機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(hào)，利用大帶寬激光信號(hào)和虛擬的合成孔徑實(shí)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(jí)分辨率的唯一光學(xué)觀測(cè)手段。近年來(lái)，SAL逐漸得到國(guó)內(nèi)外研究人員的重視，并相繼進(jìn)行了一些機(jī)載試驗(yàn)，比如，2006年美國(guó)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(shí)驗(yàn);在2011年，美國(guó)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(jì)和樣機(jī)制作，同時(shí)進(jìn)行了飛行實(shí)驗(yàn)并取得了成功。該試驗(yàn)飛行高度為1.6km，對(duì)地成像的分辨率優(yōu)于3.3cm。這些試驗(yàn)均表明了SAL在空間遠(yuǎn)程探測(cè)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(zhǎng)較微波波段小4個(gè)數(shù)量級(jí)以上，導(dǎo)致了二者在具體實(shí)現(xiàn)上又存在很大的區(qū)別。在走向具體應(yīng)用的過(guò)程中也存在

3、了很多問(wèn)題。其中有兩個(gè)問(wèn)題亟待解決，第一是激光波長(zhǎng)一般都在微米量級(jí)，導(dǎo)致激光光斑較小，影響了成像場(chǎng)景的幅寬;二是大帶寬線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)制與脈沖重復(fù)頻率之間的矛盾將會(huì)導(dǎo)致方位信號(hào)的模糊。本文基于以上研究背景，對(duì)機(jī)載合成孔徑成像激光雷達(dá)成像算法問(wèn)題進(jìn)行了探討，利用概念分析、理論推導(dǎo)、數(shù)值仿真驗(yàn)證等對(duì)所提的合成孔徑激光成像算法進(jìn)行了分析與驗(yàn)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(duì)合成孔徑技術(shù)的發(fā)展歷

4、程做了簡(jiǎn)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(duì)本文的研究背景與意義進(jìn)行了介紹。
　　第二章對(duì)介紹了合成孔徑激光雷達(dá)在系統(tǒng)成像過(guò)程中所需的基本理論知識(shí)，之后分析了合成孔徑激光技術(shù)走向?qū)嶋H應(yīng)用過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)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(duì)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(wèn)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(shí)間采樣的不足，并采用空域?yàn)V波方法解決了多普勒模糊的問(wèn)題;通過(guò)控制波束指向，使其周期性的在不同子測(cè)繪帶之間掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)寬測(cè)繪帶成像。針對(duì)掃描模式短孔徑對(duì)寬場(chǎng)景成像易造成圖像模糊的問(wèn)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(chǎng)景測(cè)繪模式(Terrain Observation byProgressive Scans mode，TOPS)推廣到SA

6、L中，并針對(duì)SAL的信號(hào)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(dòng)導(dǎo)致的方位信號(hào)模糊問(wèn)題，獲得信號(hào)無(wú)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(dòng)校正，并校正平臺(tái)連續(xù)運(yùn)動(dòng)引入的多普勒頻移;最后結(jié)合Dechirp技術(shù)將信號(hào)聚焦在方位頻域，獲得無(wú)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