合成孔徑成像激光雷達算法研究.pdf

1、隨著雷達成像技術應用領域的擴大,通過更高分辨率的目標圖像獲取目標更為細節(jié)的信息成為一種需求。相干激光技術與合成孔徑技術相結合的產物——合成孔徑成像激光雷達(Synthetic Aperture Imaging Lidar,SAIL)為這種需求提供了一種理想的解決方案。SAIL作為一種新型主動遙感探測成像技術,與傳統(tǒng)的成像激光雷達相比,突破了系統(tǒng)孔徑的限制,二維分辨率在距離上具有較好的一致性,不會由于作用距離的增加而導致分辨率惡化；與常規(guī)

2、的微波成像雷達相比,可以得到分辨率高得多的目標圖像,提供更為豐富準確的目標信息。
　　 目前世界上有多個國家在研究和發(fā)展合成孔徑成像激光雷達。2006年,美國Northrop Grumman公司與Raytheon公司先后取得機載實驗的成功。本文首先深入分析了國內外合成孔徑成像激光雷達的研究進展,以國家“863”計劃項目(合成孔徑成像激光雷達技術研究,No.2006AA122144)研究成果為基礎,圍繞國家“973”項目(稀疏微波

3、成像的理論、體制和方法研究,No.2010CB731903)和國家自然科學基金(合成孔徑成像激光雷達成像技術的研究,No.61001210)的研究任務,以促進合成孔徑激光成像技術發(fā)展為宗旨,緊密結合當前合成孔徑技術和相干激光技術發(fā)展前沿,利用概念分析、理論推導、實測數據/數值仿真驗證等對合成孔徑激光成像算法進行了深入研究。
　　 論文內容可以概述為如下六部分:
　　 第一部分,對合成孔徑成像激光雷達與逆合成孔徑成像激光雷

4、達(InverseSynthetic Aperture Imaging Lidar,ISAIL)的幾何模型和成像原理進行了系統(tǒng)地研究,對SAIL/ISAIL推廣到實際應用可能遇到的理論和技術難題進行了必要的分析,為后續(xù)章節(jié)研究工作的展開做必要的理論準備。
　　 第二部分,研究了ISAIL成像中的兩個問題:第一,ISAIL短孔徑成像技術,受限于激光調制技術,信號調制穩(wěn)定度差,ISAIL發(fā)射脈沖之間的相干性較差,較長的方位向積累時間

5、會使脈沖間的相干性更加惡化,縮短方位相干積累時間可以改善這一問題,同時,也降低了大氣湍流對ISAIL成像的影響,簡化了ISAIL運動補償操作,減輕了后端數據存儲負擔,并有利于目標瞬時特征的提?。坏诙?ISAIL稀疏多孔徑成像技術,由于ISAIL通過外差相干探測方式實現目標回波的采集,實現條件苛刻,且ISAIL視場較ISAR小很多,目標具有非合作特性,回波缺失在所難免,因此ISAIL稀疏多孔徑成像技術值得關注。以壓縮感知理論為基礎,這對上

6、述兩個問題分別提出了相應的處理算法,并利用室內理論驗證系統(tǒng)的實測數據對兩種算法的有效性進行了驗證。
　　 第三部分,研究了ISAIL成像中的初相校正問題。以ISAIL信號在距離-多普勒域的稀疏性為全局約束,結合正則化理論,提出了一種基于全局最優(yōu)的初相校正算法。此算法具有良好的抗噪性,并且針對ISAIL在實際應用中回波存在缺失的情況,此算法也能獲得良好的相位校正結果。通過仿真及室內ISAIL驗證系統(tǒng)的實測數據對算法性能進行了驗證。

7、
　　 第四部分,將合成孔徑技術移植到激光波段,受技術條件的限制,在發(fā)射信號相干性和脈沖重頻率兩方面難以達到系統(tǒng)要求,與此同時,大氣湍流等在微波成像中可以忽略的自然因素對ISAIL成像也具有嚴重的影響。針對這些問題,在逆合成孔徑成像激光雷達轉臺模型的基礎上,提出了一種利用回波信號實包絡信息進行非相干積累成像的算法,通過仿真實驗證明了算法的有效性。
　　 第五部分,隨著相干激光雷達技術的發(fā)展,微多普勒效應在激光雷達領域也逐

8、漸引起了重視。ISAIL作為一種相干體制的激光雷達,由于波長比微波信號小幾個數量級,因此由目標游動部件在回波中引入的微多普勒效應對其成像質量影響更大,但同時豐富的微多普勒信息也為目標特征分析提供了一個新途徑。由此提出了一種基于奇異譜分析的非剛體目標微多普勒特征提取算法,結合最小熵判定準則,在得到清晰的ISAIL圖像同時,也將目標微多普勒特征無損地提取。算法的有效性通過數值仿真實驗和Ann26的ISAR實測數據得到了證實。