论文部分内容阅读
合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar,SAL)是采用相干探测和光学合成孔径技术的主动成像激光雷达，具有不依赖外界光源、成像速度快、分辨率与距离无关、图像容易解译等特点，有望发展成为获取远距离目标高分辨率图像信息的重要观测手段，近年来得到了快速的发展。 SAL有条带模式、聚束模式、扫描模式、滑动聚束模式等多种成像模式。本文主要对条带模式SAL2D/3D成像技术开展了理论研究和成像演示实验探索，主要内容包括SAL2D成像、干涉合成孔径激光雷达(Interferometric Synthetic Aperture Ladar,IFSAL)3D成像和差分合成孔径激光雷达(Differential Synthetic Aperture Ladar,DSAL)2D成像。 第二章开展了条带模式SAL成像技术研究。基于准单色光衍射理论建立了条带模式SAL2D成像理论模型，给出了成像数据方程和图像形成方法。利用理论模型分析了SAL系统参数对高分辨率成像的影响，并Matlab仿真了不同目标的SAL成像。利用1550nm光纤激光，建立了条带模式SAL成像演示实验装置，实现了高分辨率SAL成像。整个成像过程与理论分析完全相符，清晰呈现了距离多普勒算法(Range Doppler Algorithm，RDA)典型的两次聚焦过程。在2.4m的目标距离上，获取SAL高分辨率图像仅需用RDA算法，无需进行相位梯度自聚焦(Phase Gradient Autofocus，PGA)处理。实验测量其分辨率约为300μm×170μm（方位向×距离向），非常接近于理论计算值250μm×170μm（方位向×距离向）。在12.9m的目标距离上，实现了合作目标与非合作目标的SAL成像。当合成孔径长度为40mm时，经PGA处理后，SAL图像的分辨率和清晰度，与2.4m目标距离上SAL成像一致，其方位向分辨率超过了真实接收口径衍射极限的130倍。 第三章开展了条带模式IFSAL3D成像技术研究。建立了条带模式IFSAL成像理论模型，研究了IFSAL成像处理算法包括图像配准、去“平地效应”和二维相位解缠绕算法。利用理论模型分析了系统参数对IFSAL成像的影响，并对实验目标的IFSAL成像进行了Matlab仿真。建立了基线长度为1.6mm的条带模式IFSAL实验室演示装置，实现了高分辨率IFSAL3D成像。对距离2.4m的合作目标（屋脊状反光材料目标，高程起伏约2.5mm)和漫反射非合作目标(打磨图钉目标，高程起伏约2mm)进行了IFSAL3D成像实验，获得了与理论预期完全相符的高分辨率IFSAL3D图像。 第四章开展了条带模式DSAL2D成像技术研究。基于DSAL的基本概念，建立了三孔径结构的条带模式DSAL成像理论模型，给出了两种相位史数据(Phase History Data，PHD)重建的DSAL成像算法。利用理论模型分析了系统参数对DSAL成像的影响，并进行了详细的Matlab仿真，给出了不同目标的仿真成像，仿真中在不同方位采样位置的L0参数中加入了[-2.5μm，2.5μm]范围的随机误差。仿真结果表明，所加入的随机误差会明显影响SAL系统成像，但DSAL结构可以消除两个通道中公共的方位向随机相位误差。建立了三孔径结构的条带模式DSAL实验室演示装置，利用该装置，分别对距离2.4m处的点目标，距离2.4m、3.9m和12.9m处的反光材料目标，以及距离3.9m处的漫反射目标进行了DSAL成像实验，并分别用两种DSAL重构方法对PHD进行了重构，给出了大量的DSAL成像实验结果。建立了随机活塞运动误差影响DSAL成像的实验装置，在LOS方向施加了[-2.5μm，2.5μm]范围的随机活塞运动误差，并分别对距离2.4m、3.9m和12.9m处的反光材料目标，以及距离3.9m处的漫反射目标，进行了DSAL成像实验，分别用两种方法对数据进行了重构，均实现了DSAL成像。建立了研究回波信号对DSAL成像影响的实验装置，开展了不同回波条件下的DSAL成像实验。通过调节发射激光功率，模拟不同目标回波条件，在发射功率约为1μW，100nW和20nW情况下进行了DSAL实验，并均得到了稳定的DSAL图像。初步结果表明，当进入探测器的光功率在10-15W量级时，DSAL系统仍能实现成像。 条带模式是SAL最基本成像模式，其机械结构简单，引入额外相位误差的因素少，也是SAL成像技术的基础研究常用的成像模式。上述条带模式SAL2D/3D成像理论模型的建立和成功的高分辨率成像实验演示，为进一步开展SAL成像技术研究奠定了理论与实验技术基础。