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《中国海洋大学》 2010年
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大气湍流背景下合成孔径激光雷达成像算法研究

华志励  
【摘要】:合成孔径激光雷达(SAL)是一种主动式有源成像传感器,由于其工作频率远高于微波,因此与传统的微波合成孔径雷达(SAR)相比,对于相对运动速度相同的目标可以产生更大的多普勒频移,不仅克服了普通激光雷达波束窄、搜索目标困难等缺点,而且能提供比SAR更高的方位分辨率及更短的成像时间,并具有对特定区域目标精确成像的能力。但是,在成像质量提高的同时,由于工作频率很高,SAL在成像的过程中对于大气环境中的湍流效应以及被探测目标的不规则运动非常的敏感。对此,本论文针对SAL成像过程中所涉及到的传输介质、回波信号成像处理算法以及相位误差的补偿等几个问题展开了研究,主要内容概括如下: 1.提出了结构函数法生成大气湍流相位屏,并以之为基础构建大气湍流数值模型,分析传输介质中大气湍流对SAL探测信号的影响。 影响SAL成像质量的原因有多个,其中非常重要的一个就是大气湍流引起的折射率起伏。针对合成孔径激光雷达信号传输过程中存在的大气湍流退化效应,本文从大气湍流的统计学特性出发,提出了一种根据不同采样点之间相位起伏的差值构建相位屏的方法——结构函数法,并以此为基础通过数值模拟的方法,建立了满足一定统计规律的大气湍流数值模型,分析了大气湍流对传输过程中光束强度特别是相位的影响机制。从实验结果可以看出,结构函数法生成的大气湍流相位屏的统计特性与理论值更为接近,一定程度上克服了现有的功率谱反演法存在的低频不足以及多项式展开法高频不足的缺陷,同时在计算效率上也有所提高。 2.改进现有的线频调变标(CS)成像算法,使其适用于以连续波为信号源的合成孔径激光雷达。 CS算法通过线频调技术消除了不同分辨单元之间距离徙动的空变特性,在运算量相对较小的情况下实现对距离徙动的完全校正,此特点使得该算法成为高分辨率成像算法的最优选择。同时,考虑到该算法能够适用于聚束模式的成像,因此本文选择这一算法进行分析和研究。但是,现有的CS算法是针对脉冲信号的,对于以连续波信号为信号源的SAL不完全适用。在此本文提出了两种成像处理方案,一种是通过离散采样的方法将连续波信号转换为脉冲信号,从而沿用此前基于脉冲信号的成像算法;另一种是根据连续波信号在目标斜距计算上对距离快时间处理的不同,对现有的成像算法进行改进。从实验结果来看,改进后的CS算法通过消除连续波信号回波中由快时间分量引入的频移,实现了对目标的高质量成像。 3.针对SAL回波相位误差的补偿问题提出了子回波相关算法,并对现有的秩一相位估计法和盲解卷积法进行改进以获得最佳的误差补偿方案。 在SAL成像过程中,大气湍流以及雷达平台的不规则运动等因素的存在不可避免地会造成SAL回波信号的相位产生误差,这对SAL高质量成像会产生严重的影响。对此,本文首先从参数模型的角度提出了子回波相关(MR)算法,利用SAL回波阵列之间的相位相关性,对存在的相位误差进行估计和补偿,一定程度上消除了相位误差,特别是低频误差的退化作用。其次,针对高频误差的补偿问题,本文对现有的两种较为成熟的非参数模型方法,即秩一相位估计(ROPE)法和迭代盲解卷积(IBD)法分别进行了改进。对于ROPE法,通过加窗处理和引入MR算法提高了图像的信噪比以及迭代初始化的精度;而对于IBD法,通过分析回波信号的多普勒信息改善了迭代解卷积盲目性的问题。实验表明,两种算法的改进措施无论对算法的精度还是效率都能起到一定的改善作用。
【学位授予单位】:中国海洋大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:P425.2

【参考文献】
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