CN110632615A

CN110632615A - 基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法

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Publication number: CN110632615A
Application number: CN201911051582.5A
Authority: CN
Inventors: 李道京; 朱宇; 胡烜; 周凯; 于海锋; 田鹤; 张润宁; 刘磊
Original assignee: Institute of Electronics of CAS; Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Current assignee: Institute of Electronics of CAS; Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date: 2019-10-30
Filing date: 2019-10-30
Publication date: 2019-12-31
Anticipated expiration: 2039-10-30
Also published as: CN110632615B

Abstract

本公开提供了一种基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法，包括：以随机序列或伪随机序列作为稀疏采样准则形成稀疏孔径，在SAL的交轨向形成稀疏孔径采样阵列并进行稀疏采样；以连续分布孔径的回波数据对应的直接SAL三维成像结果作为参考复图像，对所有稀疏孔径的回波数据对应的直接SAL三维成像结果进行干涉处理得到三维图像；将三维图像变换至三维频域，在空间连续分布目标三维频谱集中在低频段具有稀疏性的基础上，在交轨向频域实施低通滤波或主成分分析后，对三维频谱反变换，形成稀疏采样滤波或重构处理后的三维图像。本公开中SAL三维成像用的交轨稀疏孔径，采用轻量化膜基衍射光学系统形成，利于提高交轨向分辨率、简化硬件系统。

Description

基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法

技术领域

本公开涉及激光雷达成像处理领域，尤其涉及一种基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法。

背景技术

合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar，SAL)是合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)在激光波段的一种应用形式，也可称为激光SAR，通过发射宽带激光信号获取纵向高分辨率，通过方位运动形成的合成孔径(虚拟孔径)获取方位向高分辨率，由此形成方位向-距离向二维图像。

由于合成孔径激光雷达的波长较短，雷达和目标间方位向运动形成非常小的角度(约千分之四度，0.07mrad)就可以使合成孔径激光雷达获得0.1m的方位向分辨率图像，这使得合成孔径激光雷达在原理上可以高数据率对远距离目标进行高分辨率成像观测。激光信号相干性提高，已使合成孔径激光雷达的技术实现成为可能，其应用方向包括机载/星载合成孔径激光雷达对地成像以及地基合成孔径激光雷达对空间目标成像。在合成孔径激光雷达除方位向和距离向以外的第三维如交轨向增设孔径并形成阵列，可提高合成孔径激光雷达的交轨分辨率并实现方位向-距离向-交轨向三维成像，对地形测绘和目标识别更具有应用价值。交轨向增设孔径并形成阵列，也可作为是一种基于光学合成孔径的实孔径成像方式。

交轨向增设稀疏孔径并由若干个小孔径形成大的稀疏阵列，不仅可降低大孔径望远镜的制造难度，也可在有限孔径数量条件下，增大阵列尺寸并提高交轨分辨率。在此基础上，合成孔径激光雷达三维成像问题转化为基于交轨稀疏采样的三维图像重构问题。根据压缩感知理论，如果图像在变换域是稀疏的，那么在稀疏采样条件下，也应能够重建图像。

近年来膜基衍射光学系统得到了快速发展，衍射器件(如二元光学器件和膜基透镜)相当于微波天线的固定移相器，微波相控阵天线成熟的理论和方法应可用于其性能分析。合成孔径激光雷达和激光通信都具有单色且波长较长的特点，适合采用非成像衍射光学系统，通过衍射器件实现信号波前控制，减小焦距，利于系统的轻量化。基于膜基衍射光学系统，研究合成孔径激光雷达和激光通信技术具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法，包括：

步骤A，以随机序列或伪随机序列作为稀疏采样准则，利用稀疏孔径在合成孔径激光雷达的交轨向形成稀疏孔径采样阵列并进行稀疏采样；

步骤B，以连续分布孔径的回波数据对应的直接合成孔径激光雷达三维成像结果作为参考复图像，对所有稀疏孔径的回波数据对应的直接合成孔径激光雷达三维成像结果进行干涉处理得到三维图像；

步骤C，将步骤B中干涉处理后得到的三维图像变换至三维频域，在空间连续分布目标三维频谱集中在低频段具有稀疏性的基础上，在交轨向频域实施低通滤波或主成分分析后，对三维频谱反变换，形成稀疏采样滤波或重构处理后的三维图像。

在本公开的一些实施例中，所述步骤A中所述交轨稀疏孔径采样阵列采用膜基衍射光学系统形成。

在本公开的一些实施例中，所述步骤B中三维成像的工作模式包括下视和侧视。

在本公开的一些实施例中，交轨向形成的稀疏孔径，可用于交轨向多基线干涉地物高程测量，以及远距离目标多基线干涉测角定位。

在本公开的一些实施例中，交轨向形成的稀疏孔径用于机载/星载合成孔径激光雷达三维成像系统，或用于平流层艇载激光通信和干涉定位系统。

在本公开的一些实施例中，所述步骤A中稀疏采样的稀疏率大于50％。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)稀疏孔径对应的交轨稀疏阵列，在稀疏采样率大于50％时，能够获得理想的三维成像效果，可提高交轨分辨率，简化合成孔径激光雷达三维成像硬件系统，在工程实现中具有重要价值。

(2)采用由若干个小孔径组成的大的稀疏阵列，在降低大孔径望远镜的制造难度的同时，在有限小孔径数量条件下，通过小孔径的稀疏布设增大交轨阵列尺寸并提高合成孔径激光雷达三维成像中的交轨分辨率。

(3)稀疏孔径采样阵列采用膜基衍射光学系统形成，具有轻量化和焦距短的特点，易于形成大孔径阵列和多基线光学系统，利于工程实现。

附图说明

图1为本公开实施例基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法的示意图。

图2为本公开实施例基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法中交轨稀疏孔径布局示意图。

图3为本公开实施例基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法中基于膜基衍射光学系统的星载合成孔径激光雷达系统概念示意图。

具体实施方式

本公开提供了一种基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法，包括：步骤A，以随机序列或伪随机序列作为稀疏采样准则，利用稀疏孔径在合成孔径激光雷达的交轨向形成稀疏孔径采样阵列并进行稀疏采样；步骤B，以连续分布孔径的回波数据对应的直接合成孔径激光雷达三维成像结果作为参考复图像，对所有稀疏孔径的回波数据对应的直接合成孔径激光雷达三维成像结果进行干涉处理得到三维图像；步骤C，将步骤B中干涉处理后得到的三维图像变换至三维频域，在空间连续分布目标三维频谱集中在低频段具有稀疏性的基础上，在交轨向频域实施低通滤波或主成分分析后，对三维频谱反变换，形成稀疏采样滤波或重构处理后的三维图像。本公开对提高交轨向分辨率、简化机载/星载合成孔径激光雷达三维成像硬件系统、利于工程实现等方面具有重要价值。

为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。

本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法。图1为本公开实施例基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法的示意图。如图1所示，本公开基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法可应用于机载和/或星载合成孔径激光雷达三维成像系统，包括：

步骤A，以随机序列或伪随机序列(如巴克码)作为稀疏采样准则，利用稀疏孔径在合成孔径激光雷达除方位向和距离向以外的第三维如交轨向形成稀疏采样阵列，并进行稀疏采样。

其中，合成孔径激光雷达三维成像用的交轨稀疏孔径，采用轻量化膜基衍射光学系统(膜基透镜)形成，具有轻量化和焦距短的特点，利于工程实现。稀疏采样的稀疏率大于50％并增大交轨阵列尺寸，无论对增大合成孔径激光雷作用距离还是提高交轨分辨率，都应是一个合理的选择。在交轨向形成的大尺寸稀疏阵列，也有利于提高合成孔径激光雷达系统多基线干涉地物高程测量精度、以及远距离目标多基线干涉测角定位精度。

步骤B，以连续分布孔径的回波数据对应的直接合成孔径激光雷达三维成像结果作为参考复图像，对所有稀疏孔径的回波数据对应的直接合成孔径激光雷达三维成像结果进行干涉处理得到三维图像。合成孔径激光雷达三维成像的工作模式包括下视和侧视，根据需要进行选择。

图2为本公开实施例基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法中交轨稀疏孔径布局示意图。如图2所示，在交轨向设置了基于7位巴克码稀疏布局的4个接收孔径，可用基于衍射光学系统的星载/机载合成孔径激光雷达，顺轨实现基于运动的合成孔径成像，其顺轨分辨率远优于小孔径成像分辨率；交轨实现阵列成像(即光学合成孔径成像)，在原理上经稀疏采样图像重构，其交轨分辨率可比小孔径成像分辨率高6倍。本公开可避免制造大孔径膜基透镜的难度，同时降低星载时对折叠展开机构要求。

本公开提出了一种基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法，图3为本公开实施例基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法中基于膜基衍射光学系统的星载合成孔径激光雷达系统概念示意图。如图3所示，采用轻量化膜基衍射光学系统(膜基透镜)，可形成大孔径接收光学系统，将大幅提高合成孔径激光雷达的作用距离。

为进一步说明采用大孔径膜基衍射光学系统(膜基透镜)的有益效果，给出一个艇载1m衍射孔径激光通信和干涉定位系统性能分析如下：

目前，基于异地分布的甚长基线微波通信VLBI系统已在深空探测中得到广泛应用，根据其工作原理，将微波换成激光也应具有可行性。由于激光波长比微波至少短4个数量级，有可能形成短基线激光通信干涉系统，并减少异地设站带来的同步问题。为回避大气影响，该系统可装载在临近空间平流层飞艇上，为减少重量，激光望远镜可选用膜基衍射光学系统。激光通信无需成像的特点，使其衍射光学系统应较为简单。

平流层飞艇巨大的体积和空间，为孔径1m基线长度约10m的轻量干涉膜基衍射光学系统的安装提供了条件。

假定目前S波段VLBI系统参数：波长10cm，基线长度1000km，天线孔径100m。激光波长1um，基线长度10m，望远镜孔径1m。两者波长和基线都相差10E5倍，原理上可获得同样的干涉测角精度。

目前微波通信VLBI的测角精度在百分之几角秒量级，约在0.1urad(百分之2角秒)，10m基线激光的干涉测角精度也在0.1urad量级。

激光1m孔径望远镜的增益要比S波段100m孔径天线高60dB(10E6倍)，假定通信系统其它参数不变，采用激光通信，作用距离将扩大约1000倍。与之相对应，若探月工程微波通信VLBI系统的作用距离为40万公里，激光通信短基线干涉系统作用距离将达到4亿公里，对应的定位精度在40km量级，再辅以时间基准有可能满足深空探测器通信和定位需求。

火星距离地球距离在5500万公里到4亿公里之间，利用该系统可实现火星探测器远距离激光通信，同时对探测器实现高精度测角定位。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供一种基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法提供的合成孔径激光雷达三维成像采用的交轨稀疏阵列，在降低大孔径望远镜的制造难度的同时，在有限小孔径数量条件下，通过小孔径的稀疏布设增大交轨阵列尺寸并提高合成孔径激光雷达三维成像中的交轨分辨率，此外采用膜基衍射光学系统(膜基透镜)形成，具有轻量化和焦距短的特点，对激光高分辨率成像技术发展具有重要意义。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

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

Claims

1.一种基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法，包括：

2.根据权利要求1所述的基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法，其中，所述步骤A中所述交轨稀疏孔径采样阵列采用膜基衍射光学系统形成。

3.根据权利要求1所述的基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法，其中，所述步骤B中三维成像的工作模式包括下视和侧视。

4.根据权利要求1所述的基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法，其中，交轨向形成的稀疏孔径，可用于交轨向多基线干涉地物高程测量，以及远距离目标多基线干涉测角定位。

5.根据权利要求1所述的基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法，交轨向形成的稀疏孔径用于机载/星载合成孔径激光雷达三维成像系统，或用于平流层艇载激光通信和干涉定位系统。

6.根据权利要求1所述的基于稀疏孔径的合成孔径激光雷达三维成像方法，其中，所述步骤A中稀疏采样的稀疏率大于50％。