大随机相位误差下条带模式合成孔径激光雷达成像实验

为了探索大随机相位误差条件下合成孔径雷达(SAL)成像特点和规律,本文采用波长为1 550 nm的线性调频激光器建立了能够产生大的共模随机相位误差的条带模式SAL成像实验装置。利用此装置获得了不同目标回波强度下条带模式SAL成像实验数据,结合条带模式相位梯度自聚焦(PGA)多次迭代处理,获得了高分辨率SAL图像。实验发现在[-6. 45π,6. 45π]范围的大随机相位误差下,通过简单的距离压缩和方位匹配滤波,无法实现SAL图像聚焦,图像信噪比仅为3 dB。进一步采用PGA处理,就能很好地校正相位误差,得到聚焦良好的SAL图像,图像信噪比达到43 dB。实验还发现,当存在大共模随机相位误差时,PGA处理展现出非常强的鲁棒性,在回波弱到10-15W的情况下依然有效。在大相位误差存在的SAL系统(如机载SAL)中,PGA处理能有效消除相位误差,实现图像聚焦;另外,增大探测激光功率以提高成像数据信噪比,将有助于提升PGA处理效果。     

适用于非匀速直线航迹的FFBP算法在SAS中的应用

时域的快速因式分解后向投影(FFBP)算法便于进行运动补偿,能够更好地适应方位向速度的不均匀和非直线航迹。本文探讨了在合成孔径声呐(SAS)系统中采用FFBP算法针对有一定起伏的非匀速直线航迹成像时的解决方法,参考方位向的速度信息进行非均匀的孔径合并策略,同时在利用相位中心重叠法(DPC)估计出声呐基阵对所规划航迹的左右侧移量后,用最小二乘准则拟合出一条理想的直线航迹并将FFBP算法处理中的初级子图像的原点补偿至此直线。实际海试数据处理结果证明了所提出的方法能够以较好的性能进行成像。     

平面阵的方位估计算法及其误差分析

提出了一种基于信号相位匹配原理的平面阵方位估计的奇异值分解(SVDSPM)算法.推导了方位搜索需要的时延计算的一般公式,仿真分析了几种典型平面阵的方位估计性能,仿真结果表明: SVDSPM方位估计算法的性能优于MUSIC算法;理论分析了目标距离、传声器位置误差和接收通道幅度和相位不一致性等对定向性能的影响;以十字平面阵为例,仿真分析了上述几种因素对方位估计精度的影响,仿真结果表明:当传感器安装误差小于10 mm,接收通道幅度不一致性小于1.5 dB,接收通道相位不一致性小于10°和目标初始俯仰角大于45°时,方位估计的标准差小于0.5°.     

大气湍流下合成孔径激光雷达成像数值模拟及PGA补偿

为研究大气湍流对合成孔径激光雷达(SAL)的成像影响,采用谱反演法对符合Kolmogorov谱的大气随机相位屏进行了数值模拟,给出了单层及多层叠加的随机相位屏图像;然后以多层随机相位屏叠加方式模拟实际大气湍流,计算了无湍流、弱湍流、中等湍流和强湍流等情况下理想机载单站聚束式SAL对点目标以及扩展目标的成像,模拟成像表明大气湍流对SAL成像的方位分辨率有严重影响,湍流越强,图像方位向分辨率越差;针对湍流造成的SAL图像方位向分辨率降低,采用相位梯度自聚焦(PGA)算法对SAL图像进行了方位向补偿,结果有效地改善了图像的聚焦效果,提高了成像质量。     

结合稳健中国余数定理的合成孔径声呐多子带运动补偿算法

针对运动误差过大导致基于相位的时延估计发生模糊的问题,提出了一种多子带处理和稳健中国余数定理结合的合成孔径声呐运动补偿方法。该方法利用前后两帧回波在多个子频带上的相位差获得模糊时延估计,再根据模糊时延之间的关联性,应用稳健中国余数定理估计真实的时延,最后通过所估计的时延对原始回波进行校正。湖试数据处理结果表明该方法能精确补偿运动误差对成像的影响,进行运动补偿后,包裹目标成像结果的方位向虚假目标被有效消除,且目标的轮廓也变得更加清晰;对线缆目标的成像结果进行斜距向剖面分析,剖面图的-3 dB宽度由运动补偿前的9.05个像素点缩小为运动补偿后的2.06个像素点,线缆目标的聚焦程度明显增强。      

声矢量圆阵相位模态域目标方位估计

为了实现矢量传感器在圆阵阵型下的应用,文中提出了一种适合于声矢量圆阵的目标方位估计算法。该算法首先将声矢量圆阵阵元域信号分解为一系列相互正交的相位模态,在相位模态域构造声压和质点振速的互协方差矩阵,然后进行MUSIC方位估计.理论分析和仿真结果表明,文中算法比相同阵型的声压阵MUSIC方位估计算法具有更好的噪声抑制能力、方位估计性能以及多目标分辨能力,试验结果也表明本文算法具有更好的噪声抑制能力以及更好的目标方位估计性能。该算法实现了声压和质点振速的相干处理,充分利用了声矢量传感器的平均声强抗噪原理,具有较强的抗各向同性噪声能力,并可以将子空间类DOA(Direction of Arrival)估计算法和相位模态域阵列信号处理技术有机结合起来,实现了声矢量传感器在圆阵阵型条件下的高分辨DOA估计。      

逆合成孔径激光雷达机动目标运动补偿成像算法

逆合成孔径激光雷达(ISAL)成像运动补偿中,包络对齐的精度直接影响了相位误差估计精度.当目标速度和加速度较大时,距离包络严重倾斜且相位误差较大,图像无法进行良好聚焦.针对上述问题,在高精度成像模型的基础上提出了一种基于Nelder-Mead单纯形法和粒子群优化的全局联合运动误差补偿算法.首先,利用单纯形法估计目标速度,完成包络对齐.然后,将包络对齐过程获得的目标速度作为相位误差估计中参数初始化的约束条件.最后,用粒子群优化算法对各运动参数进行全局搜索并得到最优解,实现高精度运动参数估计及高阶相位误差补偿,得到聚焦良好的二维图像.实验结果表明,本算法的参数估计误差主要分布在±0.2％以内,参数估计精度和抗噪声性能均优于传统ISAL成像算法.     

高阶光学强度相干成像的相位恢复方法改进

为了提高强度相干方法对空间目标的成像质量,避免复杂的相位估计过程及其引入的额外误差,对高阶强度相干的相位恢复方法进行了改进.在对高阶强度相干相位测量信噪比定量讨论的基础上,选择三阶强度相干方法对远场目标测量过程进行仿真,针对相位解算过程中频谱模值传递噪声放大等问题,根据相位估计与相位测量结合的思路,提出了相位闭合正则项改进算法.通过室内强度相干成像实验,比较改进算法与最速下降法、先验信息迭代方法对相同测量结果的图像恢复效果.实验结果表明,改进算法得到的图像误差值低于原有方法,较为有效地提高了成像质量.     

基于时延和相位估计的合成孔径声呐运动补偿研究

合成孔径声呐成象的难点之一在于孔径上载体的运动不稳定性影响了合成孔径上水听器接收的信号的相干性,其结果将导致图像的畸变和分辨率的降低。首先讨论了运动误差对合成孔径声呐(SAS)成像的影响及运动补偿的必要性。在分析位移相位中心运动补偿法的基础上,提出了一种改进算法。该方法首先估计时延,然后再对剩余误差进行相位估计,从而扩大了算法适用的运动误差范围。文中给出了利用该方法的计算机仿真结果和部分水池实验结果,从结果可以看出,该方法有效地修正了在合成孔径上由于介质和载体不稳定带来的不相干性,提高了成像的质量。     

多子阵合成孔径声呐波数域算法不均匀采样问题研究

多子阵合成孔径声呐(SAS)方位向采样不均匀,因而单子阵波数域算法(ω-k)不能直接用于多子阵SAS图像重建。为此,提出两种改进ω-k算法的方法,使其可以应用于多子阵SAS图像重建。不均匀分离快速傅里叶变换(NSFFT)方法采用多子阵匀速直线运动的假设,将方位向不均匀采样的傅里叶变换分解为若干个均匀采样的傅里叶变换;不均匀快速傅里叶变换(NFFT)方法则直接快速计算方位向不均匀采样的傅里叶变换。文中对这两种方法进行了理论分析,并利用仿真数据和湖试数据对这两种方法进行了验证。成像结果表明两种方法均可用于多子阵SAS系统图像重建。NSFFT计算效率较高,但声呐基阵前进方向速度的不均匀性会对成像质量造成一定的影响;NFFT可以适用于任意速度的情况,但计算效率比NSFFT方法低。综合来看,两种方法各有特点,可以根据应用场景的不同进行选择。      

数字成象系统自动对焦区域设计

本文从摄影艺术的角度,提出一种对焦区域选择策略.经实验证明,这种区域选择策略可以提高多景深场景的自动对焦的有效性,并可作为一种自动对焦模式预置于数字成象系统中,从而把传统摄影技术中的各种经验知识结合到对焦区域设计的策略中,使以对焦为关键技术的数字相机、数字摄象机从原理上被人们所接受.     

High resolution inverse synthetic aperture radar imaging of three-axis-stabilized space target by exploiting orbital and sparse priors

The development of inverse synthetic aperture radar(ISAR) imaging techniques is of notable significance for monitoring, tracking and identifying space targets in orbit. Usually, a well-focused ISAR image of a space target can be obtained in a deliberately selected imaging segment in which the target moves with only uniform planar rotation. However, in some imaging segments, the nonlinear range migration through resolution cells(MTRCs) and time-varying Doppler caused by the three-dimensional rotation of the target would degrade the ISAR imaging performance, and it is troublesome to realize accurate motion compensation with conventional methods. Especially in the case of low signal-to-noise ratio(SNR),the estimation of motion parameters is more difficult. In this paper, a novel algorithm for high-resolution ISAR imaging of a space target by using its precise ephemeris and orbital motion model is proposed. The innovative contributions are as follows. 1) The change of a scatterer projection position is described with the spatial-variant angles of imaging plane calculated based on the orbital motion model of the three-axis-stabilized space target. 2) A correction method of MTRC in slant-and cross-range dimensions for arbitrarily imaging segment is proposed. 3) Coarse compensation for translational motion using the precise ephemeris and the fine compensation for residual phase errors by using sparsity-driven autofocus method are introduced to achieve a high-resolution ISAR image. Simulation results confirm the effectiveness of the proposed method.     

Calibration and data restoration of light field modulated imaging spectrometer

A light field modulated imaging spectrometer(LFMIS) can acquire the spatial-spectral datacube of targets of interest or a scene in a single shot. The spectral information of a point target is imaged on the pixels covered by a microlens.The pixels receive spectral information from different spectral filters to the diffraction and misalignments of the optical components. In this paper, we present a linear spectral multiplexing model of the acquired target spectrum. A calibration method is proposed for calibrating the center wavelengths and bandwidths of channels of an LFMIS system based on the liner-variable filter(LVF) and for determining the spectral multiplexing matrix. In order to improve the accuracy of the restored spectral data, we introduce a reconstruction algorithm based on the total least square(TLS) approach. Simulation and experimental results confirm the performance of the spectrum reconstruction algorithm and validate the feasibility of the proposed calibrating scheme.     

显微视觉自动聚焦研究

提出一种评估空域聚焦函数的方法。从计算时间与聚焦曲线变化率两个方面,提出四个参量作为评估依据．可从多个函数中筛选出最佳聚焦测度。针对研制的微对准装配自动聚焦系统的评估结果表明：灰度熵函数是适合于该系统的最佳聚焦测度。为克服聚焦搜索运动中的机械传动回差,提出不同于传统聚焦策略的“定位法”。该方法的核心是建立聚焦函数值与离焦量之间的函数关系,提出采用多项式拟合、高斯函数拟合以及样条插值拟合的方法可以构建这种函数关系;并给出了计算结果。最后综合灰度熵函数与定位法策略进行自动聚焦实验．得到自动聚焦精度为3．4μm;完成一次自动聚焦平均时间为3．3s。实验结果证明所述方法可以实现准确、实时地自动聚焦。     

Acoustic quasi-holographic images of scattering by vertical cylinders from one-dimensional bistatic scans

When synthetic aperture sonar (SAS) is used to image elastic targets in water, subtle features can be present in the images associated with the dynamical response of the target being viewed. In an effort to improve the understanding of such responses, as well as to explore alternative image processing methods, a laboratory-based system was developed in which targets were illuminated by a transient acoustic source, and bistatic responses were recorded by scanning a hydrophone along a rail system. Images were constructed using a relatively conventional bistatic SAS algorithm and were compared with images based on supersonic holography. The holographic method is a simplification of one previously used to view the time evolution of a target's response [Hefner and Marston, ARLO 2, 55-60 (2001)]. In the holographic method, the space-time evolution of the scattering was used to construct a two-dimensional image with cross range and time as coordinates. Various features for vertically hung cylindrical targets were interpreted using high frequency ray theory. This includes contributions from guided surface elastic waves, as well as transmitted-wave features and specular reflection.     

X射线光场成像技术研究

X射线三维成像技术是目前国内外X射线成像研究领域的一个研究热点.但针对一些特殊成像目标,传统X射线计算层析(CT)成像模式易出现投影信息缺失等问题,影响CT重建的图像质量,使得CT成像的应用受到一定的限制.本文主要研究了基于光场成像理论的X射线三维立体成像技术.首先从同步辐射光源模型出发,对X射线光场成像进行建模;然后,基于光场成像数字重聚焦理论,对成像目标场在深度方向上进行切片重建.结果表明:该方法可以实现对成像目标任一视角下任一深度的内部切片重建,但是由于光学聚焦过程中的离焦现象,会引入较为严重的背景噪声.当对其原始数据进行滤波后,再进行X射线光场重聚焦,可以有效消除重建伪影,提高图像的重建质量.本研究既有算法理论意义,又可应用于工业、医疗等较复杂目标的快速检测,具有较大的应用价值.     

一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法

当合成孔径声呐测绘带较大时,运动误差的空变效应严重,经典的相位中心重叠算法难以适用。为此,提出了一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法。首先使用混合调制的拉格朗日时延估计算法对前后两帧回波的时延进行估计,之后使用线性回归方法拟合出运动误差,最后利用运动误差的估计值对回波进行逐点精确补偿。仿真数据的结果表明,该算法能够获得比相位中心重叠算法更好的运动估计结果,运动补偿后成像分辨率接近理论分辨率。使用该算法分别对高、低频合成孔径声呐的湖试数据进行了处理,水下地貌和小目标的成像质量均有明显提高。      

平面场景和建筑物成像的几何分析

为了识别采集图像中的平面场景以及建筑物,利用摄像机参数,对平面场景及建筑物成像过程进行了几何分析。首先,根据相机参数以及相机飞行状态分析平面场景成像畸变;然后,对平面场景上的建筑物形状的成像进行几何分析;最后,将相机上采集到的平面场景及建筑物的图像像素数与真实平面场景及建筑物的尺寸建立联系。实验结果表明：已知相机参数及飞行状态的情况下,可以对平面场景及建筑物形状信息进行推导,从而完成目标识别与跟踪。本方法适合在典型建筑物、孤立建筑物、建筑群中具有明显形状特征等情况下对立体目标进行自动捕获与跟踪。     

INFRARED SMALL TARGET DETECTION ALGORITHM BASED ON SELF-ADAPTIVE BACKGROUND FORECAST

A background forecast filter is presented to detect a small target under an infrared (IR) nature scene. By calculating the correlation of image pixels, the background around the small target could be forecasted. Subtracting the forecast background from original scene, the small targets would become outstanding. Experimental results show that the algorithm proposed has better performance with respect to probability of detection and less computation complexity.