機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計與算法研究.pdf

1、合成孔徑激光雷達(dá)(Synthetic Aperture Ladar，SAL)作為合成孔徑技術(shù)與激光雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，以激光作為發(fā)射信號，利用大帶寬激光信號和虛擬的合成孔徑實現(xiàn)目標(biāo)的超高分辨二維成像，成為遠(yuǎn)距離獲得厘米級分辨率的唯一光學(xué)觀測手段。近年來，SAL逐漸得到國內(nèi)外研究人員的重視，并相繼進(jìn)行了一些機(jī)載試驗，比如，2006年美國雷聲公司及諾斯羅普-格魯門公司分別成功演示了機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)實驗;在2011年，美國的洛克希德-馬

2、丁公司完成了機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計和樣機(jī)制作，同時進(jìn)行了飛行實驗并取得了成功。該試驗飛行高度為1.6km，對地成像的分辨率優(yōu)于3.3cm。這些試驗均表明了SAL在空間遠(yuǎn)程探測和高分辨率成像應(yīng)用中具有巨大的潛力。
　　合成孔徑激光雷達(dá)作為合成孔徑技術(shù)從微波波段到光波波段的延伸，它們的基本原理同合成孔徑雷達(dá)基本相同，但是由于激光波長較微波波段小4個數(shù)量級以上，導(dǎo)致了二者在具體實現(xiàn)上又存在很大的區(qū)別。在走向具體應(yīng)用的過程中也存在

3、了很多問題。其中有兩個問題亟待解決，第一是激光波長一般都在微米量級，導(dǎo)致激光光斑較小，影響了成像場景的幅寬;二是大帶寬線性調(diào)頻信號的調(diào)制與脈沖重復(fù)頻率之間的矛盾將會導(dǎo)致方位信號的模糊。本文基于以上研究背景，對機(jī)載合成孔徑成像激光雷達(dá)成像算法問題進(jìn)行了探討，利用概念分析、理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真驗證等對所提的合成孔徑激光成像算法進(jìn)行了分析與驗證。
　　文章的具體內(nèi)容框架作如下安排:
　　第一章為本文的緒論，首先對合成孔徑技術(shù)的發(fā)展歷

4、程做了簡單的梳理和回顧，然后介紹了合成孔徑激光雷達(dá)的發(fā)展?fàn)顩r及現(xiàn)狀，最后對本文的研究背景與意義進(jìn)行了介紹。
　　第二章對介紹了合成孔徑激光雷達(dá)在系統(tǒng)成像過程中所需的基本理論知識，之后分析了合成孔徑激光技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用過程中的關(guān)鍵技術(shù)問題。
　　第三章將合成孔徑成像技術(shù)中常用的掃描模式引入合成孔徑激光雷達(dá)成像技術(shù)中，并針對合成孔徑激光雷達(dá)光斑腳印小成像范圍小以及激光調(diào)制技術(shù)受限的問題，提出了一種SAL多通道掃描工作模式下的成像

5、方法。采用多通道體制，以空間采樣彌補(bǔ)時間采樣的不足，并采用空域濾波方法解決了多普勒模糊的問題;通過控制波束指向，使其周期性的在不同子測繪帶之間掃描來實現(xiàn)寬測繪帶成像。針對掃描模式短孔徑對寬場景成像易造成圖像模糊的問題，采用譜分析(SPECAN)思想，將圖像聚焦在方位頻率域。
　　第四章將合成孔徑雷達(dá)中常用的寬場景測繪模式(Terrain Observation byProgressive Scans mode，TOPS)推廣到SA

6、L中，并針對SAL的信號特性，提出了一種適用的成像算法。首先，采用基于譜分析的方位預(yù)濾波方法，消除由于波束轉(zhuǎn)動導(dǎo)致的方位信號模糊問題，獲得信號無模糊的二維頻譜;然后利用改進(jìn)的頻率變標(biāo)算法(Frequency Scaling Algorithm，F(xiàn)SA)完成距離壓縮及距離徙動校正，并校正平臺連續(xù)運(yùn)動引入的多普勒頻移;最后結(jié)合Dechirp技術(shù)將信號聚焦在方位頻域，獲得無模糊的SAL圖像，并保證了算法的效率。
　　第五章基于合成孔徑技