一种机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法
未命名
10-09
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1.本发明属于雷达成像技术领域,具体涉及一种机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法。
背景技术:
2.传统的合成孔径雷达成像大斜视成像的几何模型大多都是在匀速直线平飞轨迹为前提下建立的,而由于机动平台的高速度、机动等运动特性,导致传统匀速直线平飞的模型不再成立,需要建立适用于机动平台俯冲运动轨迹的几何模型。
3.同时传统大斜视成像方法多采用全孔径的成像算法,但对于机动平台雷达大斜视成像来说,由于平台本身的限制,其天线孔径尺寸较小,全孔径成像时间较长,数据量大,无法满足快速成像的需求。并且全孔径条件下的方位分辨率远高过所需分辨率大小,所以为满足实时快速成像的需求,机动平台成像算法不宜太复杂,可在满足分辨率需求前提下仅使用子孔径数据相干处理,降低运算量实现快速成像。同时一般成像算法均以理想轨迹为前提设计,而实际应用过程中,平台存在运动误差导致实际轨迹偏离理想轨迹,需进行运动补偿处理,长时间的全孔径数据运动补偿困难,而子孔径数据也可降低运动补偿的复杂度。
4.针对机动平台俯冲段大斜视宽幅高分辨成像,现有方案通过引入线性距离走动因子来降低大斜视角带来的距离方位强耦合问题,然后在方位向引入滤波因子校正方位多普勒参数的空变问题,实现大斜视成像。但随着方位幅宽增大,分辨率需求随之增加,将会导致斜视角空变对多普勒参数造成影响,最终影响成像质量。
技术实现要素:
5.为了解决现有技术中存在的上述问题,本发明提供了一种机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现:本发明提供了一种机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法包括:s100,在机动平台上通过雷达向地面发送宽带信号,并接收由地面目标返回的雷达回波数据;s200,对雷达回波数据在距离频域进行校正和补偿,得到补偿后的雷达回波数据;s300,对补偿后的雷达回波数据在二维频域进行弯曲校正和脉压得到距离向处理后的雷达回波数据;s400,补偿距离向处理后的雷达回波数据的多普勒中心方位的非空变分量,得到分量补偿后的雷达回波数据;s500,对分量补偿后的雷达回波数据在信号方位向时域进行两端补零得到补零之后的雷达回波数据;s600,对补零之后的雷达回波数据通过四阶相位调节因子以及方位频域非线性变标因子进行补偿,得到系数补偿后的雷达回波数据;s700,对系数补偿后的雷达回波数进行方位统一聚焦得到最终的目标聚焦图像。
6.本发明提供了一种机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,通过在机动平台上通过雷达向地面发送宽带信号,接收由地面目标返回雷达回波数据;对雷达回波数据在距离频域进行校正和补偿,对补偿后的雷达回波数据在二维频域进行弯曲校正和脉压得到距离向处理后的雷达回波数据;补偿距离向处理后的雷达回波数据的多普勒中心方位非空变分量,得到分量补偿后的雷达回波数据;对分量补偿后的雷达回波数据在信号方位向时域进行两端补零得到补零之后的雷达回波数据;对补零之后的雷达回波数据通过四阶相位调节因子以及方位频域非线性变标因子进行补偿,得到系数补偿后的雷达回波数据;对系数补偿后的雷达回波数进行方位统一聚焦得到最终的目标聚焦图像。本发明通过在方位向校正斜视角空变带来的影响,在方位聚焦处理时对方位形变项进行了补偿,防止最后成像结果存在图像扭曲,因此可以提高成像聚焦质量。
7.以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。
附图说明
8.图1是本发明提供的一种机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法的流程示意图;图2是本发明提供的机动平台直线俯冲的几何模型的示意图;图3是本发明提供的雷达回波数据的处理示意图;图4是本发明提供的俯冲段-三阶近似斜距模型的相位误差的示意图;图5是本发明提供的俯冲段-四阶近似斜距模型的相位误差的示意图;图6是本发明提供的点目标仿真场景布置示意图;图7是参考算法的中心点方位剖面图;图8是参考算法的边缘点方位剖面图;图9是本发明的成像方法的中心点方位剖面图;图10是本发明的成像方法的边缘点方位剖面图。
具体实施方式
9.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述,但本发明的实施方式不限于此。
10.结合图1至图3,本发明提供了一种机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法包括:s100,在机动平台上通过雷达向地面发送宽带信号,并接收由地面目标返回的雷达回波数据;参考图2,图2为机动平台直线俯冲的几何模型,在几何模型中表示机动平台与场景中心之间的斜距,表示机动平台相距地面的高度,表示平台俯冲速度方向与天线波束射线方向的夹角,表示波束下视角,表示平台俯冲角,表示波束方位角。机动平台的俯冲速度方向与波束射线方向的夹角的余角为波束中心斜视角,波束中心斜视角表示为:
(1);机动平台与目标的瞬时斜距表示为:(2);其中,表示机动平台与场景中心之间的斜距,表示机动平台相距地面的高度,表示平台俯冲速度方向与天线波束射线方向的夹角,表示波束下视角,表示机动平台的俯冲角,表示波束方位角,为平台俯冲合速度;实际应用中,机动平台是曲线俯冲的,即机动平台存在着三维的加速度,而非理想的直线俯冲。一般处理方法是运用运动补偿的思想,将三维加速度造成的影响看作运动误差,通过准确的惯导数据将加速度造成的误差补偿掉。本发明的处理过程中,假设加速度的影响已经被补偿,是以直线俯冲斜距模型为基础设计的。
11.为保证后续机动平台在俯冲段的大斜视成像算法的精度要求,采用俯冲段-四阶斜距模型来减少包络和相位误差,将瞬时斜距进行四阶泰勒展开:(3);假设雷达发射宽带信号为线性调频信号,则返回的雷达回波数据为,忽略信号幅度仅分析相位,表示为:(4);其中,表示距离快时间,表示方位慢时间,表示发射信号的调频率,表示光速,表示发射信号的波长,表示平台与目标的距离,为当前时刻。
12.s200,对雷达回波数据在距离频域进行校正和补偿,得到补偿后的雷达回波数据;本发明的s200包括:s210,对雷达回波数据进行距离向傅里叶变换,以将雷达回波数据转变至距离频域,得到距离频域的雷达回波数据;对雷达回波数据进行距离向快速傅里叶变换,得:(5);s220,构造线性距离走动校正与多普勒中心一致的补偿函数;s230,利用补偿函数对距离频域的雷达回波数据进行补偿得到补偿后的雷达回波数据。补偿函数表示为:
(6);其中,表示距离频率,表示信号的中心载频。
13.本发明将距离频域信号与线性距离走动校正及多普勒中心一致的补偿函数进行点乘,此时即消除了大斜视带来的距离向-方位向强耦合问题。再对信号进行方位快速傅里叶变换,得到补偿后的雷达回波数据,表示为:(7);其中,表示方位频率,,表示多普勒中心频率,为目标到孔径中心时刻天线波束射线的距离。
14.s300,对补偿后的雷达回波数据在二维频域进行弯曲校正和脉压得到距离向处理后的雷达回波数据;本发明的s300包括:s310,对补偿后的雷达回波数据进行方位向傅里叶变换,以将补偿后的雷达回波数据转变至二维频域;s320,分别构建距离弯曲的校正函数、距离脉压和二次距离的脉压函数;校正函数表示为:(8);脉压函数表示为:(9);s330,利用校正函数对二维频域的雷达回波数据进行距离弯曲校正,以及利用脉压函数对距离弯曲校正后的雷达回波数据进行距离脉压和二次距离脉压,并结合瞬时斜视角在空间上随距离单元的变动得到处理信号数据;由图2的几何模型可知,瞬时斜视角在空间上随距离单元的变动表示为:
(10);传统方法忽略掉瞬时斜视角随距离单元变动的影响,以近似表示,这将导致距离向处理后存在相关残留的相位项,在大斜视宽幅高分辨应用场景下,会对后续方位向聚焦产生很大影响。本发明对斜视角的空变影响加以考虑。完成距离向处理后,令,并忽略二次以上的相位项,因此处理信号数据表示为:(11);其中,表示瞬时斜视角;将二维频率信号分别与距离弯曲校正函数和距离脉压和二次距离脉压函数进行点乘,再进行二维的快速逆傅里叶变换,转换回二维时域,即完成信号距离向处理。
15.s340,对处理信号数据进行二维的傅里叶逆变换,以将处理信号数据转变至二维时域得到距离向处理后的雷达回波数据。
16.将信号进行方位快速逆傅里叶变换转化为方位时域,因此距离向处理后的雷达回波数据表示为:
(12);其中,,表示残留线性项对应的残留多普勒中心,表示方位调频率,表示方位时域三次项系数,表示方位时域三次项系数。
17.s400,补偿距离向处理后的雷达回波数据的多普勒中心方位的非空变分量,得到分量补偿后的雷达回波数据;本发明的s400包括:s410,将距离向处理后的雷达回波数据的多普勒系数在处展开,并将两维空变的多普勒参数分成方位空变分量和方位非空变分量;为简化后续处理,这里对多普勒系数在处作泰勒近似展开,将两维空变的多普勒参数分成方位空变分量和方位非空变分量,两维空变的多普勒参数表示为:(13);
(14);(15);(16);s420,构造残留多普勒中心的方位非空变分量的分量补偿函数;其中,分量补偿函数表示为:(17);其中,表示残留多普勒中心的非空变项,表示残留多普勒中心的一次空变项,表示方位调频率的非空变项,表示方位调频率的一次空变项,
表示方位调频率的二次空变项,表示方位三次项系数的非空变项,表示方位三次项系数的一次空变项;表示方位四次项系数的非空变项。
18.s430,利用分量补偿函数对距离向处理后的雷达回波数据进行补偿得到分量补偿后的雷达回波数据。
19.s500,对分量补偿后的雷达回波数据在信号方位向时域进行两端补零得到补零之后的雷达回波数据;值得说明的是:对分量补偿后的雷达回波数据在方位向进行非线性变标处理,用于消除多普勒各阶参数的空变性,但会使得信号频域相位-频率变化率分布线沿纵轴展宽,超出原本纵轴的支撑区宽度(即对应信号时域宽度),导致部分数据展示反折,造成最终成像出现“虚影”。所以本发明需要预先对支撑区宽度进行展宽,即在方位向时域两端进行补零。本发明对分量补偿后的雷达回波数据进行方位两端补零操作,扩展时域支撑区,防止后续变标处理发生混叠。
20.s600,对补零之后的雷达回波数据通过四阶相位调节因子以及方位频域非线性变标因子进行补偿,得到系数补偿后的雷达回波数据;本发明的s600包括:s610,构造四阶相位调节因子以及方位频域的非线性变标因子;本发明的四阶相位调节因子用于弱化方位的空变性并为后续非线性变标处理提供足够的系数,四阶相位调节因子表示为:(18);本发明的方位频域非线性变标因子,用于消除方位的空变性保证后续方位统一聚焦,非线性变标因子表示为:(19);(20);(21);
(22);(23);(24);s620,利用四阶相位调节因子对补零之后的雷达回波数据进行补偿,得到调节因子补偿后的雷达回波数据;s630,将调节因子补偿后的雷达回波数据进行方位快速傅里叶变换,得到方位频域的雷达回波数据;本发明将信号与和点乘,减弱残余的多普勒中心影响;此时再将信号进行方位快速傅里叶变换转变为方位频域:方位频域的雷达回波数据表示为:
(25);s640,利用非线性变标因子对s630中的方位频域的雷达回波数据进行补偿,并将补偿后的雷达回波数据进行快速傅里叶逆变换得到系数补偿后的雷达回波数据;系数补偿后的雷达回波数据表示为:(26);为简化信号表达式,各阶参数项由表示,为保证信号能获得良好聚焦,可得如下方程组:,为一常数,通常取值在0.5附近,但。
21.值得说明的是:补零数量受到变标参数取值的影响。另外,参数取值会影响聚焦效果,并且还会使成像场景进行缩放,需要工程应用进行调整以获得良好的聚焦效果。若取值过大,可能使得聚焦效果差,若取值过小,会导致场景缩放过大,可能超出脉冲重复频率范围,此时还需要进行方位频域两端补零,等效提高脉冲重复频率来防止图像产生混叠。
22.s700,对系数补偿后的雷达回波数进行方位统一聚焦得到最终的目标聚焦图像。本发明的s700包括:s710,构造方位统一聚焦函数;方位统一聚焦函数表示为:(27);s720,利用方位统一聚焦函数对系数补偿后的雷达回波数据进行聚焦,并将聚焦后的雷达回波数据进行方位向快速傅里叶变换得到最终的目标聚焦图像。
23.本发明将与进行点乘,并进行方位向快速傅里叶变化转换为方位频域,即完成最终的成像聚焦,获得聚焦图像。
24.下面通过仿真说明本发明的技术效果,仿真参数如表1所示:表1 仿真参数
25.雷达成像一般要求模型的剩余相位误差不超过,才可忽略误差造成的影响。以0.5m分辨率,边缘点距离中心点1km距离分析斜距模型的相位误差影响,具体参数如表1所示,结果如图4和图5所示(线性相位不影响成像质量,只会造成图像偏移,因此图中相位误差已去除线性相位)。从图4可以看出俯冲段-三阶近似斜距模型的相位误差已远超过,会对成像结果造成影响。而图5可以看出俯冲段-四阶近似斜距模型的相位误差小于,满足要求。因此机动平台俯冲段大斜视宽幅高分辨成像可采用俯冲段-四阶近似斜距模型或更高精度的斜距模型。
26.为验证算法的有效性,首先进行点目标仿真进行性能评估,参考图6所示,图6为点目标仿真场景布置示意图。布置“十字”形状的5个点目标,边缘点与中心点之间的间隔为500m。按照雷达聚束工作模式,参数如表1所示,进行成像仿真。以频域相位滤波成像算法作为参考算法,与本发明算法进行对比实验,结果如图7至图10所示。图7是参考算法的中心点方位剖面图;图8是参考算法的边缘点方位剖面图;图9是本发明的成像方法的中心点方位剖面图;图10是本发明的成像方法的边缘点方位剖面图。
27.由图7至图10所示可以看出,两种算法的中心点成像聚焦效果良好,距离向和方位向都得到的很好的聚焦。参考算法的边缘点方位向严重散焦,因此,在宽幅成像时,图像边缘将会完全散焦。本发明的成像方法对于边缘点虽然方位向聚焦效果严重不如中心点,但仍可以得到一定聚焦,明显优于参考算法。
28.本发明按照表1的参数,雷达工作在聚束模式,分别采用本发明的成像方法和参考算法进行成像仿真,本发明与参考算法在场景中心部分聚焦效果都不错,但在场景边缘处,参考算法严重散焦,完全看不清图像,而本发明算法在场景边缘仍然可以看清轮廓。从而验证了本发明算法对于机动平台俯冲段大斜视宽幅高分辨成像的有效性。
29.本发明提供了一种机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,通过在机动平台上通过雷达向地面发送宽带信号,接收由地面目标返回雷达回波数据;对雷达回波数据在距离频域进行校正和补偿,对补偿后的雷达回波数据在二维频域进行弯曲校正和脉压得到距离向处理后的雷达回波数据;补偿距离向处理后的雷达回波数据的多普勒中心方位非空变分量,得到分量补偿后的雷达回波数据;对分量补偿后的雷达回波数据在信号方位向时域进行两端补零得到补零之后的雷达回波数据;对补零之后的雷达回波数据通过四阶相位调节因子以及方位频域非线性变标因子进行补偿,得到系数补偿后的雷达回波数据;对系数补偿后的雷达回波数进行方位统一聚焦得到最终的目标聚焦图像。本发明通过在方位向校正斜视角空变带来的影响,在方位聚焦处理时对方位形变项进行了补偿,防止最后成像结果存在图像扭曲,因此可以提高成像聚焦质量。
30.此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性
或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此,限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中,“多个”的含义是两个或两个以上,除非另有明确具体的限定。
31.尽管在此结合各实施例对本技术进行了描述,然而,在实施所要求保护的本技术过程中,本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书,可理解并实现所述公开实施例的其他变化。在权利要求中,“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤,“一”或“一个”不排除多个的情况。
32.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明,不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干简单推演或替换,都应当视为属于本发明的保护范围。
技术特征:
1.一种机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,其特征在于,包括:s100,在机动平台上通过雷达向地面发送宽带信号,并接收由地面目标返回的雷达回波数据;s200,对所述雷达回波数据在距离频域进行校正和补偿,得到补偿后的雷达回波数据;s300,对所述补偿后的雷达回波数据在二维频域进行弯曲校正和脉压得到距离向处理后的雷达回波数据;s400,补偿所述距离向处理后的雷达回波数据的多普勒中心方位的非空变分量,得到分量补偿后的雷达回波数据;s500,对所述分量补偿后的雷达回波数据在信号方位向时域进行两端补零得到补零之后的雷达回波数据;s600,对补零之后的雷达回波数据通过四阶相位调节因子以及方位频域非线性变标因子进行补偿,得到系数补偿后的雷达回波数据;s700,对所述系数补偿后的雷达回波数进行方位统一聚焦得到最终的目标聚焦图像。2.根据权利要求1所述的机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,其特征在于,s100中机动平台的俯冲速度方向与波束射线方向所形成的余角为波束中心斜视角,波束中心斜视角表示为:(1);s100中的机动平台与目标的瞬时斜距表示为:(2);其中,表示机动平台与场景中心之间的斜距,表示平台俯冲速度方向与天线波束射线方向的夹角,表示波束下视角,表示机动平台的俯冲角,表示波束方位角,为平台俯冲合速度;所述瞬时斜距的四阶泰勒展开表示为:(3);s100中的雷达回波数据表示为:(4);其中,表示距离快时间,表示方位慢时间,表示发射信号的调频率,表示光速,表示发射信号的波长,表示平台与目标的距离,为当前时刻。
3.根据权利要求2所述的机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,其特征在于,s200包括:s210,对所述雷达回波数据进行距离向傅里叶变换,以将所述雷达回波数据转变至距离频域,得到距离频域的雷达回波数据;s220,构造线性距离走动校正与多普勒中心一致的补偿函数;s230,利用所述补偿函数对距离频域的所述雷达回波数据进行补偿得到补偿后的雷达回波数据。4.根据权利要求3所述的机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,其特征在于,s210中的距离频域的雷达回波数据表示为:(5);s220中的补偿函数表示为:(6);其中,表示距离频率,表示信号的中心载频;s230中的补偿后的雷达回波数据表示为:(7);其中,表示方位频率,,表示多普勒中心频率,为目标到孔径中心时刻天线波束射线的距离。5.根据权利要求4所述的机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,其特征在于,s300包括:s310,对所述补偿后的雷达回波数据进行方位向傅里叶变换,以将所述补偿后的雷达回波数据转变至二维频域;s320,分别构建距离弯曲的校正函数、距离脉压和二次距离的脉压函数;s330,利用所述校正函数对二维频域的雷达回波数据进行距离弯曲校正,以及利用所述脉压函数对距离弯曲校正后的雷达回波数据进行距离脉压和二次距离脉压,并结合瞬时斜视角在空间上随距离单元的变动得到处理信号数据;s340,对所述处理信号数据进行二维的傅里叶逆变换,以将所述处理信号数据转变至二维时域得到距离向处理后的雷达回波数据。6.根据权利要求5所述的机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,其特征在于,s320中的校正函数表示为:
(8);s320中的脉压函数表示为:(9);s330中的瞬时斜视角在空间上随距离单元的变动表示为:(10);其中,表示机动平台相距地面的高度;s330中的处理信号数据表示为:(11);其中,表示瞬时斜视角;s340中的距离向处理后的雷达回波数据表示为:
(12);其中,,表示残留线性项对应的残留多普勒中心,表示方位调频率,表示方位时域三次项系数,表示方位时域三次项系数。7.根据权利要求6所述的机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,其特征在于,s400包括:s410,将所述距离向处理后的雷达回波数据的多普勒系数在处展开,并将两维空变的多普勒参数分成方位空变分量和方位非空变分量;s420,构造残留多普勒中心的方位非空变分量的分量补偿函数;s430,利用所述分量补偿函数对所述距离向处理后的雷达回波数据进行补偿得到分量补偿后的雷达回波数据。8.根据权利要求7所述的机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,其特征在于,s410中的两维空变的多普勒参数表示为:(13);
(14);(15);(16);s420中的分量补偿函数表示为:(17);其中,表示残留多普勒中心的非空变项,表示残留多普勒中心的一次空变项,表示方位调频率的非空变项,表示方位调频率的一次空变项,表示方位调频率的二次空变项,表示方位三次项系数的非空变项,
表示方位三次项系数的一次空变项;表示方位四次项系数的非空变项。9.根据权利要求8所述的机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,其特征在于,s600包括:s610,构造四阶相位调节因子以及方位频域的非线性变标因子;所述四阶相位调节因子表示为:(18);所述非线性变标因子表示为:(19);(20);(21);(22);
(23);(24);s620,利用所述四阶相位调节因子对补零之后的雷达回波数据进行补偿,得到调节因子补偿后的雷达回波数据;s630,将所述调节因子补偿后的雷达回波数据进行方位快速傅里叶变换,得到方位频域的雷达回波数据;所述方位频域的雷达回波数据表示为:(25);s640,利用所述非线性变标因子对s630中的方位频域的雷达回波数据进行补偿,并将补偿后的雷达回波数据进行快速傅里叶逆变换得到系数补偿后的雷达回波数据;所述系数补偿后的雷达回波数据表示为:(26);
其中,,为一常数,。10.根据权利要求9所述的机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,其特征在于,s700包括:s710,构造方位统一聚焦函数;所述方位统一聚焦函数表示为:(27);s720,利用所述方位统一聚焦函数对所述系数补偿后的雷达回波数据进行聚焦,并将聚焦后的雷达回波数据进行方位向快速傅里叶变换得到最终的目标聚焦图像。
技术总结
本发明提供了一种机动平台雷达俯冲段大斜视宽幅高分辨成像方法,通过在机动平台上利用雷达向大前斜视方向发送宽带信号,接收由地面目标返回的雷达回波数据;对雷达回波数据进行距离走动校正,再进行弯曲校正和脉压得到距离向处理后的雷达回波数据,再补偿残余多普勒中心方位非空变分量,之后在信号方位向时域进行两端补零,对补零之后的雷达回波数据通过四阶相位调节因子以及方位频域非线性变标因子进行补偿,得到系数补偿后的雷达回波数据,最后进行方位统一聚焦得到最终的目标聚焦图像。本发明通过在方位向校正斜视角空变带来的影响,在方位聚焦处理时对方位形变项进行了补偿,防止最后成像结果存在图像扭曲,因此可以提高成像聚焦质量。提高成像聚焦质量。提高成像聚焦质量。
技术研发人员:郭亮 万波 李亚超 白剑 杨刚 江新瑞 许晴 荆丹 张子旭 邢孟道
受保护的技术使用者:西安电子科技大学
技术研发日:2023.08.31
技术公布日:2023/10/7
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