)参考框架下CMONOC坐标时间序列、MERRA2(modern-era retrospective analysis for research and applications, version 2)水文负载模型以及中国区域降雨量数据来分析三者之间的关系。结果表明,水文负载对CMONOC测站的影响主要体现在垂直方向上,尤其在珠江流域、长江流域以南、西南以及东南诸河流域,水文负载对测站位移的影响尤为显著,水文负载序列的均方根最大可达5.47 mm。水文负载和降雨量都呈现出较为明显的纬度相关性,纬度越高,其量级越小,二者与纬度的线性拟合优度分别为0.63和0.55;同时,降雨量与水文负载也呈现明显的线性关系,拟合优度为0.49,且随着年均降雨量的增加,水文负载的量级会随之增大。对于周期性信号,降雨量、水文负载以及CMONOC坐标时间序列具有一致性,水文负载的周年振幅和CMONOC坐标时间序列的周年振幅与年均降雨量的拟合优度分别为0.64和0.37。在研究水文负载对GNSS坐标时间序列的影响时,除了土壤湿度、积雪以及冠层水,降雨量也是不可忽略的因素。

关键词：水文负载降雨量 CMONOC坐标时间序列拟合优度周年振幅

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基于引导扩散模型的自然对抗补丁生成方法

电子学报 2024年第2期52卷 564-573页

作者：何琨佘计思张子君陈晶汪欣欣杜瑞颖武汉大学国家网络安全学院湖北武汉430072 武汉大学空天信息安全与可信计算教育部重点实验室湖北武汉430072 武汉大学日照信息技术研究院山东日照276800 地球空间信息技术协同创新中心湖北武汉430079

近年来,物理世界中的对抗补丁攻击因其对深度学习模型安全的影响而引起了广泛关注.现有的工作主要集中在生成在物理世界中攻击性能良好的对抗补丁,没有考虑到对抗补丁图案与自然图像的差别,因此生成的对抗补丁往往不自然且容易被观察者... 详细信息

近年来,物理世界中的对抗补丁攻击因其对深度学习模型安全的影响而引起了广泛关注.现有的工作主要集中在生成在物理世界中攻击性能良好的对抗补丁,没有考虑到对抗补丁图案与自然图像的差别,因此生成的对抗补丁往往不自然且容易被观察者发现.为了解决这个问题,本文提出了一种基于引导的扩散模型的自然对抗补丁生成方法.具体而言,本文通过解析目标检测器的输出构建预测对抗补丁攻击成功率的预测器,利用该预测器的梯度作为条件引导预训练的扩散模型的逆扩散过程,从而生成自然度更高且保持高攻击成功率的对抗补丁.本文在数字世界和物理世界中进行了广泛的实验,评估了对抗补丁针对各种目标检测模型的攻击效果以及对抗补丁的自然度.实验结果表明,通过将所构建的攻击成功率预测器与扩散模型相结合,本文的方法能够生成比现有方案更自然的对抗补丁,同时保持攻击性能.

关键词：目标检测对抗补丁扩散模型对抗样本对抗攻击深度学习

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基于随机平滑的通用黑盒认证防御

计算机学报 2024年第3期47卷 690-702页

作者：李瞧陈晶张子君何琨杜瑞颖汪欣欣空天信息安全与可信计算教育部重点实验室武汉大学国家网络安全学院武汉430079 武汉大学日照信息研究院山东日照276800 武汉大学地球空间信息技术协同创新中心武汉430079

近年来,基于深度神经网络(DNNs)的图像分类模型在人脸识别、自动驾驶等关键领域得到了广泛应用,并展现出卓越的性能.然而,深度神经网络容易受到对抗样本攻击,从而导致模型错误分类.为此,提升模型自身的鲁棒性已成为一个主要的研究方向.... 详细信息

近年来,基于深度神经网络(DNNs)的图像分类模型在人脸识别、自动驾驶等关键领域得到了广泛应用,并展现出卓越的性能.然而,深度神经网络容易受到对抗样本攻击,从而导致模型错误分类.为此,提升模型自身的鲁棒性已成为一个主要的研究方向.目前大部分的防御方法,特别是经验防御方法,都基于白盒假设,即防御者拥有模型的详细信息,如模型架构和参数等.然而,模型所有者基于隐私保护的考虑不愿意共享模型信息.即使现有的黑盒假设的防御方法,也无法防御所有范数扰动的攻击,缺乏通用性.因此,本文提出了一种适用于黑盒模型的通用认证防御方法.具体而言,本文首先设计了一个基于查询的无数据替代模型生成方案,在无需模型的训练数据与结构等先验知识的情况下,利用查询和零阶优化生成高质量的替代模型,将认证防御场景转化为白盒,确保模型的隐私安全.其次,本文提出了基于白盒替代模型的随机平滑和噪声选择方法,构建了一个能够抵御任意范数扰动攻击的通用认证防御方案.本文通过分析比较原模型和替代模型在白盒认证防御上的性能,确保了替代模型的有效性.相较于现有方法,本文提出的通用黑盒认证防御方案在CIFAR10数据集上的效果取得了显著的提升.实验结果表明,本文方案可以保持与白盒认证防御方法相似的效果.与之前基于黑盒的认证防御方法相比,本文方案在实现了所有L p的认证防御的同时,认证准确率提升了20%以上.此外,本文方案还能有效保护原始模型的隐私,与原始模型相比,本文方案使成员推理攻击的成功率下降了5.48%.

关键词：深度神经网络认证防御随机平滑黑盒模型替代模型

雷达目标散射中心正向模型扩展及散射特性分析

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电讯技术 2024年

作者：李臻化梦博杨泽望刘建何思远边志丹北京跟踪与通信技术研究所武汉大学电子信息学院

在现有研究中，散射中心正向建模的对象都是理想导电(Perfect Electric Conductor， PEC)材质目标，而真实目标表面通常会涂刷非金属的介质材料，如吸波涂层或防锈漆等等，故为满足雷达目标特性规划、特征信号控制和优化设计需求，有必... 详细信息

在现有研究中，散射中心正向建模的对象都是理想导电(Perfect Electric Conductor， PEC)材质目标，而真实目标表面通常会涂刷非金属的介质材料，如吸波涂层或防锈漆等等，故为满足雷达目标特性规划、特征信号控制和优化设计需求，有必要将散射中心正向建模方法拓展至涂覆目标。有鉴于此，研究从目标几何模型和分区部件涂覆介质阻抗参数出发，结合空间射线分集及追踪技术，通过正向途径将目标整体散射特性分解并离散化为多个部件级散射源。然后通过高频电磁理论定量计算和推导散射源三维相位中心（位置参数）、散射贡献（幅度参数）、频率依赖因子、分布宽度等参数，针对介质涂覆（或局部涂覆）电大尺寸目标开展了散射中心正向模型扩展与散射特性分析研究。以简化坦克为例，对目标强散射结构表面涂覆吸波材料，针对性降低其散射幅值，进而改变目标的强散射源分布，结果验证了所提模型的准确性和可行性。实验建立的正向模型物理机理清晰，在样本目标各部件或结构及其材料涂覆特性与散射中心之间建立起可供优化设计操作的映射关系，为实际复杂环境下雷达目标特性规划、特性快速预估，乃至支撑下游的许多实际应用领域，包括目标探测与识别、目标遥感等，提供了一种可资参考的低成本方法。

关键词：散射中心正向建模涂覆目标雷达目标特性规划

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同方期刊数据库

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面向自动驾驶的高精地图模型及关键技术

武汉大学学报（信息科学版） 2024年第4期49卷 506-515,F0002页

作者：应申蒋跃文顾江岩刘之林梁沅宜郭迟刘经南武汉大学资源与环境科学学院湖北武汉430079 武汉大学地理信息系统教育部重点实验室湖北武汉430079 武汉大学地球空间信息技术协同创新中心湖北武汉430079 武汉大学卫星导航定位技术研究中心湖北武汉430079 湖北珞珈实验室湖北武汉430079

高精地图作为自动驾驶中不可或缺的环节,其发展将在很大程度上影响自动驾驶水平。现有高精地图模型多样,面向机器思维不足,缺乏面向“人-车-路-图”的系统思维。基于分层更明确、要素更全面和用户特征更突出三方面的考量,细化和充实四... 详细信息

高精地图作为自动驾驶中不可或缺的环节,其发展将在很大程度上影响自动驾驶水平。现有高精地图模型多样,面向机器思维不足,缺乏面向“人-车-路-图”的系统思维。基于分层更明确、要素更全面和用户特征更突出三方面的考量,细化和充实四层一体化高精地图模型,详细阐述了静态数据层、道路实时信息层、车辆动态信息层和用户模型层的内容和功能;指出了高精地图云边端协同更新机制、路口安全信息框架、交通事件驱动的导航决策3个关键技术如何支撑自动驾驶全局和局部路径导航决策以及车辆控制;从感知、定位、决策、控制4个层面解释了高精地图平台对自动驾驶的支持。

关键词：自动驾驶高精地图模型导航决策

不变RTS平滑算法及其在5G/SINS组合导航中的应用研究

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武汉大学学报（信息科学版） 2024年第5期49卷 747-755页

作者：罗亚荣郭文飞齐书峰郭迟武汉大学卫星导航定位技术研究中心湖北武汉430079

为了解决导航系统的位置误差随时间累积的问题,提出一种状态空间为矩阵李群的不变RTS(invariant Rauch-Tung-Striebel,InRTS)平滑算法来提高导航状态的精度,其核心在于导航状态及观测都利用矩阵李群进行表示及推导。首先,将系统状态及... 详细信息

为了解决导航系统的位置误差随时间累积的问题,提出一种状态空间为矩阵李群的不变RTS(invariant Rauch-Tung-Striebel,InRTS)平滑算法来提高导航状态的精度,其核心在于导航状态及观测都利用矩阵李群进行表示及推导。首先,将系统状态及其误差状态微分方程用矩阵李群来表征,相比于传统扩展卡尔曼滤波算法(extended Kalman filter,EKF),将系统状态构建在矩阵李群上,其动力学方程可以更自然更本质地描述物体在空间中的运动特性,而通过群运算定义的误差状态耦合了姿态误差而不是直接的向量相减;接着,通过李群和李代数之间的对数映射将不变误差状态变量映射到李代数空间,得到一个解析的线性微分方程,该方程与当前状态估计值无关,从而可以获得在任何线性化点处状态无关的雅克比矩阵;然后,根据5G定位中量测模型的左不变特性推导包含杆臂误差的左不变误差状态量测方程,从而得到一个左不变EKF;最后,以左不变EKF为前向滤波,提出不变RTS平滑算法,并将其应用于5G/SINS(strapdown inertial navigation system)组合导航系统,在仿真实验中与左不变EKF算法进行了精度对比。实验结果表明,InRTS算法能对左不变EKF算法得到的轨迹进行平滑,降低了前向滤波过程中导航状态的累积误差,从而证明了所提算法的有效性。

关键词：左不变扩展卡尔曼滤波不变RTS平滑矩阵李群 5G/SINS组合导航

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小行星探测器轨道计算的动力学研究

中国空间科学技术（中英文） 2024年第4期44卷 111-118页

作者：王宏鄢建国樊敏李海涛北京跟踪与通信技术研究所北京100094 武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室武汉430070

针对中国即将开展的小行星探测活动中面临的轨道计算动力学问题进行研究。分析了小行星探测器轨道计算的需求,并对小行星轨道计算中涉及的时空参考系进行了描述,然后对轨道计算所需考虑的动力学模型进行了讨论,并给出了各类摄动加速度... 详细信息

针对中国即将开展的小行星探测活动中面临的轨道计算动力学问题进行研究。分析了小行星探测器轨道计算的需求,并对小行星轨道计算中涉及的时空参考系进行了描述,然后对轨道计算所需考虑的动力学模型进行了讨论,并给出了各类摄动加速度的计算公式。最大的是太阳引力加速度,约为10^(-6)km/s^(2);最小的是小行星本体摄动加速度,约为10^(-12)~10^(-13)km/s^(2)。利用欧空局Rosetta探测器的实测数据对动力学模型精度进行了验证,结果表明4天弧段位置互差约15 m,速度互差约0.44 mm/s,动力学模型精度可靠。本研究可以为中国小行星探测活动轨道计算提供参考。

关键词：小行星探测时空参考系轨道计算动力学模型引力场轨道摄动

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智能驾驶场景中高精地图动静态数据关联方法

武汉大学学报（信息科学版） 2024年第4期49卷 640-650页

作者：王舒曼应申蒋跃文张闯李霖刘经南武汉大学资源与环境科学学院湖北武汉430079 武汉大学地理信息系统教育部重点实验室湖北武汉430079 武汉大学自然资源部数字制图与国土信息应用重点实验室湖北武汉430079 武汉大学卫星导航定位技术研究中心湖北武汉430079 地球空间信息技术协同创新中心湖北武汉430079 湖北珞珈实验室湖北武汉430079

在智能驾驶场景中,对高精地图的实时动态信息和静态数据的协同调用可以支持智能驾驶系统准确地重构道路行驶场景,并针对复杂的道路环境和突发事件做出安全高效的决策。因此,动态数据与静态数据之间的关联和实时重构是实现智能驾驶车辆... 详细信息

在智能驾驶场景中,对高精地图的实时动态信息和静态数据的协同调用可以支持智能驾驶系统准确地重构道路行驶场景,并针对复杂的道路环境和突发事件做出安全高效的决策。因此,动态数据与静态数据之间的关联和实时重构是实现智能驾驶车辆路径规划及决策的关键技术。针对目前高精地图模型中动静态数据关联原则共识不够造成耦合实时性弱的问题,提出并论述了动静态数据的关联原则,依此原则,且基于关系数据理论和高精地图的属性属地区块更新机制,进一步提出了高精地图动静态数据的关联和重构的强、弱两种关联方法。通过自动驾驶宏观、中观、微观3种场景决策支持应用分析了动静态数据关联方法对智能驾驶的影响,说明高精地图动静态数据关联关系的建立能够支持智能驾驶系统的规划决策和控制,为车辆实现安全、高效、舒适的智能驾驶奠定了基础。

关键词：高精地图动静态数据关联数据存储模型智能驾驶决策支持