一種采用順軌干涉處理抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載sal成像方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種采用順軌干涉處理抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法，其包括：回波信號(hào)預(yù)處理，劃分慢時(shí)間子孔徑并進(jìn)行子孔徑成像；對子孔徑圖像進(jìn)行干涉處理，提取干涉相位，估計(jì)平臺(tái)振動(dòng)的瞬時(shí)速度；計(jì)算由振動(dòng)產(chǎn)生的相位誤差，進(jìn)行相位誤差粗補(bǔ)償；對相位補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)進(jìn)行PGA處理，得到最終成像結(jié)果。基于順軌多探測器觀測結(jié)構(gòu)，所述的機(jī)載SAL振動(dòng)抑制及成像方法可有效抑制平臺(tái)振動(dòng)帶來的影響，實(shí)現(xiàn)機(jī)載SAL方位向高分辨率成像。
【專利說明】—種采用順軌干涉處理抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于合成孔徑激光雷達(dá)(Synthetic Aperture Ladar, SAL)成像領(lǐng)域,具體涉及振動(dòng)條件下的機(jī)載SAL成像處理，特別是一種采用順軌干涉處理抑制平臺(tái)振動(dòng)的成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]SAL是微波合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)技術(shù)在光學(xué)波段的類推，為激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高分率成像提供了可能，具有良好的軍用和民用潛力。
[0003]機(jī)載SAL工作在光學(xué)波段，由于光學(xué)波長比微波小3、4個(gè)數(shù)量級，理論上機(jī)載SAL可以用比SAR更短的合成孔徑時(shí)間實(shí)現(xiàn)同樣高的圖像分辨率。但與之相對應(yīng)，平臺(tái)的微小振動(dòng)都會(huì)引起信號(hào)相位的顯著變化，這給機(jī)載SAL成像處理帶來許多困難。
[0004]為抑制振動(dòng)給成像帶來的影響，國內(nèi)外相關(guān)單位開展了廣泛的研究工作。中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所對平臺(tái)振動(dòng)產(chǎn)生的影響進(jìn)行了分析(參見洪光烈，郭亮.線振動(dòng)對合成孔徑激光雷達(dá)成像的影響分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2012，32(4):0428001-1-0428001-7.)，并采用模擬探測的方法對平臺(tái)振動(dòng)進(jìn)行估計(jì)，補(bǔ)償振動(dòng)產(chǎn)生的相位誤差(參見徐顯文，洪光烈，凌元，等.合成孔徑激光雷達(dá)振動(dòng)相位誤差的模擬探測[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2011,31 (5):0512001-1-0512001-7)，但其主要以桌面系統(tǒng)試驗(yàn)為基礎(chǔ)，試驗(yàn)使用的振動(dòng)計(jì)難以在機(jī)載SAL中應(yīng)用。中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所利用激光的極化特性，采用自相關(guān)探測的方法對振動(dòng)進(jìn)行抑制(參見Liren Liu.Coherent andIncoherent Synthetic-aperture Imaging Ladars and Laboratory-space ExperimentalDemonstrations [J].Applied Optics，2013，52 (4):579-599.)，但其系統(tǒng)工作模式為正下視，與機(jī)載SAL通常使用的側(cè)視工作模式有顯著差別。國外的相關(guān)研究工作主要集中在釆用減震器與相位梯度自聚焦(Phase Gradient Autofocus, PGA)相結(jié)合的方法抑制振動(dòng)對成像的影響。采用該方法，美國洛克希德馬丁公司于2011年進(jìn)行機(jī)載SAL飛行試驗(yàn)，對距離
1.6km的地面目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了分辨率優(yōu)于3.3cm的成像(參見Krause B ff, Buck J, Ryan C, etal..Synthetic aperture ladar flight demonstration[C].0SA / CLEO / IQEC,2011)o但該方法在信號(hào)處理過程中主要依賴PGA處理對振動(dòng)進(jìn)行抑制，在目標(biāo)場景缺少孤立強(qiáng)點(diǎn)或是殘余振動(dòng)引起的相位誤差較大的情況下，難以達(dá)到良好的成像效果。
[0005]與此同時(shí)，隨著各種光纖器件的成熟，光纖在激光雷達(dá)中的應(yīng)用越來越多，特別是利用光纖陣列解決激光雷達(dá)探測中遇到的問題。2012年，美國一所大學(xué)使用光纖陣列進(jìn)行了桌面SAL系統(tǒng)的單過航交軌干涉測高試驗(yàn)，成功獲得了硬幣的高程圖(參見StephenCapdepon Crouch, SYNTHETIC APERTURE LADAR TECHNIQUES[D], Thesis, Motana StateUniversity，2012.)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了基于光纖陣列的多探測器干涉處理具有可行性，相關(guān)概念可用于多探測器機(jī)載SAL交軌和順軌干涉處理中，這為機(jī)載SAL系統(tǒng)抑制平臺(tái)振動(dòng)提供了新思路。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一)要解決的技術(shù)問題
[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題主要為:解決在受振動(dòng)影響的條件下機(jī)載SAL獲得方位向高分辨率圖像的問題，這里的振動(dòng)影響是指激光器使用減震平臺(tái)后，殘余平臺(tái)振動(dòng)對機(jī)載SAL成像產(chǎn)生的影響。在目標(biāo)場景缺少孤立強(qiáng)點(diǎn)或殘余平臺(tái)振動(dòng)引起的相位誤差較大的情況下，僅依賴PGA處理不能有效抑制平臺(tái)振動(dòng)影響獲得良好的成像效果，為此，本發(fā)明的目的是提出一種采用順軌干涉處理抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]為達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供了一種采用順軌干涉處理抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法，其包括步驟如下:
[0010]步驟S1:對順軌干涉機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)(Synthetic Aperture Ladar, SAL)各個(gè)探測器對應(yīng)的接收通道回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，獲得等效的在不同時(shí)刻對同一場景進(jìn)行觀測的回波信號(hào)，然后在慢時(shí)間域劃分子孔徑，并對子孔徑進(jìn)行成像處理，獲得不同通道信號(hào)的子孔徑成像結(jié)果；
[0011]步驟S2:對不同通道信號(hào)的子孔徑成像結(jié)果進(jìn)行干涉處理，提取干涉相位，采用順軌干涉測速技術(shù)估計(jì)平臺(tái)振動(dòng)在各個(gè)子孔徑時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)速度；
[0012]步驟S3:由估計(jì)平臺(tái)振動(dòng)的瞬時(shí)速度，推導(dǎo)計(jì)算平臺(tái)振動(dòng)產(chǎn)生的斜距，進(jìn)而得到振動(dòng)引起的相位誤差，對回波信號(hào)進(jìn)行相位誤差粗補(bǔ)償；
[0013]步驟S4:對相位誤差粗補(bǔ)償后的回波信號(hào)進(jìn)行相位梯度自聚焦(Phase GradientAutofocus, PGA)處理,進(jìn)一步抑制振動(dòng)影響，并進(jìn)行成像處理，得到抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像結(jié)果。
[0014](三)有益效果
[0015]本發(fā)明提出了一種采用順軌干涉處理抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法，基于順軌多探測器觀測結(jié)構(gòu)，并結(jié)合機(jī)載減震平臺(tái)，該方法可有效抑制平臺(tái)振動(dòng)給成像帶來的影響，實(shí)現(xiàn)機(jī)載SAL方位向高分辨率成像。使用順軌多探測器干涉處理，本發(fā)明提出的方法實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)相位誤差粗補(bǔ)償，減少了 PGA處理需場景具有孤立強(qiáng)點(diǎn)的約束，可使機(jī)載SAL在低信雜比場景和大相位誤差的條件下獲取方位向高分辨率圖像。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明采用的一發(fā)兩收工作模式下順軌雙探測器干涉處理示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明采用順軌干涉處理抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法的流程圖；
[0018]圖3(a)?圖3(c)為使用本發(fā)明方法處理過程中的相位誤差估計(jì)情況示意圖；
[0019]圖4(a)?圖4(c)為使用本發(fā)明方法得到的最終成像結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0021]本發(fā)明提供了一種采用順軌干涉處理抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法，其主要包括:回波信號(hào)預(yù)處理，劃分慢時(shí)間子孔徑并進(jìn)行子孔徑成像；對子孔徑圖像進(jìn)行干涉處理，提取干涉相位，估計(jì)平臺(tái)振動(dòng)的瞬時(shí)速度；計(jì)算由振動(dòng)產(chǎn)生的相位誤差，進(jìn)行相位誤差粗補(bǔ)償；對相位補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)進(jìn)行PGA處理，得到最終成像結(jié)果?；陧樮壎嗵綔y器觀測結(jié)構(gòu)，所述的機(jī)載SAL振動(dòng)抑制及成像方法可有效抑制平臺(tái)振動(dòng)帶來的影響，實(shí)現(xiàn)機(jī)載SAL方位向高分辨率成像。該方法對振動(dòng)引起的相位誤差進(jìn)行粗補(bǔ)償，減少了 PGA處理需場景具有孤立強(qiáng)點(diǎn)的約束，結(jié)合機(jī)載減震平臺(tái)可有效抑制平臺(tái)振動(dòng)帶來的影響，實(shí)現(xiàn)機(jī)載SAL方位向高分辨率成像。
[0022]如圖1所示一發(fā)兩收工作模式下雙探測器順軌干涉處理示意圖，其中示出，R1和R2為接收單元，T為發(fā)射單元。對于機(jī)載SAL系統(tǒng)，發(fā)射單元T與接收單元R1和R2可使用光纖陣列實(shí)現(xiàn)。C1與C2為等效的相位中心，d為基線長度，R表示波束中心時(shí)刻目標(biāo)點(diǎn)的斜距，Pm Vr分別表示載機(jī)速度和振動(dòng)徑向速度。在慢時(shí)間tk和tk+ Λ t時(shí)，等效相位中心C2與C1分別在同一位置對同場景進(jìn)行觀測?！?t時(shí)間內(nèi)振動(dòng)產(chǎn)生的斜距改變會(huì)引起回波相位變化，由此對振動(dòng)的瞬時(shí)速度進(jìn)行估計(jì)。
[0023]圖2示出了本發(fā)明所述的采用順軌干涉處理抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法的流程圖，該方法具體包括如下六個(gè)步驟。
[0024]步驟1:對順軌干涉機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)各個(gè)探測器對應(yīng)的接收通道回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，采用頻域相位補(bǔ)償使得回波信號(hào)在時(shí)域延時(shí)，獲得等效的在不同時(shí)刻對同一場景進(jìn)行觀測的回波信號(hào)。
[0025]步驟2:對不同接收通道信號(hào)，在慢時(shí)間域劃分子孔徑，并對子孔徑進(jìn)行成像處理，獲得不同通道信號(hào)的子孔徑成像結(jié)果；子孔徑長度的選取應(yīng)滿足: [0026]
【權(quán)利要求】
1.一種采用順軌干涉處理抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法，其包括步驟如下: 步驟S1:對順軌干涉機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)各個(gè)探測器對應(yīng)的接收通道回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，獲得等效的在不同時(shí)刻對同一場景進(jìn)行觀測的回波信號(hào)，然后在慢時(shí)間域劃分子孔徑，并對子孔徑進(jìn)行成像處理，獲得不同通道信號(hào)的子孔徑成像結(jié)果； 步驟S2:對不同通道信號(hào)的子孔徑成像結(jié)果進(jìn)行干涉處理，提取干涉相位，采用順軌干涉測速技術(shù)估計(jì)平臺(tái)振動(dòng)在各個(gè)子孔徑時(shí)間內(nèi)的瞬時(shí)速度； 步驟S3:由估計(jì)平臺(tái)振動(dòng)的瞬時(shí)速度，推導(dǎo)計(jì)算平臺(tái)振動(dòng)產(chǎn)生的斜距，進(jìn)而得到振動(dòng)引起的相位誤差，對回波信號(hào)進(jìn)行相位誤差粗補(bǔ)償； 步驟S4:對相位誤差粗補(bǔ)償后的回波信號(hào)進(jìn)行相位梯度自聚焦處理，進(jìn)一步抑制振動(dòng)影響，并進(jìn)行成像處理，得到抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像結(jié)果。
2.如權(quán)利要求1所述抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法，其特征在于，步驟SI所述的預(yù)處理是采用頻域相位補(bǔ)償使得回波信號(hào)在時(shí)域延時(shí)，獲得不同時(shí)刻對同一場景觀測的回波信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法，其特征在于，步驟SI和步驟S4中使用的成像處理包含距離-多普勒算法、頻率變標(biāo)算法、波數(shù)域算法和頻譜分析算法；為提高成像效率，步驟SI中優(yōu)選頻譜分析算法對子孔徑進(jìn)行成像。
4.如權(quán)利要求1所述抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法，其特征在于，步驟SI中所述子孔徑的長度選取需滿足:
5.如權(quán)利要求1所述抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法，其特征在于，步驟S2中所述提取干涉相位，在由視察引起的圖像幾何失配嚴(yán)重時(shí)，應(yīng)對子孔徑圖像進(jìn)行配準(zhǔn)處理，用于獲得準(zhǔn)確的干涉相位；在圖像質(zhì)量較差時(shí)，還應(yīng)設(shè)定相干系數(shù)門限對得到的圖像進(jìn)行加窗，只對相干系數(shù)高的圖像區(qū)域進(jìn)行干涉相位統(tǒng)計(jì)。
6.如權(quán)利要求1所述抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法，其特征在于，步驟S2中所述提取干涉相位，為解決相位以2 π為周期導(dǎo)致的最大測量速度受限問題，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用多基線設(shè)計(jì)，對干涉相位進(jìn)行解纏處理。
7.如權(quán)利要求1所述抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法，其特征在于，對單個(gè)全孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行相位梯度自聚焦(PGA)處理，采用的相位梯度自聚焦算法包括使用線性無偏最小方差(LUMV)和最大似然(ML)估計(jì)的傳統(tǒng)相位梯度自聚焦算法、改進(jìn)的相位梯度自聚焦算法包括非迭代的優(yōu)質(zhì)相位梯度自聚焦(QPGA)算法和采用加權(quán)最小二乘(WLS)估計(jì)的相位梯度自聚焦算法、也可采用條帶相位梯度自聚焦(SPGA)算法對整個(gè)方位向數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
8.如權(quán)利要求1所述抑制平臺(tái)振動(dòng)的機(jī)載SAL成像方法，其特征在于，步驟S4中所述成像處理能直接對全孔徑數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理，也可在保證分辨率的前提下在多普勒域劃分頻域子孔徑進(jìn)行成像，得到多視處理結(jié)果，用以抑制相干斑噪聲。
【文檔編號(hào)】G01S13/90GK103728621SQ201410037044
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月24日
【發(fā)明者】李道京, 馬萌, 杜劍波 申請人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所