合成孔徑成像激光雷達(dá)算法研究.pdf

1、隨著雷達(dá)成像技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大,通過(guò)更高分辨率的目標(biāo)圖像獲取目標(biāo)更為細(xì)節(jié)的信息成為一種需求。相干激光技術(shù)與合成孔徑技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物——合成孔徑成像激光雷達(dá)(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(dòng)遙感探測(cè)成像技術(shù),與傳統(tǒng)的成像激光雷達(dá)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(huì)由于作用距離的增加而導(dǎo)致分辨率惡化；與常規(guī)

2、的微波成像雷達(dá)相比,可以得到分辨率高得多的目標(biāo)圖像,提供更為豐富準(zhǔn)確的目標(biāo)信息。
　　 目前世界上有多個(gè)國(guó)家在研究和發(fā)展合成孔徑成像激光雷達(dá)。2006年,美國(guó)Northrop Grumman公司與Raytheon公司先后取得機(jī)載實(shí)驗(yàn)的成功。本文首先深入分析了國(guó)內(nèi)外合成孔徑成像激光雷達(dá)的研究進(jìn)展,以國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(合成孔徑成像激光雷達(dá)技術(shù)研究,No.2006AA122144)研究成果為基礎(chǔ),圍繞國(guó)家“973”項(xiàng)目(稀疏微波

3、成像的理論、體制和方法研究,No.2010CB731903)和國(guó)家自然科學(xué)基金(合成孔徑成像激光雷達(dá)成像技術(shù)的研究,No.61001210)的研究任務(wù),以促進(jìn)合成孔徑激光成像技術(shù)發(fā)展為宗旨,緊密結(jié)合當(dāng)前合成孔徑技術(shù)和相干激光技術(shù)發(fā)展前沿,利用概念分析、理論推導(dǎo)、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)/數(shù)值仿真驗(yàn)證等對(duì)合成孔徑激光成像算法進(jìn)行了深入研究。
　　 論文內(nèi)容可以概述為如下六部分:
　　 第一部分,對(duì)合成孔徑成像激光雷達(dá)與逆合成孔徑成像激光雷

4、達(dá)(InverseSynthetic Aperture Imaging Lidar,ISAIL)的幾何模型和成像原理進(jìn)行了系統(tǒng)地研究,對(duì)SAIL/ISAIL推廣到實(shí)際應(yīng)用可能遇到的理論和技術(shù)難題進(jìn)行了必要的分析,為后續(xù)章節(jié)研究工作的展開(kāi)做必要的理論準(zhǔn)備。
　　 第二部分,研究了ISAIL成像中的兩個(gè)問(wèn)題:第一,ISAIL短孔徑成像技術(shù),受限于激光調(diào)制技術(shù),信號(hào)調(diào)制穩(wěn)定度差,ISAIL發(fā)射脈沖之間的相干性較差,較長(zhǎng)的方位向積累時(shí)間

5、會(huì)使脈沖間的相干性更加惡化,縮短方位相干積累時(shí)間可以改善這一問(wèn)題,同時(shí),也降低了大氣湍流對(duì)ISAIL成像的影響,簡(jiǎn)化了ISAIL運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償操作,減輕了后端數(shù)據(jù)存儲(chǔ)負(fù)擔(dān),并有利于目標(biāo)瞬時(shí)特征的提??；第二,ISAIL稀疏多孔徑成像技術(shù),由于ISAIL通過(guò)外差相干探測(cè)方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波的采集,實(shí)現(xiàn)條件苛刻,且ISAIL視場(chǎng)較ISAR小很多,目標(biāo)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(shù)值得關(guān)注。以壓縮感知理論為基礎(chǔ),這對(duì)上

6、述兩個(gè)問(wèn)題分別提出了相應(yīng)的處理算法,并利用室內(nèi)理論驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)兩種算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　 第三部分,研究了ISAIL成像中的初相校正問(wèn)題。以ISAIL信號(hào)在距離-多普勒域的稀疏性為全局約束,結(jié)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(duì)ISAIL在實(shí)際應(yīng)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(jié)果。通過(guò)仿真及室內(nèi)ISAIL驗(yàn)證系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)算法性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

7、
　　 第四部分,將合成孔徑技術(shù)移植到激光波段,受技術(shù)條件的限制,在發(fā)射信號(hào)相干性和脈沖重頻率兩方面難以達(dá)到系統(tǒng)要求,與此同時(shí),大氣湍流等在微波成像中可以忽略的自然因素對(duì)ISAIL成像也具有嚴(yán)重的影響。針對(duì)這些問(wèn)題,在逆合成孔徑成像激光雷達(dá)轉(zhuǎn)臺(tái)模型的基礎(chǔ)上,提出了一種利用回波信號(hào)實(shí)包絡(luò)信息進(jìn)行非相干積累成像的算法,通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明了算法的有效性。
　　 第五部分,隨著相干激光雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,微多普勒效應(yīng)在激光雷達(dá)領(lǐng)域也逐

8、漸引起了重視。ISAIL作為一種相干體制的激光雷達(dá),由于波長(zhǎng)比微波信號(hào)小幾個(gè)數(shù)量級(jí),因此由目標(biāo)游動(dòng)部件在回波中引入的微多普勒效應(yīng)對(duì)其成像質(zhì)量影響更大,但同時(shí)豐富的微多普勒信息也為目標(biāo)特征分析提供了一個(gè)新途徑。由此提出了一種基于奇異譜分析的非剛體目標(biāo)微多普勒特征提取算法,結(jié)合最小熵判定準(zhǔn)則,在得到清晰的ISAIL圖像同時(shí),也將目標(biāo)微多普勒特征無(wú)損地提取。算法的有效性通過(guò)數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)和Ann26的ISAR實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到了證實(shí)。