一種機載sal振動估計方法
【專利摘要】本發明提供了一種機載SAL振動估計方法，包括：機載SAL采用順軌雙探測器，基于雙探測器的回波信號，得到雙探測器的距離多普勒譜；基于振動信號方位譜的寬度，裁剪雙探測器的距離多普勒譜；拼接裁剪后的雙探測器距離多普勒譜，并得到參考信號；獲取參考信號相鄰慢時間脈沖塊的復相關系數，得到振動信號的斜距誤差。本發明采用雙探測器，可以選用光敏面較小帶寬較大的探測器，提高了成像斜距向分辨率；通過拼接兩個探測器的方位譜，擴大了順軌視場，實現機載SAL方位向高分辨率成像；避免了PGA處理需場景具有孤立強點的約束，使機載SAL在低信噪比和沒有孤立強點的條件下也可獲取方位向高分辨率圖像。
【專利說明】
一種機載SAL振動估計方法
技術領域
[0001] 本發明涉及合成孔徑激光雷達技術領域，尤其涉及一種機載合成孔徑激光雷達 (SAL)振動估計方法。
【背景技術】
[0002] SAL是微波合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar，SAR)技術在光學波段的類 推，為激光雷達實現遠距離高分率成像提供了可能，具有良好的軍用和民用潛力。
[0003] 機載SAL工作在光學波段，由于光學波長比微波小3、4個數量級，理論上機載SAL可 以用比SAR更短的合成孔徑時間實現同樣高的圖像分辨率。但與之相對應，平臺的微小振動 都會引起信號相位的顯著變化，這給機載SAL成像處理帶來許多困難。
[0004] 為抑制振動給成像帶來的影響，國內外相關單位開展了廣泛的研究工作。中國科 學院上海技術物理研究所對平臺振動產生的影響進行了分析(參見洪光烈，郭亮.線振動對 合成孔徑激光雷達成像的影響分析[J].光學學報，2012,32(4):0428001-1-0428001-7.)， 并采用模擬探測的方法對平臺振動進行估計，補償振動產生的相位誤差(參見徐顯文，洪光 烈，凌元，等.合成孔徑激光雷達振動相位誤差的模擬探測[J].光學學報，2011，31 (5): 0512001-1-0512001-7)，但其主要以桌面系統試驗為基礎，試驗使用的振動計難以在機載 SAL中應用。中國科學院上海光學精密機械研究所利用激光的極化特性，采用自相關探測的 方法對振動進行抑制（參見 Liren Liu .Coherent and Incoherent Synthetic-aperture Imaging Ladars and Laboratory-space Experimental Demonstrations[J].Applied 0ptics，2013,52(4):579-599.)，但其系統工作模式為正下視，與機載SAL通常使用的側視 工作模式有顯著差別。國外的相關研究工作主要集中在采用減震器與相位梯度自聚焦 (Phase Gradient Autofocus，PGA)相結合的方法抑制振動對成像的影響。采用該方法，美 國洛克希德馬丁公司于2011年進行機載SAL飛行試驗，對距離1.6km的地面目標實現了分辨 率優于3.3cm的成像（參見Krause B W，Buck J，Ryan C，et al.. Synthetic aperture ladar flight demonstration[C] ? 0SA/CLE0/IQEC，2011)。但該方法在信號處理過程中主 要依賴PGA處理對振動進行抑制，在目標場景缺少孤立強點或是殘余振動引起的相位誤差 較大的情況下，難以達到良好的成像效果。目前可以用來進行SAL振動估計的是空間相關法 (參見EH Attia.Data-adaptive motion compensation for synthetic aperture LADAR [C].2004IEEE Aerospace Conference Proceedings，2004,3:1782-1787.)，但是該方法在 信噪比較低，方位向波束寬度較寬的情況下估計出的振動精度較低。

【發明內容】

[0005] (一)要解決的技術問題
[0006] 為了解決現有技術問題，本發明提供了一種機載SAL振動估計方法。
[0007] (二)技術方案
[0008] 本發明提供了一種機載SAL振動估計方法，包括:步驟A:機載SAL采用順軌雙探測 器，基于雙探測器的回波信號，得到雙探測器的距離多普勒譜;步驟B:基于振動信號方位譜 的寬度，裁剪雙探測器的距離多普勒譜;步驟C:拼接裁剪后的雙探測器距離多普勒譜，并得 到參考信號；步驟D:獲取參考信號相鄰慢時間脈沖塊的復相關系數，得到振動信號的斜距 誤差。
[0009] (三)有益效果
[0010] 從上述技術方案可以看出，本發明的機載SAL振動估計方法具有以下有益效果：
[0011] (1)采用雙探測器，可以選用光敏面較小帶寬較大的探測器，提高了成像斜距向分 辨率；
[0012] (2)通過拼接兩個探測器的方位譜，擴大了順軌視場，實現機載SAL方位向高分辨 率成像；
[0013] (3)本發明避免了 PGA處理需場景具有孤立強點的約束，使機載SAL在低信噪比和 沒有孤立強點的條件下也可獲取方位向高分辨率圖像。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明實施例的順軌雙探測器視場示意圖；
[0015] 圖2為存在振動時回波信號距離多普勒譜對應的卷積過程；
[0016] 圖3為示出了相鄰慢時間tk(l)和tk(2)的脈沖塊相關運算示意圖；
[0017] 圖4為本發明實施例的機載SAL振動估計方法的流程圖；
[0018] 圖5為使用本發明估計出的振動情況；
[0019] 圖6為不進行本發明運動補償的成像結果；
[0020] 圖7使用本發明進行運動補償的成像結果。
【具體實施方式】
[0021] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明做進一步地詳細說明。
[0022] 本發明的實施例提供了一種機載SAL振動估計方法，參見圖4,其具體包括：
[0023] 步驟A:機載SAL采用順軌雙探測器，基于雙探測器的回波信號，得到雙探測器的距 離多普勒譜。
[0024] 參見圖1，機載SAL的順軌雙探測器包括沿順軌方向排列的第一探測器和第二探測 器，來自地面不同區域的回波信號由兩個探測器分別接收，實現了視場分割，第一探測器的 回波信號來自第一區域，第二探測器的回波信號來自第二區域。
[0025] 步驟A具體包括:機載SAL的順軌雙探測器包括沿順軌方向排列的第一探測器和第 二探測器，將第一探測器的回波信號和第二探測器的回波信號進行距離向脈沖壓縮并方位 向FFT，得到第一探測器回波信號的距離多普勒譜和第二探測器回波信號的距離多普勒譜。 [0026]步驟B:基于振動信號方位譜的寬度，裁剪雙探測器的距離多普勒譜。
[0027]由于機載平臺的振動，步驟A中得到的第一探測器和第二探測器的距離多普勒譜 受到平臺振動信號的影響，該距離多普勒譜中的方位譜，可以表示為沒有振動情況下的方 位譜和振動信號方位譜的卷積結果，參見圖2,其中，S D1(f)，SD2(f)分別表示沒有振動情況 下第一探測器和第二探測器的方位譜，Sv(f)為振動信號方位譜，SKfWPSdf)分別表示步 驟A得到的第一探測器的方位譜和第二探測器的方位譜，則明')=M/')料.(/'), W/'hUf)嶺(/)。
[0028]步驟B具體包括：
[0029]子步驟B1:獲取振動信號方位譜的寬度fv。
[0030] 其中，將第一探測器方位譜的正頻率部分寬度作為fv。
[0031] 子步驟B2:截取第一探測器方位譜的0-fv部分，得到裁剪后的第一探測器的方位 譜 SS(f)。
[0032]子步驟B3:截取第二探測器方位譜的-fv-0部分，得到裁剪后的第二探測器的方位 譜S，2(f)。
[0033]步驟C:拼接裁剪后的雙探測器距離多普勒譜，并得到參考信號。
[0034]步驟C具體包括：
[0035]子步驟C1:將裁剪后的第一探測器的方位譜和第二探測器的方位譜進行拼接，得 到拼接方位譜s' (f)，其中，S'(/>{ c &'(/)，（) W:.'
[0036]子步驟C2:將拼接方位譜S' (f)沿方位向進行IFFT得到參考信號S'(t)。
[0037] 步驟D:獲取參考信號相鄰慢時間脈沖塊的復相關系數，得到振動信號的斜距誤 差。
[0038] 慢時間tk(i)時刻SAL接收到的回波為@ w其中丨為快時間，A Ri是 慢時間tk(i)時刻平臺振動信號的斜距誤差，A為波長，為慢時間tk(i)時刻沒有振動情 況下的回波信號。
[0039]步驟D具體包括：
[0040] 子步驟D1:獲取參考信號相鄰慢時間tk(i)和tk(i + l)的脈沖塊的復相關系數
=1，2-1，1為慢時間總數量。參見圖3,示出了相鄰慢時間tk(l)和tk(2)的脈沖塊進行相關 運算。
[0041] 其中，各慢時間脈沖塊大小這樣選取:脈沖塊對應的慢時間內，在保證振動可以近 似勻速的情況下，脈沖塊盡可能大。
[0042] 子步驟D2:提取復相關系數的相位，得到相鄰慢時間tk⑴和tk(i+l)振動的斜距誤 差的差值A Ri+i_ A Ri。
[0043]子步驟D3 :設定慢時間tk(l)的振動斜距誤差值A心，沿慢時間累加所有相鄰慢時 間振動的斜距誤差的差值ARw-ARU#到隨慢時間的振動斜距誤差八心，1 = 2,3,…，I。
[0044] 其中，慢時間tk(l)的振動斜距誤差值A辦設為〇。
[0045] 本發明實施例的機載SAL振動估計方法，可將該方法應用于采用表1所示參數的模 型。
[0046] 表 1
[0048] 圖5給出了估計出的振動和實際的振動，實線為實際的振動曲線，點劃線為估計出 的振動曲線，可以看出估計出的振動已相當精確。
[0049] 圖6給出了不進行振動估計直接成像的結果，圖7給出了用估計出的振動對原始回 波進行補償后的成像結果，用估計出的振動進行補償后IECAS字母得到了很好的聚焦，說明 了本發明的有效性。
[0050]至此，已經結合附圖對本實施例進行了詳細描述。依據以上描述，本領域技術人員 應當對本發明的一種機載SAL振動估計方法有了清楚的認識。
[0051]本發明的機載SAL振動估計方法，該方法可有效估計出機載SAL平臺的振動，從而 進行運動補償，與此同時，采用雙探測器可以用光敏面較小帶寬較大的探測器，通過拼接擴 大順軌視場，實現機載SAL方位向高分辨率成像。由于激光波長較短，地物粗糙度的存在使 場景很難在激光波段產生孤立強點。基于順軌雙探測器內視場分割的數據獲取模型，本發 明提出的方法實現了機載SAL平臺的振動估計，避免了 PGA處理需場景具有孤立強點的約 束，使機載SAL在低信噪比和沒有孤立強點的條件下也可獲取方位向高分辨率圖像。
[0052]需要說明的是，在附圖或說明書正文中，未繪示或描述的實現方式，均為所屬技術 領域中普通技術人員所知的形式，并未進行詳細說明。此外，上述對各元件的定義并不僅限 于實施例中提到的各種方式，本領域普通技術人員可對其進行簡單地更改或替換，例如： [0053] (1)實施例中提到的方向用語，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，僅是參 考附圖的方向，并非用來限制本發明的保護范圍；
[0054] (2)上述實施例可基于設計及可靠度的考慮，彼此混合搭配使用或與其他實施例 混合搭配使用，即不同實施例中的技術特征可以自由組合形成更多的實施例。
[0055]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護范圍之內。
【主權項】
1. 一種機載SAL振動估計方法，其特征在于，包括： 步驟A:機載SAL采用順軌雙探測器，基于雙探測器的回波信號，得到雙探測器的距離多 普勒譜； 步驟B:基于振動信號方位譜的寬度，裁剪雙探測器的距離多普勒譜； 步驟C:拼接裁剪后的雙探測器距離多普勒譜，并得到參考信號； 步驟D:獲取參考信號相鄰慢時間脈沖塊的復相關系數，得到振動信號的斜距誤差。2. 如權利要求1所述的機載SAL振動估計方法，其特征在于，步驟A具體包括： 機載SAL的順軌雙探測器包括沿順軌方向排列的第一探測器和第二探測器，將第一探 測器的回波信號和第二探測器的回波信號進行距離向脈沖壓縮并方位向FFT，得到第一探 測器回波信號的距離多普勒譜和第二探測器回波信號的距離多普勒譜。3. 如權利要求2所述的機載SAL振動估計方法，其特征在于，所述步驟B具體包括： 子步驟B1:獲取振動信號方位譜的寬度fv; 子步驟B2:裁剪第一探測器的方位譜S'i(f); 子步驟B3:裁剪第二探測器的方位譜S' 2(f)。4. 如權利要求3所述的機載SAL振動估計方法，其特征在于，所述子步驟B2具體包括： 截取第一探測器方位譜的Ο-fv部分，得到裁剪后的第一探測器的方位譜fKf)。5. 如權利要求4所述的機載SAL振動估計方法，其特征在于，所述子步驟B3具體包括： 截取第二探測器方位譜的-fv-Ο部分，得到裁剪后的第二探測器的方位譜S' 2(f)。6. 如權利要求3所述的機載SAL振動估計方法，其特征在于，所述步驟C具體包括： 子步驟C1:將裁剪后的第一探測器的方位譜和第二探測器的方位譜進行拼接，得到拼 接方位譜S'(f)， 子步驟C2:由拼接方位譜S' (f)得到參考信號S'(t)。7. 如權利要求6所述的機載SAL振動估計方法，其特征在于，所述拼接方位譜 ^；(/> 0</</；8. 如權利要求7所述的機載SAL振動估計方法，其特征在于，所述子步驟C2具體包括： 將拼接方位譜S' (f)沿方位向進行IFFT得到參考信號S'(t)。9. 如權利要求6所述的機載SAL振動估計方法，其特征在于，步驟D具體包括： 子步驟D1:獲取參考信號相鄰慢時間tk(i)和tk(i+l)的脈沖塊的復相關系數； 子步驟D2:提取復相關系數的相位，得到相鄰慢時間tk⑴和tk(i+l)振動的斜距誤差的 差值 ARi+1-ARi; 子步驟D3:設定慢時間tk(l)的振動斜距誤差值△心，沿慢時間累加所有相鄰慢時間振 動的斜距誤差的差值ARw-ARi，得到隨慢時間的振動斜距誤差八心，1 = 2,3,…，I。10. 如權利要求9所述的機載SAL振動估計方法，其特征在于，所述子步驟D1具體包括： 獲取參考信號相鄰慢時間t k ( i )和t k ( i + 1 )的脈沖塊的復相關系數為慢時間總數量。
【文檔編號】G01S17/89GK105929381SQ201610235022
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年4月14日
【發明人】李道京, 胡烜, 杜劍波, 周建衛
【申請人】中國科學院電子學研究所