大幅宽激光合成孔径雷达成像技术研究

张珂殊 潘洁 王然 李光祚 王宁 吴一戎

张珂殊, 潘洁, 王然, 李光祚, 王宁, 吴一戎. 大幅宽激光合成孔径雷达成像技术研究[J]. 雷达学报, 2017, 6(1): 1-10. doi: 10.12000/JR16152
引用本文: 张珂殊, 潘洁, 王然, 李光祚, 王宁, 吴一戎. 大幅宽激光合成孔径雷达成像技术研究[J]. 雷达学报, 2017, 6(1): 1-10. doi: 10.12000/JR16152
Zhang Keshu, Pan Jie, Wang Ran, Li Guangzuo, Wang Ning, Wu Yirong. Study of Wide Swath Synthetic Aperture Ladar Imaging Techology[J]. Journal of Radars, 2017, 6(1): 1-10. doi: 10.12000/JR16152
Citation: Zhang Keshu, Pan Jie, Wang Ran, Li Guangzuo, Wang Ning, Wu Yirong. Study of Wide Swath Synthetic Aperture Ladar Imaging Techology[J]. Journal of Radars, 2017, 6(1): 1-10. doi: 10.12000/JR16152

大幅宽激光合成孔径雷达成像技术研究

doi: 10.12000/JR16152
基金项目: 国家部委基金,中科院电子学研究所创新前沿项目(Y3Z0150102)
详细信息
    作者简介:

    张珂殊(1972–),男,黑龙江人;硕士,北京航空航天大学;研究员,中国科学院电子学研究所;主要从事激光雷达和激光探测技术相关研究工作,在激光成像雷达、各类测量、测绘及导航激光雷达研究方面具有多年的技术积累和实践经验。曾先后主持完成机载3维成像激光雷达、激光雷达综合测试系统、合成孔径激光雷达等多项科学院及国家重点项目。E-mail: kszhang@mail.ie.ac.cn

    潘 洁(1977–),女,四川人,硕士,中国科学院研究生院,中国科学院电子学研究所高级工程师,研究方向为雷达信号处理。E-mail: panj@mail.ie.ac.cn

    王 然(1984–),男,山西人;博士,北京理工大学;副研究员,中国科学院电子学研究所;研究方向为激光雷达及探测。E-mail: rwang@mail.ie.ac.cn

    李光祚(1985–),男,湖南人;硕士,清华大学;博士生,中国科学院电子学研究所;研究方向为合成孔径雷达及合成孔径激光雷达。E-mail: hnyzlgz@163.com

    王 宁(1991–),男,河北人;学士,西安交通大学;博士生,中国科学院电子学研究所;研究方向为激光雷达信号处理。E-mail: wangning14@mails.ucas.ac.cn

    通讯作者:

    张珂殊   kszhang@mail.ie.ac.cn

  • 中图分类号: TN958

Study of Wide Swath Synthetic Aperture Ladar Imaging Techology

Funds: The National Ministries Foundation, The Innovation Frontier Project of IECAS (Y3Z0150102)
  • 摘要: 激光合成孔径雷达(SAL)结合了光相干探测技术和合成孔径成像技术,其微弱信号检测能力达到光子量级、成像分辨率可以突破望远镜衍射孔径极限,可以获得高分辨率图像而不受探测距离影响。针对SAL系统在成像幅宽方面的技术短板,在介绍激光合成孔径雷达与扫描成像激光雷达(LiDAR)各自发展阶段和技术特点的基础上,该文提出合成孔径技术与激光扫描技术相结合,在实现高分辨率成像同时突破SAL技术的成像幅宽限制。通过对扫描模式下SAL信号模型分析、机载SAL外场飞行成像实验和地面目标合成孔径成图计算,该文展示了SAL在远程、高分辨率和扫描成像中的应用潜力,提出了弥补现有SAL技术在成像幅宽和作业效率方面的缺憾的方法,为SAL系统在大幅宽、高分辨率对地观测以及空天弱目标ISAL成像提供了科学技术手段。

     

  • 图  1  洛克希德马丁公司SAL飞行成像结果

    Figure  1.  Lockheed Martin Corporation SAL flight demonstration images

    图  2  传统机载激光雷达扫描成像

    Figure  2.  Airborne laser radar scanning imaging

    图  3  扫描模式下SAL成像特点

    Figure  3.  Characteristics of SAL imaging in scanning mode

    图  4  扫描模式下SAL扫描几何关系

    Figure  4.  Geometric relationship of SAL in scanning mode

    图  5  扫描过程中镜像点 $o\,_0^\prime$运动轨迹

    Figure  5.  The orbit of $o\,_0^\prime$ in the scanning process

    图  6  扫描与非扫描模式下SAL运动相位分析

    Figure  6.  Phase analysis of SAL in non scanning mode and scanning mode

    图  7  扫描模式下SAL运动相位分析

    Figure  7.  Phase history analysis of SAL in scanning mode

    图  8  非扫描模式与扫描模式下SAL方位向成像仿真

    Figure  8.  SAL simulation in non scanning mode and scanning mode

    图  9  扫描模式下SAL方位分辨率与扫描视场关系

    Figure  9.  Relationship between azimuth resolution and scanning field in scanning mode

    图  10  扫描模式下SAL距离条带拼接

    Figure  10.  SAL image stitching in scanning mode

    图  11  载机SAL系统安装结构

    Figure  11.  SAL mounting structure

    图  12  目标区载机SAL扫描脉压信号结果

    Figure  12.  Pulse compression results in target area

    图  13  扫描模式下SAL机载成像结果

    Figure  13.  Imaging results of SAL in scanning mode

    图  14  条带模式与扫描模式成像分别比对

    Figure  14.  Non scanning mode and scanning mode comparison

    表  1  扫描模式下SAL运动参数

    Table  1.   SAL motion parameters in scanning mode

    参数 数值
    距离 10 km
    飞行速度 100 m/s
    扫描速度 0.5 rad/s
    发散角 1 mrad
    带宽 3.8 GHz
    采样频率 250 MHz
    重频 150 kHz
    下载: 导出CSV

    表  2  不同距离下机载SAL成像分辨率

    Table  2.   Imaging resolution at different distances

    成像距离(km) 扫描子孔径方位向 分辨率(cm) 全孔径方位向 分辨率(cm) 距离向 分辨率(cm)
    1 2.2 0.5 6.1
    2 1.9 0.6 6.0
    3 1.9 0.6 6.0
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-12-22
  • 修回日期:  2017-03-24
  • 网络出版日期:  2017-02-28

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