合成孔径成像激光雷达成像算法研究

在描述了调频连续波信号模型以及其外差接收体制特点的基础上,针对传统合成孔径雷达的"一步一停"模型中忽略的平台连续运动引入的多普勒频移项,采用线性调频连续波信号的合成孔径成像激光雷达瞬时距离较传统合成孔径雷达的改变.推导出在该模型下一种适用于机载合成孔径成像激光雷达系统的频率变标算法,一并考虑了在连续波信号模型中多普勒频移项对成像的影响.仿真证明了该算法能有效补偿平台连续运动带来的影响.     

一种机载合成孔径成像激光雷达聚束模式成像算法

合成孔径成像激光雷达是一种新的主动式有源的成像系统,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,在理想条件下分析了调频连续波的信号模型,推导出在连续波系统聚束模式下一种适用于机载合成孔径成像激光雷达系统的频率变标算法.然后,使用傅里叶变换法对符合von Karman谱的随机相位屏模拟大气湍流,并分析了Fried参量和合成孔径长度之间的关系.最后,仿真说明真空中采用方位预处理可以消除图像重影,并且补偿多普勒频移项可以消除8.6～9.3dB的能量损失和使图像散焦的现象.而在有大气影响时,合成孔径长度的选择小于Fried参量时,图像方位向可以良好聚焦.     

机动目标逆合成孔径激光雷达方位成像快速算法

针对逆合成孔径激光雷达对机动目标成像时存在方位多普勒时变的问题,提出了一种基于方位时频域keystone变换的机动目标逆合成孔径激光雷达方位成像快速算法.利用多分量线性调频子回波信号的调频斜率与起始频率的比值为常量这一特点,在方位时频域采用keystone变换将多分量线性调频信号同时转换为多分量单频信号,利用快速傅里叶变换实现方位聚焦.采用基于分数阶傅里叶变换和最小熵的线性调频参量估计方法,实现了对调频斜率与起始频率比值的精确、快速估计.结果表明,与现有的基于Radon-Wigner变换的距离-瞬时多普勒成像算法相比,所提出的算法成像效率大大提高,且能够保留更多的目标细节信息,适合于逆合成孔径激光雷达的实时成像.     

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500 Hz、振幅不超过0.2 mm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.     

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.     

基于Nelder-Mead单纯形法的逆合成孔径激光雷达联合补偿成像算法

逆合成孔径激光雷达(ISAL)的调制信号具有高频率、大带宽的特性,使传统逆合成孔径雷达的"一步一停"模型不再适用。通过建立精确的ISAL成像模型,分析了ISAL成像过程中存在的平动误差、转动误差和模型误差。针对传统ISAL采用平动、转动分离补偿时,由于平动误差补偿存在残余误差而影响转动误差补偿的问题,因此提出基于Nelder-Mead单纯形法和拟牛顿法的联合补偿成像算法。该算法首先采用Nelder-Mead单纯形法对目标运动参数进行优化迭代搜索,将得到的优化解作为运动补偿项对三类误差进行全局补偿,然后利用拟牛顿法补偿残余误差。仿真实验结果表明,与传统分离补偿算法相比,本文算法可以精确估计目标的运动参数,获得聚焦良好的高分辨率ISAL二维图像。     

毫米波步进频连续波SAR成像系统研究

研究了一种基于毫米波的步进频连续波合成孔径雷达成像系统.基于算法研究,搭建了成像硬件及软件系统,实现信号扫描及回波信号的采集与处理.处理后的信号通过成像算法计算,获得目标物体的三维图像数据.实验测试了系统x、y、z方向的分辨率,测试结果表明系统x方向分辨率在8～9 mm,y方向分辨率为12 mm,z方向分辨率为40 m...     

第二讲合成孔径声纳成像及其研究进展

文章在介绍了图像声纳的特点、合成孔径声纳（synthetic aperture sonar,SAS）产生背景和发展过程的基础上,对合成孔径声纳的原理、技术难点、成像算法等问题进行了讨论.着重分析了合成孔径声纳成像过程中高分辨率的获取方法、水声信道对成像的影响、多子阵技术及其成像算法、稳定的声纳运动平台和运动监测问题、运动补偿与自聚焦方法等.文章还给出了国内外合成孔径声纳研究的最新进展情况,进而展望了合成孔径声纳的应用前景.     

非相干合成孔径激光成像雷达:体系结构和算法

基于计算机层析投影成像原理,提出了非相干合成孔径激光成像雷达(SAIL)概念以及体系结构和算法,给出了详细的原理说明和数学分析,特点是信号收集和数据处理的技术难度低。该激光雷达包含三种工作模式即传统的聚束模式,逆聚束模式和层析聚束模式,具有两种传感方式即距离分辨成像和多普勒频移成像,提供多种维度变换成像,不仅可用于平面目标的距离或多普勒分辨二维成像,也可实施三维物体的距离分辨三维层析成像以及深度压缩的距离分辨和多普勒分辨二维成像。该雷达结构简单且具有操作多样性,扩展了合成孔径激光成像雷达的应用范围。     

基于分数阶傅里叶变换的弹载SAR成像算法

针对弹载合成孔径雷达(SAR)回波信号的多普勒参数随斜距变化大及传统脉冲压缩成像算法分辨率低的问题,本文提出了一种基于分数阶傅里叶变换(FrFT)的弹载SAR成像算法.首先建立弹载SAR末制导阶段回波信号模型,然后通过局部最优处理来测量回波信号的调频率,并以此计算FrFT的最优阶次,在最优阶次下分别对回波信号进行距离向和方位向的FrFT,从而得到成像区域的SAR图像,最后分别采用传统脉冲压缩成像算法与本文基于FrFT的成像算法进行仿真和实测对比实验.实验结果表明,该算法能够对目标区域精确成像;由于在成像处理过程中,对每个距离向和方位向的回波信号进行独立的局部最优处理,因此该算法更适应于弹载SAR的非线性飞行轨迹,大大提高了弹载SAR的成像性能.该研究成果在目标探测与识别,精确制导等领域中具有重要的应用价值.     

直视合成孔径激光成像雷达原理

提出了直视合成孔径激光成像雷达(SAIL)概念,发射采用两个正交偏振同轴且相对扫描的空间抛物波差的光束,接收采用自差及相位复数化探测。在交轨向产生与目标点横向位置正比的线性项相位调制,在顺轨向产生以目标点纵向位置为中心的二次项相位历程,成像处理采用傅里叶变换实现交轨向聚焦和采用匹配滤波实现顺轨向聚焦。直视SAIL与侧视SAIL一样能够使用小光学孔径在远距离实现高分辨率二维成像,但具有本质独特性即线性和二次相位项和光学足趾及其相关联的成像分辨率无论在设计和使用时都具有很大的控制调整范围,并克服了存在于侧视SAIL中的许多技术难点。直视SAIL在原理和方法上都属于光学领域。给出了直视SAIL的一般性体系结构,在数学上详细描述了包括目标信息获取和成像处理的基本原理。     

Imaging process and signal-to-noise ratio improvement of enhanced self-heterodyne synthetic aperture imaging ladar

This Letter gives the general construction of an enhanced self-heterodyne synthetic aperture imaging ladar(SAIL) system, and proposes the principle of image processing. A point target is reconstructed in the enhanced self-heterodyne SAIL as well as in down-looking SAIL experiments, and the achieved imaging resolution of the enhanced self-heterodyne SAIL is analyzed. The signal-to-noise ratio(SNR) of the point target final image in the enhanced self-heterodyne SAIL is higher than that in the down-looking SAIL. The enhanced self-heterodyne SAIL can improve the SNR of the target image in far-distance imaging, with practicality.     

改进的双曲等效法用于双站合成孔径雷达前视成像

双站合成孔径雷达(SAR)前视成像有着很多的潜在应用,比如在能见度很低的天气实现飞机的导航和盲降,提高飞机飞行的安全度等.然而实现双站SAR前视成像的难点在于其距离历程的双根式性,直接采用驻定相位原理对其分解将得到复杂的解析式,从而后续算法的推导变得困难.现有的双曲等效法可以将双根式距离历程等效为单根式,但由于该方法为距离历程的二阶近似,当用于双站SAR前视成像时,由于其较大的前视角,未完全等效的距离历程高次项造成的误差已经超出可以接受的范围.针对以上问题,本文首先提出了一种改进的双曲等效法,该方法通过引入新的补偿变量来提高距离历程的等效精度;然后在此基础上推导回波信号的二维频谱解析式,并给出了一种适用于双站SAR前视成像的距离多普勒算法;最后通过仿真实验,将原双曲等效法与改进方法的等效误差以及成像结果做对比,验证了本文算法的有效性和优越性.     

基于散斑抑制的合成孔径激光成像雷达的结构和工作模式

目标漫反射产生的激光回波散斑效应严重影响合成孔径激光成像雷达(SAIL)的成像质量。在体系结构上提出了抑制散斑效应的系统性解决方案,建立了SAIL结构和工作模式设计的理论基础。研究了SAIL中与目标分辨单元尺寸、啁啾波长变化、目标相关性质和接收面光强随机分布有关的散斑统计特性。定义了SAIL光学接收天线的散斑孔径积分场复相干函数,它是天线孔径相关函数和目标分辨单元相关因子的卷积,其宽度就是可实现的孔径合成长度,给出了实现较大的孔径合成长度的发射口径、接收口径和实际孔径合成长度的设计原则,发现和分析了由啁啾散斑移动产生的拍频信号波动。最后建议采用滑动聚束模式来有效使用散斑效应造成较短的孔径合成尺度,因为其光束扫描宽度对SAIL移动距离有放大作用。同时也提出了具有多发射机/多接收机的多通道结构以提高回波散斑光场的探测率。     

二维粗糙海面散射回波多普勒谱频移及展宽特征

基于二维线性海面模型及粗糙面电磁散射的一阶小斜率近似公式,研究了海面回波各阶多普勒谱的频移特性,得到了多普勒谱频移所对应的理论公式,与经典多普勒频移公式相比考虑到了风速、大尺度波浪轨道运动等因素对多普勒谱频移的影响;同时根据粗糙面的双尺度模型,基于多普勒谱频移的物理机理,给出了求解散射场多普勒谱展宽的理论公式.最后将理论公式计算所得结果与模拟结果及实测数据进行了比较,讨论了风速、入射波频率及入射角等因素对多普勒频移及多普勒谱展宽的影响.通过比较可以发现,给出的理论公式可以对多普勒谱频移和展宽进行一定程度的预测. 关键词： 粗糙海面 电磁散射 多普勒谱     

大口径合成孔径激光成像雷达演示样机及其实验室验证

合成孔径激光成像雷达(SAIL)的主要技术指标如光学足趾尺寸和成像分辨率等都必须在所设计的远距离传输后实现.提出了一种在实验室空间近距离实现SAIL全系统贯通验证的方法,即在SAIL中附加光学装置使得其在近距离产生发射光束的准几何投影和足够大的外差接收视场,从而产生近距离二维SAIL成像必需的并且适当的光学足趾和方位向...     

Doppler spectrum of polarimetric scattering field from two-dimensional time-varying nonlinear sea surfaces

Polarimetric scattering model of second-order small-slope approxi-mation combined with “choppy wave" model (CWM) for describing nonlinear hydrodynamic interactions between ocean waves is utilized in this paper to investigate the influence of sea surface nonlinearities on backscattering coefficient as well as Doppler spectrum signatures including Doppler shift and spectral bandwidth. Simulation results show that at moderate to large incidence angles the Doppler shift and spectral bandwidth of the CWM nonlinear sea surfaces are significantly larger than those of linear sea surfaces, in particular at low grazing angles. In addition, Doppler signatures show distinct polarization dependence, and most importantly the cross-polarized Doppler signatures significantly differ from the co-polarized ones. It is also indicated that co-polarized Doppler shift increases obviously with wind speed increasing, whereas the cross-polarized Doppler shift looks less sensitive to wind speed variations. The difference of Doppler signatures between co- and cross-polarization is potentially valuable for ocean remote sensing applications, especially for observing very high winds.     

Doppler angle and flow velocity mapping by combined Doppler shift and Doppler bandwidth measurements in optical Doppler tomography

Accurate estimation of flow velocity requires measurement of Doppler angle, which is not available in general clinical applications. We describe a novel method of direct Doppler angle and flow velocity mapping that uses a conventional single-beam optical Doppler tomography system. The Doppler angle is estimated by combination of Doppler shift and Doppler bandwidth measurements, and flow velocity is calculated from the Doppler shift and the estimated Doppler angle. In vivo study of lip microvascularization demonstrates that this method is capable of providing both flow speed and flow direction information.     

尺度缩小合成孔径激光成像雷达的孔径合成实验

设计了一种尺度缩小的合成孔径激光成像雷达(SAIL),在实验室平台上模拟实施远场传输条件,相应地解决了波前测量和外差质量监视技术,实现了一个目标点的方位向孔径合成实验,实验结果与理论预测相近.