一種採用順軌幹涉處理抑制平臺振動的機載sal成像方法
2023-05-17 23:53:26
一種採用順軌幹涉處理抑制平臺振動的機載sal成像方法
【專利摘要】本發明是一種採用順軌幹涉處理抑制平臺振動的機載SAL成像方法，其包括：回波信號預處理，劃分慢時間子孔徑並進行子孔徑成像；對子孔徑圖像進行幹涉處理，提取幹涉相位，估計平臺振動的瞬時速度；計算由振動產生的相位誤差，進行相位誤差粗補償；對相位補償後的數據進行PGA處理，得到最終成像結果。基於順軌多探測器觀測結構，所述的機載SAL振動抑制及成像方法可有效抑制平臺振動帶來的影響，實現機載SAL方位向高解析度成像。
【專利說明】—種採用順軌幹涉處理抑制平臺振動的機載SAL成像方法
【技術領域】
[0001]本發明屬於合成孔徑雷射雷達(Synthetic Aperture Ladar, SAL)成像領域,具體涉及振動條件下的機載SAL成像處理，特別是一種採用順軌幹涉處理抑制平臺振動的成像方法。
【背景技術】
[0002]SAL是微波合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)技術在光學波段的類推，為雷射雷達實現遠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]機載SAL工作在光學波段，由於光學波長比微波小3、4個數量級，理論上機載SAL可以用比SAR更短的合成孔徑時間實現同樣高的圖像解析度。但與之相對應，平臺的微小振動都會引起信號相位的顯著變化，這給機載SAL成像處理帶來許多困難。
[0004]為抑制振動給成像帶來的影響，國內外相關單位開展了廣泛的研究工作。中國科學院上海技術物理研究所對平臺振動產生的影響進行了分析(參見洪光烈，郭亮.線振動對合成孔徑雷射雷達成像的影響分析[J].光學學報，2012，32(4):0428001-1-0428001-7.)，並採用模擬探測的方法對平臺振動進行估計，補償振動產生的相位誤差(參見徐顯文，洪光烈，凌元，等.合成孔徑雷射雷達振動相位誤差的模擬探測[J].光學學報，2011,31 (5):0512001-1-0512001-7)，但其主要以桌面系統試驗為基礎，試驗使用的振動計難以在機載SAL中應用。中國科學院上海光學精密機械研究所利用雷射的極化特性，採用自相關探測的方法對振動進行抑制(參見Liren Liu.Coherent andIncoherent Synthetic-aperture Imaging Ladars and Laboratory-space ExperimentalDemonstrations [J].Applied Optics，2013，52 (4):579-599.)，但其系統工作模式為正下視，與機載SAL通常使用的側視工作模式有顯著差別。國外的相關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)相結合的方法抑制振動對成像的影響。採用該方法，美國洛克希德馬丁公司於2011年進行機載SAL飛行試驗，對距離
1.6km的地面目標實現了解析度優於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但該方法在信號處理過程中主要依賴PGA處理對振動進行抑制，在目標場景缺少孤立強點或是殘餘振動引起的相位誤差較大的情況下，難以達到良好的成像效果。
[0005]與此同時，隨著各種光纖器件的成熟，光纖在雷射雷達中的應用越來越多，特別是利用光纖陣列解決雷射雷達探測中遇到的問題。2012年，美國一所大學使用光纖陣列進行了桌面SAL系統的單過航交軌幹涉測高試驗，成功獲得了硬幣的高程圖(參見StephenCapdepon Crouch, SYNTHETIC APERTURE LADAR TECHNIQUES[D], Thesis, Motana StateUniversity，2012.)，實驗結果表明了基於光纖陣列的多探測器幹涉處理具有可行性，相關概念可用於多探測器機載SAL交軌和順軌幹涉處理中，這為機載SAL系統抑制平臺振動提供了新思路。
【發明內容】
[0006](一)要解決的技術問題
[0007]本發明要解決的技術問題主要為:解決在受振動影響的條件下機載SAL獲得方位向高解析度圖像的問題，這裡的振動影響是指雷射器使用減震平臺後，殘餘平臺振動對機載SAL成像產生的影響。在目標場景缺少孤立強點或殘餘平臺振動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振動影響獲得良好的成像效果，為此，本發明的目的是提出一種採用順軌幹涉處理抑制平臺振動的機載SAL成像方法。
[0008]( 二 )技術方案
[0009]為達成上述目的，本發明提供了一種採用順軌幹涉處理抑制平臺振動的機載SAL成像方法，其包括步驟如下:
[0010]步驟S1:對順軌幹涉機載合成孔徑雷射雷達(Synthetic Aperture Ladar, SAL)各個探測器對應的接收通道回波信號進行預處理，獲得等效的在不同時刻對同一場景進行觀測的回波信號，然後在慢時間域劃分子孔徑，並對子孔徑進行成像處理，獲得不同通道信號的子孔徑成像結果；
[0011]步驟S2:對不同通道信號的子孔徑成像結果進行幹涉處理，提取幹涉相位，採用順軌幹涉測速技術估計平臺振動在各個子孔徑時間內的瞬時速度；
[0012]步驟S3:由估計平臺振動的瞬時速度，推導計算平臺振動產生的斜距，進而得到振動引起的相位誤差，對回波信號進行相位誤差粗補償；
[0013]步驟S4:對相位誤差粗補償後的回波信號進行相位梯度自聚焦(Phase GradientAutofocus, PGA)處理,進一步抑制振動影響，並進行成像處理，得到抑制平臺振動的機載SAL成像結果。
[0014](三)有益效果
[0015]本發明提出了一種採用順軌幹涉處理抑制平臺振動的機載SAL成像方法，基於順軌多探測器觀測結構，並結合機載減震平臺，該方法可有效抑制平臺振動給成像帶來的影響，實現機載SAL方位向高解析度成像。使用順軌多探測器幹涉處理，本發明提出的方法實現了振動相位誤差粗補償，減少了 PGA處理需場景具有孤立強點的約束，可使機載SAL在低信雜比場景和大相位誤差的條件下獲取方位向高解析度圖像。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明採用的一發兩收工作模式下順軌雙探測器幹涉處理示意圖；
[0017]圖2為本發明採用順軌幹涉處理抑制平臺振動的機載SAL成像方法的流程圖；
[0018]圖3(a)?圖3(c)為使用本發明方法處理過程中的相位誤差估計情況示意圖；
[0019]圖4(a)?圖4(c)為使用本發明方法得到的最終成像結果示意圖。
【具體實施方式】
[0020]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0021]本發明提供了一種採用順軌幹涉處理抑制平臺振動的機載SAL成像方法，其主要包括:回波信號預處理，劃分慢時間子孔徑並進行子孔徑成像；對子孔徑圖像進行幹涉處理，提取幹涉相位，估計平臺振動的瞬時速度；計算由振動產生的相位誤差，進行相位誤差粗補償；對相位補償後的數據進行PGA處理，得到最終成像結果。基於順軌多探測器觀測結構，所述的機載SAL振動抑制及成像方法可有效抑制平臺振動帶來的影響，實現機載SAL方位向高解析度成像。該方法對振動引起的相位誤差進行粗補償，減少了 PGA處理需場景具有孤立強點的約束，結合機載減震平臺可有效抑制平臺振動帶來的影響，實現機載SAL方位向高解析度成像。
[0022]如圖1所示一發兩收工作模式下雙探測器順軌幹涉處理示意圖，其中示出，R1和R2為接收單元，T為發射單元。對於機載SAL系統，發射單元T與接收單元R1和R2可使用光纖陣列實現。C1與C2為等效的相位中心，d為基線長度，R表示波束中心時刻目標點的斜距，Pm Vr分別表示載機速度和振動徑向速度。在慢時間tk和tk+ Λ t時，等效相位中心C2與C1分別在同一位置對同場景進行觀測。△ t時間內振動產生的斜距改變會引起回波相位變化，由此對振動的瞬時速度進行估計。
[0023]圖2示出了本發明所述的採用順軌幹涉處理抑制平臺振動的機載SAL成像方法的流程圖，該方法具體包括如下六個步驟。
[0024]步驟1:對順軌幹涉機載合成孔徑雷射雷達各個探測器對應的接收通道回波信號進行預處理，採用頻域相位補償使得回波信號在時域延時，獲得等效的在不同時刻對同一場景進行觀測的回波信號。
[0025]步驟2:對不同接收通道信號，在慢時間域劃分子孔徑，並對子孔徑進行成像處理，獲得不同通道信號的子孔徑成像結果；子孔徑長度的選取應滿足: [0026]
【權利要求】
1.一種採用順軌幹涉處理抑制平臺振動的機載SAL成像方法，其包括步驟如下: 步驟S1:對順軌幹涉機載合成孔徑雷射雷達各個探測器對應的接收通道回波信號進行預處理，獲得等效的在不同時刻對同一場景進行觀測的回波信號，然後在慢時間域劃分子孔徑，並對子孔徑進行成像處理，獲得不同通道信號的子孔徑成像結果； 步驟S2:對不同通道信號的子孔徑成像結果進行幹涉處理，提取幹涉相位，採用順軌幹涉測速技術估計平臺振動在各個子孔徑時間內的瞬時速度； 步驟S3:由估計平臺振動的瞬時速度，推導計算平臺振動產生的斜距，進而得到振動引起的相位誤差，對回波信號進行相位誤差粗補償； 步驟S4:對相位誤差粗補償後的回波信號進行相位梯度自聚焦處理，進一步抑制振動影響，並進行成像處理，得到抑制平臺振動的機載SAL成像結果。
2.如權利要求1所述抑制平臺振動的機載SAL成像方法，其特徵在於，步驟SI所述的預處理是採用頻域相位補償使得回波信號在時域延時，獲得不同時刻對同一場景觀測的回波信號。
3.如權利要求1所述抑制平臺振動的機載SAL成像方法，其特徵在於，步驟SI和步驟S4中使用的成像處理包含距離-都卜勒算法、頻率變標算法、波數域算法和頻譜分析算法；為提高成像效率，步驟SI中優選頻譜分析算法對子孔徑進行成像。
4.如權利要求1所述抑制平臺振動的機載SAL成像方法，其特徵在於，步驟SI中所述子孔徑的長度選取需滿足:
5.如權利要求1所述抑制平臺振動的機載SAL成像方法，其特徵在於，步驟S2中所述提取幹涉相位，在由視察引起的圖像幾何失配嚴重時，應對子孔徑圖像進行配準處理，用於獲得準確的幹涉相位；在圖像質量較差時，還應設定相干係數門限對得到的圖像進行加窗，只對相干係數高的圖像區域進行幹涉相位統計。
6.如權利要求1所述抑制平臺振動的機載SAL成像方法，其特徵在於，步驟S2中所述提取幹涉相位，為解決相位以2 π為周期導致的最大測量速度受限問題，在系統設計中採用多基線設計，對幹涉相位進行解纏處理。
7.如權利要求1所述抑制平臺振動的機載SAL成像方法，其特徵在於，對單個全孔徑數據進行相位梯度自聚焦(PGA)處理，採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)估計的傳統相位梯度自聚焦算法、改進的相位梯度自聚焦算法包括非迭代的優質相位梯度自聚焦(QPGA)算法和採用加權最小二乘(WLS)估計的相位梯度自聚焦算法、也可採用條帶相位梯度自聚焦(SPGA)算法對整個方位向數據進行處理。
8.如權利要求1所述抑制平臺振動的機載SAL成像方法，其特徵在於，步驟S4中所述成像處理能直接對全孔徑數據進行成像處理，也可在保證解析度的前提下在都卜勒域劃分頻域子孔徑進行成像，得到多視處理結果，用以抑制相干斑噪聲。
【文檔編號】G01S13/90GK103728621SQ201410037044
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2014年1月24日 優先權日:2014年1月24日
【發明者】李道京, 馬萌, 杜劍波 申請人:中國科學院電子學研究所