直视式合成孔径激光成像雷达电控抛物波面扫描器

研制了直视式合成孔径激光成像雷达(SAIL)电控抛物波面扫描器,该扫描器由线性相位调制的电光晶体和柱面镜构成,其中电光晶体采用4个三角形电极施加电场实现线性相位调制,具有体积小、响应速度快等优点。实验测试表明该直视式SAIL电控抛物波面扫描器获得了与理论吻合的抛物波面相位,扫描准确可控,很好地验证了该扫描器在直视式合成孔径激光成像雷达应用的有效性。

合成孔径激光雷达成像技术研究进展

合成孔径激光雷达成像技术是一种能够突破光学系统衍射极限的主动光学成像技术,其概念来自工作在微波波段的合成孔径雷达,相比于合成孔径雷达,合成孔径激光雷达具有成像速度快、成像分辨率高以及能获取符合人眼感知的图像的优势,在远距离目标感知与识别中具有很高的潜在价值。本文从合成孔径激光雷达的工作原理出发,回顾和梳理了合成孔径激光雷达的主要关键技术的主要进展,包括合成孔径激光雷达的系统模型和基础理论、系统设计与架构、激光相位噪声抑制、运动补偿技术以及成像算法;同时对国内外重要的外场实验进展进行了总结。最后探讨了后续实现工程化所需面对的困难和挑战。

天基逆合成孔径激光雷达LEO目标成像模式设计

对采用天基逆合成孔径雷达(ISAL)对300~2000 km轨道高度的低轨(LEO)目标的掠飞和绕飞成像模式进行了性能分析及可行性探究,分析了成像分辨率和成像时间、最小无模糊脉冲重复频率(PRF)和回波信噪比(SNR)等系统关键指标,并进行了对比。研究结果表明:绕飞成像模式相比于掠飞成像模式可以实现对于目标的多角度持续观测,且绕飞周期较短(1.5~2.1 h),可以快速获取更为丰富的目标信息,具备进一步三维ISAL成像的潜力;脉冲积累时间虽然更长,但在300~2000 km轨道高度范围只有130~190 ms(掠飞成像为0.1~130 ms);最小无模糊PRF(对于10 m转动直径的目标,约为15 Hz)减少一半(减少了对激光器高重频的要求);由于更长的脉冲积累时间,绕飞模式的回波信噪比更高,通过后期处理可以获得更为清晰的图像结果;适用于对重要目标和高价值资产进行快速、高分辨率、全方位的持续观测。而掠飞模式适用于对相近轨道高度面的LEO目标进行遍历和成像,从而建立目标的特征库。

室内实测数据的逆合成孔径激光雷达成像

逆合成孔径成像激光雷达是一种新型主动式有源成像系统,其优势就是可以获得比逆合成孔径雷达更高的分辨率,和更接近光学图片的效果。首先,对逆合成孔径技术的基本原理进行了描述。然后,对数据逆合成孔径激光成像雷达数据模型进行分析。再次,给出了一种基于时频分析的逆合成孔径激光成像雷达成像方法,该方法结合"CLEAN"技术,估计出回波数据的瞬时多普勒谱,利用了回波数据中的二次相位信息,得到瞬时多普勒图像,可以避免距离多普勒算法成像时由于二次相位引起的图像散焦,有效提高了图像质量。最后,实验数据证明了该方法的有效性。

基于压缩感知理论的合成孔径激光雷达成像算法

合成孔径激光雷达是一种主动式有源激光成像雷达,它具有远高于微波合成孔径雷达的成像分辨率,能够实现对远距离目标的精细成像。由于激光信号的带宽极大,普通的硬件设备难以满足奈奎斯特采样定理的要求。提出一种基于压缩感知理论的合成孔径激光雷达成像算法,该方法利用光外差方法探测回波信号,在此基础上通过对外差信号进行随机采样提取信号中的有效信息,使用正交匹配追踪算法实现对目标高分辨距离像图像的重构,最后结合频率变标算法得到目标的高分辨二维图像。仿真结果表明运用新算法对合成孔径激光雷达的回波信号进行采样,能使用远低于奈奎斯特定理所规定的采样率完成信号采样,并有效压低信号旁瓣,实现对目标的超高分辨成像。

大幅宽激光合成孔径雷达成像技术研究

激光合成孔径雷达(SAL)结合了光相干探测技术和合成孔径成像技术,其微弱信号检测能力达到光子量级、成像分辨率可以突破望远镜衍射孔径极限,可以获得高分辨率图像而不受探测距离影响。针对SAL系统在成像幅宽方面的技术短板,在介绍激光合成孔径雷达与扫描成像激光雷达(Li DAR)各自发展阶段和技术特点的基础上,该文提出合成孔径技术与激光扫描技术相结合,在实现高分辨率成像同时突破SAL技术的成像幅宽限制。通过对扫描模式下SAL信号模型分析、机载SAL外场飞行成像实验和地面目标合成孔径成图计算,该文展示了SAL在远程、高分辨率和扫描成像中的应用潜力,提出了弥补现有SAL技术在成像幅宽和作业效率方面的缺憾的方法,为SAL系统在大幅宽、高分辨率对地观测以及空天弱目标ISAL成像提供了科学技术手段。

基于自适应窗的合成孔径激光雷达联合时频成像方法

传统距离-多普勒算法中观测期间多普勒频率为常量的假设在合成孔径激光雷达系统中不再成立.根据合成孔径激光雷达回波信号模型,推导计算了振动对合成孔径激光雷达回波相位的影响.根据实际情况引入振动频率不超过500Hz、振幅不超过0.2mm的机载平台微振动参量,结果表明载机微振动对合成孔径激光雷达成像的方位分辨率影响很大,而对距离分辨率影响不大.采用时频分析成像方法,能够有效克服传统距离-多普勒算法对时变信号处理的局限性.分析比较Wigner-Ville分布、伪WWigner-Ville分布和平滑伪Wigner-Ville分布作为核函数的时频成像结果,均无法兼顾成像分辨率和成像效率.据此本文提出了一种基于自适应窗的联合时频成像方法,根据变异系数和变异阈值的比较自适应地调整子区域窗口大小,从而达到成像分辨率和算法效率的平衡优化.仿真结果表明,本算法对成像分辨率影响不大,成像时间减少近69.87%,适用于合成孔径激光雷达对成像高分辨率和成像效率的要求.

合成孔径成像激光雷达旋转目标成像

合成孔径成像激光雷达是一种新的主动式有源成像系统,它的一个突出优势是可以获得比合成孔径雷达更高的分辨率,和更接近光学图片的效果。首先,概述了理想情况下旋转目标成像的基本原理,分析了合成孔径成像激光雷达的二维分辨率。然后,针对合成孔径成像激光雷达实验中遇到的实际问题,即不能实现理想转台,会引入平动使包络相位无法对齐,进而影响成像质量,甚至无法成像,给出包络对齐和初相校正的平动补偿方法。包络对齐利用脉冲之间的相关性进行对齐;初相校正以转台模型的理想转台中心的相位为基准实现相位的对齐。最后,给出实验系统框图、工作模式、实验参数设计和最终成像效果图,对比了包络对齐和初相校正的结果,验证了系统的有效性和平动补偿的必要性。

逆合成孔径成像激光雷达高分辨成像算法

逆合成孔径成像激光雷达发射的激光信号具有极高载频、超大带宽和极短波长的特性,传统的距离-多普勒算法不再适用。在对回波信号特征进行分析的基础上,利用重排Wigner分布和Radon变换对光外差探测后的信号进行时频分析,估计出目标的径向速度,实现对回波信号的精确运动补偿。最后利用改进的距离-多普勒算法,完成对目标的超高分辨二维成像。仿真验证了成像算法的有效性,并通过与微波波段逆合成孔径雷达的比较,证明了逆合成孔径成像激光雷达可以实现对运动目标更快速、更高分辨的成像。

逆合成孔径成像激光雷达实包络成像算法

逆合成孔径激光成像雷达受激光调制技术以及回波相位信息易受大气湍流破坏的限制,采用常规的相位相干积累类方法得到目标二维高分辨图像很困难.针对这一情况,提出了一种基于逆Radon变换的实包络成像算法.利用回波距离脉冲压缩后的实包络信息,实现方位向的非相干积累,最终得到二维高分辨图像.通过该算法,成像系统可以使用非相干激光信号,在脉冲重复频率较低且存在大气湍流的情况下,也可以获得高质量的成像结果.仿真实验验证了此算法的有效性和优越性.

逆合成孔径成像激光雷达数据采样技术

逆合成孔径成像激光雷达能够实现对运动目标的高分辨实时成像,但激光信号的极大带宽和目标回波信号的微弱性给雷达回波数据的接收和处理带来了较大困难.针对这一问题,提出了基于光外差探测手段和压缩感知理论相结合的信号采样方法,首先通过光外差探测降低回波信号的有效带宽,再结合压缩感知理论实现对信号的稀疏化采样和重构.仿真结果证明了运用本文所提出的采样方法,在使用远低于奈奎斯特定理所规定的采样率时,仍然能够实现对目标的高质量成像.

逆合成孔径成像激光雷达成像算法

逆合成孔径成像激光雷达是一种能实现运动目标超高分辨实时成像的雷达,它在发射激光信号的基础上,运用逆合成孔径原理对目标进行成像。但激光信号具有极高载频、超大带宽和极短波长的特性,传统的距离-多普勒算法不再适用。在对回波信号特征进行分析的基础上,利用重排维格纳分布和Hough变换对光外差探测后的信号进行时频分析以估计目标的运动速度,构造有效的补偿因子,完成了对回波信号的精确运动补偿,并进一步采用Keystone变换完成对目标散射点的越距离单元徙动校正,实现了对目标的高分辨二维成像。仿真实验验证了成像算法的有效性,并通过与微波波段逆合成孔径雷达的比较,证明了逆合成孔径成像激光雷达可实现对运动目标更快速、更高分辨的成像。

逆合成孔径成像激光雷达系统建模及成像仿真

逆合成孔径成像激光雷达能突破传统成像激光雷达扫描体制的限制,实现对运动目标实时高分辨成像,对运动目标的探测与识别具有重要意义。分析了逆合成孔径成像激光雷达的高分辨成像原理,并综合考虑系统结构、大气衰减、背景噪声、目标散射特性等多方面因素,建立了仿真模型,对成像流程与分辨能力进行了详细分析。仿真实验证明了逆合成孔径成像激光雷达具有优于微波波段逆合成孔径雷达的成像效果以及文中建立的仿真模型的有效性。

振动条件下机载合成孔径激光雷达成像处理

该文研究了单探测器和顺轨双探测器机载合成孔径激光雷达在振动条件下的成像处理问题。根据平台振动在短时间内对成像影响小的特点,基于单探测器激光雷达研究了子孔径成像与相位梯度自聚焦相结合的成像处理方法。为获得方位向长条带图像,分别使用了条带相位梯度自聚焦方法和基于多普勒中心频率估计的子孔径图像拼接方法,并分析比较了二者的性能。针对单探测器激光雷达的不足,提出了基于顺轨双探测器干涉处理的振动相位误差估计与补偿方法。仿真分析结果验证了该文方法的有效性。

利用压缩感知的逆合成孔径激光雷达成像新方法

受限于激光调制技术,在较长的积累时间内,逆合成孔径成像激光雷达发射脉冲之间的相干性难以保持,导致方位向散焦,影响成像效果.为此提出了一种在较短相干积累时间内,利用较少回波数据实现同等分辨率的瞬时成像算法.此算法利用压缩感知理论,将逆合成孔径成像激光雷达成像问题转换为利用正交基压缩感知重构稀疏信号的问题,通过优化求解的方式对目标像优化重建,且在低信噪比时通过构造权矩阵,提高算法对目标像的恢复性能.室内逆合成孔径成像激光雷达验证系统实测数据验证了算法的可行性和有效性.

激光雷达逆合成孔径成像技术现状及关键问题

逆合成孔径成像激光雷达是成像雷达体制的创新和拓展,是逆合成孔径技术和激光雷达技术的创造性结合,以其理论上优异的成像性能和在军事、民用领域的应用前景引起了人们的关注。结合国外典型的逆合成孔径成像激光雷达系统,介绍了该技术的研究进展和现状,理论上分析了激光波段逆合成孔径成像技术相比于微波波段的优势和瓶颈,该技术具有方位向分辨率高、相干积累时间短等优点,但其较大的多普勒频移致使运动补偿相位校正十分困难,讨论了激光雷达逆合成孔径成像技术发展面临的关键问题,诸如激光光源频率稳定性需求、相干探测条件、运动补偿和大气传输补偿等。为进一步对激光雷达逆合成孔径成像技术进行深入理论和实验研究打下了基础。

机载合成孔径激光雷达相位调制信号性能分析和成像处理

该文将相位调制信号用于机载合成孔径激光雷达,分析了3种相位调制信号的性能,研究了相位调制信号的收发方式和成像处理方法。针对机载合成孔径激光雷达观测幅宽较小的特点,对基于线性调频信号的相位调制信号,提出采用"去调相"接收方式,以大幅度降低宽带信号的AD采样率。对3种相位调制信号所做的成像仿真结果表明了该方法的有效性。

逆合成孔径成像激光雷达微多普勒效应分析及特征提取

研究了基于逆合成孔径成像激光雷达的目标微多普勒效应,分析了激光信号高载频和大带宽对目标微动点一维距离像的影响,在此基础上建立了相应的微多普勒特征参数方程并讨论了快时间对微多普勒效应的影响.针对逆合成孔径成像激光雷达系统目标微多普勒效应的特点,提出了一种结合二值数学形态学腐蚀膨胀运算和推广Hough变换的目标微多普勒特征提取方法.仿真实验验证了文中微多普勒效应理论分析和微多普勒特征提取算法的正确性,并证明了逆合成孔径成像激光雷达对厘米或毫米量级微动观测的有效性.

激光雷达信号相位误差对合成孔径成像的影响和校正

针对合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar,SAL),分析了信号相位误差对合成孔径成像的影响。建立了激光信号模型,分析了激光信号相干性对SAL方位分辨率的影响,给出通过本振信号延时处理保证相干性的解决方案。分析了LFM信号非线性失真对距离分辨率的影响,为同时解决激光LFM信号调制放大过程引入的脉冲间随机初相位问题,提出一种基于参考通道的LFM信号非线性失真和脉冲间随机初相位定标校正方法。给出了实验和仿真数据处理结果。

合成孔径激光成像雷达距离向等延时的信号处理结构和算法

合成孔径激光成像雷达中啁啾激光光源的非线性会严重降低距离向成像分辨率.国外已发展了建立参考通道的非线性啁啾补偿算法.本文证明了等延时抑制非线性啁啾和非同步触发初始相位误差的原理,提出了一种具有三种本振延时产生方案的接收信号处理结构及算法体系,包含:建立等臂目标本振通道,建立参考通道及两次外差变频、建立参考通道及相移计算.建立了该算法的一般性数学流程,以星载合成孔径激光成像雷达为模型进行了计算机仿真,验证了算法的可行性.最后对三种方法的优缺点进行了讨论.