线振动对合成孔径激光雷达成像的影响分析

合成孔径激光雷达采用激光作为信号载波,通过孔径合成技术实现高分辨率成像。但是平台的振动会对激光雷达图像质量产生影响。针对平台线振动对合成孔径激光雷达影响进行了分析,通过对带有振动的合成孔径激光雷达瞬时斜距展开,可以将线振动的影响分为沿航线振动影响和垂直航线振动影响,其中沿航线振动对图像质量的影响可以忽略,而垂直航线的振动对图像质量影响敏感,会导致方位向散焦而无法成像。最后通过仿真验证了分析结果。     

条带模式合成孔径激光雷达振动目标成像的计算与仿真

在光学波长的尺度上,几乎没有目标可被认为是静止的,因此,目标振动对合成孔径激光雷达(SAL)成像可能有较大影响。对此问题,基于衍射光学,建立了在目标作简谐振动的情况下,采用准单色光线性调频光源照明的条带模式SAL的成像数学方程,分析和讨论了目标振动参数对SAL成像的影响,并给出了若干数学仿真演示。结果表明,SAL成像对目标振动非常敏感,在距离方向上目标微小的振动可使SAL系统在方位向上产生一系列虚假像,严重影响SAL高分辨率成像的实现。     

基于合成频率步进线性调频信号的合成孔径激光雷达成像

为解决合成孔径激光雷达(SAL)所需高重复频率大带宽相干光源问题,提出了合成频率步进线性调频信号（SFSCS）的方案,并进行了基于SFSCS信号SAL (SFSCS-SAL)的成像理论和实验演示研究。采用多台独立的窄带宽高重复频率线性调频激光器构成SFSCS信号,给出了SFSCS-SAL的成像数据方程和图像形成方法。理论分析表明:在一定条件下,SFSCS-SAL的成像处理与常规SAL相同;但是,与单个子脉冲激光器SAL相比,SFSCS-SAL的距离向成像分辨率提高至少N倍（N为构成SFSCS的独立激光器数目）。实验演示中,利用一台1550 nm波段的线性调波长激光器,通过光学斩波的方法模拟生成了子脉冲数为3的SFSCS信号。以此SFSCS信号作为探测光源,建立了SFSCS-SAL实验装置,对强散射目标和弱散射扩展目标,均实现了高分辨率成像。实验结果与理论分析一致。     

基于合成频率步进线性调频信号的合成孔径激光雷达成像

为解决合成孔径激光雷达(SAL)所需高重复频率大带宽相干光源问题,提出了合成频率步进线性调频信号(SFSCS)的方案,并进行了基于SFSCS信号SAL(SFSCS-SAL)的成像理论和实验演示研究。采用多台独立的窄带宽高重复频率线性调频激光器构成SFSCS信号,给出了SFSCS-SAL的成像数据方程和图像形成方法。理论分析表明:在一定条件下,SFSCS-SAL的成像处理与常规SAL相同;但是,与单个子脉冲激光器SAL相比,SFSCS-SAL的距离向成像分辨率提高至少N倍(N为构成SFSCS的独立激光器数目)。实验演示中,利用一台1550nm波段的线性调波长激光器,通过光学斩波的方法模拟生成了子脉冲数为3的SFSCS信号。以此SFSCS信号作为探测光源,建立了SFSCS-SAL实验装置,对强散射目标和弱散射扩展目标,均实现了高分辨率成像。实验结果与理论分析一致。     

ARTIFICIAL NEURAL NETWORK ANALYSIS IN INTERFEROMETRIC THz IMAGING FOR DETECTION OF LETHAL AGENTS

In the context of a non-invasive, non-contact method to detect concealed lethal agents employing stand-off imaging in the Terahertz (THz) range using an interferometric detector array, the techniques of image analysis are discussed. To complement the experimental testing, extensive modeling simulates reconstructed images of lethal agents at different THz frequencies applying interferometric techniques. The composite images are consequently analyzed using artificial neural network to make positive identification of the lethal agent. This work also attempts to address issues related to the presence of barriers and isolate some suitable numerical techniques required for rapid and successful recognition of lethal agents during security screening in THz range.     

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.     

应用在相控阵雷达上的光学实时延迟线

相控阵天线是雷达技术的重要发展方向之一。电子相控阵雷达所遇到的问题是天线阵列孔径效应限制了雷达信号的瞬时带宽,使其不能满足通信和雷达技术的发展需要。光学实时延迟技术,可以解决这一问题。介绍了相控阵天线光实时延迟控制原理。并对几种典型的光实时延迟线的工作原理和技术特点作了简要的分析。     

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.     

Stereophotogrammetric 3D shape measurement by holographic methods using structured speckle illumination combined with interferometry

We present a unique combination of the numerical three-dimensional (3D) reconstruction of the shape of an object with interferometric deformation measurements. Two cameras record several holograms of an object that is illuminated by structured illumination. This illumination is realized by speckle patterns. To improve the image quality, an inplace speckle reduction technique is combined with the structured illumination to reduce the effect of disturbing subjective speckles which appear in the reconstructed images. Stereophotogrammetric methods are applied to extract the 3D surface information of the object out of the reconstructed images. Since the recording is done by holography and because stereophotogrammetry enables a pointwise correlation between the two views, it is possible to combine other holographic techniques with the reconstructed 3D shape. This is demonstrated by an interferometric deformation measurement of an object cooling down. The resulting interferometric fringes are mapped onto the reconstructed 3D surface. Hence, the proposed method enables automatic and dense matching of interferometric fringe-maps recorded by spatially separated holograms onto the surface of the object, which has not yet been realized by existing techniques.     

目标粗糙对合成孔径激光雷达回波的退相干效应

本文研究了目标表面粗糙对回波信号探测的影响,通过蒙特卡罗方法建立一维和二维目标高斯随机粗糙面模型,并对目标回波信号的探测过程进行仿真,研究目标表面粗糙对中频信号的影响.还进行了粗糙面和光滑面两组光外差探测实验,验证目标粗糙对合成孔径激光雷达回波信号严重的“退相干”效应.同时,采用数字波前分析仪对探测器处本振光和信号光波前分别进行检测,检测结果与仿真一致,证明粗糙面回波相位畸变严重.文中研究结果对设计光源参数、接收系统参数以及评估系统作用距离奠定基础,为合成孔径激光雷达系统设计提供定量参考.     

Model-based algorithm for rotation invariant target recognition using laser radar range imagery

The out-of-plane rotation invariance is demonstrated for a recognition system for laser radar (ladar) range imagery. The key of our method is to transform an original ladar range image of scene data into a height-range image. We demonstrate experimentally that our method provides the out-of-plane rotation invariance property and preserves in-plane rotation invariant characteristics at the same time. We also show experimentally the relationship between the recognition rate and depression angles.     

激光雷达信号大气衰减效应

激光雷达信号在大气中传输时,大气中的气体分子和大气气溶胶粒子、尘埃、雨等对激光信号的吸收和散射导致光信号能量的衰减是影响激光雷达信号传输的重要因素。另外,由于大气密度分面目 不均匀导致激光沿光路上的折射,大气湍流效应导致光束横截面上能量分布起伏、光束扩展和漂移等,这些对激光雷光信号的传输产生一定的影响。本文对激光在大气中传输的各种能量衰减机制进行分析和讨论,为激光雷达系统的设计提供理论依据。     

Three-dimensional coherent ladar based on FMCW and its flight demonstration

A scanning three-dimensional coherent laser radar(ladar) based on the frequency modulated continuous wave(FMCW) is proposed and demonstrated, which can obtain many three-dimensional high-quality images. The system utilizes an electro-optic modulator and an optical filter to output a linear FMCW with a bandwidth of2 GHz. The flexible and variable rotating double prism is used for beam scanning. The images of flight demonstration are formed by attitude compensation correction. The experiment result validates the performance of our system for airborne three-dimensional scanning imaging.     

基于统计特性的激光雷达距离像噪声抑制算法

激光成像雷达在工作时会受到噪声干扰,因此需要滤除距离像中无法反映真实信息的异常点。根据激光成像雷达距离像噪声的分布,推导出距离像中非异常值的分布特性,并提出了一种距离像异常值的判定条件。将判定条件表示为小范围内抽样分布的函数,利用稳健统计中的中位值法可估算出判定条件的取值,从而可以移除异常点得到噪声抑制后的距离像。利用该算法分别对激光雷达距离像进行仿真和实际获得的激光雷达距离像进行处理并进行数学分析,并与中值滤波进行了比较,结果表明基于统计特性的噪声抑制算法同时具有很强的噪声抑制能力和保护目标细节信息能力,可以满足激光成像雷达距离像噪声抑制的要求。算法充分利用了激光成像雷达较高的测距精度,可以应对多种场景下的需求,具有很强的实用性。     

基于改进迭代最近点算法的两视角激光雷达数据配准

两视角激光雷达数据配准是空地探测遮蔽目标研究领域中的一项重要内容,迭代最近点（ICP）算法为其提供了理论基础,但遮蔽条件下激光雷达数据的复杂性使ICP算法在对应点确定上面临很大困难。在分析ICP算法基本原理和遮蔽条件下激光雷达数据特点的基础上,从控制点选择、对应点匹配和伪点对剔除三个方面给出了ICP算法的具体应用策略和改进措施,并提出一种基于固定-自适应重叠率的伪点对剔除方法。详细阐述了基于改进ICP算法的两视角激光雷达数据配准的具体步骤,并进行了实验验证。实验结果表明：改进后的ICP算法能够有效实现了遮蔽条件下的激光雷达数据配准,且与其他算法相比,具有较强的稳建性和较高的配准精度。     

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.     

激光雷达在舰载光电搜索跟踪系统中的应用

分析了舰载红外搜索和跟踪系统(IRST)的优缺点,以及激光雷达在其中应用的可能性。介绍了一种应用于舰载红外搜索和跟踪系统(IRST)的啁啾调幅激光雷达系统。描述了啁啾调幅激光雷达的工作原理和雷达系统的组成结构,并给出了部分实验结果。     

全波形激光雷达回波信号建模仿真与分析

全波形回波信号建模仿真与分析是全波形激光雷达探测技术的一项重要研究内容。针对激光束在目标场景中投影点的获取问题,提出了一种基于激光束空间边界的光线求交快速算法,运算效率高,稳定性好。基于激光雷达信号的时空分布特性,推算出目标场景对信号的响应函数,建立二者的作用过程模型。并针对全回波检测技术中的距离选通探测模式,对目标回波信号与距离选通门限的位置关系进行了分类建模和分析。在研究以上三项关键技术的基础上,构建了全波形激光雷达回波信号仿真系统,仿真实现和分析了不同距离选通门限条件下的全波形回波信号特性,并生成了复杂场景下隐蔽目标的全波形激光雷达数据。     

A review on refractive index and temperature profile measurements using laser-based interferometric techniques

In this review we have discussed laser-based interferometric techniques for measurement of refractive index, temperature and temperature profile of burners with special emphasis on laser speckle techniques and Talbot interferometric technique.