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大随机相位误差下条带模式合成孔径激光雷达成像实验

李明磊 吴谨 白涛 万磊 李丹阳

李明磊, 吴谨, 白涛, 万磊, 李丹阳. 大随机相位误差下条带模式合成孔径激光雷达成像实验[J]. 中国光学, 2019, 12(1): 130-137. doi: 10.3788/CO.20191201.0130
引用本文: 李明磊, 吴谨, 白涛, 万磊, 李丹阳. 大随机相位误差下条带模式合成孔径激光雷达成像实验[J]. 中国光学, 2019, 12(1): 130-137. doi: 10.3788/CO.20191201.0130
LI Ming-lei, WU Jin, BAI Tao, WAN Lei, LI Dan-yang. Stripmap mode synthetic aperture ladar imaging under large random phase errors condition[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 130-137. doi: 10.3788/CO.20191201.0130
Citation: LI Ming-lei, WU Jin, BAI Tao, WAN Lei, LI Dan-yang. Stripmap mode synthetic aperture ladar imaging under large random phase errors condition[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 130-137. doi: 10.3788/CO.20191201.0130

大随机相位误差下条带模式合成孔径激光雷达成像实验

doi: 10.3788/CO.20191201.0130
详细信息
    作者简介:

    李明磊(1991-), 男, 山东滨州人, 硕士研究生, 现为中国科学院电子学研究所硕士研究生, 主要从事激光雷达技术与系统方面的研究。E-mail:liminglei2011@163.com

    吴谨(1965—),男,湖南绥宁人,博士,研究员,2001年于中国科学院电子学研究所获得博士学位,主要从事激光雷达技术与系统、脉冲气体激光器方面的研究。E-mail:jwu@mail.ie.ac.cn

  • 中图分类号: TN958.98

Stripmap mode synthetic aperture ladar imaging under large random phase errors condition

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图(8) / 表 (1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-03-25
  • 修回日期:  2018-04-26
  • 刊出日期:  2019-02-01

大随机相位误差下条带模式合成孔径激光雷达成像实验

doi: 10.3788/CO.20191201.0130
    作者简介:

    李明磊(1991-), 男, 山东滨州人, 硕士研究生, 现为中国科学院电子学研究所硕士研究生, 主要从事激光雷达技术与系统方面的研究。E-mail:liminglei2011@163.com

    吴谨(1965—),男,湖南绥宁人,博士,研究员,2001年于中国科学院电子学研究所获得博士学位,主要从事激光雷达技术与系统、脉冲气体激光器方面的研究。E-mail:jwu@mail.ie.ac.cn

  • 中图分类号: TN958.98

摘要: 为了探索大随机相位误差条件下合成孔径雷达(SAL)成像特点和规律,本文采用波长为1 550 nm的线性调频激光器建立了能够产生大的共模随机相位误差的条带模式SAL成像实验装置。利用此装置获得了不同目标回波强度下条带模式SAL成像实验数据,结合条带模式相位梯度自聚焦(PGA)多次迭代处理,获得了高分辨率SAL图像。实验发现在[-6.45π,6.45π]范围的大随机相位误差下,通过简单的距离压缩和方位匹配滤波,无法实现SAL图像聚焦,图像信噪比仅为3 dB。进一步采用PGA处理,就能很好地校正相位误差,得到聚焦良好的SAL图像,图像信噪比达到43 dB。实验还发现,当存在大共模随机相位误差时,PGA处理展现出非常强的鲁棒性,在回波弱到10-15 W的情况下依然有效。在大相位误差存在的SAL系统(如机载SAL)中,PGA处理能有效消除相位误差,实现图像聚焦;另外,增大探测激光功率以提高成像数据信噪比,将有助于提升PGA处理效果。

English Abstract

李明磊, 吴谨, 白涛, 万磊, 李丹阳. 大随机相位误差下条带模式合成孔径激光雷达成像实验[J]. 中国光学, 2019, 12(1): 130-137. doi: 10.3788/CO.20191201.0130
引用本文: 李明磊, 吴谨, 白涛, 万磊, 李丹阳. 大随机相位误差下条带模式合成孔径激光雷达成像实验[J]. 中国光学, 2019, 12(1): 130-137. doi: 10.3788/CO.20191201.0130
LI Ming-lei, WU Jin, BAI Tao, WAN Lei, LI Dan-yang. Stripmap mode synthetic aperture ladar imaging under large random phase errors condition[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 130-137. doi: 10.3788/CO.20191201.0130
Citation: LI Ming-lei, WU Jin, BAI Tao, WAN Lei, LI Dan-yang. Stripmap mode synthetic aperture ladar imaging under large random phase errors condition[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 130-137. doi: 10.3788/CO.20191201.0130
    • 最近十几年,合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar, SAL)成像技术取得了突破性进展,国内外均实现了高分辨率SAL成像实验演示[1-12],例如,2012年,美国蒙大拿州立大学在距离1.4 m获得了超过光学接收口径衍射极限1 000多倍的蜻蜓标本聚束模式SAL图像[4];2015年,中国科学院电子学研究所在距离12.9 m得到了超过真实光学接收口径衍射极限100多倍的条带模式SAL图像[6]。国内外研究结果均表明,将微波SAR技术推广至光学波段,实现超越真实光学接收口径衍射极限的高分辨率成像,在实验室甚至机载条件下,均具有技术可行性。SAL技术的发展,为远距离高分辨率成像探测领域(如机载高分辨率对地观测)带来新的手段。

      然而,自2011年美国洛克希德马丁公司首次发表机载SAL实验图像以来[3],SAL技术发展并非一帆风顺。文献资料中,仅有2015年,中国科学院电子学研究所发表的一份条带模式机载SAL成像结果[9]。国内外这两次机载SAL实验均以强回波的合作目标作为实验对象,巡航高度不超过3.0 km。这种缓慢的进展表明,从原理演示发展成为对地观测实用设备,机载SAL仍有不少技术障碍需要跨越。

      理论上,SAL高分辨率成像依赖于长时间稳定的回波相位史数据(Phase History Data, PHD)。然而在机载SAL中,这是难以保证的。一方面,由于振动、大气等因素的影响,飞机平台存在不受控制的无规则运动,导致PHD中总是存在巨大的相位误差,致使图像散焦严重。在两个公开报道的机载SAL实验结果中,相对稳定的PHD时间不到5 ms,相应的子孔径长度仅约20 cm,远小于目标平面约1 m的光斑脚印尺寸。另一方面,机载SAL利用侧视方式照明,除非采用合作目标,一般后向散射系数都很小,通常只能获得微弱的目标散射回波。因此,不同目标散射回波条件下,大相位误差SAL高分辨率成像的问题,可能是机载SAL发展需要跨越的技术障碍之一。

      为了进一步研究机载SAL成像规律,本文利用1 550 nm光纤激光器,建立了大随机相位误差的SAL成像实验装置。在条带模式下,通过改变探测激光功率,获得了不同散射回波功率的PHD。结合PGA算法,探索了大随机相位误差条件下SAL成像特点。

    • 条带模式机载SAL的成像几何关系如图 1所示。搭载SAL的机载平台在空间的运动误差可以分解为沿航向、光束指向、及二者的垂直方向的3个转动自由度(3个转动自由度分别为图 1中的侧滚角,俯仰角,航向角)和3个平动自由度方向的误差。理论上,SAL合成孔径时间内,只能有沿航向的匀速运动,不应有其他运动。而转动只影响目标回波的幅度,不影响相位[13],一般机载导航惯导精度可以满足雷达平台转动误差的控制要求[14]。平动是相位误差的主要来源。平动误差的影响主要表现为接收孔径相位中心在空间位置的变化,导致雷达到目标的瞬时距离L0存在误差,引起雷达回波在相位上的变化。

      图  1  条带模式机载SAL几何关系

      Figure 1.  Geometric relations of an stripmap mode airborne SAL

      对于只考虑平动的情况下,采用“点发射点接收”模型,可对机载侧视SAL建立如图 2所示的坐标系[15]。在图 2中,(XYZ)为主坐标系,点O为其坐标原点;(X0Y0Z0)为目标坐标系,点O0为其坐标原点。主坐标系原点O与目标坐标系原点O0之间的连线为L0。目标坐标系的X0轴与主坐标系的X轴平行,Y0轴在主坐标系的YOZ平面内,且与Z轴成φ角,此φ角即为SAL中的侧视角,在正侧视情况下,侧视角φ=45°。假定SAL在主坐标系中以速度vx沿X轴运动(航迹方向,亦称顺轨方向)。当运动到第m个方位向采样位置时,SAL在主坐标系坐标为O′(xm, ym, zm)。

      图  2  条带模式侧视SAL系统坐标关系图

      Figure 2.  Coordinate relationship diagram of a stripmap mode SAL

      根据图 2的坐标关系,目标点P0(x0, y0, z0)与SAL的距离为:

      (1)

      目标点P0(x0, y0, z0)对应的回波相位表示为

      (2)

      上式中,λ0为探测激光波长。因此,SAL的3个平动坐标(xm, ym, zm)中,对相位影响最大的是zm,即SAL在主坐标系Z轴上的运动。

      t=tm+tf时刻(其中,tm为慢时间,tf为快时间),将zm作泰勒展开,得到:

      (3)

      结合式(2),可以看出,zm变化在相位中引入与快时间tf有关的相位项,这些相位项对所有的目标点是一样的。

      对于采用线性调频的SAL系统,与快时间tf有关的一次项相位对应多普勒频移,产生距离徙动;与快时间tf有关的二次项相位引起多普勒频移的展宽。共同的多普勒频移可通过数学处理予以消除,共同的多普勒展宽可以通过缩短探测激光脉冲长度减小其影响。

      由于SAL工作在激光波段,为实现稳定合成孔径成像,理论上要求式(3)中zm变化引入的相位误差小于[16],即zm变化小于波长的十二分之一。在机载SAL条件下,这是不可能长时间保证的。因此,机载SAL成像PHD中,不可避免地存在巨大的共模相位误差。

    • 图 3所示。该装置是建立在一个稳定运转的SAL成像实验装置上,其详细描述可见文献[17],不同的是增加了发射激光功率衰减器(PA)和随机相位误差(RPE)发生器。线偏振发射激光信号经过光纤准直透镜Tx发射,通过PA调节发射功率,由RPE发生器施加相位误差,经过光束扩展(BE1)进行变换,然后由偏振分束器(PBS)和四分之一波片(QW),使发射口径输出的线偏振光变为圆偏振光,照射在与发射光束光轴成一定夹角(正侧视)的平面上;目标的后向散射回波经过QW变为线偏振光,再经过PBS和光束扩展器(BE2),由接收口径(Rx)接收。

      图  3  条带模式SAL实验装置示意图

      Figure 3.  Schematic of the stripmap mode SAL setup

    • 探测器接收到的目标散射回波功率与发射口径Tx发射的功率成正比,因此,可以通过改变发射功率模拟不同目标散射回波强弱的情形。图 3中,PA由两个线偏振器(POL1和POL2)组成。POL2偏振方向固定在与Tx出射光相同的水平方向,POL1的偏振方向可旋转调节。若Tx的输出功率为P,转动POL1,使其偏振方向与POL2的偏振方向成夹角α,由马吕斯定律可知,POL2的输出功率为Pcos4α。由上可知通过转动POL1可以控制照明目标的激光功率,即调节目标散射回波功率。

    • 图 3中,RPE产生器由两个光学反射镜(OR1,OR2)组成。其中,OR1固定,OR2安放在步进线性平移台上,利用电机控制器控制其运动,步进的步长为0.5 μm。,实验中,电机每次步进的步数在[-5, 5]内随机取值,每次脉冲采样结束后进行复位,即实现了在发射光束光轴方向上[-2.5 μm, 2.5 μm]范围内做随机活塞运动,OR2在光路中双程折返,相当于整个发射系统的光程在光轴方向加入[-5 μm, 5 μm]的随机误差。激光器波长为1 550 nm,光轴方向的随机运动误差会在回波PHD中引入约[-6.45π, 6.45π]的RPE,远远超过了SAL系统稳定成像时相位误差在π/3之内的条件[16]

    • 实验参数见表 1

      表 1  SAL实验参数

      Table 1.  Parameters of SAL experiment

      Parameters Values
      Carrier wavelength(λ0) 1 550 nm
      Wavelength scanning speed 100 nm/s
      Transmitting beam divergence angle 3.0 mrad
      Target distance(I0) 1.85 m
      Pulse length(τpul) 100 ms
      Side-looking angle(ϕ) 45°
      Random error(ΔL0) [-2.5 μm, 2.5 μm]
      Imaging mode stripmap
    • 基本的SAL图像通过傅里叶变换实现距离压缩与方位匹配滤波后形成。由于大RPE的存在,这样形成的基础SAL图像在方位向是散焦的。需要通过PGA迭代处理消除相位误差,实现高分辨率成像。

      PGA算法采用适用于条带模式SAL图像处理的算法[18]图 4为实验采用的条带PGA算法流程图。

      图  4  条带模式PGA算法流程图

      Figure 4.  Flow chart of PGA algorithm for strip mode

    • 图 5为一个大RPE示例。700个脉冲,每个脉冲施加的相位误差不同,其分布是完全随机的。

      图  5  随机相位误差

      Figure 5.  Random phase errors

      实验目标如图 6(a)所示,为采用“3M”反光材料切割而成的“IECAS”5个大写英文字母。合作目标有较强的后向散射能力,远远超过了支撑板和背景,因此,目标回波主要由5个字母组成。

      图  6  P=36 mW时SAL成像结果

      Figure 6.  SAL imaging results under 36 mW

      图 6展示了强回波条件下(激光照射平均功率36 mW)大共模RPE的结果。图 6(b)是经过距离压缩与方位匹配滤波后的基本SAL图像,图 6(c)展示了PGA校正的SAL图像。

      由于随机活塞运动会引起巨大的RPE,故通过距离压缩和匹配滤波直接形成的图 6(b)中的SAL图像是完全散焦的,图像信噪比仅为3 dB,信号完全淹没在误差中。然而,经过PGA迭代处理后,图 6(c)中5个字母可以清晰地显示出来,表明巨大的相位误差得到很好的校正,此时图像信噪比达到了43 dB。

      图 7是100 nW激光照射平均功率(相应的目标回波功率约为10-15 W量级)下大RPE的SAL成像结果。图 7(a)是基本SAL图像,图 7(b)为PGA校正的SAL图像。

      图  7  P=100 nW时SAL成像结果

      Figure 7.  SAL imaging results when P=100 nW

      可见,由于施加了大RPE,图 7(a)完全散焦,经过PGA处理,图 7(b)得到了聚焦良好的像,此时图像信噪比约为15 dB,RPE得到有效校正。同时,随着激光照射功率降低到100 nW,目标散射回波功率与图 6相比,降低了6个数量级,所得的SAL图像信噪比降低了28 dB,仅有15 dB,但仍能看出字母的图像。

      图 8是进一步降低到30 nW激光照射平均功率下大RPE的SAL成像结果。图 8(a)为基本的SAL图像,图 8(b)展示了PGA校正后的SAL图像。

      图  8  P=30 nW时SAL成像结果

      Figure 8.  SAL imaging results when P=30 nW

      可见,当照射激光平均功率进一步降低到30 nW时,图 8中的噪声已经很严重了,信噪比非常低。噪声来源很多,如散斑噪声、散粒噪声、探测器暗电流噪声等。但是在SAL中,目标回波功率很弱时,噪声来源主要是强本征信号引起的散粒噪声(文献中常称为shot-noise dominated)。此时,即使经过迭代PGA校正,所得的图 8(b)中也难以分辨出5个字母目标。图 8(b)的图像信噪比仅为4 dB,信号完全淹没在噪声中。这是因为目标回波太弱时,图像数据信噪比过低,PGA难以在图像数据中找到有效的目标强点,因此,得不到准确的相位误差值,使PGA的相位误差消除能力失去了作用。

    • 本文基于SAL实际应用中PHD特点,建立了可产生大共模RPE的SAL成像实验装置;利用合作目标,开展了条带模式成像演示实验。实验结果表明,存在大的共模RPE时,仅进行距离压缩和方位匹配滤波无法实现SAL图像聚焦,图像信噪比很低。但是经过PGA处理可以很好地校正RPE,得到清晰的SAL图像;而且在较弱目标回波情形下,PGA处理仍展现出很强的鲁棒性。

      本文的成像实验是基于合作目标的,但是,所得结论不失一般性。SAL采用的是相干探测,其背景回波不是噪声,共模RPE对目标与背景均是相同的。对于目标与背景的回波强度相差不大的SAL成像,不感兴趣的背景也会被成像,此时感兴趣的目标在整个SAL图像上的对比度变低了。

      受这个实验结果启发,对于机载SAL可以考虑加大发射功率,形成强回波,使SAL的成像数据具有较高的信噪比。这样,即使PHD中存在较大的共模RPE,也有可能利用PGA处理来补偿相位误差,得到清晰的像。另一方面,共模RPE的情况下,在每个方位脉冲中,所有的目标点都历经同样的相位误差历程。因此,采用硬件处理,如DSAL[19],可能也是一种值得考虑的选择。

参考文献 (19)

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