1 中国科学院微小卫星创新研究院，上海 201304
2 上海微小卫星工程中心，上海 201304
对采用天基逆合成孔径雷达（ISAL）对300~2000 km轨道高度的低轨（LEO）目标的掠飞和绕飞成像模式进行了性能分析及可行性探究，分析了成像分辨率和成像时间、最小无模糊脉冲重复频率（PRF）和回波信噪比（SNR）等系统关键指标，并进行了对比。研究结果表明：绕飞成像模式相比于掠飞成像模式可以实现对于目标的多角度持续观测，且绕飞周期较短(1.5~2.1 h)，可以快速获取更为丰富的目标信息，具备进一步三维ISAL成像的潜力；脉冲积累时间虽然更长，但在300~2000 km轨道高度范围只有130~190 ms （掠飞成像为0.1~130 ms）；最小无模糊PRF （对于10 m转动直径的目标，约为15 Hz）减少一半（减少了对激光器高重频的要求）；由于更长的脉冲积累时间，绕飞模式的回波信噪比更高，通过后期处理可以获得更为清晰的图像结果；适用于对重要目标和高价值资产进行快速、高分辨率、全方位的持续观测。而掠飞模式适用于对相近轨道高度面的LEO目标进行遍历和成像，从而建立目标的特征库。
成像模式 天基 逆合成孔径激光雷达 LEO目标 imaging mode space-based Inverse Synthetic Aperture LADAR LEO targets 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220679
1 中国科学院自适应光学重点实验室，四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
3 中国科学院大学，北京 100049
逆合成孔径激光雷达（ISAL）是一种相干成像系统，其图像具有明显的散斑，影响目标识别和判断。为解决该问题，近年来有学者提出一种基于模型的迭代重构（MBIR）算法。该算法直接重构目标反射率而非复反射系数（传统重构方法普遍采用的），所重构图像质量更接近光学图像。然而，该算法存在优化模型较复杂、采用的无梯度线搜索算法求解效率较低且不易收敛的问题。针对以上问题，进行两点改进。首先从信息传递的角度得到复反射系数分布、反射率分布和测量信号之间的马尔可夫关系，据此将复反射系数假设为反射率估计的完整数据集，简化了优化模型。其次，针对模型求解，应用更容易求解梯度的先验模型替代函数，并结合对数变换，将原问题转换为含梯度的无约束问题，进行高效求解。最后通过仿真数据和7 km外场实验数据验证了所提改进方法的有效性和效率。结果表明，对于高中低具有不同载噪比（5 dB、0 dB、-5 dB）的回波数据，所提改进方法在5次迭代之内即可得到较优质量的图像。
合成孔径激光雷达 计算成像 贝叶斯估计 图像重构 激光与光电子学进展
2023, 60(12): 1228001
红外与激光工程
2023, 52(2): 20220406
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
4 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
逆合成孔径激光雷达(ISAL)成像运动补偿中,包络对齐的精度直接影响了相位误差估计精度。当目标速度和加速度较大时,距离包络严重倾斜且相位误差较大,图像无法进行良好聚焦。针对上述问题,在高精度成像模型的基础上提出了一种基于Nelder-Mead单纯形法和粒子群优化的全局联合运动误差补偿算法。首先,利用单纯形法估计目标速度,完成包络对齐。然后,将包络对齐过程获得的目标速度作为相位误差估计中参数初始化的约束条件。最后,用粒子群优化算法对各运动参数进行全局搜索并得到最优解,实现高精度运动参数估计及高阶相位误差补偿,得到聚焦良好的二维图像。实验结果表明,本算法的参数估计误差主要分布在±0.2%以内,参数估计精度和抗噪声性能均优于传统ISAL成像算法。
遥感 逆合成孔径激光雷达 运动补偿 Nelder-Mead单纯形法 粒子群优化算法 参数估计 光学学报
2021, 41(19): 1928001
1 中国科学院空天信息创新研究院微波成像技术国家级重点实验室, 北京100190
2 中国科学院大学, 北京100049
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
合成孔径激光雷达是实现计算成像的一种重要途径。首先,介绍了多通道逆合成孔径激光雷达(ISAL)样机、成像探测实验及信号处理方法。然后,阐述了样机系统组成和关键技术解决途径。接着,利用基于一发多收脉冲体制和全光纤光路的相干激光雷达样机,给出了地面运动车辆目标的成像探测实验结果。最后,在收发扩束宽视场条件下,验证了多通道ISAL的高分辨率成像能力和顺轨干涉运动补偿成像方法的有效性。
成像系统 逆合成孔径激光雷达 相干成像 干涉处理 激光扩束 运动补偿 激光与光电子学进展
2021, 58(18): 1811017
1 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院, 北京 100094
提出一种基于相干光纤束(CFB)的无扫描、无透镜3D内窥成像方法。与传统内窥成像方法相比,该方法以裸光纤束端面为探头,无需集成任何微光机元件,结构简单,体积小,极易微型化。该方法融合了合成孔径激光雷达(SAL)、宽带线性调频激光雷达和数字全息激光雷达等,利用宽带线性调频激光器产生主动照明信号,并采用CFB收集、传输目标散射回波,同时根据离轴数字全息原理通过使用高速CCD阵列相机记录回波信号,最后利用SAL数据处理方法重构目标3D图像。建立了3D内窥成像系统的数学模型,给出了3D内窥成像的数据处理方法。理论和仿真结果表明,所提方法克服了光纤束固有结构造成的像素化图像伪影,具有精确的横向和纵向3D成像感知能力。
成像系统 图像探测系统 3D内窥成像 合成孔径激光雷达 离轴数字全息 光学学报
2021, 41(18): 1811003
1 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院, 北京 100049
地球同步轨道(GEO)空间没有大气干扰,光束在GEO空间中传输不会衰减,也不会出现波面畸变,是合成孔径激光雷达(SAL)技术的理想应用场所。天基SAL可为GEO目标提供超衍射极限分辨率的光学图像。为了实现这一目标,利用在万有引力作用下绕地心沿不同圆周轨道运动的天基SAL和GEO目标的三维坐标关系,建立了基于光学外差探测的天基SAL成像理论模型,研究了与轨道参数有关的成像数据处理方法。研究结果表明,利用万有引力轨道运动,天基SAL能够对GEO目标实现超衍射极限分辨率成像;轨道半径、轨道平面夹角、成像位置等参数的变化会影响成像数据的处理过程,降低成像分辨率,造成聚焦图像的几何形变。交会点附近是天基SAL最佳的成像位置,此处天基SAL与GEO目标之间的距离近,聚焦图像的几何形变小,成像分辨率高。
遥感 高分辨率成像 合成孔径激光雷达 轨道运动 光学学报
2020, 40(18): 1828002
1 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
2 国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037
3 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室, 陕西 西安 710071
合成孔径激光雷达(SAL)是合成孔径与激光雷达的结合体。由于SAL的工作波长较短,可以在短时间内实现高分辨率成像,近年来发展较快。但短波长也会带来其他问题,对于机载SAL,其波长比载机振动幅度小1~2个数量级,所以载机的振动会给回波带来较大的相位误差,传统的惯导系统很难达到激光波长级的定位精度,需要进行基于数据的自聚焦才能实现SAL成像。针对这一问题,提出一种利用最小熵自聚焦(MEA)和deramp结合的全孔径成像算法,并利用该算法对SAL实测数据进行了成像处理,成像结果证明了该算法的有效性。
遥感 合成孔径激光雷达 全孔径成像 最小熵自聚焦 相位补偿
1 中国科学院电子学研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院, 北京 100049
合成孔径激光雷达(SAL)具有成像距离远、分辨率高、速度快等特点,在天基空间目标成像领域有重要的应用前景。针对天基SAL成像中回波信号弱、噪声大、成像质量差等问题,提出在交会点附近连续长时间观测的思路。基于简单假设,建立采用光学外差探测的天基SAL成像理论数学模型,获得回波数据方程,给出成像处理流程、成像分辨率和图像信噪比,数学仿真了不同信噪比下的天基SAL空间目标成像。理论分析和仿真成像结果表明:当回波数据信噪比高时,任何子段数据均可形成空间目标的高分辨率图像;当回波信号微弱、数据信噪比低时,采用连续长时间观测数据形成目标子图像,将所有子图像进行叠加,提升了目标图像信噪比,改善了成像质量。
遥感 雷达图像 天基合成孔径激光雷达 信噪比 图像叠加
1 中国科学院电子学研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学, 北京 100049
合成孔径激光雷达(SAL)能够实现远距离目标的精细成像。由于SAL基于距离多普勒原理成像, 将地面场景映射到成像平面上会引起高程信息的丢失。提出了一种基于距离向扫描的SAL目标三维重建方法, 通过距离向扫描体制SAL得到一定扫描角度范围内的多条合成孔径图像, 利用相邻条带图像目标的重叠成像实现三维重建。基于TerraSAR图像仿真计算结果表明: 距离向扫描体制SAL可以实现目标的三维重建。
合成孔径激光雷达 距离向扫描 多条带重叠图像 目标三维重建 synthetic aperture lidar range scanning multi-stripes overlap imaging 3D reconstruction for targets 红外与激光工程
2019, 48(3): 0330001
