合成孔径激光成像雷达距离向成像散斑效应抑制方法

摘要

一种合成孔径激光成像雷达距离向成像散斑效应抑制方法，将激光器发射线性调频脉冲信号的带宽扩展为设计分辨率所需带宽的N（N≥2）倍，并将回波信号与本振信号进行光学外差探测得到成像所需的光电流数据。进行数据处理时，将扩展带宽后得到的成像数据沿距离向分为N部分，分别对各部分数据进行距离向解线调频和方位向聚焦成像，最终产生N个相对独立的图像。将N个相对独立的目标图像进行非相干叠加平均最终输出图像。归一化后与散斑抑制前相比，图像的平均强度和对比度有所提高。本发明对降低合成孔径激光成像雷达中的散斑效应有一定作用。

说明书

技术领域

本发明涉及合成孔径激光成像雷达，是一种合成孔径激光成像雷达距离向成像 散斑效应的抑制方法。

背景技术

合成孔径激光成像雷达（以下简称为SAIL）是微波合成孔径雷达（以下简称为 SAR）在光学波段的应用，是目前能够在几千公里作用距离上实现厘米量级分辨率 的最可行的光学成像手段。SAIL以近红外激光器为辐射源，其工作波长比SAR的 射频波段短3～6个数量级。在比SAR获得更高成像分辨率的同时，SAIL也因为激 光的高相干性不可避免的受到散斑效应的影响。散斑效应对合成孔径激光成像雷达 的影响主要表现在影响了光学外差探测信噪比并影响SAIL成像质量。

参考下列文献：

（1）Robert L.Lucke and J.Rickard.Photon-limited synthetic-aperture imaging  for planet surface studies[J].Appl.opt.,2002,41(24):5084～5095

（2）刘立人.合成孔径激光成像雷达(VI):时空散斑效应和外差探测信噪比[J]. 光学学报，2009，29(08)：2326～2332

（3）R.L.Lucke,L.J.Rickard,M.Bashkansky et al..Synthetic aperture ladar  (SAL):fundamental theory,design equations for a satellite system,and Laboratory  Demonstration,Washington:Naval Research Laboratory,(2002)

（4）周煜,许楠,栾竹等.尺度缩小合成孔径激光雷达的二维成像实验[J].光学学 报，2009，29(07)：2030～2032

（5）刘立人.基于散斑抑制的合成孔径激光成像雷达的结构和工作模式[J].光学 学报，2011，31(10)：1028001-1～9

（6）许倩,周煜,孙建锋,孙志伟,马小平,职亚楠,刘立人.合成孔径激光成像雷达 时空散斑效应模拟与分析[J].光学学报,2013,33(10):1028002

（7）许倩,周煜,孙建锋,孙志伟,马小平,刘立人.合成孔径激光成像雷达散斑天线 接收特性分析[J].光学学报,2014,34(3):0328002

在上述相关文献[1]中，美国海军实验室首先提出空间变化的散斑场引起探测光 子总数的变化，从而引起光学外差探测信噪比的改变。国内文献[2]在此基础上研究 了时空散斑效应对光学外差探测信噪比的影响。文献[3]、[4]的SAIL成像实验结果 说明了散斑效应影响对SAIL成像质量存在影响。文献[5]提出了多波长/多发射/多接 收的天线结构和SAIL的滑动聚束模式成像系统，理论上分析了合成孔径激光成像 散斑效应的抑制方案。

文献[6]模拟了基于远距离衍射的SAIL时空散斑效应，结果证实散斑尺度与合 成孔径中的光学足趾尺度相当；在一次信号收发过程中，线性调频啁啾激光脉冲信 号引起散斑图样在距离向上移动，距离等于散斑花样的距离向平均宽度。文献[7]分 析了回波散斑场被光学接收天线积分接收后引入的二维随机振幅和相位误差，模拟 了不同接收天线散斑尺度比下时空散斑效应在光学回波外差拍频信号中引入的二维 随机振幅和相位分布及统计特性，得到了散斑对成像影响较小的合理接收天线尺寸。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提出一种合成孔径激光成像雷达距离向散斑效应 抑制方法。

将激光器发射线性调频脉冲信号的带宽扩展为设计分辨率所需带宽的N （N≥2）倍，再使得回波信号与本振信号进行光学外差探测得到成像所需的光电 流数据。进行数据处理时，将扩展带宽后得到的成像数据按照啁啾波长范围的不同 分为N部分，分别对各部分数据进行距离向解线调频和方位向聚焦成像，产生N个相 对独立的图像。将N个相对独立的目标图像进行非相干叠加平均最终输出图像。从 而在不增加SAIL系统结构复杂度的前提下抑制合成孔径激光成像雷达中散斑效应 对距离向成像的影响。

本发明的技术解决方案如下：

一种合成孔径激光成像雷达距离向成像散斑效应抑制方法，其特点在于该方法 包括如下步骤：

①保持线性调频脉冲信号频率啁啾率不变，在发射激光脉冲啁啾时间T_chirp中，将外差探测采样时间T_sampling扩大至从而使得距离向成像 所需的线性调频脉冲信号的带宽B扩大为B′=NB，其中N为2以上的正整数，再 利用回波信号与本振信号进行光学外差探测，得到成像所需的光电流数据；

②对成像所需的外差光电流信号进行数据处理时，将扩展带宽后得到的成像数 据按照啁啾波长的范围分为相应的N部分，分别对各部分进行距离向解线调频和方 位向聚焦成像，得到N个相对独立的图像；

③将所述的N个相对独立的目标图像进行非相干叠加，输出最终图像。

本发明的技术效果：

由于发射信号照射到目标表面后向散射被接收天线接收，散斑效应带来的光场 平移导致外差探测的相位和振幅分布随距离向快时间变化，最终影响成像。各部分 数据附加的随机振幅和相位分布不同，导致散斑对成像结果的影响不同。输出的N 个受不同散斑影响的成像结果进行非相干叠加，归一化后与散斑抑制前相比，图像 的平均强度和对比度有所提高。因此本发明对降低合成孔径激光成像雷达中的散斑 效应有一定作用。

附图说明

图1是本发明合成孔径激光成像雷达激光线性调频信号和回波本振外差信号采 样过程示意图。

图2是合成孔径激光成像雷达距离向成像散斑效应抑制具体实施方法示意图。

图3是本发明实施例理想成像结果及抑制散斑效应前后的成像效果对比。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的 保护范围。

一种合成孔径激光成像雷达距离向成像散斑效应抑制方法，其特征在于激光器 发射的线性调频脉冲信号，即啁啾脉冲信号带宽为设计分辨率所需带宽的N （N≥2）倍，将回波信号与本振信号进行光学外差探测，得到的数据分为N部分， 各自独立进行成像处理，最终得到的图像输出为N个图像的非相干叠加。

所述的线性调频脉冲信号和光学外差采样过程如图1所示。脉冲从激光器触发 信号t=t0开始，一直持续到t=t_end截止，即发射激光的脉冲宽度为 T_chirp=t_end-t₀。激光器输出的外差信号采集起始时间为t_start，采样截止时间为 t_stop，采样时间T_sampling=t_stop-t_start（T_sampling≤T_chirp）。回波信号与本振信号的相 对延迟时间为Δτ。脉冲初始频率为f_initial，截止频率为f_final。距离向成像所需的 线性调频脉冲信号的带宽B=f_final-f_initial。光速为c，根据系统设计的距离向分辨 率为ρ_r，与带宽B满足ρ_r=c/2B。

请参阅图2，图2是本发明是合成孔径激光成像雷达距离向成像散斑效应抑制 具体实施方法示意图。由图可见，本发明合成孔径激光成像雷达距离向成像散斑效 应抑制方法，其步骤包括：

（1）保持线性调频脉冲信号频率啁啾率不变，在发射激光脉冲啁啾时间 T_chirp中，将外差探测采样时间T_sampling扩大至从而使得 距离向成像所需的线性调频脉冲信号的带宽B扩大为B'=NB。

（2）对成像所需的外差光电流信号进行数据处理时，将扩展带宽后得到的成 像数据分为相应的N各部分，分别对各部分进行距离向解线调频和方位向 聚焦成像，最终产生N个相对独立的图像。

（3）最后将N个相对独立的目标图像进行非相干叠加，输出最终图像，平均 了散斑效应对SAIL距离向成像的影响。

下面对本发明合成孔径激光成像雷达距离向成像散斑效应抑制方法进行分析： 合成孔径激光成像雷达到面目标中心的探测距离z0，光学接收面上的坐标系为 (x_r,y_r)，接收天线中心位置在(0,0)，目标点位置坐标(x_T,y_T)，目标面对水平面 的倾角为θ。目标面在垂直于光轴的主平面内坐标变换关系为x=x_T，y=y_Tsinθ， z=z₀+y_Tcosθ。所述合成孔径激光成像雷达的发射的激光初始波长为λ₀，飞机速 度为v。SAIL快时间表示为t_f，慢时间表示为T_s。由于啁啾激光器多为波长线性调 频，发射信号可表示为均匀散射的矩形分辨率单元d_x×d_y，等间距 采样为N×N个点，其中第(i,j)个采样单元的中心点坐标记为(x_T(i,j),y_T(i,j))。 假定每个基元散射面积是独立无关的，并且目标表面与波长相比是粗糙的，散射基 元的相位在区间(-π,π)上均匀分布。为了简化模拟，假定散射光波的振幅为 1，回波到达接收面的散斑场表示为：

可以看出接收面上散斑分布与波长λ(t_f)有关。波长随快时间变化导致激光双光 程变化，进而造成了散斑场在距离向上的移动。文献[6]理论上证明了散斑的距离向 波长特性，即经历一次快时间（相应的脉冲带宽B）散斑移动距离等于散斑平均尺 度。接收天线接收到的初始散斑场可能为能量较大（即亮散斑）的部分，也可能为 能量较小（即暗散斑）的部分。理论上散斑是明暗相间均匀分布的，但实际的散斑 大小和统计平均宽度有一定偏差。因此，接收天线内的散斑场在一个啁啾脉冲内移 动并不一定是从“亮散斑”变为“暗散斑”，也可能一直是“暗散斑”或者一直是“亮 散斑”。按波长啁啾范围的不同，将信号看做由N个子脉冲组成，分别表示为： T₁,T₂…T_N。第k个子脉冲的啁啾波长可表示为，λ_0,k是第k个子脉 冲的初始波长，也是第k-1个子脉冲的截止波长。因此第k个子脉冲的回波散斑场 可表示为：

SAIL理想成像数据收集方程为：

$\left(\begin{array}{c}{I}_{1D}(x_T,Y_T;t_f,n{T}_s)\\ =K\frac{L_x{L}_y}{\mathrm{J\lambda Z}}\frac{d_x{d}_y}{\mathrm{j\lambda z}}\exp \left(j2\pi \frac{{y_T}^2}{\mathrm{\lambda z}}\right)\sin c^2\left(\frac{(x_T-\mathrm{nv}{T}_s{L}_x)}{\mathrm{\lambda z}}\right){\sin c}^2\left(\frac{y_T{L}_y}{\mathrm{\lambda z}}\right)\\ \times \sin c\left(\frac{(x_T-\mathrm{nv}{T}_s-x_r)d_x}{\mathrm{\lambda z}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{t_f-T_f/2}{T_f}\right)\\ \times \exp \left(j2\pi \stackrel{·}{f}{t}_f\mathrm{\Delta \tau }\right)\exp \left[j2\pi \frac{{(x_T-\mathrm{nv}{T}_s)}^2}{\mathrm{\lambda z}}\right]\end{array}\right)$

二维方程：

$I_{2D}(x_T,y_T;t_f,t_s)=\underset{n}{\Sigma }{I}_{1D}(x_T,y_T;t_f{\mathrm{nT}}_s)$

其中L_x×L_y为收发天线矩形口径的尺寸，回波信号和本振信号的回波时间延迟 为Δτ，K为和SAIL系统相关的参数。由于散斑效应的存在，回波散斑场被天线积 分后引入随机振幅和相位。运动的天线可表示为：

$A(x_r,y_r;{\mathrm{nT}}_s)=\mathrm{rect}\left(\frac{x_r-\mathrm{vn}{T}_s}{L_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y_r}{L_y}\right)$

天线散斑积分场表示为散斑场和天线口径函数的积分，第k个子脉冲的天线散斑积 分场表示为：：

S_k(x_T,y_T;t_f,nT_s)=∫∫E_speckle,k(x_r,y_r:t_f,nT_s)*A(x_r,y_r;nT_s)dx_rdy_r

积分结果是一个和快时间、慢时间相关的二维复数场分布。因此，散斑效应影响的 第k个子脉冲成像光电流数据方程可写为

$\left(\begin{array}{c}{I}_{1D,k}^{\prime }(x_T,y_T;t_f,{\mathrm{nT}}_s)\\ =K\frac{L_x{L}_y}{\mathrm{j\lambda z}}\exp \left(j2\pi \frac{{y_T}^2}{\mathrm{\lambda z}}\right)\sin c\left(\frac{(x_T-\mathrm{nv}{T}_s)L_x}{\mathrm{\lambda z}}\right)\sin c\left(\frac{y_T{L}_y}{\mathrm{\lambda z}}\right)S_k(x_T,y_T;t_f,{\mathrm{nT}}_s)\\ \times \exp \left(j1\pi \stackrel{·}{f}{\tau }_f\mathrm{\Delta \tau }\right)\exp \left[\frac{{(x_T-\mathrm{nv}{T}_s)}^2}{\mathrm{\lambda z}}\right]\end{array}\right)$

二维方程为：$I_{2D}(x_T,y_T;t_f,t_s)=\underset{n}{\Sigma }{I}_{1D,k}^{\prime }(x_T,y_T;t_f{\mathrm{nT}}_s)$

距离向通过对快时间的傅里叶变换实现聚焦成像，方位向成像通过二次项匹配滤波 实现，匹配函数为因此第k个子脉冲的成像结果表示为：

$I_k(x_T,\mathrm{\Delta z})=K[S_{\mathrm{range}}\left(\xi \right)*\delta (\xi -\stackrel{·}{f}\frac{2\mathrm{\Delta z}}{c})][S_{\mathrm{azimuth}}\left(\mathrm{nv}{T}_s\right)*\delta ({\mathrm{nvT}}_s-x_T)]$

S_range(ξ)和S_azimuth(nvT_s)分别为成像得到的距离向和方位向的脉冲响应。成像点坐标 为$(\mathrm{\Delta z}=\frac{c}{2\stackrel{·}{f}}\xi ,x=\mathrm{nv}{T}_s).$

根据啁啾波长范围的不同，最终产生了N个相对独立的图像。输出的最终图像为N 个相对独立的目标图像进行非相干叠加。即：

$I(x_T,\mathrm{\Delta z})=\underset{k}{\Sigma }\left|I_k(x_T,\mathrm{\Delta z})\right|=K\underset{k}{\Sigma }|S_{\mathrm{azimuth}}\left(\mathrm{nv}{T}_s\right)*\delta (\mathrm{nv}{T}_s-x_T)||S_{\mathrm{range}}\left(\xi \right)*\delta (\xi -\stackrel{·}{f}\frac{2\mathrm{\Delta z}}{c})$

下面是一个具体实施例的设计：

一种机载合成孔径激光成像雷达，工作波长λ₀=1550nm，天线口径到目标分 辨率单元的斜距z₀=15km，设计成像分辨率距离向和方位向均为2.5cm，矩形天 线口径尺寸L_x=L_y=0.05m。初始脉冲宽度t_f=0.1ms，频率啁啾率 ，带宽B=8.49×10⁹Hz。波长范围为Δλ=0.068nm，初始波长 λ₀=1550.5149nm，截止波长为λ_t=1550.5829nm。将信号带宽扩展为2倍，波长范 围扩大为Δλ′=0.136nm，将信号分为两个子脉冲分别成像后再非相干叠加。子脉冲 的波长范围分别为：Δλ₁=1550.5149nm～1550.5829nm和 Δλ₂=1550.5839nm～1550.6519nm。对各分辨单元间隔5cm的字母E进行成像模拟， 图3（a）表示理想成像结果，图3（b）表示受波长范围为Δλ=0.068nm的散斑效应 影响结果，图3（c）表示采用本发明合成孔径激光成像雷达距离向成像散斑效应抑 制方法后的成像结果。模拟结果显示，理想成像的图像平均强度为5.5610×10⁸，图 像rms对比度1.2610×10⁹；受散斑效应影响的图像平均强度为2.6987×10⁸，图像 rms对比度5.8396×10⁸；经过抑制后的图像平均强度为2.8388×10⁸，图像rms对 比度6.2715×10⁸。本发明能够提高受散斑效应影响的图像平均强度和对比度，因此 本发明可以一定程度的抑制SAIL散斑效应对成像的影响。