CN103728621B - 一种采用顺轨干涉处理抑制平台振动的机载sal成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种采用顺轨干涉处理抑制平台振动的机载SAL成像方法，其包括：回波信号预处理，划分慢时间子孔径并进行子孔径成像；对子孔径图像进行干涉处理，提取干涉相位，估计平台振动的瞬时速度；计算由振动产生的相位误差，进行相位误差粗补偿；对相位补偿后的数据进行PGA处理，得到最终成像结果。基于顺轨多探测器观测结构，所述的机载SAL振动抑制及成像方法可有效抑制平台振动带来的影响，实现机载SAL方位向高分辨率成像。

Description

一种采用顺轨干涉处理抑制平台振动的机载SAL成像方法

技术领域

本发明属于合成孔径激光雷达(SyntheticApertureLadar，SAL)成像领域，具体涉及振动条件下的机载SAL成像处理，特别是一种采用顺轨干涉处理抑制平台振动的成像方法。

背景技术

SAL是微波合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar，SAR)技术在光学波段的类推，为激光雷达实现远距离高分率成像提供了可能，具有良好的军用和民用潜力。

机载SAL工作在光学波段，由于光学波长比微波小3、4个数量级，理论上机载SAL可以用比SAR更短的合成孔径时间实现同样高的图像分辨率。但与之相对应，平台的微小振动都会引起信号相位的显著变化，这给机载SAL成像处理带来许多困难。

为抑制振动给成像带来的影响，国内外相关单位开展了广泛的研究工作。中国科学院上海技术物理研究所对平台振动产生的影响进行了分析(参见洪光烈，郭亮.线振动对合成孔径激光雷达成像的影响分析[J].光学学报，2012，32(4)：0428001-1-0428001-7.)，并采用模拟探测的方法对平台振动进行估计，补偿振动产生的相位误差(参见徐显文，洪光烈，凌元，等.合成孔径激光雷达振动相位误差的模拟探测[J].光学学报，2011，31(5)：0512001-1-0512001-7)，但其主要以桌面系统试验为基础，试验使用的振动计难以在机载SAL中应用。中国科学院上海光学精密机械研究所利用激光的极化特性，采用自相关探测的方法对振动进行抑制(参见LirenLiu.CoherentandIncoherentSynthetic-apertureImagingLadarsandLaboratory-spaceExperimentalDemonstrations[J].AppliedOptics，2013，52(4)：579-599.)，但其系统工作模式为正下视，与机载SAL通常使用的侧视工作模式有显著差别。国外的相关研究工作主要集中在采用减震器与相位梯度自聚焦(PhaseGradientAutofocus，PGA)相结合的方法抑制振动对成像的影响。采用该方法，美国洛克希德马丁公司于2011年进行机载SAL飞行试验，对距离1.6km的地面目标实现了分辨率优于3.3cm的成像(参见KrauseBW，BuckJ，RyanC，etal..Syntheticapertureladarflightdemonstration[C].OSA／CLEO／IQEC，2011)。但该方法在信号处理过程中主要依赖PGA处理对振动进行抑制，在目标场景缺少孤立强点或是残余振动引起的相位误差较大的情况下，难以达到良好的成像效果。

与此同时，随着各种光纤器件的成熟，光纤在激光雷达中的应用越来越多，特别是利用光纤阵列解决激光雷达探测中遇到的问题。2012年，美国一所大学使用光纤阵列进行了桌面SAL系统的单过航交轨干涉测高试验，成功获得了硬币的高程图(参见StephenCapdeponCrouch，SYNTHETICAPERTURELADARTECHNIQUES[D]，Thesis，MotanaStateUniversity，2012.)，实验结果表明了基于光纤阵列的多探测器干涉处理具有可行性，相关概念可用于多探测器机载SAL交轨和顺轨干涉处理中，这为机载SAL系统抑制平台振动提供了新思路。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题主要为：解决在受振动影响的条件下机载SAL获得方位向高分辨率图像的问题，这里的振动影响是指激光器使用减震平台后，残余平台振动对机载SAL成像产生的影响。在目标场景缺少孤立强点或残余平台振动引起的相位误差较大的情况下，仅依赖PGA处理不能有效抑制平台振动影响获得良好的成像效果，为此，本发明的目的是提出一种采用顺轨干涉处理抑制平台振动的机载SAL成像方法。

(二)技术方案

为达成上述目的，本发明提供了一种采用顺轨干涉处理抑制平台振动的机载SAL成像方法，其包括步骤如下：

步骤S1：对顺轨干涉机载合成孔径激光雷达(SyntheticApertureLadar，SAL)各个探测器对应的接收通道回波信号进行预处理，获得等效的在不同时刻对同一场景进行观测的回波信号，然后在慢时间域划分子孔径，并对子孔径进行成像处理，获得不同通道信号的子孔径成像结果；

步骤S2：对不同通道信号的子孔径成像结果进行干涉处理，提取干涉相位，采用顺轨干涉测速技术估计平台振动在各个子孔径时间内的瞬时速度；

步骤S3：由估计平台振动的瞬时速度，推导计算平台振动产生的斜距，进而得到振动引起的相位误差，对回波信号进行相位误差粗补偿；

步骤S4：对相位误差粗补偿后的回波信号进行相位梯度自聚焦(PhaseGradientAutofocus，PGA)处理，进一步抑制振动影响，并进行成像处理，得到抑制平台振动的机载SAL成像结果。

(三)有益效果

本发明提出了一种采用顺轨干涉处理抑制平台振动的机载SAL成像方法，基于顺轨多探测器观测结构，并结合机载减震平台，该方法可有效抑制平台振动给成像带来的影响，实现机载SAL方位向高分辨率成像。使用顺轨多探测器干涉处理，本发明提出的方法实现了振动相位误差粗补偿，减少了PGA处理需场景具有孤立强点的约束，可使机载SAL在低信杂比场景和大相位误差的条件下获取方位向高分辨率图像。

附图说明

图1为本发明采用的一发两收工作模式下顺轨双探测器干涉处理示意图；

图2为本发明采用顺轨干涉处理抑制平台振动的机载SAL成像方法的流程图；

图3(a)～图3(c)为使用本发明方法处理过程中的相位误差估计情况示意图；

图4(a)～图4(c)为使用本发明方法得到的最终成像结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提供了一种采用顺轨干涉处理抑制平台振动的机载SAL成像方法，其主要包括：回波信号预处理，划分慢时间子孔径并进行子孔径成像；对子孔径图像进行干涉处理，提取干涉相位，估计平台振动的瞬时速度；计算由振动产生的相位误差，进行相位误差粗补偿；对相位补偿后的数据进行PGA处理，得到最终成像结果。基于顺轨多探测器观测结构，所述的机载SAL振动抑制及成像方法可有效抑制平台振动带来的影响，实现机载SAL方位向高分辨率成像。该方法对振动引起的相位误差进行粗补偿，减少了PGA处理需场景具有孤立强点的约束，结合机载减震平台可有效抑制平台振动带来的影响，实现机载SAL方位向高分辨率成像。

如图1所示一发两收工作模式下双探测器顺轨干涉处理示意图，其中示出，R₁和R₂为接收单元，T为发射单元。对于机载SAL系统，发射单元T与接收单元R₁和R₂可使用光纤阵列实现。C₁与C₂为等效的相位中心，d为基线长度，R表示波束中心时刻目标点的斜距，和V_r分别表示载机速度和振动径向速度。在慢时间t_k和t_k+Δt时，等效相位中心C₂与C₁分别在同一位置对同场景进行观测。Δt时间内振动产生的斜距改变会引起回波相位变化，由此对振动的瞬时速度进行估计。

图2示出了本发明所述的采用顺轨干涉处理抑制平台振动的机载SAL成像方法的流程图，该方法具体包括如下六个步骤。

步骤1：对顺轨干涉机载合成孔径激光雷达各个探测器对应的接收通道回波信号进行预处理，采用频域相位补偿使得回波信号在时域延时，获得等效的在不同时刻对同一场景进行观测的回波信号。

步骤2：对不同接收通道信号，在慢时间域划分子孔径，并对子孔径进行成像处理，获得不同通道信号的子孔径成像结果；子孔径长度的选取应满足：

$T_{\min }\≤T_{\mathrm{sub}}\≤\frac{1}{2f_{V\max }}$

其中T_sub为子孔径时间长度，T_min为保证子孔径成像质量的最小子孔径长度，f_Vmax为振动能够达到的最大频率。然后对子孔径进行成像处理，成像处理方法可选取传统的SAR成像算法包括距离-多普勒算法、频率变标算法、波数域算法和频谱分析算法。为提高成像效率，优选频谱分析算法对子孔径进行成像。

步骤3：对不同通道信号的子孔径成像结果进行干涉处理，提取干涉相位。在由视察引起的图像几何失配严重时，应对子孔径图像进行配准处理，用于获得准确的干涉相位，图像配准采用自相关准则。在图像质量较差时，还应设定相干系数门限对得到的图像进行加窗，只对相干系数高的图像区域进行干涉相位统计。采用顺轨干涉测速技术估计平台振动在各个子孔径时间内的瞬时速度：

其中V_r为振动瞬时速度，λ为激光波长，为提取的干涉相位，V为载机速度，d为基线长度。为解决相位以2π为周期导致的最大测量速度受限问题，在系统设计中设置多个基线，对干涉相位进行解缠绕处理。

步骤4：由估计的振动瞬时速度，推导计算平台振动产生的斜距，进而得到振动引起的相位误差，对回波信号进行相位误差粗补偿。斜距与相位误差的推算表达式如下：

$\mathrm{\Δ}{R}_n\left(t_k\right)=V_{\mathrm{rn}}{t}_k+\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{ri}}{T}_{\mathrm{sub}}$

其中ΔR_n(t_k)为第n个子孔径振动产生的斜距，V_rn表示第n个子孔径估计的振动速度，V_ri与V_rn含义相同，只是在求和式中，下标以i表示；T_sub为子孔径时间长度，为估计的相位误差，ΔR(t_k)是对各个子孔径斜距拼接后的结果。

步骤5：对相位误差粗补偿后的回波信号进行相位梯度自聚焦(PhaseGradientAutofocus，PGA)处理，进一步抑制振动影响。可对单个全孔径数据进行PGA处理，采用的PGA算法包括使用线性无偏最小方差(LUMV)和最大似然(ML)估计的传统PGA算法，改进的PGA算法如非迭代的优质PGA(QPGA)算法和采用加权最小二乘(WLS)估计的PGA算法；也可采用条带PGA(SPGA)算法对对整个方位向数据进行处理。

步骤6：对PGA处理后的数据进行成像处理，得到最终抑制平台振动的机载SAL成像结果。成像处理可直接对全孔径数据进行，也可在保证分辨率的前提下在多普勒域划分频域子孔径进行成像，得到多视处理结果，达到抑制相干斑噪声的目的。成像处理可采用步骤2中所述的成像方法。

下面结合仿真实例对本发明所述方法的实施效果进行展示，仿真参数如表1所示。

表1示例参数

图3(a)～图3(c)示出了使用本发明所述方法处理过程中相位误差估计情况。振动引起的相位误差与本发明所述方法中由顺轨干涉相位估计得到的相位误差如图3(a)所示，相位误差粗补偿后的残余相位误差如图3(b)所示。PGA处理后，残余相位误差如图3(c)所示。

图4(a)～图4(c)示出了使用本发明所述方法得到的最终成像结果情况。图4(a)示出了插值后的全孔径成像结果，图4(b)示出了全孔径成像结果中心点处的方位向切片，图4(c)为频域26视后的非相干叠加图像。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种采用顺轨干涉处理抑制平台振动的机载SAL成像方法，其包括步骤如下：

步骤S1：对顺轨干涉机载合成孔径激光雷达各个探测器对应的接收通道回波信号进行预处理，获得等效的在不同时刻对同一场景进行观测的回波信号，然后在慢时间域划分子孔径，并对子孔径进行成像处理，获得不同通道信号的子孔径成像结果；

步骤S2：对不同通道信号的子孔径成像结果进行干涉处理，提取干涉相位，采用顺轨干涉测速技术估计平台振动在各个子孔径时间内的瞬时速度；

步骤S3：由估计平台振动的瞬时速度，推导计算平台振动产生的斜距，进而得到振动引起的相位误差，对回波信号进行相位误差粗补偿；

步骤S4：对相位误差粗补偿后的回波信号进行相位梯度自聚焦处理，进一步抑制振动影响，并进行成像处理，得到抑制平台振动的机载SAL成像结果；

步骤S1所述的预处理是采用频域相位补偿使得回波信号在时域延时，获得不同时刻对同一场景观测的回波信号。

2.如权利要求1所述抑制平台振动的机载SAL成像方法，其特征在于，步骤S1和步骤S4中使用的成像处理包含距离-多普勒算法、频率变标算法、波数域算法和频谱分析算法；为提高成像效率，步骤S1中选用频谱分析算法对子孔径进行成像。

3.如权利要求1所述抑制平台振动的机载SAL成像方法，其特征在于，步骤S1中所述子孔径的长度选取需满足：

$T_{min}\≤T_{sub}\≤\frac{1}{2f_{Vmax}}$

其中T_sub为子孔径时间长度，T_min为保证子孔径成像质量的最小子孔径长度，T_Vmax为振动能够达到的最大频率。

4.如权利要求1所述抑制平台振动的机载SAL成像方法，其特征在于，步骤S2中所述提取干涉相位，在由视察引起的图像几何失配严重时，应对子孔径图像进行配准处理，用于获得准确的干涉相位；在图像质量较差时，还应设定相干系数门限对得到的图像进行加窗，只对相干系数高的图像区域进行干涉相位统计。

5.如权利要求1所述抑制平台振动的机载SAL成像方法，其特征在于，步骤S2中所述提取干涉相位，为解决相位以2π为周期导致的最大测量速度受限问题，在系统设计中采用多基线设计，对干涉相位进行解缠处理。

6.如权利要求1所述抑制平台振动的机载SAL成像方法，其特征在于，对单个全孔径数据进行相位梯度自聚焦(PGA)处理，采用的相位梯度自聚焦算法包括使用线性无偏最小方差(LUMV)和最大似然(ML)估计的传统相位梯度自聚焦算法、改进的相位梯度自聚焦算法包括非迭代的优质相位梯度自聚焦(QPGA)算法和采用加权最小二乘(WLS)估计的相位梯度自聚焦算法、也可采用条带相位梯度自聚焦(SPGA)算法对整个方位向数据进行处理。

7.如权利要求1所述抑制平台振动的机载SAL成像方法，其特征在于，步骤S4中所述成像处理能直接对全孔径数据进行成像处理，也可在保证分辨率的前提下在多普勒域划分频域子孔径进行成像，得到多视处理结果，用以抑制相干斑噪声。