机载合成孔径激光雷达系统设计与算法研究

发布时间：2020-10-22 06:18

　　 合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar, SAL)作为合成孔径技术与激光雷达技术相结合的产物,以激光作为发射信号,利用大带宽激光信号和虚拟的合成孔径实现目标的超高分辨二维成像,成为远距离获得厘米级分辨率的唯一光学观测手段。近年来,SAL逐渐得到国内外研究人员的重视,并相继进行了一些机载试验,比如,2006年美国雷声公司及诺斯罗普-格鲁门公司分别成功演示了机载合成孔径激光雷达实验；在2011年,美国的洛克希德-马丁公司完成了机载合成孔径激光雷达系统的设计和样机制作,同时进行了飞行实验并取得了成功。该试验飞行高度为1.6km,对地成像的分辨率优于3.3cm。这些试验均表明了SAL在空间远程探测和高分辨率成像应用中具有巨大的潜力。合成孔径激光雷达作为合成孔径技术从微波波段到光波波段的延伸,它们的基本原理同合成孔径雷达基本相同,但是由于激光波长较微波波段小4个数量级以上,导致了二者在具体实现上又存在很大的区别。在走向具体应用的过程中也存在了很多问题。其中有两个问题亟待解决,第一是激光波长一般都在微米量级,导致激光光斑较小,影响了成像场景的幅宽；二是大带宽线性调频信号的调制与脉冲重复频率之间的矛盾将会导致方位信号的模糊。本文基于以上研究背景,对机载合成孔径成像激光雷达成像算法问题进行了探讨,利用概念分析、理论推导、数值仿真验证等对所提的合成孔径激光成像算法进行了分析与验证。文章的具体内容框架作如下安排：第一章为本文的绪论,首先对合成孔径技术的发展历程做了简单的梳理和回顾,然后介绍了合成孔径激光雷达的发展状况及现状,最后对本文的研究背景与意义进行了介绍。第二章对介绍了合成孔径激光雷达在系统成像过程中所需的基本理论知识,之后分析了合成孔径激光技术走向实际应用过程中的关键技术问题。第三章将合成孔径成像技术中常用的扫描模式引入合成孔径激光雷达成像技术中,并针对合成孔径激光雷达光斑脚印小成像范围小以及激光调制技术受限的问题,提出了一种SAL多通道扫描工作模式下的成像方法。采用多通道体制,以空间采样弥补时间采样的不足,并采用空域滤波方法解决了多普勒模糊的问题；通过控制波束指向,使其周期性的在不同子测绘带之间扫描来实现宽测绘带成像。针对扫描模式短孔径对宽场景成像易造成图像模糊的问题,采用谱分析(SPECAN)思想,将图像聚焦在方位频率域。第四章将合成孔径雷达中常用的宽场景测绘模式(Terrain Observation byProgressive Scans mode, TOPS)推广到SAL中,并针对SAL的信号特性,提出了一种适用的成像算法。首先,采用基于谱分析的方位预滤波方法,消除由于波束转动导致的方位信号模糊问题,获得信号无模糊的二维频谱；然后利用改进的频率变标算法(Frequency Scaling Algorithm, FSA)完成距离压缩及距离徙动校正,并校正平台连续运动引入的多普勒频移；最后结合Dechirp技术将信号聚焦在方位频域,获得无模糊的SAL图像,并保证了算法的效率。第五章基于合成孔径技术提出一种合成孔径激光三维成像雷达的工作模型,高度向采用线性调频信号的匹配滤波技术实现高分辨率,沿航向利用合成孔径技术频域压缩算法实现高分辨率,而在跨航向通过实孔径阵列实现高分辨率。第六章对全文的工作进行了梳理总结,并对合成孔径激光雷达下一步的研究提出了相应的建议。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TN957.52
【部分图文】：

图像，这些新思想促进了?Ｘ波段巧干雷达的研制［＂］。１９５７年，美国Ｍｉｃｈｉｇａｎ大学??采用ＳＡＲ系统成功获得了全球首张ＳＡＲ图像，从此后ＳＡＲ逐渐引起了人们的??关注脚。??１９６７年，格林伯格率先提出Ｔ在卫星上安装合成孔径雷达系统的想法。基于??卫星为载体的ＳＡＲ系统具有测绘带宽宽、成像面积大等诸多优点，科学家们迅速??展开了?航天飞机、卫星等为载体的合成孔径技术的研究。经过五年的不懈努力，??美国航空航天局（Ｎａｔｉｏｎａｌ?Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ?ａｎｄ?Ｓｐａｃｅ?Ａｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，?ＮＡＳＡ巧日喷气动力??实验室（Ｊｅｔ?Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ?Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，评Ｌ）对Ｌ波段星载ＳＡ民进行了校飞。??１９７８年，ＮＡＳＡ发射了全球首颗装载着ＳＡ民系统的ＳＥＡＳＡＴ－Ａ卫星，如图??１．１所示为ＳＥＡＳＡＴ－Ａ卫星及其成像结果，该卫星的运行高度约为８００ｋｍ，工作波??段为Ｌ波段，测绘带宽的宽度为１００ｋｍ，成功实现了对地表一亿平方公里的区域??的测绘［４４＾。ＳＥＡＳＡＴ－Ａ卫星的发射对人类从太空观测地球具有里程碑式的重要意??义，使得人们取得了大量Ｗ前未曾获取的地表信息，引起了科学家们的特别关注。??实现了星载合成孔径雷达系统从实验室的理论研巧到实际应用研究的跨越。??

２００８年１月，ｙｊｌ色列的ＴｅｃＳＡ民卫星成功发射［７６－７８］，十天后获取了第一副合??成孔培雷达图像。该卫星重量为３（Ｋ）ｋｇ，其中包括１００ｋｇ的合成孔径雷达有效载荷，??该系统具有有多种王作模式，并能在２４小时内提供双倍数量的可用情报。如图１．２??所示，为ＴｅｃＳＡ民卫星分别对港曰和火山曰的成像结果。??（ａ）港口成像结果?（ｂ）火山曰成像结果??图１．２?ＴｅｃＳＡＲ卫星对港口和火山口的成像结果??１．２．２国内合成孔径雷达发展与现状??我国对合成孔径技术的研究开始于上世纪屯十年代，大致经历了起步和发展??两个阶段。??１）起步阶段??巧７３年，中国科学院电子研巧所率先进行了合成孔径技术相关的调研工作。??并于王年后成立了?合成孔径成像雷达为研究方向的研究室，展开了对机载合成??６??

１９９４年，我国成功研制出采用数字成像处理的机载ＳＡＲ系统，该系统分辨率??为ｌＯｍｘｌＯｍ，工作于Ｘ波段，成功实现了实时数字图像的获取。同年７月，广西??西江发生水灾，图１．３所示是由该系统获取的西江部分水灾地区的ＳＡ民图像。图??中白线为西江堤岸，左右两侧黑色区域为水灾区心１。??图１．?３中科院Ｘ波段ＳＡＲ成像结果??２０１０年，我国将遥感卫星１０号成功地送入太空，该卫星具有穿透能力，可Ｗ??穿过许多遮蔽物，从而探测到遮蔽物Ｗ下的区域，对于探测地下Ｗ及海中的目标??具有重要作用，同时该系统还能够追踪运动目标，在军事制图上也具有重要作用，??该系统的成功发射标志着中国第二代ＳＡＲ卫星时代的到来口３１。??７??
【参考文献】

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1 蓉生;;日本地球资源卫星1号(JERS—1)简介[J];遥感技术与应用;1991年01期

本文编号：2851219