大氣湍流背景下合成孔徑激光雷達(dá)成像算法研究.pdf

1、合成孔徑激光雷達(dá)(SAL)是一種主動(dòng)式有源成像傳感器,由于其工作頻率遠(yuǎn)高于微波,因此與傳統(tǒng)的微波合成孔徑雷達(dá)(SAR)相比,對(duì)于相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度相同的目標(biāo)可以產(chǎn)生更大的多普勒頻移,不僅克服了普通激光雷達(dá)波束窄、搜索目標(biāo)困難等缺點(diǎn),而且能提供比SAR更高的方位分辨率及更短的成像時(shí)間,并具有對(duì)特定區(qū)域目標(biāo)精確成像的能力。但是,在成像質(zhì)量提高的同時(shí),由于工作頻率很高,SAL在成像的過(guò)程中對(duì)于大氣環(huán)境中的湍流效應(yīng)以及被探測(cè)目標(biāo)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)非常的敏感

2、。對(duì)此,本論文針對(duì)SAL成像過(guò)程中所涉及到的傳輸介質(zhì)、回波信號(hào)成像處理算法以及相位誤差的補(bǔ)償?shù)葞讉€(gè)問(wèn)題展開(kāi)了研究,主要內(nèi)容概括如下:
　　 1.提出了結(jié)構(gòu)函數(shù)法生成大氣湍流相位屏,并以之為基礎(chǔ)構(gòu)建大氣湍流數(shù)值模型,分析傳輸介質(zhì)中大氣湍流對(duì)SAL探測(cè)信號(hào)的影響。
　　 影響SAL成像質(zhì)量的原因有多個(gè),其中非常重要的一個(gè)就是大氣湍流引起的折射率起伏。針對(duì)合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)傳輸過(guò)程中存在的大氣湍流退化效應(yīng),本文從大氣湍流的統(tǒng)

3、計(jì)學(xué)特性出發(fā),提出了一種根據(jù)不同采樣點(diǎn)之間相位起伏的差值構(gòu)建相位屏的方法——結(jié)構(gòu)函數(shù)法,并以此為基礎(chǔ)通過(guò)數(shù)值模擬的方法,建立了滿足一定統(tǒng)計(jì)規(guī)律的大氣湍流數(shù)值模型,分析了大氣湍流對(duì)傳輸過(guò)程中光束強(qiáng)度特別是相位的影響機(jī)制。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,結(jié)構(gòu)函數(shù)法生成的大氣湍流相位屏的統(tǒng)計(jì)特性與理論值更為接近,一定程度上克服了現(xiàn)有的功率譜反演法存在的低頻不足以及多項(xiàng)式展開(kāi)法高頻不足的缺陷,同時(shí)在計(jì)算效率上也有所提高。
　　 2.改進(jìn)現(xiàn)有的線頻調(diào)

4、變標(biāo)(CS)成像算法,使其適用于以連續(xù)波為信號(hào)源的合成孔徑激光雷達(dá)。
　　 CS算法通過(guò)線頻調(diào)技術(shù)消除了不同分辨單元之間距離徙動(dòng)的空變特性,在運(yùn)算量相對(duì)較小的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)距離徙動(dòng)的完全校正,此特點(diǎn)使得該算法成為高分辨率成像算法的最優(yōu)選擇。同時(shí),考慮到該算法能夠適用于聚束模式的成像,因此本文選擇這一算法進(jìn)行分析和研究。但是,現(xiàn)有的CS算法是針對(duì)脈沖信號(hào)的,對(duì)于以連續(xù)波信號(hào)為信號(hào)源的SAL不完全適用。在此本文提出了兩種成像處理方案,

5、一種是通過(guò)離散采樣的方法將連續(xù)波信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào),從而沿用此前基于脈沖信號(hào)的成像算法;另一種是根據(jù)連續(xù)波信號(hào)在目標(biāo)斜距計(jì)算上對(duì)距離快時(shí)間處理的不同,對(duì)現(xiàn)有的成像算法進(jìn)行改進(jìn)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,改進(jìn)后的CS算法通過(guò)消除連續(xù)波信號(hào)回波中由快時(shí)間分量引入的頻移,實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的高質(zhì)量成像。
　　 3.針對(duì)SAL回波相位誤差的補(bǔ)償問(wèn)題提出了子回波相關(guān)算法,并對(duì)現(xiàn)有的秩一相位估計(jì)法和盲解卷積法進(jìn)行改進(jìn)以獲得最佳的誤差補(bǔ)償方案。
　　

6、 在SAL成像過(guò)程中,大氣湍流以及雷達(dá)平臺(tái)的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)等因素的存在不可避免地會(huì)造成SAL回波信號(hào)的相位產(chǎn)生誤差,這對(duì)SAL高質(zhì)量成像會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。對(duì)此,本文首先從參數(shù)模型的角度提出了子回波相關(guān)(MR)算法,利用SAL回波陣列之間的相位相關(guān)性,對(duì)存在的相位誤差進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償,一定程度上消除了相位誤差,特別是低頻誤差的退化作用。其次,針對(duì)高頻誤差的補(bǔ)償問(wèn)題,本文對(duì)現(xiàn)有的兩種較為成熟的非參數(shù)模型方法,即秩一相位估計(jì)(ROPE)法和迭代盲解