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分析了合成孔径激光成像雷达(SAIL)受散斑效应影响的分辨单元成像过程并推导了含有散斑效应的二维数据收集方程。在此基础上通过数值模拟分析比较了不同接收天线尺寸、不同天线积分起点位置情况下散斑效应对成像所需的光电流交流项、距离向压缩和最终分辨单元成像结果的影响。结果表明散斑效应对分辨单元成像的影响主要体现在降低了分辨单元的图像强度,同时不同天线尺寸和天线积分位置对分辨单元的成像影响差异较大。分析结果可为今后SAIL散斑效应的抑制提供一定的参考。
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书书书
第
34
卷
第
9
期
光
学
学
报
Vol.34
,
No.9
2014
年
9
月
犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃
犛犲
狆
狋犲犿犫犲狉
,
2014
合成孔径激光成像雷达散斑效应分辨单元成像研究
许
倩
1
,
2
周
煜
1
孙建锋
1
孙志伟
1
,
2
卢智勇
1
,
2
张
宁
1
,
2
刘立人
1
1
中国科学院上海光学精密机械研究所,中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室,上海
201800
2
中国科学院大学,北京
( )
100049
摘要
分析了合成孔径激光成像雷达(
SAIL
)受散斑效应 影响的 分辨 单元成 像过 程并推 导了 含有散 斑效 应的二 维
数据收集方程。在此基础上通过数值模拟分析比较了不同接收天线尺寸、不同天 线积 分起点 位置 情况下 散斑 效应
对成像所需的光电流交流项、距离向压缩和最终分辨单元成像结果的影响。结果 表明散 斑效 应对分 辨单 元成像 的
影响主要体现在降低了分辨单元的图像 强度,同 时不 同 天 线 尺寸 和 天 线 积分 位 置 对 分辨 单 元 的 成像 影 响 差 异较
大。分析结果可为今后
SAIL
散斑效应的抑制提供一定的参考。
关键词
遥感;合成孔径激光成像雷达;激光散斑;散斑效应;光学接收天线
中图分类号
TN958
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犃犗犛201434.0928001
犚犲狊犲犪狉犮犺狅狀狋犺犲犛
狆
犲犮犽犾犲犐狀犳犾狌犲狀犮犲犱犚犲狊狅犾狌狋犻狅狀犐犿犪
犵
犻狀
犵
狅犳
犛
狔
狀狋犺犲狋犻犮犃
狆
犲狉狋狌狉犲犐犿犪
犵
犻狀
犵
犔犪犱犪狉
犡狌犙犻犪狀
1
,
2
犣犺狅狌犢狌
1
犛狌狀犑犻犪狀犳犲狀
犵
1
犛狌狀犣犺犻狑犲犻
1
,
2
犔狌犣犺犻
狔
狅狀
犵
1
,
2
犣犺犪狀
犵
犖犻狀
犵
1
,
2
犔犻狌犔犻狉犲狀
1
1
犓犲
狔
犔犪犫狅狉犪狋狅狉
狔
狅
犳
犛
狆
犪犮犲犔犪狊犲狉犆狅犿犿狌狀犻犮犪狋犻狅狀犪狀犱犇犲狋犲犮狋犻狅狀犜犲犮犺狀狅犾狅
犵狔
,
犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿
狔
狅
犳
犛犮犻犲狀犮犲狊
,
犛犺犪狀
犵
犺犪犻犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅
犳
犗
狆
狋犻犮狊犪狀犱犉犻狀犲犕犲犮犺犪狀犻犮狊
,
犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿
狔
狅
犳
犛犮犻犲狀犮犲狊
,
犛犺犪狀
犵
犺犪犻
201800
,
犆犺犻狀犪
2
犝狀犻狏犲狉狊犻狋
狔
狅
犳
犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿
狔
狅
犳
犛犮犻犲狀犮犲狊
,
犅犲犻
犼
犻狀
犵
100049
,
烄
烆
烌
烎
犆犺犻狀犪
犃犫狊狋狉犪犮狋
犐犿犪
犵
犻狀
犵狆
狉狅犮犲狊狊犪狀犱狋犺犲狋狑狅犱犻犿犲狀狊犻狅狀犪犾犱犪狋犪犮狅犾犾犲犮狋犻狅狀犻狀犳犾狌犲狀犮犲犱犫
狔
狊
狆
犪犮犲狋犻犿犲狊
狆
犲犮犽犾犲犲犳犳犲犮狋犳狅狉犪
狉犲狊狅犾狌狋犻狅狀狅犳狋犺犲狊
狔
狀狋犺犲狋犻犮犪
狆
犲狉狋狌狉犲犻犿犪
犵
犻狀
犵
犾犪犱犪狉
(
犛犃犐犔
)
犪狉犲犪狀犪犾
狔
狕犲犱.犅犪狊犲犱 狅狀狋犺犲
狆
狉犲狏犻狅狌狊狉犲狊犲犪狉犮犺
,
狋犺犲
犻狀犳犾狌犲狀犮犲狊狅犳狋犺犲狊
狆
犲犮犽犾犲犲犳犳犲犮狋犻狀狋狉狅犱狌犮犲犱犫
狔
犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊犮狅
狆
犲狊犪狀犱犾狅犮犪狋犻狅狀狊狅犳狋犺犲狉犲犮犲犻狏犻狀
犵
犪狀狋犲狀狀犪犪狉犲犮狅犿
狆
犪狉犲犱.
犆狅狉狉犲狊
狆
狅狀犱犻狀
犵
犾
狔
,
狋犺犲
狆
犺狅狋狅犮狌狉狉犲狀狋
,
狋犺犲犮狅犿
狆
狉犲狊狊犻狅狀犻狀狉犪狀
犵
犲犱犻狉犲犮狋犻狅狀犪狀犱狋犺犲犳犻狀犪犾犻犿犪
犵
犲狊狅犳狋犺犲狉犲狊狅犾狌狋犻狅狀犪狉犲
狊犻犿狌犾犪狋犲犱.犛犻犿狌犾犪狋犻狅狀狉犲狊狌犾狋狊狊犺狅狑狋犺犪狋狋犺犲犻犿犪
犵
犲犻狀狋犲狀狊犻狋
狔
狅犳狋犺犲狉犲狊狅犾狌狋犻狅狀犻狊狊犻
犵
狀犻犳犻犮犪狀狋犾
狔
犱犲犮狉犲犪狊犲犱
,
犪狀犱狋犺犲狊
狆
犪犮犲
狋犻犿犲狏犪狉
狔
犻狀
犵
狊
狆
犲犮犽犾犲 犲犳犳犲犮狋狊
,
犻狀狋狉狅犱狌犮犲犱 犫
狔
犱犻犳犳犲狉犲狀狋狊犮狅
狆
犲狊 犪狀犱 犾狅犮犪狋犻狅狀狊 狅犳狋犺犲 狉犲犮犲犻狏犻狀
犵
犪狀狋犲狀狀犪
,
犲狓犺犻犫犻狋
狉犲犿犪狉犽犪犫犾犲犱犻犳犳犲狉犲狀狋犻狀犳犾狌犲狀犮犲狊狅狀狋犺犲狉犲狊狅犾狌狋犻狅狀犻犿犪
犵
犻狀
犵
.犗狌狉狉犲狊犲犪狉犮犺
狆
狉狅狏犻犱犲狊犪犮犲狉狋犪犻狀狉犲犳犲狉犲狀犮犲犳狅狉狋犺犲狉犲犱狌犮狋犻狅狀
狅犳狋犺犲狊
狆
犲犮犽犾犲犲犳犳犲犮狋犻狀犛犃犐犔狊.
犓犲
狔
狑狅狉犱狊
狉犲犿狅狋犲狊犲狀狊犻狀
犵
;
狊
狔
狀狋犺犲狋犻犮犪
狆
犲狉狋狌狉犲犻犿犪
犵
犻狀
犵
犾犪犱犪狉
;
犾犪狊犲狉狊
狆
犲犮犽犾犲
;
狊
狆
犲犮犽犾犲犲犳犳犲犮狋
;
狅
狆
狋犻犮犪犾狉犲犮犲犻狏犻狀
犵
犪狀狋犲狀狀犪
犗犆犐犛犮狅犱犲狊
280.6730
;
030.6140
;
110.1650
收稿日期:
20140428
;收到修改稿日期:
20140519
基金项目:国家自然科学基金(
61377004
,
61108069
)
作者简介:许
倩(
1987
—),女,博士研究生,主要从事合成孔径激光成像雷达散斑效应方面的研究。
Email
:
xu
q
ian
@
siom.ac.cn
导师简介:刘立人(
1942
—),男,研究员,博士生导师,主要从事激光技术和光学信息领域方面的研究。
Email
:
lirenliu
@
mail.shcnc.ac.cn
1
引
言
合成孔径激光成像雷达(
SAIL
)是 微 波 合 成 孔
径雷达(
SAR
)在光 学波段 的 应用,是目前能 够 在几
千公里作用距离上实现厘米量级分辨率的最可行的
光学成像 手 段。
SAIL
以 近 红 外 激 光 器 为 辐 射 源,
其工作波长比
SAR
的射频波 段 短
3
~
6
个数量级。
在比
SAR
获得更高成像 分辨率的 同 时,
SAIL
也因
为激光的高 相 干 性 不 可 避 免 地 受 到 散 斑 效 应 的 影
响
[
1-2
]
,国内外 许 多 研 究 机 构 的
SAIL
成 像 实 验 结
果
[
3-6
]
也说明散斑效应的 存在对
SAIL
成像质 量有
09280011
光
学
学
报
所影响。
美 国 海 军 实 验 室 (
NRL
)于
2002
年 研 究 了
SAIL
中散斑效应 对
SAIL
光 学 外 差 探 测 信 噪 比 产
生的影响
[
1
]
,没 有 涉 及 时 间 变 化 的 散 斑 统 计 特 性。
文献[
2
]首次提出
SAIL
中 随 时 间 空 间 变 化 的 散 斑
效应,文献[
7
]利用部分相关理论描述了时空散斑效
应
,提出了抑制散斑效应的
SAIL
结构和工作模式。
文献[
8
]建立了时空散斑效应的物理模型,通过具体
实例计算并 实 验验证了
SAIL
中散斑的 统 计特性。
文献[
9
]分析了散斑 的天线 接收特性 及 影响接收 天
线散斑积分场的因 素。 本文在 之 前工作的 基 础上,
分析 了
SAIL
受 散 斑 效 应 影 响 的 分 辨 单 元 成 像 过
程,推导了含有散斑效应的二维数据收集方程,并通
过数值模拟分析比 较了不同 接 收天线尺 寸、不 同 天
线积分起点位置情况下散斑效应对分辨单元成像的
影响。分析结果可为抑制
SAIL
中的散斑效应提供
重要参考。
2
理论分析
条带模式下的机载
SAIL
散斑接收如图
1
所示。
狓
轴为方位向坐标,目标平面倾斜角
θ
。目标面坐标表
示为(
狓
犽
,
狔
犽
),天线接收面坐标为(
狓
r
,
狔
r
),分辨率单元
尺寸为
犱
狓
×
犱
狔
。光学发射天线尺寸为
犔
狓
×
犔
狔
,接收天
线尺寸为
犇
狓
×
犇
狔
。
SAIL
到目标面的中心斜距为
狕
0
,
与主平 面(
狓
,
狔
)的坐标变 换 可 表 示 为
狓
=
狓
犽
,
狔
=
狔
犽
sin
θ
,
狕
=
狕
0
+
狔
犽
cos
θ
。
SAIL
平台运动速度为
狏
,工
作中心波长为
λ
。距 离 向 上 的 快 时 间 定 义 为
狋
f
(
0
≤
狋
f
≤
犜
f
),方位向上的慢时间表示为
狋
s
=
狀犜
s
,
犜
s
是
发射脉冲的时间间隔。
SAIL
的发射信号为线性调频
啁啾激光信号,起始频率为
犳
0
,频率啁啾率为
犳
,啁
啾频率表示为
犳
(
狋
f
)
=
犳
0
+
犳
狋
f
。由于实际激光器往往
对波长线性调制,与频率对应的起始波长为
λ
0
,波长啁
啾率为
λ
=-
λ
2
犮
犳
,啁啾波长可以表示为
λ
(
狋
f
)
=
λ
0
+
λ
狋
f
。波长啁啾 范围可表示 为
Δ
λ
=
λ
犜
f
=-
λ
2
/
2
犱
狔
。
文献[
10
]已经给出了理想情况下的
SAIL
的二维成
像数据方程,下 面 分 析 受 到 散 斑 效 应 影 响 的
SAIL
成像过程。
图
1
条带模式机载合成孔径激光成像雷达
散斑接收示意图
Fi
g
.1 Geometr
y
forstri
p
modeSAILs
p
ecklerece
p
tion
在前面所述 的 条 带 模 式
SAIL
中,含 有 时 域 信
号的发射光场可表示为
犈
1
(
狓
r
,
狔
r
,
狋
狀
,
f
)
=
犃
1
rect
狓
r
犔
( )
狓
rect
狔
r
犔
( )
狔
ex
pj
2
π
犳
0
狋
f
+
犳
狋
2
f
[ ]
{ }
2
.
(
1
)
目标面与
SAIL
的距离满足远场衍射条件,照射到 目标面上为 发射光的衍 射场,分 辨率单元(
狓
犽
,
狔
犽
)处
的复振幅可以表示
犈
2
(
狓
犽
-
狀狏犜
s
,
狔
犽
)
=
犃
1
犔
狓
犔
狔
j
λ
狕
sinc
(
狓
犽
-
狀狏犜
s
)
犔
狓
λ
[ ]
狕
sinc
狔
犽
犔
狔
λ
( )
狕
ex
p
j
2
π
狕
( )
λ
×
ex
p
j
π
(
狓
犽
-
狀狏犜
s
)
2
+
(
狔
犽
sin
θ
)
2
λ
[ ]
狕
.
(
2
)
粗糙目标面上的分辨单元
犱
狓
×
犱
狔
经后向散射,在接收面上得到回波信号:
′犈
3
(
狓
r
,
狔
r
,
狓
犽
,
狔
犽
:
狋
f
,
狀犜
s
)
=
犈
2
(
狓
犽
-
狀狏犜
s
,
狔
犽
)
ρ
(
狓
犽
-
狀狏犜
s
,
狔
犽
)
犲
s
p
eckle
(
狓
r
,
狔
r
;
狋
f
,
狀犜
s
)
×
ex
pj
π
犳
0
(
狋
f
-
τ
)
+
犳
(
狋
f
-
τ
)
2
[ ]
{ }
2
, (
3
)
式中
ρ
(
狓
犽
-
狀狏犜
s
,
狔
犽
)代表朗伯体的反射率,
τ
=
2
狕
/
犮
为回波信号的双程延迟时间。
犲
s
p
eckle
(
狓
r
,
狔
r
;
狋
f
,
狀犜
s
)为目
标分辨单元后向散射得到的散斑场。由文献[
8
],将目标面分辨单元按奈奎斯特定律等间隔分为
犕
×
犕
个采
样单元。第(
犻
,
犼
)个采样单元坐标为[
狓
犽
(
犻
,
犼
),
狔
犽
(
犻
,
犼
)]。接收面(
狓
r
,
狔
r
)的散斑场可以由所有采样单元的回波
叠加进行表示:
犲
s
p
eckle
(
狓
r
,
狔
r
;
狋
f
,
狀犜
s
)
=
1
犕
2
∑
犻
≤
犕
,
犼
≤
犕
犈
[
狓
r
,
狔
r
;
狓
犽
(
犻
,
犼
),
狔
犽
(
犻
,
犼
)], (
4
)
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Nedl002
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