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相位梯度自聚焦(PGA)算法广泛应用于合成孔径雷达的运动误差补偿。激光信号波长比微波信号小3~4个数量级,因而在合成孔径激光成像过程中,实验平台的振动会引入极大的相位误差,导致成图质量下降。在合成孔径激光雷达(SAL)成像过程中应用PGA算法,并针对激光波段信号的特点对传统的PGA算法在加窗方法上加以改进。实现了SAL样机在室外64 m成像距离下的快速合成孔径激光成像的实验验证,证明PGA算法能够实现散焦数据中相位误差的精确补偿,且改进后的PGA算法在达到同样补偿效果的前提下,迭代次数更少。
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激光与光电子学进展
Laser&O
p
toelectronicsPro
g
ress
中国激光
杂志社
相位梯度自聚焦算法在合成孔径激光雷达中的
应用与改进
张
洁
,
王
然
张 珂 殊
,
中国科学院电子学研究所
北京
中国科学院大学
北京
摘要
相位梯度自聚焦
算法广泛应用于合成孔径雷达的运动 误 差补偿
激光 信 号波长 比 微波信 号 小
个数量级
因而在合成孔径激光成像过程中
实验平台的振动会引入极大的相 位误差
导致 成 图质量 下 降
在合 成
孔径激光雷达
成像过程中应用
算法
并针对激光波段信号的特点对传 统的
算法 在 加窗方 法 上加
以改进
实现了
样机在室外
成像距离下的快速合 成 孔 径 激 光 成 像 的 实 验 验 证
证 明
算 法 能 够 实
现散焦数据中相位误差的精确补偿
且改进后的
算法在达到同样补偿效果的前提下
迭代次数更少
关键词
遥感
合成孔径激光雷达
相位梯度自聚焦
成像算法
高分辨率成像
中图分类 号
文献标识 码
doi
:
.
/
LOP.
A
pp
licationandIm
p
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Al
g
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Electronics ChineseAcadem
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Sciences Bei
j
in
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China
Universit
y
o
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y
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f
Sciences Bei
j
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China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
收到修改 稿日期
网络出版 日期
基金项目
中国科学院电子学研究所创新前沿项目
作者简介
张
洁
男
硕士研究生
主要从事合成激光雷达信号处理算法方面的研究
导师简介
张珂殊
男
研究员
博士生导师
主要从事激光探测技术
激光雷达等方面的研究
引
言
从
世纪开始
国内外科研人员对合成孔径激光 成像 技术 做了 大量 研究 工作
成像 实验 从早 期的
一维合成孔径实验验证发展到现在
已经实现了动目标检测
三维成像和机载平台对地目标飞行成像等

激光与光电子学进展
成像模式也从早期的
一步一停
方式发展到现在能够实现类似合成孔径雷达
一样的高速合成孔径成
像技术
合成孔径激光雷达
工作波长比
小
个数量级
因此合成孔径时间也相对较短
但
同时也造成了
对成像环境稳定性极为敏感
由实验平台振动产生的相位误差会严重影响成像质量
由
于在工作机制上
与
具有相似性
因此在
成像过程中渐渐引入了
的信号处理算法
本文
也将利用在
成像中广泛应用的相位梯度自聚焦算法
算法
来解决相位误差问题
相位梯度自聚焦算法是一种基于非模型的相位矫正算法
能够有效地补偿任意阶相位误差
具有良好的
稳健性
在
领域应用广泛
最初针 对 聚焦式
提出了 相 位梯度 自 聚焦算 法
而本文 所 提到的
平台采用一种类似于条带模式
的工作机制
平台相对于目标持续运动且运动速度非恒定
在信
号处理过程中
可将其等效为聚束模式
以有 效利 用
算法 进行相 位 补偿
此外
由于激 光 信号与 微 波
信号的差异性
本文针对传统
算法的加窗问题加以改进
以提高
成像过程的效率
合成孔径激光成像关键问题
因为激光信号比微波信号波长短几个数量级
信号对平台的不稳定性极为敏感
任何随机的平台振动或
预料不到的因素都有可能导致相位误差的产生
从而使得图像散焦且难以辨认
回波信号中引入的相位误差主要来自于实验平台振动以及实验环境对 于回 波路 径的 影响
例如
实验
设备中大量采用了铝制材料
温度每升高
热胀 冷缩 效应 会使 光纤 中的 激 光传输 路 径延长 大 约十分 之
一
与
相比
采用外差探测方式的合成孔径激光雷达对于实验平台和目标之间路径距离的变化更
为敏感
因此
引入相位误差的原因比
系统更加繁多且产生的误差值也远大于传统的微波成像系统
以下为几种主要的相位误差
21
活塞误差
活塞误差是
成像过程中相位误差的最主要来源
在距 离向 上
当实 验平 台沿 方位 向持 续运 动时
接收孔径的位置会产生数十微米的波动
在距离向上类似于活塞运动
对于
的波 长来 说
活塞 误差
能够达到几百弧度量级
一个被广为认可的收敛条件是
当相位误差大于
时就会对图像产生影响
由
此可见
活塞误差会造成图像严重散焦
此外
活塞误差在同一脉冲下的不同距离单元是一个常量
其只 与
脉冲本身有关
与距离向无关
22
光纤抖动误差
光学系统中各个部件之间需要使用大量 光 纤连接
然而所 有 的光纤 很 难同时 完 全固定 在 光学系 统 中
因此
在实验平台运动时
难免存在光纤的抖动
导致回波路径发生变化
从而引入额外的相位误差
尽管光
纤抖动造成的路径变化很小
但足以影响最终的成像质量
23
热分布不均误差
当激光信号通过光纤传输时会产生一定的热量
在光纤的不同位置热量的分布也会不同
光纤的反射系
数随着温度的变化而变化
导致传输路径发生改变
另一方面
温度的升高会导致光纤长度的延展
如前 文
所述
不同的回波路径意味着不同的相位信息
热分布不均匀同样对回波数据造成影响
24
大气湍流误差
在远距离探测时
激光信号会在大气中走过相当长距离的一段路径
因此也难免受到大气环境中种种因
素的影响
这些因素主要分为两类
混浊效应
它与大气的非理想透明度相关
吸收和散射是影响较为显
著的两个方面
湍流效应
大气运动以及热交换会影响空气对激光传输的折射率
这两类因素中湍 流
效应对
成像的影响更为显著
相对于大气整体运动而言
大气分子的不规则运动导致了大气湍流的出现
这会导致大气密度变化
从
而影响到激光在空气中传输的折射率
因为大气分子的运动无规律
大气折 射率 在不 同区 域也 会不 同
这
直接导致合成孔径激光雷达的激光束强度和相位出现波动
此外还会存在光束非理想展开以及漂移等
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