合成孔徑激光成像雷達(dá)距離向成像散斑效應(yīng)抑制方法
【專利摘要】一種合成孔徑激光成像雷達(dá)距離向成像散斑效應(yīng)抑制方法，將激光器發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的帶寬擴(kuò)展為設(shè)計(jì)分辨率所需帶寬的N（N≥2）倍，并將回波信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行光學(xué)外差探測(cè)得到成像所需的光電流數(shù)據(jù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，將擴(kuò)展帶寬后得到的成像數(shù)據(jù)沿距離向分為N部分，分別對(duì)各部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行距離向解線調(diào)頻和方位向聚焦成像，最終產(chǎn)生N個(gè)相對(duì)獨(dú)立的圖像。將N個(gè)相對(duì)獨(dú)立的目標(biāo)圖像進(jìn)行非相干疊加平均最終輸出圖像。歸一化后與散斑抑制前相比，圖像的平均強(qiáng)度和對(duì)比度有所提高。本發(fā)明對(duì)降低合成孔徑激光成像雷達(dá)中的散斑效應(yīng)有一定作用。
【專利說(shuō)明】合成孔徑激光成像雷達(dá)距離向成像散斑效應(yīng)抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及合成孔徑激光成像雷達(dá)，是一種合成孔徑激光成像雷達(dá)距離向成像散斑效應(yīng)的抑制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]合成孔徑激光成像雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱為SAIL)是微波合成孔徑雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱為SAR)在光學(xué)波段的應(yīng)用，是目前能夠在幾千公里作用距離上實(shí)現(xiàn)厘米量級(jí)分辨率的最可行的光學(xué)成像手段。SAIL以近紅外激光器為輻射源，其工作波長(zhǎng)比SAR的射頻波段短3?6個(gè)數(shù)量級(jí)。在比SAR獲得更高成像分辨率的同時(shí)，SAIL也因?yàn)榧す獾母呦喔尚圆豢杀苊獾氖艿缴咝?yīng)的影響。散斑效應(yīng)對(duì)合成孔徑激光成像雷達(dá)的影響主要表現(xiàn)在影響了光學(xué)外差探測(cè)信噪比并影響SAIL成像質(zhì)量。
[0003]參考下列文獻(xiàn):
[0004](I)Robert L.Lucke and J.Rickard.Photon-limited synthetic-apertureimaging for planet surface studies[J].Appl.0pt., 2002, 41(24):5084 ~ 5095
[0005](2)劉立人.合成孔徑激光成像雷達(dá)(VI):時(shí)空散斑效應(yīng)和外差探測(cè)信噪比[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29 (08):2326 ?2332
[0006](3) R.L.Lucke, L.J.Rickard, M.Bashkansky et al..Synthetic aperture ladar(SAL):fundamental theory, design equations for a satellite system, and LaboratoryDemonstration, Washington:Naval Research Laboratory, (2002)
[0007](4)周煜，許楠，欒竹等.尺度縮小合成孔徑激光雷達(dá)的二維成像實(shí)驗(yàn)[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2009，29 (07):2030 ?2032
[0008](5)劉立人.基于散斑抑制的合成孔徑激光成像雷達(dá)的結(jié)構(gòu)和工作模式[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2011,31(10):1028001-1 ?9
[0009](6)許倩，周煜，孫建鋒，孫志偉，馬小平，職亞楠，劉立人.合成孔徑激光成像雷達(dá)時(shí)空散斑效應(yīng)模擬與分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33(10): 1028002
[0010](7)許倩，周煜，孫建鋒，孫志偉，馬小平，劉立人.合成孔徑激光成像雷達(dá)散斑天線接收特性分析[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34(3):0328002
[0011]在上述相關(guān)文獻(xiàn)[I]中，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室首先提出空間變化的散斑場(chǎng)引起探測(cè)光子總數(shù)的變化，從而引起光學(xué)外差探測(cè)信噪比的改變。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)[2]在此基礎(chǔ)上研究了時(shí)空散斑效應(yīng)對(duì)光學(xué)外差探測(cè)信噪比的影響。文獻(xiàn)[3]、[4]的SAIL成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了散斑效應(yīng)影響對(duì)SAIL成像質(zhì)量存在影響。文獻(xiàn)[5]提出了多波長(zhǎng)/多發(fā)射/多接收的天線結(jié)構(gòu)和SAIL的滑動(dòng)聚束模式成像系統(tǒng)，理論上分析了合成孔徑激光成像散斑效應(yīng)的抑制方案。
[0012]文獻(xiàn)[6]模擬了基于遠(yuǎn)距離衍射的SAIL時(shí)空散斑效應(yīng)，結(jié)果證實(shí)散斑尺度與合成孔徑中的光學(xué)足趾尺度相當(dāng)；在一次信號(hào)收發(fā)過(guò)程中，線性調(diào)頻啁啾激光脈沖信號(hào)引起散斑圖樣在距離向上移動(dòng)，距離等于散斑花樣的距離向平均寬度。文獻(xiàn)[7]分析了回波散斑場(chǎng)被光學(xué)接收天線積分接收后引入的二維隨機(jī)振幅和相位誤差，模擬了不同接收天線散斑尺度比下時(shí)空散斑效應(yīng)在光學(xué)回波外差拍頻信號(hào)中引入的二維隨機(jī)振幅和相位分布及統(tǒng)計(jì)特性，得到了散斑對(duì)成像影響較小的合理接收天線尺寸。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提出一種合成孔徑激光成像雷達(dá)距離向散斑效應(yīng)抑制方法。
[0014]將激光器發(fā)射線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的帶寬擴(kuò)展為設(shè)計(jì)分辨率所需帶寬的N (N > 2)倍，再使得回波信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行光學(xué)外差探測(cè)得到成像所需的光電流數(shù)據(jù)。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，將擴(kuò)展帶寬后得到的成像數(shù)據(jù)按照啁啾波長(zhǎng)范圍的不同分為N部分，分別對(duì)各部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行距離向解線調(diào)頻和方位向聚焦成像，產(chǎn)生N個(gè)相對(duì)獨(dú)立的圖像。將N個(gè)相對(duì)獨(dú)立的目標(biāo)圖像進(jìn)行非相干疊加平均最終輸出圖像。從而在不增加SAIL系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的前提下抑制合成孔徑激光成像雷達(dá)中散斑效應(yīng)對(duì)距離向成像的影響。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0016]一種合成孔徑激光成像雷達(dá)距離向成像散斑效應(yīng)抑制方法，其特點(diǎn)在于該方法包括如下步驟:
[0017]①保持線性調(diào)頻脈沖信號(hào)頻率啁啾率/不變，在發(fā)射激光脈沖啁啾時(shí)間Tc^p中，
將外差探測(cè)采樣時(shí)間 Tsampling擴(kuò)大至= NTsumpling，從而使得距離向成像所需的線性
調(diào)頻脈沖信號(hào)的帶寬B擴(kuò)大為B' =NB，其中N為2以上的正整數(shù)，再利用回波信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行光學(xué)外差探測(cè)，得到成像所需的光電流數(shù)據(jù)；
[0018]②對(duì)成像所需的外差光電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，將擴(kuò)展帶寬后得到的成像數(shù)據(jù)按照啁啾波長(zhǎng)的范圍分為相應(yīng)的N部分，分別對(duì)各部分進(jìn)行距離向解線調(diào)頻和方位向聚焦成像，得到N個(gè)相對(duì)獨(dú)立的圖像；
[0019]③將所述的N個(gè)相對(duì)獨(dú)立的目標(biāo)圖像進(jìn)行非相干疊加，輸出最終圖像。
[0020]本發(fā)明的技術(shù)效果:
[0021]由于發(fā)射信號(hào)照射到目標(biāo)表面后向散射被接收天線接收，散斑效應(yīng)帶來(lái)的光場(chǎng)平移導(dǎo)致外差探測(cè)的相位和振幅分布隨距離向快時(shí)間變化，最終影響成像。各部分?jǐn)?shù)據(jù)附加的隨機(jī)振幅和相位分布不同，導(dǎo)致散斑對(duì)成像結(jié)果的影響不同。輸出的N個(gè)受不同散斑影響的成像結(jié)果進(jìn)行非相干疊加，歸一化后與散斑抑制前相比，圖像的平均強(qiáng)度和對(duì)比度有所提高。因此本發(fā)明對(duì)降低合成孔徑激光成像雷達(dá)中的散斑效應(yīng)有一定作用。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0022]圖1是本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達(dá)激光線性調(diào)頻信號(hào)和回波本振外差信號(hào)采樣過(guò)程示意圖。
[0023]圖2是合成孔徑激光成像雷達(dá)距離向成像散斑效應(yīng)抑制具體實(shí)施方法示意圖。
[0024]圖3是本發(fā)明實(shí)施例理想成像結(jié)果及抑制散斑效應(yīng)前后的成像效果對(duì)比。
【具體實(shí)施方式】[0025]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0026]一種合成孔徑激光成像雷達(dá)距離向成像散斑效應(yīng)抑制方法，其特征在于激光器發(fā)射的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)，即啁啾脈沖信號(hào)帶寬為設(shè)計(jì)分辨率所需帶寬的N (NS 2)倍，將回波信號(hào)與本振信號(hào)進(jìn)行光學(xué)外差探測(cè)，得到的數(shù)據(jù)分為N部分，各自獨(dú)立進(jìn)行成像處理，最終得到的圖像輸出為N個(gè)圖像的非相干疊加。
[0027]所述的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)和光學(xué)外差采樣過(guò)程如圖1所示。脈沖從激光器觸發(fā)信號(hào)t=t0開(kāi)始，一直持續(xù)到t=tmd截止，即發(fā)射激光的脈沖寬度為激光器輸出的外差信號(hào)采集起始時(shí)間為tstart，采樣截止時(shí)間為ts_，采樣時(shí)間Tsampling=tst Jstart(Tsampling ^ Tchirp)0回波信號(hào)與本振信號(hào)的相對(duì)延遲時(shí)間為Λ τ。脈沖初始頻率為finitial，截止頻率為ffinal。距離向成像所需的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的帶寬B=ffinal_finitial。光速為C，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的距離向分辨率為P P與帶寬B滿足P^c/2B。
[0028]請(qǐng)參閱圖2，圖2是本發(fā)明是合成孔徑激光成像雷達(dá)距離向成像散斑效應(yīng)抑制具體實(shí)施方法示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達(dá)距離向成像散斑效應(yīng)抑制方法，其步驟包括:
[0029]( I)保持線性調(diào)頻脈沖信號(hào)頻率啁啾率/不變，在發(fā)射激光脈沖啁啾時(shí)間Tctop中，
將外差探測(cè)采樣時(shí)間Tsampling擴(kuò)大至= NTsampling ,從而使得距離向成像所需的線性調(diào)頻脈沖信號(hào)的帶寬B擴(kuò)大為B’ =NB。
[0030](2)對(duì)成像所需的外差光電流信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，將擴(kuò)展帶寬后得到的成像數(shù)據(jù)分為相應(yīng)的N各部分， 分別對(duì)各部分進(jìn)行距離向解線調(diào)頻和方位向聚焦成像，最終產(chǎn)生N個(gè)相對(duì)獨(dú)立的圖像。
[0031](3)最后將N個(gè)相對(duì)獨(dú)立的目標(biāo)圖像進(jìn)行非相干疊加，輸出最終圖像，平均了散斑效應(yīng)對(duì)SAIL距離向成像的影響。
[0032]下面對(duì)本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達(dá)距離向成像散斑效應(yīng)抑制方法進(jìn)行分析:合成孔徑激光成像雷達(dá)到面目標(biāo)中心的探測(cè)距離z0，光學(xué)接收面上的坐標(biāo)系為接收天線中心位置在(0，O)，目標(biāo)點(diǎn)位置坐標(biāo)(xT，yT)，目標(biāo)面對(duì)水平面的傾角為Θ。目標(biāo)面在垂直于光軸的主平面內(nèi)坐標(biāo)變換關(guān)系為x=xT,y=yTsin Θ , z=z0+yTcos Θ。所述合成孔徑激光成像雷達(dá)的發(fā)射的激光初始波長(zhǎng)為Xci，飛機(jī)速度為V。SAIL快時(shí)間表示為tf，慢時(shí)間表示
為Ts。由于啁啾激光器多為波長(zhǎng)線性調(diào)頻,發(fā)射信號(hào)可表不為= 。均勻散射的矩
形分辨率單元dxXdy，等間距采樣為NXN個(gè)點(diǎn)，其中第(i，j)個(gè)采樣單元的中心點(diǎn)坐標(biāo)記為(xT(i，j)，yT(i，j))。假定每個(gè)基元散射面積是獨(dú)立無(wú)關(guān)的，并且目標(biāo)表面與波長(zhǎng)相比是粗糙的，散射基元的相位P'(/，力在區(qū)間(_π，31)上均勻分布。為了簡(jiǎn)化模擬，假定散射光波
的振幅為1，回波到達(dá)接收面的散斑場(chǎng)表示為:
[0033]
【權(quán)利要求】
1.一種合成孔徑激光成像雷達(dá)距離向成像散斑效應(yīng)抑制方法，其特征在于該方法包括如下步驟: ①保持線性調(diào)頻脈沖信號(hào)頻率啁啾率f不變，在發(fā)射激光脈沖啁啾時(shí)間Tctop中，將外差探測(cè)采樣時(shí)間Tsampling擴(kuò)大至
【文檔編號(hào)】G01S7/495GK103926576SQ201410130157
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】許倩, 孫建鋒, 周煜, 劉立人, 孫志偉, 張寧, 盧智勇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所