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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。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
天基合成孔径激光雷达成像理论初步
李 丹 阳
,
,
吴 谨
,
,
万 磊
,
,
王 德 宾
,
,
吴 童
,
中国科学院电子学研究所
北京
中国科学院大学电子电气与通信工程学院
北京
摘要
合成孔径激光雷达
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
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
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
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
关键词
遥感
雷达图像
天基合成孔径激光雷达
信噪比
图像叠加
中图分类号
文献标识码
doi
Elementar
y
Ima
g
in
g
Theor
y
onS
p
aceGBorneS
y
ntheticA
p
ertureLadar
Instituteo
f
Electronics
ChineseAcadem
y
o
f
Sciences
Bei
j
in
g
China
Schoolo
f
Electronic
ElectricalandCommunicationEn
g
ineerin
g
Universit
y
o
f
ChineseAcadem
y
o
f
Sciences
Bei
j
in
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金
EGmail
引
言
最近十几年
合成孔径 激 光雷达
成 像 技
术取得了巨大的进展
国内外均 实 现 了 室 内
室
外
甚至机载
成 像 实 验 演 示
在 太 空 环 境 中
由于不存在大气干 扰
激光传输 过 程中波面 不 会受
到破坏
是
技 术 应 用 的 理 想 环 境
将
安
装于卫星平台
形 成 天 基
能 以 自 带 光 源 主 动
照明的方式
对 其 他 空 间 目 标 进 行 高 分 辨 率 成 像
年
月
美国空 军 研 究 实 验 室 发 射 了
实验卫星
在地球同步轨道
上进行天基
对其他
目标 成 像 的 技 术 验 证
国 内 也 有 对
相关技术的初步研究
在天基环境中
与被观测空间目标在不同
空间轨道上运行
交会点是两者距离最近的位置
天
基
成像观测一般 在 交会点附 近 进行
由 于 目
光
学
学
报
标距离远
散射截面积小
探测激光 功 率有限
天基
一般只能 获 得 微 弱 的 目 标 回 波
图 像 噪 声 大
质量差
如何利 用 天基
获 取 高 质 量 目 标
图像是需要关注的重要问题
针对天基
空间目标成像观测问题
本文简
要分析了天基
成像方式
建立了交会点附近连
续观测 的 直 线 运 动 模 型
探 讨 了 回 波 数 据 的 天 基
成像处理 方 法
给 出 了 成 像 分 辨 率 和 信 噪 比
以
空间 目 标 为 例 对 天 基
成 像 进 行 了 仿
真成像
天基
数据获取
在天基
系统中
天基
与被
观测空间目标分别 沿各自的 轨 道绕地球 运 动
该系
统一般具有轨道相对固定
速度稳定
外界扰动小等
特点
如图
所示
由于轨道 不 同
天 基
与 被
观测空间目标之间 存在稳定 的 相对运动
满足天基
成像所需的相对运动条件
图
天基
与被观测空间目标运行轨道
天基
与空间目 标 之间的相 对 距 离 随 时 间
而变
距离最近的位置称为交会点
成像观测一般在
交会点附近进行
因此
天基
数据获取的合理
方式如下
利用天基 平 台的跟踪 装 置获得被 观 测空
间目标的位置数 据
在 快 接 近 交 会 点 时
天 基
持续发射激光脉冲 照明目标
同时接收 来 自目标的
散射回波
从发射激光到接收回波的过程一直持续
到越过交会点一定距离后才停止
通过对所有的目
标散射回波进行数 学处理
反演生成 高 分辨率目 标
图像
由于天基
与被观测 空 间目标两者的运动
轨道半径很大
远远大于两者交会点的相对距离
因
此
在交会点附 近一段观测 时间内
天基
与被
观测空间目标之间的相对运动关系可以近似为匀速
直线运动
如图
所示
图中
L
为合成孔径长度
这里只考虑相对运动
假设目标静止
雷达在交会点
附近的范围
D
内 作 匀 速 直 线 运 动
V
持 续 照 明
目标
获取回波数据
这是典型的天基
聚束模
式成像
可以 通 过 天 基
成 像 的 处 理 方 式 处
理数据
图
天基
数据获取示意图
天基
成像
3.1
回波数据方程
一般来说
天基
目标回波数据的收集时间
远长于形成单幅目 标 图像所需 要 的合成孔 径 时间
因此
全部回波数据可以按合成孔径时间
T
L
V
分割为许多子 段 数 据
图
每 个 子 段 数 据 都 可 以
独立形成一幅 目 标 图像
对于每个 子 段回波数 据
不失一般性
应该按斜视成像处理
如图
所示
在图
的坐标 系 中
主 坐 标 系 为
XOZ
目 标 坐
标系为
X
O
Z
其中
Z
轴 与
Z
轴 重 合
是 天 基
与被观测目标交会点连线
两个坐标系 原点的
距离为
L
OO
表示天基
与 被 观 测 目 标 交
会点距离
天基
以速度
V
沿
X
轴运动
图
天基
系统坐标系
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