天基合成孔径激光雷达非合作目标成像系统设计与实验

合成孔径激光雷达是合成孔径技术在激光相干探测雷达领域的推广,相比传统合成孔径雷达具有更高的分辨率。相比机载、陆基等应用环境,空间没有大气湍流和机械振动,非常适合合成孔径激光雷达应用,而合成孔径激光雷达本身分辨率不随距离变化的优点,也利于空间大尺度距离探测。建立了对非合作目标进行高分辨率成像监测天基合成孔径激光雷达成像模型,对系统中关键参数进行分析,针对地球静止轨道上的目标进行了系统设计,提出系统实现工程化需要进一步突破的关键技术。结合理论分析,设计了缩比模型验证实验,利用转台模拟空间卫星间运动,得到了方位向分辨率1 mm的目标图像,证明了系统分析的合理性和该系统的实用性,对天基合成孔径激光雷达技术的推广具有一定意义。     

10m衍射口径天基合成孔径激光雷达系统

分析了用于对地成像的天基合成孔径激光雷达(SAL)系统指标,采用10m口径膜基衍射光学系统以满足功率口径积的要求,用合成孔径雷达相控阵天线模型分析了器件参数和衍射光学系统的波束方向图。针对大口径衍射光学系统存在的孔径渡越问题,提出了基于数字信号处理的高距离分辨率信号补偿聚焦方法。研究结果表明:10m衍射口径天基SAL系统有可能对远距离特定目标进行高数据率、高分辨率成像跟踪,该技术的实现具有一定的可行性。     

关于合成孔径激光雷达成像研究

该文概述了合成孔径激光雷达(SAL)成像演示的国内外研究现状|分析了已有的SAL 成像图片质量、成像体制及总的研究进展等,并指出为满足最终用户需求,SAL 研究至少需要解决扩大成像视场和降低大气湍流影响等问题。同时呼吁相关研究者积极贡献室外合成孔径激光雷达成像实验研究数据,共同推动合成孔径激光雷达成像技术的发展。      

基于干涉处理的机载合成孔径激光雷达振动估计和成像

实际飞行过程中载机的俯仰角和偏航角会在顺轨干涉处理的基线中引入交轨基线分量,在振动条件下对高程起伏地形难以精确成像。为实现机载合成孔径激光雷达(SAL)振动有效估计,提出了一种基于三探测器正交基线干涉处理的振动估计和成像处理方法,建立了信号模型并进行了精度分析。该方法需要使视场重叠,并利用了SAL非成像光学系统的特点来实现。介绍了利用一个对地宽幅成像探测器和三个振动估计探测器分置的光学系统实现方案,并讨论了探测器视场重叠度和信噪比对振动估计性能的影响。振动条件下对高程起伏地形的仿真成像结果验证了该方法的有效性。     

LEO卫星接收天线对北斗三号MEO覆盖性分析

低轨增强系统是将低轨卫星作为卫星导航系统的高精度天基监测站,与中高轨卫星定位系统形成互补,可增强定位的精度和完好性,助力构建GNSS全球天基监测网,同时通过提供高精度导航信号,助力提供全球准实时高精度服务。低轨导航增强系统处在同时同频全双工的工作状态,系统存在同频自干扰信号。针对该情况,首先,分析同频干扰对消技术对天基GNSS接收天线波束宽度的需求;其次,理论推导出GNSS接收天线与BDS-3 MEO卫星覆盖之间的关系,给出LEO卫星GNSS接收天线波束宽度最优值,该值既能最大限度降低同频干扰对消实现复杂度,又能实现LEO卫星作为导航增强的系统需求;最后通过工程实际证明该波束宽度的设置合理性,为后续实际工程起到一定的指导意义。     

基于天基逆合成孔径激光雷达的静止轨道目标成像

由于没有大气扰动的影响,利用天基逆合成孔径激光雷达（ISAL）对静止轨道目标成像成为可能。初步设计了对静止轨道目标成像的天基ISAL 的运行轨道,分别分析了在顺行轨道和逆行轨道下,天基ISAL 轨道高度对重访周期、成像分辨率和成像积累时间的影响;给出了ISAL 方位成像的最小无模糊脉冲重复频率（PRF）,分析了回波信噪比与成像距离、收发孔径之间的关系。研究结果表明,利用逆行轨道的天基ISAL 对静止轨道目标成像是初步可行的。     

多发多收合成孔径激光雷达高分辨率宽测绘带成像

合成孔径激光雷达（SAL）是作为未来远距离高分辨率对地区域观测的理想方式。针对传统的单发单收合成孔径激光雷达系统中高分辨率和宽测绘带的矛盾导致测绘带宽窄的问题,提出一种多发多收合成孔径激光雷达工作体制,该体制工作在低PRF模式,保证了距离向测绘带的不模糊,在方位向采用了多通道技术,利用虚拟孔径和真实孔径结合实现了方位向的多普勒不模糊。通过自适应波束形成将多通道数据合成大带宽无模糊数据,实现高分辨率宽测绘带成像。首先简述了方位向多通道技术提高方位向分辨率的原理;随后提出了多发多收合成孔径激光雷达的工作体制,并且给出了该工作体制下的信号模型,针对低脉冲重复频率条件下的多普勒模糊问题,提出了基于自适应波束形成解模糊信号处理方法。最后,通过三发三收体制验证多发多收合成孔径激光雷达工作体制的可行性。     

距离向扫描合成孔径激光雷达目标三维重建

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。     

逆合成孔径激光雷达鸟类目标成像方法研究

对鸟类目标进行高分辨成像是确保飞行安全的重要举措。针对现有雷达分辨率过低问题,提出了利用逆合成孔径激光雷达进行鸟类目标高分辨成像探测的构想。给出了逆合成孔径激光雷达实现鸟类成像的原理框图,以此为基础,建立了鸟类目标成像模型。仿真结果表明:本文模型可以获得鸟类目标高分辨像。     

基于改进SVA和压缩感知的SAL旁瓣抑制算法

针对机载合成孔径激光雷达实测数据成像中旁瓣较高的问题,提出一种新旁瓣抑制算法。压缩感知理论表明,稀疏信号恢复重构过程的同时,信号旁瓣会被压低,但合成孔径激光雷达图像不是稀疏的。针对这一问题,提出了一种基于改进SVA（Spatially Variant Apodization）和压缩感知重构SAL图像的旁瓣抑制算法。首先,利用改进SVA算法将SAL图像变稀疏,然后再利用压缩感知算法对稀疏图像进行恢复。分别对SAL仿真数据和实际高旁瓣SAL复图像进行抑制旁瓣处理。仿真结果表明:该算法能够在保证主瓣不被展宽的前提下有效抑制SAL旁瓣。     

合成孔径激光雷达光学系统和作用距离分析

该文对合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar, SAL)光学系统和作用距离进行了分析。根据SAL成像特点,提出了SAL使用非成像衍射光学系统的概念,并引入相控阵模型对其性能进行分析。通过在压缩光路中馈源和主镜两处使用二元光学器件,在口径300 mm条件下将2°接收视场信号收入光纤,对所需的相位参数和对应的波束方向图进行了计算仿真。给出了SAL作用距离方程,分析了相干探测和信号积累增益,明确了SAL具有良好的微弱信号探测能力的结论。针对实际应用需求,给出了一个远距离高分辨率机载SAL系统参数和工作模式。5 cm分辨率时,在连续条带成像模式下,其作用距离可达5 km,幅宽可达1.5 km;在滑动聚束成像模式下,作用距离可达10 km,幅宽可达1 km。      

星载斜视等距扫描成像

针对传统穿轨扫描成像方式存在的随扫描角度增大分辨率退化严重、大气程辐射差异大影响定量化应用等问题,提出了一种基于斜视等距扫描的成像方法。首先,介绍了该成像方法的原理,根据几何光学理论建立了几何成像模型。然后,基于几何成像模型,给出了大幅宽斜视等距扫描成像过程中扫描方向与垂直扫描方向空间分辨率随扫描角度的关系式,以及幅宽与扫描角度的关系式;进一步给出了该成像体制,通过卫星平台俯仰机动,实现多角度观测时分辨率、幅宽等关系式。最后,结合某预研星载相机进行了仿真分析。结果表明:分辨率退化大幅减小,在扫描角度60°时边缘分辨率退化相比穿轨扫描成像体制的9.3倍降低为2.5倍。为大幅宽成像边缘视场分辨率退化严重的问题提供了一种新的解决途径,对推动超大幅宽、高分辨率、多角度星载遥感的发展具有一定参考意义。     

星源照射双/多基地SAR成像

星源照射双/多基地合成孔径雷达(SAR),采用卫星发射,卫星、临近空间、飞机、地面等平台接收,实现对地海面场景和目标的高分辨成像。该技术具有可成像范围广、隐蔽性好、抗干扰能力强等优点,且可以通过波束调控实现扫描、聚束、滑动聚束等多种组合成像模式,从而获取更加丰富的成像信息,具有十分广阔的民用和军事应用前景。目前,国内外针对星源照射双/多基地SAR成像技术开展了多年的研究,积累了诸多研究成果。该文分别从系统组成、构型方法、回波模型、成像方法、收发同步与试验验证等方面对该技术进行阐述与分析,同时对相关的研究工作进行较系统的回顾,并展望了星源照射双/多基地SAR成像技术未来的发展方向。     

星机双基地SAR的两种波束同步方法

 收发平台的波束同步是关系到星机双基地SAR能否具有实用价值的核心技术.已有学者提出一种基于收发波束指向控制的同步方法,但原方法中所做的一些假设影响了其实用性.本文给出了两种方法.第一种方法去掉了原方法中所做的几条假设.给出了改进后的数学模型.第二种方法充分利用系统"远发近收"的特点,采用宽波束照射,能在方位分辨率相等的前提下获得比第一种方法更长的场景长度.分析了两种方法的优缺点及各自适用场合.     

对静止轨道卫星成像的SAL载星轨道

星载合成孔径激光雷达对卫星成像面临相对运动复杂、目标搜索困难、成像时机难把握等问题。以对静止轨道卫星成像为例,初步设计了一种适于对同步轨道卫星成像的载星轨道。推导了载星与目标间相对运动关系式;绘制并分析了两星相对运动曲线;分析了两星距离最近期间距离、径向速度、加速度变化规律。提出了基于径向速度门限的成像时机判定方法,研究了成像期间光束指向偏移和成像时机判决速度门限。研究结果表明:轨道高度低于目标星轨道,并与之有一定偏角的载星轨道适于对目标进行成像;两星相距最近的时间附近是较佳成像时机,可降低相位误差补偿难度,提高系统工作效率;在对目标进行搜索跟踪和判决成像时机时,系统需根据两星轨道特性进行动态调整。     

机载合成孔径激光雷达相位调制信号性能分析和成像处理

该文将相位调制信号用于机载合成孔径激光雷达,分析了3 种相位调制信号的性能,研究了相位调制信号的收发方式和成像处理方法。针对机载合成孔径激光雷达观测幅宽较小的特点,对基于线性调频信号的相位调制信号,提出采用去调相接收方式,以大幅度降低宽带信号的AD 采样率。对3 种相位调制信号所做的成像仿真结果表明了该方法的有效性。      

天基合成孔径激光雷达系统分析

介绍了国内外合成孔径激光雷达的研究现状,讨论了其技术体制、工作模式和光学系统特点。给出了一个用于空间目标观测的天基合成孔径激光雷达系统方案,并对其主要的性能指标和关键技术进行了分析。研究表明:天基合成孔径激光雷达可以在大前斜视角条件下,以高数据率对目标实现远距离高分辨率成像。     

任意构型双基地SAR二维频谱精度定量评估研究

双基地SAR频域成像算法,是目前SAR成像领域的研究热点。由于双基地SAR的距离历史具有双根号形式,利用驻定相位原理无法得到解析的二维频谱表达式,这给双基地SAR频域成像算法的研究带来了一定困难。本文通过引入点目标冲激响应,利用主瓣宽度、峰值旁瓣比和积分旁瓣比三个指标对扩展LBF、级数反演、二维驻定相位原理得到的点目标冲激响应进行了量化评估。同时,以星机双基地SAR成像为例,仿真不同频谱模型的二维聚焦效果,进一步验证了不同频谱模型的精度。      

机载下视阵列合成孔径雷达成像的微多普勒效应

机载阵列合成孔径雷达(SAR)采用机翼共形天线,机翼振动会引起回波相位误差而导致成像散焦。基于微多普勒模型和时频分析方法,研究了机载下视阵列调频连续波(FMCW)SAR成像的微多普勒效应。对振动模型进行了建模,结合阵元振动几何模型分析了信号特点,并基于时频分析方法对下视阵列FMCW SAR的微多普勒效应进行了成像仿真分析。结果表明,该方法可准确估计下视阵列SAR天线振动误差。     

一种实用化的星机双基地SAR空间同步方法

由于卫星和飞机在飞行速度上的较大差异,收发平台波束指向的空间同步是星机双基地SAR的一大技术难点。该文在已有文献所提出方法的基础上,考虑了卫星运行在椭圆轨道、地球是一个椭球体、飞机与卫星的飞行方向可能不平行等实际情况,建立了控制收发天线指向的数学模型并推导了相关公式。仿真结果验证了所提出方法的可行性,结果表明:该方法能在保持较高分辨率的前提下获得实用的场景大小。