一种机载sal振动估计方法
【专利摘要】本发明提供了一种机载SAL振动估计方法，包括：机载SAL采用顺轨双探测器，基于双探测器的回波信号，得到双探测器的距离多普勒谱；基于振动信号方位谱的宽度，裁剪双探测器的距离多普勒谱；拼接裁剪后的双探测器距离多普勒谱，并得到参考信号；获取参考信号相邻慢时间脉冲块的复相关系数，得到振动信号的斜距误差。本发明采用双探测器，可以选用光敏面较小带宽较大的探测器，提高了成像斜距向分辨率；通过拼接两个探测器的方位谱，扩大了顺轨视场，实现机载SAL方位向高分辨率成像；避免了PGA处理需场景具有孤立强点的约束，使机载SAL在低信噪比和没有孤立强点的条件下也可获取方位向高分辨率图像。
【专利说明】
一种机载SAL振动估计方法
技术领域
[0001] 本发明涉及合成孔径激光雷达技术领域，尤其涉及一种机载合成孔径激光雷达 (SAL)振动估计方法。
【背景技术】
[0002] SAL是微波合成孔径雷达（Synthetic Aperture Radar，SAR)技术在光学波段的类 推，为激光雷达实现远距离高分率成像提供了可能，具有良好的军用和民用潜力。
[0003] 机载SAL工作在光学波段，由于光学波长比微波小3、4个数量级，理论上机载SAL可 以用比SAR更短的合成孔径时间实现同样高的图像分辨率。但与之相对应，平台的微小振动 都会引起信号相位的显著变化，这给机载SAL成像处理带来许多困难。
[0004] 为抑制振动给成像带来的影响，国内外相关单位开展了广泛的研究工作。中国科 学院上海技术物理研究所对平台振动产生的影响进行了分析(参见洪光烈，郭亮.线振动对 合成孔径激光雷达成像的影响分析[J].光学学报，2012,32(4):0428001-1-0428001-7.)， 并采用模拟探测的方法对平台振动进行估计，补偿振动产生的相位误差(参见徐显文，洪光 烈，凌元，等.合成孔径激光雷达振动相位误差的模拟探测[J].光学学报，2011，31 (5): 0512001-1-0512001-7)，但其主要以桌面系统试验为基础，试验使用的振动计难以在机载 SAL中应用。中国科学院上海光学精密机械研究所利用激光的极化特性，采用自相关探测的 方法对振动进行抑制（参见 Liren Liu .Coherent and Incoherent Synthetic-aperture Imaging Ladars and Laboratory-space Experimental Demonstrations[J].Applied 0ptics，2013,52(4):579-599.)，但其系统工作模式为正下视，与机载SAL通常使用的侧视 工作模式有显著差别。国外的相关研究工作主要集中在采用减震器与相位梯度自聚焦 (Phase Gradient Autofocus，PGA)相结合的方法抑制振动对成像的影响。采用该方法，美 国洛克希德马丁公司于2011年进行机载SAL飞行试验，对距离1.6km的地面目标实现了分辨 率优于3.3cm的成像（参见Krause B W，Buck J，Ryan C，et al.. Synthetic aperture ladar flight demonstration[C] ? 0SA/CLE0/IQEC，2011)。但该方法在信号处理过程中主 要依赖PGA处理对振动进行抑制，在目标场景缺少孤立强点或是残余振动引起的相位误差 较大的情况下，难以达到良好的成像效果。目前可以用来进行SAL振动估计的是空间相关法 (参见EH Attia.Data-adaptive motion compensation for synthetic aperture LADAR [C].2004IEEE Aerospace Conference Proceedings，2004,3:1782-1787.)，但是该方法在 信噪比较低，方位向波束宽度较宽的情况下估计出的振动精度较低。
【发明内容】
[0005] (一)要解决的技术问题
[0006] 为了解决现有技术问题，本发明提供了一种机载SAL振动估计方法。
[0007] (二)技术方案
[0008] 本发明提供了一种机载SAL振动估计方法，包括:步骤A:机载SAL采用顺轨双探测 器，基于双探测器的回波信号，得到双探测器的距离多普勒谱;步骤B:基于振动信号方位谱 的宽度，裁剪双探测器的距离多普勒谱;步骤C:拼接裁剪后的双探测器距离多普勒谱，并得 到参考信号；步骤D:获取参考信号相邻慢时间脉冲块的复相关系数，得到振动信号的斜距 误差。
[0009] (三)有益效果
[0010] 从上述技术方案可以看出，本发明的机载SAL振动估计方法具有以下有益效果：
[0011] (1)采用双探测器，可以选用光敏面较小带宽较大的探测器，提高了成像斜距向分 辨率；
[0012] (2)通过拼接两个探测器的方位谱，扩大了顺轨视场，实现机载SAL方位向高分辨 率成像；
[0013] (3)本发明避免了 PGA处理需场景具有孤立强点的约束，使机载SAL在低信噪比和 没有孤立强点的条件下也可获取方位向高分辨率图像。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明实施例的顺轨双探测器视场示意图；
[0015] 图2为存在振动时回波信号距离多普勒谱对应的卷积过程；
[0016] 图3为示出了相邻慢时间tk(l)和tk(2)的脉冲块相关运算示意图；
[0017] 图4为本发明实施例的机载SAL振动估计方法的流程图；
[0018] 图5为使用本发明估计出的振动情况；
[0019] 图6为不进行本发明运动补偿的成像结果；
[0020] 图7使用本发明进行运动补偿的成像结果。
【具体实施方式】
[0021] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明做进一步地详细说明。
[0022] 本发明的实施例提供了一种机载SAL振动估计方法，参见图4,其具体包括：
[0023] 步骤A:机载SAL采用顺轨双探测器，基于双探测器的回波信号，得到双探测器的距 离多普勒谱。
[0024] 参见图1，机载SAL的顺轨双探测器包括沿顺轨方向排列的第一探测器和第二探测 器，来自地面不同区域的回波信号由两个探测器分别接收，实现了视场分割，第一探测器的 回波信号来自第一区域，第二探测器的回波信号来自第二区域。
[0025] 步骤A具体包括:机载SAL的顺轨双探测器包括沿顺轨方向排列的第一探测器和第 二探测器，将第一探测器的回波信号和第二探测器的回波信号进行距离向脉冲压缩并方位 向FFT，得到第一探测器回波信号的距离多普勒谱和第二探测器回波信号的距离多普勒谱。 [0026]步骤B:基于振动信号方位谱的宽度，裁剪双探测器的距离多普勒谱。
[0027]由于机载平台的振动，步骤A中得到的第一探测器和第二探测器的距离多普勒谱 受到平台振动信号的影响，该距离多普勒谱中的方位谱，可以表示为没有振动情况下的方 位谱和振动信号方位谱的卷积结果，参见图2,其中，S D1(f)，SD2(f)分别表示没有振动情况 下第一探测器和第二探测器的方位谱，Sv(f)为振动信号方位谱，SKfWPSdf)分别表示步 骤A得到的第一探测器的方位谱和第二探测器的方位谱，则明')=M/')料.(/'), W/'hUf)岭(/)。
[0028]步骤B具体包括：
[0029]子步骤B1:获取振动信号方位谱的宽度fv。
[0030] 其中，将第一探测器方位谱的正频率部分宽度作为fv。
[0031] 子步骤B2:截取第一探测器方位谱的0-fv部分，得到裁剪后的第一探测器的方位 谱 SS(f)。
[0032]子步骤B3:截取第二探测器方位谱的-fv-0部分，得到裁剪后的第二探测器的方位 谱S，2(f)。
[0033]步骤C:拼接裁剪后的双探测器距离多普勒谱，并得到参考信号。
[0034]步骤C具体包括：
[0035]子步骤C1:将裁剪后的第一探测器的方位谱和第二探测器的方位谱进行拼接，得 到拼接方位谱s' (f)，其中，S'(/>{ c &'(/)，（) W:.'
[0036]子步骤C2:将拼接方位谱S' (f)沿方位向进行IFFT得到参考信号S'(t)。
[0037] 步骤D:获取参考信号相邻慢时间脉冲块的复相关系数，得到振动信号的斜距误 差。
[0038] 慢时间tk(i)时刻SAL接收到的回波为@ w其中丨为快时间，A Ri是 慢时间tk(i)时刻平台振动信号的斜距误差，A为波长，为慢时间tk(i)时刻没有振动情 况下的回波信号。
[0039]步骤D具体包括：
[0040] 子步骤D1:获取参考信号相邻慢时间tk(i)和tk(i + l)的脉冲块的复相关系数
=1，2-1，1为慢时间总数量。参见图3,示出了相邻慢时间tk(l)和tk(2)的脉冲块进行相关 运算。
[0041] 其中，各慢时间脉冲块大小这样选取:脉冲块对应的慢时间内，在保证振动可以近 似匀速的情况下，脉冲块尽可能大。
[0042] 子步骤D2:提取复相关系数的相位，得到相邻慢时间tk⑴和tk(i+l)振动的斜距误 差的差值A Ri+i_ A Ri。
[0043]子步骤D3 :设定慢时间tk(l)的振动斜距误差值A心，沿慢时间累加所有相邻慢时 间振动的斜距误差的差值ARw-ARU#到随慢时间的振动斜距误差八心，1 = 2,3,…，I。
[0044] 其中，慢时间tk(l)的振动斜距误差值A办设为〇。
[0045] 本发明实施例的机载SAL振动估计方法，可将该方法应用于采用表1所示参数的模 型。
[0046] 表 1
[0048] 图5给出了估计出的振动和实际的振动，实线为实际的振动曲线，点划线为估计出 的振动曲线，可以看出估计出的振动已相当精确。
[0049] 图6给出了不进行振动估计直接成像的结果，图7给出了用估计出的振动对原始回 波进行补偿后的成像结果，用估计出的振动进行补偿后IECAS字母得到了很好的聚焦，说明 了本发明的有效性。
[0050]至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员 应当对本发明的一种机载SAL振动估计方法有了清楚的认识。
[0051]本发明的机载SAL振动估计方法，该方法可有效估计出机载SAL平台的振动，从而 进行运动补偿，与此同时，采用双探测器可以用光敏面较小带宽较大的探测器，通过拼接扩 大顺轨视场，实现机载SAL方位向高分辨率成像。由于激光波长较短，地物粗糙度的存在使 场景很难在激光波段产生孤立强点。基于顺轨双探测器内视场分割的数据获取模型，本发 明提出的方法实现了机载SAL平台的振动估计，避免了 PGA处理需场景具有孤立强点的约 束，使机载SAL在低信噪比和没有孤立强点的条件下也可获取方位向高分辨率图像。
[0052]需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术 领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限 于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如： [0053] (1)实施例中提到的方向用语，例如"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"等，仅是参 考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；
[0054] (2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例 混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
[0055]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种机载SAL振动估计方法，其特征在于，包括： 步骤A:机载SAL采用顺轨双探测器，基于双探测器的回波信号，得到双探测器的距离多 普勒谱； 步骤B:基于振动信号方位谱的宽度，裁剪双探测器的距离多普勒谱； 步骤C:拼接裁剪后的双探测器距离多普勒谱，并得到参考信号； 步骤D:获取参考信号相邻慢时间脉冲块的复相关系数，得到振动信号的斜距误差。2. 如权利要求1所述的机载SAL振动估计方法，其特征在于，步骤A具体包括： 机载SAL的顺轨双探测器包括沿顺轨方向排列的第一探测器和第二探测器，将第一探 测器的回波信号和第二探测器的回波信号进行距离向脉冲压缩并方位向FFT，得到第一探 测器回波信号的距离多普勒谱和第二探测器回波信号的距离多普勒谱。3. 如权利要求2所述的机载SAL振动估计方法，其特征在于，所述步骤B具体包括： 子步骤B1:获取振动信号方位谱的宽度fv; 子步骤B2:裁剪第一探测器的方位谱S'i(f); 子步骤B3:裁剪第二探测器的方位谱S' 2(f)。4. 如权利要求3所述的机载SAL振动估计方法，其特征在于，所述子步骤B2具体包括： 截取第一探测器方位谱的Ο-fv部分，得到裁剪后的第一探测器的方位谱fKf)。5. 如权利要求4所述的机载SAL振动估计方法，其特征在于，所述子步骤B3具体包括： 截取第二探测器方位谱的-fv-Ο部分，得到裁剪后的第二探测器的方位谱S' 2(f)。6. 如权利要求3所述的机载SAL振动估计方法，其特征在于，所述步骤C具体包括： 子步骤C1:将裁剪后的第一探测器的方位谱和第二探测器的方位谱进行拼接，得到拼 接方位谱S'(f)， 子步骤C2:由拼接方位谱S' (f)得到参考信号S'(t)。7. 如权利要求6所述的机载SAL振动估计方法，其特征在于，所述拼接方位谱 ^；(/> 0</</；8. 如权利要求7所述的机载SAL振动估计方法，其特征在于，所述子步骤C2具体包括： 将拼接方位谱S' (f)沿方位向进行IFFT得到参考信号S'(t)。9. 如权利要求6所述的机载SAL振动估计方法，其特征在于，步骤D具体包括： 子步骤D1:获取参考信号相邻慢时间tk(i)和tk(i+l)的脉冲块的复相关系数； 子步骤D2:提取复相关系数的相位，得到相邻慢时间tk⑴和tk(i+l)振动的斜距误差的 差值 ARi+1-ARi; 子步骤D3:设定慢时间tk(l)的振动斜距误差值△心，沿慢时间累加所有相邻慢时间振 动的斜距误差的差值ARw-ARi，得到随慢时间的振动斜距误差八心，1 = 2,3,…，I。10. 如权利要求9所述的机载SAL振动估计方法，其特征在于，所述子步骤D1具体包括： 获取参考信号相邻慢时间t k ( i )和t k ( i + 1 )的脉冲块的复相关系数为慢时间总数量。
【文档编号】G01S17/89GK105929381SQ201610235022
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】李道京, 胡烜, 杜剑波, 周建卫
【申请人】中国科学院电子学研究所