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合成孔径激光雷达信号模型与成像算法分析.pdf

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Abstract4.5.main parameters;select the proper parameter to carry on simulation analysis to allkinds of goals,the result has verified the validity of the algorithm.Study the multi- impact on imaging under different positions and differentmodal of airborne SAL,derive the limiting conditions of the multi error,study the difference between the movement error influence to imaging of SAR andimaging of SAL,and prove the exactness through simulation.Study impact on imaging of radar caused by vibration error of the plat ofairborne SAL,derive that airbome vibration’swing is the superposition of obeyingnormal distributed nonsinusoidal harmonic wave,vmfy the impact on imagingcaused by airborne vibration through some target simulation final%and comparethe difference that the vibration error influence to the imaging of SAL and SAg.Keywordssynthetic aperture laser radar,SAL,heterodyne reception,RD algorithm,vibration error of the platIII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。关于论文使用授权的说明年 月 日本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名j耻导师签名塑‘日期 年 月 日第一章绪论1.1 研究背景与意义第一章绪论合成孔径雷达SARSynthctic Aperture Radar是一种全天候、全天时的高分辨侧视成像雷达。SAR利用雷达和目标之间的相对运动形成的等效大孔径来获得高的方位分辨率,从而获得高分辨率的雷达图像。由于SAR的全天候全天时工作能力以及它在不同频段、不同极化下的高分辨率成像能力,在国土测量、目标识别、资源勘探、军事侦察、地形测绘及火控系统等方面得到了广泛的应用【l儿z。。激光雷达是一种高灵敏度雷达,激光波长比微波和毫米波要短很多,具有很高的距离和方位分辨率、抗干扰能力强、隐蔽性好、多普勒频移大、体积小、重量轻、对多路径效应不敏感,能探测隐身飞机、舰艇等。但激光雷达波束窄,不适合大面积搜索;受大气和气象影响大;其空间分辨率随距离的增加而下降。选择激光作为合成孔径雷达的发射信号,一种新体制激光雷达合成孔径激光雷达SALSynthctic Aperture Laser Radar应运而生。合成孔径激光雷达成像原理与微波频段的合成孔径雷达的成像原理基本相同,由于激光具有极高的工作频率,因此可以有效地提高合成孔径激光雷达的分辨率、显著增大雷达的调制带宽以及提高传输功率密度;而且对于相对运动速度相同的目标可产生更大的多普勒频移,利于对运动速度范围更大的目标进行探测;另外,由于激光波长是非常短的光波波长,系统中的器件和零部件尺寸将比相应的电子器件尺寸小得多,因此系统的小型化和集成化更容易实现。合成孔径激光雷达可以对目标进行分类、能够检测微小目标以及探测大气边界分布和污染物的空间分布。正是因为合成孔径激光雷达具有上述各方面的优点,使其在高精度跟踪、高分辨率目标识别、微小目标探测等方面具有明显的优势【3】。合成孔径激光雷达具有微波频段合成孔径雷达无法相比的优势,但在工程应用中还存在很多问题,随着激光器技术、接收技术等关键技术的改进,合成孔径激光雷达将很快在工程上得到应用。电子科技大学硕士学位论文1 2 合成孔径激光雷达技术发展趋势从20世纪60年代就开始对光合成孔径进行了研究[4l“i。此阶段主要用氢氖激光作光源,用安装在钟摆上的镜子作为目标,用距离目标点相同距离的反射镜作为参考光,回波信息记录在感光板上,再通过激光光束恢复信息。臣实验得到了光合成孔径的一维图像。20世纪80年代后,美国对SAL开展了较多的研究。ThomasGKyle提出了一种对连续激光源进行编码的合成孔径成像方式[6]。编码脉冲系统通过发射几何孔径向目标场重复发送一个脉冲阵列,同时接收孔径接收由目标返回的回波信号,对所得到的回波信号进行快速Hadmnard变换并做一定的处理,来获得目标的图像。MIT林肯实验室于1994年首次报道r固体激光台成孔径雷选实验装置【7118]o系统以外差方式进行工作。实验所用辐射源为波长为】06ltm、功率为10mW的单模NdYAG激光器。对一个距离辐射源为2 5m的军事目标模型进行了成像实验。本征信号通过分束器进行分光。目标的运动可近似看成是线性的,这是一个逆合成孔径激光雷达成像。实验结果如图11所示¨J。酗1-1目标图像2000年前后,日本通讯研究实验室在短距范围内对一维红外合成孔径激光雷达成像进行成像试验”1。试验采用两个co,激光器,分别作为发射机和术征振荡器。实验采用收发分置方式,试验中发射机位置不变,而接收机作直线运动收集回波信号。相位调节装置最小步幅为400nm,平台的位置精度_lJlpm.接收孔径是直径为20cm的平面镜。试验中的接收孔径做匀速直线运动。 习垂一一第一章绪论2000年后,美国NASA研究实验室用波长为1 559m、输出功率为5mw的外腔单模可阔谐激光源实现丁对目标的二维成像]。实验中目标与雷达之间的距离为30cm,用电脑控制目标平台N509m创J步进平移,每移动一次位置发射器发射一个时宽为1秒的调谐信号,完成发射接收后,再移动到下一个位置,总用时6分钟。圈12是所得到的目标崩像,在距离向和方位向卜的分辨率分别达到了1709m和909m。图1-2处理后的图像2005q,美国航天局在实验宣条件下用脉冲光纤激光器作为发射光源,用光纤作为传输介质成功获得了合成孔径激光雷达的二维图像㈣㈣。激光器发山的激光分别用作目标光束照射目标场、本征光束作为相参光场以及脉冲同步光场同步起始波长。圈I.3实验系统示意圈电子科技太学硕士学位论文图14台成孔径图像2006年2月,存国防高级研究计划局的赞助下,美国诺思罗普一格鲁曼公司成功没计、制造和演示了全世界第 个合成孔径激光雷达系统“I。证明了合成孔径技术可运川于激光,与传统的微波SAR相比,sAL能在吏远的工作距离上实现高分辨率、近似照片质量的图像。从合成孔释激光需达的概念提,到实验室祭件下系列仿真试验,再到外场实验,台成孔径激光雷达技术得到了长足的发展。国内对SAL也进行丁一些概念的验证。中国科学院电子学研究院、中同电子科技集团公司第”十七研究所、四川大学光电利学技术系、旺南技术物理研究院都对SAL进行了初步理沦分析㈣㈣㈣。电子科技大学依托在微波频段合成孔径雷达技术以及激光披术上的优势,积极开展了对sAL的前期研究。在实验验证方面,电子科技大学应用物理研究院开展了利用干涉条纹场来实现合成孔径的技术㈣。我围对SAL的研究起步较晚,对SAL能3研究还处在初步理论研究阶段,关键技术与国外存在较大差距。因此,加快对合成孔径激光雷达的研究具有重要的军事崽义。1 3 本论文主要研究内容及论文结构木论文依托相关科研项目,针对SAL信号处理理论和系统技术开展了以下_I第一章绪论作1. 研究了大气湍流效应和衰减效应干扰下SAL外差接收回波模型,研究了距离向、方位向信号处理方法,并分析研究了SAL距离分辨率和方位分辨率。2. 研究了SAL成像中的RD算法,并选用了合适的参数对点目标、点阵目标及面目标成像进行了仿真。最后对大气湍流效应和衰减效应干扰下各类型目标进行了成像仿真,验证了大气湍流效应和衰减效应对SAL成像的影响。3. 研究了机载SAL不同方位下不同形式的速度误差对雷达成像的影响,并推导得出了不同形式误差的限制条件,并研究了速度误差对SAL成像和微波SAR成像影响的区别,最后通过仿真证明了研究的正确性。4. 研究了载机平台振动误差对SAL成像的影响,分析推导得出了载机平台振动为特征振幅服从正态分布的非谐波正弦波的叠加,并研究了载机平台振动误差对SAL成像和微波SAR成像影响的区别,通过仿真证明了研究的正确性。论文的结构安排第一章绪论。本章简要介绍了SAL研究的背景和意义,以及国内外研究发展动态。第二章合成孔径激光雷达技术原理。本章介绍了SAL系统原理框图,对系统的组成部分分别进行了分析,并总结了SAL实现的关键技术。第三章合成孔径激光雷达信号模型研究。本章分析了SAL外差接收原理并分析了大气湍流效应和衰减效应传输特性对sAL外差接收的影响;研究了SAL发射信号,从线性调波长连续信号出发提出了线性调波长间断连续信号模型,并在此基础上研究了大气湍流效应和衰减效应干扰下外差接收雷达回波信号模型。第四章合成孔径激光雷达成像算法研究。本章研究了SAL距离向压缩、方位向聚焦方法并研究了SAL距离多普勒Im算法;研究了SAL的距离分辨率及方位分辨率,并分析了算法仿真参数的要求及选取;最后通过选择合适的参数利用RD算法实现了单点目标、点阵目标及面目标的仿真,说明了RD算法的有效。最后对大气湍流效应和衰减效应干扰下各类型目标进行了成像仿真,验证了大气湍流效应和衰减效应对SAL成像的影响。第五章合成孔径激光雷达运动误差研究。本章分别在理想航线方向、俯仰方向和偏航方向引入了三种不同形式的速度误差模型,并针对不同形式的误差模气电子科技大学硕士学位论文型对成像的影响进行了研究。通过将运动误差转化为相位误差,进而推导出各种误差模型的限制条件,最后对点目标进行了仿真,并与微波SAR进行了比较。第六章合成孔径激光雷达载机平台振动误差研究。本章引入了本征振幅服从正态分布的非谐波正弦波的叠加形式的载机平台振动模型,并研究了载机平台振动误差对SAL成像的影响;最后通过选取合适的参数对单点目标进行了仿真,并与微波SAR进行了比较。 。第七章总结与展望。本章对本论文的工作进行了总结,并对SAL信号处理的下一步研究方向进行了计划和展望。6第二章合成孔径激光雷达技术原理第二章合成孔径激光雷达技术原理2.1 合成孔径激光雷达原理2.1.1 合成孑L径激光雷达原理激光雷达具有较高的灵敏度,能够进行高精度目标探测和跟踪,从而目标信息等可以轻易获得,可以实现一般雷达实现不了的任务,如探测隐身飞机等,激光雷达被广泛应用于卫星探测、军事目标侦察等方面【3】。同时,激光雷达缺点很明显,波束窄、不能进行大面积搜索目标等。利用合成孔径技术可以很好的解决这问题。合成孔径激光雷达SAL可以有效地提高合成孔径激光雷达的分辨率、显著增大雷达的调制带宽以及提高传输功率密度;而且对于相对运动速度相同的目标可产生更大的多普勒频移,利于对运动速度范围更大的目标进行探测;另外,由于激光波长是非常短的光波波长,系统中的器件和零部件尺寸将比相应的电子器件尺寸小得多,因此在激光频段更利于系统的小型化和集成化的实现【2。SAL的成像原理与微波SAR的成像原理基本相同,都是利用雷达与目标之间的相对运动产生的等效大孔径来获得高的方位分辨率。我们知道天线尺寸越长,可以获得更高的分辨率。事实上可以不建造一个实际的大孔径相控阵天线,代之以一个天线阵元,然后利用雷达平台的移动,使这个阵元依次通过原来的各个天线阵元位置来实现原来的完整阵列。在每个阵元的位置,雷达发射一个脉冲且接收快时间回波数据。在此阵元移动了整个大孔径天线的长度后,阵元在每个位置接收的数据在信号处理器中进行相关合成处理,等效为一个物理上的大孔径相控阵天线,其各个阵元在空间上对应于小阵元的各个横向录取数据的位置。这个单一阵元可以是传统的雷达天线【1】[2】【32】。传统的相控阵天线的各个阵元的信号在微波器件中进行直接合成,在此,等效地由信号处理器取代微波器件直接合成处理。若将回波信号进行同相叠加,则称为聚焦,若直接将信号叠加,则称为非聚焦。SAR高的距离分辨率是通过脉冲压缩得到的,而单个快时间采样数据的方位向分辨率不是很高,且随距离增加而降低。通过合成处理,雷达在距离向和方位向均具有高的分辨率。其示意图如图2.1所示7电子科技大学硕士学位论文图2-1合成孔径成像不恿图D为合成孔径雷达真实孔径,合成孔径长度厶为厶丢·尺 2-1其中,名为发射波长,月为雷达与目标间的斜距。设载机的运动速度为1,,则合成孔径长度与合成孔径时间有以下关系丘V·乃 2-2在一个合成孔径时间内,只有一个目标点总是在雷达波束照射范围内,也就是只有一个目标点总是有回波信号,所以,雷达只有飞过两个合成孔径时间,才能完整地照射一个合成孔径的区域。由于AR的发射和接收是共用一副天线,雷达信号的行程差是双程差,从而进一步锐化了波束。合成孔径的半功率波束宽度为a0.5 mm鼍 亿3,对于聚焦式AR,要对同一目标的回波信号进行同向相加,需要对回波信号进行相位补偿处理,才能实现信号的有效积累。这时,取t丢·R则可以得到雷达的方位向分辨率为成吼.s‘R丢丢。尺罢 c2-4,由上式可得,聚焦式AR的方位分辨率与距离无关,只与天线尺寸有关。这一特性表明,AR对照射区内不同位置上的目标能做到等分辨率成像,并且从理8
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