合成孔径激光雷达（精选8篇）

合成孔径激光雷达 第1篇

近年来半导体激光泵浦技术发展迅速,某些固体激光雷达,如输出波长为1.06μm的掺钕钇铝石榴石激光(Nd:YAG)系统,其能量转换效率大幅度提高,体积大大缩小,因此更适合机载或其他对空间和质量限制较多的场合。大气对激光传输的衰减效应主要分为吸收和散射2种。文中主要研究激光传输中大气散射对波长为200~1200nm的激光合成孔径雷达系统回波信噪比的影响。结构的发射接收望远镜等技术[8,9,10];在合成孔径算法方面,西电雷达信号处理国家重点实验室分析了理想条件下调频连续波信号模型,推导出在连续波系统聚束模式下一种适用于机载合成孔径激光雷达系统的频率变标算法[11]。在SAL的相关技术研究中,较少考虑到激光脉冲的大气传输问题,或仅仅对其作简单近似。然而,SAL系统的激光脉冲在经过大气传输时衰减较为严重,降低了回波信号的信噪比,从而降低了系统的分辨率。

1 大气散射对激光传输的衰减特性

信噪比是表征激光雷达探测性能的重要指标,为信号电流均方与噪声电流均方之比。在背景噪声特定的情况下,SAL系统回波信噪比主要取决于回波信号的功率,而SAL系统激光脉冲功率在大气传输过程中受到大气衰减效应的影响较为严重,因此,大气衰减直接影响了SAL系统回波的信噪比,从而影响整个系统的分辨率。

大气是由多种元素和化合物混合而成,大致可以分为干洁的大气、水蒸气以及其他悬浮的固体和液体粒子,其中水蒸气对辐射的衰减影响特别严重。悬浮的固体和液体粒子,一般称为气溶胶粒子。它的一个重要概念就是尺度分布,因为不同尺度的粒子对不同波长光波的散射不一样。当激光在大气中传播时,部分能量因散射而偏离原来的传播方向(即辐射能量在空间重新分配),部分光辐射能量被吸收而转变为其他形式的能量(如热能等),吸收和散射的总效果使传输的光辐射受到衰减,这就是所谓的大气衰减,其满足衰减定律为

式中,r表示激光在大气中的传输距离;γext(λ)为波长为λ激光的衰减系数(1/km);τ为激光在大气中传输的透过率,表明光强度随传输光程的增加呈指数规律衰减。

1.1 大气分子散射

由于大气密度的起伏破坏了大气的光学均匀性,当光波在大气中传输时,次波的相干性遭到破坏;另外,大气分子使光波的传播方向发生改变,导致光在各个方向的散射。大气分子散射所引起的衰减直接由折射率决定,而折射率可以通过温度、气压、湿度、CO2浓度计算,如图1所示为大气分子散射对透过率的影响。在大气温度为15oC且1个标准大气压下,CO2浓度为450 ppm,则大气折射率为[2]

式中,σ为波长的倒数(μm-1);k0=238.018 5μm-2;k1=5 792 105μm-2;k2=57.362μm-2;k0=167 917μm-2。

对于任意的气温T和气压p,其折射率为[3]

式中,Ts和ps为标准大气的温度和压强。

则大气分子散射所引起的衰减系数与折射率的关系可表示为[3]

式中,b=87.727;T0=273.16 K;p0=1 atm;N0=2.687 311019cm-3。

当忽略温度和压强对折射率的影响时,令T=288 K,p=1 atm,由于n略大于1,近似得n2-1=(n+1)(n-1)≈2(n-1),则

式中,l0=4.152 710-4cm-1;l1=0.029。

1.2 气溶胶散射

实际上,大气中除大气分子外,还会有大量的粒度在0.03~2 000μm之间的固态和液态微粒,它们大都是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。其中大多数固态微粒不但直接使大气混浊(称为霾),而且也是水蒸气的凝结中心,对于形成云、雾、雨、雪具有很大作用。由于这些微粒在大气中的悬浮成胶溶状态,所以通常又称为大气气溶胶。

处理大气气溶胶散射一般采用米散射理论和瑞利散射理论来近似分析。但为了从理论上预测气溶胶散射所导致的衰减,必须对气溶胶粒子在激光传输路径上的分布状态做一个近似表述,图2为气溶胶散射对透过率的影响。气溶胶散射所引起的衰减系数可用能见度V的函数表示为[5]

式中,γms(550)=0.010 45 km-1;c=3.912;d=0.585 km-1/3;λ的单位为nm;V的单位为km。气象上对能见度定义为:在白日水平天空背景下,对于0.55μm的光(人眼视觉最敏感的波长),可分辨足够大的绝对黑体(目标物)的最远视程。标准晴朗天气是指V=23.5 km,相对湿度小于20%的大气状态。

2 大气散射衰减对合成孔径激光雷达回波信噪比的影响

考虑光学系统的增益以及光学系统衰减的影响,并对接收信号进行线性调频脉冲压缩和合成孔径处理,则信噪比[7]为

式中,Topt为雷达光学系统的透过率;Pav为平均发射功率;σ为目标的散射截面;h为普朗克常数;ηq为探测器量子效率;Fn为接收器的噪声系数;va为平台与目标的相对运动速度。目前,激光雷达的峰值功率Pt可达106W。

令Pav=100 W,σ=0.5,ηq=0.8,Fn=1.5,va=100 m/s,则透过率与信噪比的关系如图3所示。

3 结论

由以上分析和仿真可知,对于大气分子散射,波长越长,散射越弱;波长越短,散射越强烈。故可见光比红外光散射强烈,蓝光又比红光散射强烈。在晴朗天空,蓝光散射最强,故明朗的天空呈现蓝色。随着传输距离的增长,大气透过率也越来越低。

对于气溶胶散射,随着可见度的下降,传输率也随之下降。气溶胶对不同波长的散射衰减也不同,波长越短,衰减越严重。

可见,随着探测距离的增大,大气透过率下降,SAL系统的回波信噪比急剧下降。在相同外部条件下,激光波长越长,传输时受到的大气衰减越小,回波的信噪比越高,仅从这个角度讲,合成孔径激光雷达采用长波的激光可以获得较高的探测距离;但短波长可以使得雷达获得更高的成像分辨率。

摘要：回波信号功率是影响雷达探测分辨率的重要因素。结合大气散射对激光传输的影响,建立了波长为2001 200 nm的激光传输中大气散射衰减的数学模型,并对该模型进行了仿真分析,得出激光大气传输过程中大气散射作用对激光衰减及其回波信噪比影响的规律。

星载合成孔径雷达海浪遥感测量 第2篇

星载合成孔径雷达海浪遥感测量

与传统测站式海浪测量不同,具有高空间分辨率的合成孔径雷达能提供大面积海浪的二维波场特性,是遥感测量海浪场的.新手段,其使用的微波可穿透云层,因而测量不受恶劣天气的影响.在合成孔径雷达海浪成像机理的基础上建立了遥感测量二维海浪谱及相关海浪要素的模式和算法.从台湾东北部海域海浪的ERS-1 SAR图像中获得了二维海浪谱及海浪的波高、波长和波向等特征参数,与实测资料相比,其中波高和波向的误差分别为0.2 m和2.0°.

作 者：杨劲松 周长宝 黄韦艮 作者单位：国家海洋局海洋动力过程与卫星海洋学重点实验室,国家海洋局第二海洋研究所,杭州,310012刊 名：地球物理学报 ISTIC SCI PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF GEOPHYSICS年，卷(期)：44(z1)分类号：P714关键词：合成孔径雷达 二维海浪谱 波高 波长 波向

干涉合成孔径雷达干扰效果评估 第3篇

关键词：干涉合成孔径雷达,干扰效果评估,相关测度

干涉合成孔径雷达(In SAR)是在合成孔径雷达(SAR)的基础上,雷达成像技术的新发展。传统的合成孔径雷达(SAR)通过孔径合成、脉冲压缩获得方位向、距离向的高分辨力,获得观测地面的二维信息。干涉合成孔径雷达在SAR基础上,通过在不同轨道或时间对同一地区进行多次观测来获得多幅SAR图像,再根据干涉成像几何关系和SAR图像对应像素点之间的绝对相位差所反映的距离差来重建地形高度图或地表形变图[1,2,3]。

1 干涉合成孔径雷达测高原理

In SAR测高需要步骤分别为[4,5]:(1)原始数据进行SAR聚焦成像。将各航过的原始数据,分别进行SAR二维成像处理,实现距离向和方位向的高分辨率,为后继从相位中提取高程信息做准备。(2)对两幅复数SAR图像进行精确配准。干涉SAR系统获得同一地区的两幅图像在距离向和方位向都存在一定的偏移、错位或者旋转,必须将两幅图像配准后才能获得干涉相位。(3)计算出两幅图像中对应点的相位差,去除因平地效应引起的附加相位,进行相位滤波。(4)进行相位展开,从缠绕相位中恢复出绝对相位;干涉SAR信号处理是根据两幅SAR图像像素点之间的绝对相位差所反映的距离差来获得目标高度的,如何恢复模糊的相位周期而获得目标的绝对相位差成为干涉SAR信号处理关键的步骤。(5)从展开相位出发,利用几何关系,计算每一点像素的高程数值。仿真过程如如图1所示。

2 常规In SAR干扰效果主观评估方法

主观评估需要根据判读人员的经验和知识,按照应用目的,定性地提取图像中感兴趣目标的形态、构造、功能和性质等信息。由于主观评价是和判读人员的理解水平、分析问题的角度等相关[7,8]。为降低判读时的主观因素,应通过专家并且针对专家在该领域的能力对其评估结果进行加权处理,这样可以使主观误差尽量减小;另外,应选取统一的目标进行评估,最后对目标的重要程度进行加权。

主观评估法最后得到干涉合成孔径雷达在干扰后恢复高程图质量的评估结果为[9,10]

式中,M为专家人数;N为选定的参考目标数;xAm为专家Am的加权系数;rn为目标Sn的加权系数;Tm,n为专家Am对目标Sn的打分。D值越大说明干扰下成像的质量越好,即干扰的效果越差。

实验采用的仿真DEM由某地形函数产生,仿真结果如图3所示。

将干扰前后的高程重建图像进行对比,发现噪声干扰的干信比为-1 d B时,还能较清晰地看出干扰前三维地形图的轮廓;当干信比增大到0 d B时,干扰区域的高程重建已经变模糊,但还能看出干扰前三维地形图的地势走向;当干信比为3 d B时,在干扰区域中已经识别不出原始三维地形图。

3 测度In SAR干扰效果客观评估方法

3.1 相关测度评估原理

将图像相关测度这一概念引入In SAR干扰效果评估,干扰前后的高程图进行相关测度的评估,干扰后与干扰前的相关测度差别越大说明干扰效果越好。图像相关测度的计算目前已有较好的理论基础与算法,因此,可以将In SAR的高程图转化为矩阵进行处理,矩阵的值代表相应位置的高度,评估流程如图4所示。

(1)直接相关测度

(2)均值归一化相关测度

式中

3.2 仿真peaks模型,并对结果进行评估

实验采用的仿真DEM由Peaks函数产生,仿真512×512点,其中距离维采样点数为512点,方向维采样点数为512点。先对其添加不同功率的射频噪声,再进行相位缠绕,然后用最小二乘法解缠,最后高程重建,对比射频噪声干扰对In SAR高程重建的影响。各加噪干扰仿真中的相位缠绕以及相位解缠图可以与无干扰情况下的二维相位图进行比较。

得到不同信噪比的烦扰图后,结果根据相关测度的原理进行计算,结果如表1所示。

由表1可以看出,在不同的干信比条件下,通过直接相关测度和归一化相关测度的数值可以直观地看出干扰效果。直接相关测度的值越大说明干扰效果越差,归一化相关测度的值越小,说明干扰效果越差。

4 结束语

典型目标逆合成孔径雷达成像仿真 第4篇

逆合成孔径雷达 (ISAR) 是一种高分辨率成像雷达, 它利用雷达与目标之间的相对运动和信息处理技术获得大的等效天线孔径, 从而获得大的方位向分辨力。利用宽带信号以及高倍数的脉冲压缩技术来获得高的距离分辨率。这样, 就可以在作用距离很远的情况下获得高分辨力的目标二维图像[1]。因此, ISAR在环境遥感、目标识别、武器隐身研发等方面都有广泛的应用。然而, 在ISAR及隐身武器的研制过程中, 不同种类的ISAR及隐身武器的优劣及适用场合需要由外场试飞数据进行验证, 但是外场试飞实现起来困难而且费用昂贵, 因此可采用计算机电磁仿真代替实际测试获取雷达回波数据来实现成像验证。使用电磁仿真的优点是显而易见的, 它具有方便易行, 费用低廉, 周期短, 对现实条件下难以开展的工作进行理论验证等。对于正处于研制阶段的成像雷达来说, 进行成像仿真研究的必要性和重要性就更为突出了[2]。

2 雷达成像电磁模拟的理论基础

理论计算和实验测量均表明, 在高频区, 目标总的雷达回波信号可以认为是由某些局部位置上的电磁散射信号所合成的, 这些局部特性的散射源通常被称为等效多散射中心[3]。雷达技术的发展, 使得人们能够利用宽带信号技术来获取目标散射中心在径向距离上的高分辨率;利用雷达与目标相对运动的多普勒信息, 则可以获得散射中心在横向距离上的高分辨率;由此可以在距离方位平面上形成很多分辨率单元。雷达成像的实质上是从回波信号中提取观测带地表各散射单元的雷达后向散射系数, 并按照它们各自的距离方位位置显示。如果用x表示方位向的位置, r表示距离像的位置, 地表各散射单元的雷达后向散射系数用σ (x, r) 表示, 回波信号用s (t) 表示, 则雷达成像系统相当一个冲激响应函数h (t) 。整个成像过程可以表示:

undefined

成像越精确, 则说明undefined越接近真实的σ (x, r) 值。所以, 雷达图像就是对目标或场景反射系数的真实反映[4]。因此, ISAR成像电磁模拟主要是在雷达成像的环境下电磁模拟目标雷达回波数据, 最后采用适当的成像算法得到目标的雷达像, 电磁模拟雷达目标回波是雷达成像电磁模拟的关键。

雷达目标的回波计算主要分为两部分:目标外形的几何建模和对目标电磁散射机理进行分析和散射回波信号的计算, 进行叠加得到目标整体的散射特性。在本文采用在3D Studio Max对几类典型目标建模, 目标以表面上的点为顶点所组成的三角面元来近似。目标表面上的点的密度应该达到使每个三角面元的尺度应该大于雷达波长而小于或比拟于雷达分辨率, 目标点及面元数据采用3D Studio Max附带的脚本语言MAXScript编制一个程序导出。在电磁散射的计算方法方面, 由于本文中的散射计算是在高频区进行的, 故采用了物理光学法。先采用上节所述的方法对目标进行建模和表面三角形剖分, 按照成像要求计算出每个三角形面元的散射场, 最后相干叠加便可得到目标的总散射场。这样就保持了目标上各散射部件之间的相对相位关系, 从而正确的表示了干涉作用。

3 回波信号的电磁模拟

通过前面的成像理论的分析, 假设ISAR目标信号电磁模拟是在如图1所示的模型中进行的。此处假设目标固定不动, 而雷达绕着目标在如图1所示的圆弧轨迹运动, 雷达天线距离目标中心的距离远远大于目标的几何尺寸。

要得到距离向的高分辨率, 发射信号必须具有足够大的带宽, 距离向分辨率主要靠发射信号的带宽来决定, 在成像雷达领域中主要存在三种类型的宽带信号:宽带LFM信号、频率步进信号、载频跳变的窄带LFM信号。本文模拟中采用频率步进信号[5]。设起始频率为f0, 步进间隔Δf, 则每个频点对应的频率为:

N为所采用的频点数, 信号的带宽为:

把上述一系列频率所对应的信号称为一个频率步进脉冲序列 (也就是常说的一次扫频) 。

方位向的分辨率主要由发射信号的中心波长λ0和合成孔径角θ决定:

undefined

为了实现目标方位向的分辨率, 成像时假定目标固定, 雷达绕着目标转动一个较小的角度, 设起始角度为θ0, 角度间隔为Δθ, 角度方向总采样M次, 则每个采样角所对应的角度值为:

θj=θ0+ (j-1) Δθ j=1, 2, 3M (4) B=NΔf (2)

总转角 (合成孔径角) 为:

设雷达在旋转过程中是一步一停的, 即在每个旋转角度θj处有一小的停顿, 发射一个频率步进脉冲序列构成的入射波组:

通过计算得到一组目标的散射波:

最后将这些在不同扫角θj处得到的散射波组合起来, 便可构成成像所需要的回波信号矩阵S:

undefined

对于 (8) 矩阵中的每个元素, 采用物理光学法来计算。有了回波信号矩阵S, 就可以采用适合的成像算法进行目标成像。

4 成像仿真示例

雷达回波即为目标的散射像的空间频率谱的二维傅立叶变换[6], 故本文采用二维快速傅立叶变换的方法对目标回波进行成像信号处理。先在距离向 FFT得到目标的一维距离像;然后在方位向进行滤波处理, 即把同一距离单元的信号再作FFT完成横向分辨, 这样就可到了目标的像。为了抑制信号处理过程中旁瓣及杂波的影响, 每次FFT处理时均加Hamming窗[7]。

本文分别对某飞机和坦克进行了ISAR成像电磁模拟, 目标模型如图2所示, 模型用3DSMAX建立, 具体的成像几何关系为:飞机身长约12.0m, 坦克长约6m, 放置在XOY面上, 头沿着X方向。雷达固定在过原点且θ=45°的面上, φ以某一角度为中心转动12.8°。角度方向共采用256次, 每个角度发射128个频率步进脉冲信号, 频率步进信号的起始频率为f0=9GHz, 步进间隔Δf=5107Hz, 共有128个频点。目标ISAR成像示例如图3所示。

5 结论

典型目标逆合成孔径雷达 ( ISAR) 成像电磁仿真对ISAR研制及目标识别等具有重要的意义。本文在现有的高频区复杂目标回波信号仿真方法的基础上, 重点研究了高频区目标ISAR回波的计算方法, 仿真出了两类典型目标的高分辨率二维ISAR成像。通过对目标模型与成像结果比较, 可以看出, 本文所采用的方法可以准确得到目标的回波信号, 且计算简单快捷, 在处理大尺寸目标时具有较大的优势, 成像仿真结果真实可靠, 本文的研究为今后雷达成像电磁仿真研究提供了一定的参考。

摘要：逆合成孔径雷达成像电磁仿真研究在目标识别、隐身与反隐身、目标成像诊断等领域很有实际意义和研究价值。本文采用电磁计算的方法分别模拟了几类典型目标逆合成孔径雷达成像所需的回波矩阵, 并应用二维快速傅里叶变换对回波数据进行处理, 仿真得到了几类典型目标的逆合成孔径雷达像。仿真结果表明, 采用的方法可简单有效地计算出导弹目标的散射回波并对其进行逆合成孔径雷达成像。

关键词：逆合成孔径雷达,电磁仿真,典型目标

参考文献

[1]保铮, 邢孟道.雷达成像术[M].北京, 电子工业出版社, 2006, 1-300.

[2]庄钊文, 郁文贤, 袁乃昌, 等.空中复杂目标的CAD建模及其电磁散射特性可视化研究[J].国防科技参考, 1998, 19 (1) :7-10.

[3]黄培康, 殷红成, 许小剑.雷达目标特性[M].北京:电子工业出版社, 2005:22-47.

[4]邢孟道.基于实测数据的雷达成像算法研究[D].西安电子科技大学博士论文, 2002 (3) .

[5]高德勇, 龙腾.调频步进波形的ISAR回波建模和成像[J].北京理工大学学报, 20 (5) :631-635.

[6]G.Franceshetti and G.sch irinzi.A SAR processor basedan two-d im ensional FFT codes[J].IEEE Trans On, Aerospace E lectron ic System s.226-237.

合成孔径激光雷达 第5篇

关键词：任意构型,双基合成孔径,雷达成像算法

传统的雷达系统能够发射大宽带信号, 人们通过对此信号进行脉冲压缩的方式来获得分辨率较高的距离, 然而, 传统雷达系统却不能够对目标的方位进行准确辨识。合成孔径雷达系统SAR的出现则解决了这一难题, SAR系统不仅能够对远距离的目标进行分辨, 还能够对宽幅的目标进行分辨与定位, 使得我国的雷达系统进入了二维高分辨时代, 极大的提高了雷达的信息获取能力。但是由于SAR系统的计算过程较为复杂, 很容易由于计算的失误导致雷达成像的不精确, 为此本文主要对一种任意构型双基合成孔径雷达成像算法进行分析与研究, 以提高SAR系统算法的精确性从而有效的保障雷达成像的正确无误。

1 双基SAR系统的几何构型模型

任意构型的双基合成孔径雷达的几何构型模型如图1

假设双基合成雷达的所有收发平台是平行于地面作运动的, 收发平台的接收机的运行速度为ur, 并且将接收机的运行速度方向作为Y轴的正方向。收发平台的发射机运动速度为ut而ur和ut之间的夹角为α[1]。双基合成孔径雷达的目标参考点的位置为 (x0, y0, 0) , 方位零时刻发射机的位置位于 (xt0, yt0, zt) , 接收机的位置位于 (xr0, yr0, zr) , 人们就可以根据双基SAR系统的成像算法算出方位在t时刻时收发平台与目标之间的斜距历程。

2 任意构型双基OMEGA-K的成像算法

2.1 二维谱求解过程

假使地面接收平台的发射机信号为chirp信号, 那么我们则可以利用下面的公式来表达其点目标回拨信号经过调解之后的信号:

公式中的wr (t) 为脉冲包络;wa (t) 是由双基收发电线所决定的方向图函数;而kr则是脉冲调频率[3]。通过驻相原理对回波信号进行快时间的傅里叶变换可以得到另一个公式:

公式中的fr代表的是距离频率, 而WR (fr) 与wr (fr/kr) 是相等的, 它们之间变换的仅有尺度。将这一公式进行慢时间傅里叶变换后, 并将公式进行整理, 我们由驻相原理对整理的公式进行分析可以得到回波信号的二维谱为:

因为在对回波信号的二维谱进行求解的过程中, EETF4算法没有用到除了假设收发平台平行于地面运动以外的其他假设, 所以此算法能够在任意构型的双基SAR成像系统中适用。

2.2 MOEGA-K的成像算法研究

由于利用EETF4算法对回波信号进行计算得出的二维频谱比较复杂, 人们很难通过RD、NLCS等计算方法对二维频谱进行最终的聚焦成像, 所以笔者将利用MOEGA-K的算法对回波信号的二维频谱进行相关计算, 使其可以最终聚焦成像。MOEGA-K的算法由于不需要对回波信号的二维频谱进行分解, 而只需要利用Stolt插值的方式就可以轻松实现对回波信号二维频谱的聚焦成像, 具有算法简单、操作容易、便捷的优点, 能作为任意构型的双基合成孔径雷达的成像算法。

而在EETF4算法的基础上获得的回波信号二维谱的OMEGA-K聚焦成像算法的主要流程则可以分为以下几步:原始双基SAR数据距离向傅里叶变换方位向傅里叶变换参考函数匹配率波Stolt插值距离逆傅里叶变换方位逆傅里叶变换双基SAR聚焦图像。

2.3 不变区域大小分析

EETF4算法产生误差的原因主要是由于角度不变假设与斜距历程的展开误差造成的, 当对小场景的目标进行成像是误差基本是可以忽略不计的, 然而在对大场景的目标进行成像时则会产生一定的误差。要想消灭误差就需要对保证角度不变假设必须成立, 因此就需要对场景不变区域的大小进行分析, 以使成像的误差保持一定的范围内。

2.4 仿真及结果

通过以上算法对任意构型即在双基SAR进行仿真, 并且通过对同一场景中的三个目标分别利用EETF4算法与OMEGA-K算法计算后对回波信号的二维频谱进行聚焦成像, 来比较两种算法的聚焦效果。

3 结束语

由于我国任意构型的双基合成孔径雷达的成像算法在应用过程中存在着一定的误差, 极大地影响了我国雷达系统对地面目标物成像的精确性。因此, 笔者提出了一种利用四阶精确传递函数来计算任意构型的双基OMEGA-K成像的算法, 以提高我国双击合成孔径雷达的成像精确性, 以更好的完成其对目标进行搜索成像的任务。

参考文献

[1]白雪茹, 金海波, 陈士超, 孙政.空天目标逆合成孔径雷达成像新方法研究[J].西安电子科技大学, 2013, 15 (8) :49-59.

[2]刘玉春, 王俊, 高博, 刘保昌.一种任意构型双基合成孔径雷达成像算法[J].电波科学学报 (自然科学版) , 2012, 10 (5) :45-48.

[3]陈士超, 武其松, 吴玉峰, 邢孟道, 保铮.机载合成孔径雷达成像算法及实时处理研究[J].西安交通大学学报, 2009, 13 (2) :18-19.

[4]钟华, 赵红方, 周松, 井伟.双基SAR飞行模式研究及实验数据处理[J].电子科技大学, 2011, 14 (7) :41-43.

合成孔径激光雷达 第6篇

圆迹合成孔径雷达(circular synthetic aperture radar,CSAR)是一种特殊形式的聚束SAR,其载体沿以目标区域中心为圆心,以雷达在目标平面的垂足到目标中心的距离为半径作360°圆周运动,此运动过程中雷达波束始终照射同一观测区域.这种特殊的观测形式使得CSAR突破了传统直线SAR在方位角上的限制,具有高平面分辨率、三维重建能力和360°全方位多角度观测能力.由此独特优势CSAR迅速成为国内外研究的热点[3].现已应用于地形测绘、目标识别、都市区域高分辨率成像、建筑物提取、目标检测以及一些公共场合的安全检测等领域.

CSAR最大的特点在于其平台的圆周观测路径,平台最初是转台,后法国和瑞典、德国、中国等相关机构进行了多次的机载试验[4],但机载平台存在观测高度低而导致目标观测区域较小,并且受到飞行速度、平稳性及领空限制.目前,以临近空间平台高空飞艇为载体的CSAR研究[5,6]取得了一定进展.CSAR对平台的特殊轨迹要求使得星载实现难度很大,但星载应用前景比机载和临近空间平台更具优势,星载CSAR观测高度更高,目标观测区域更大,不受国界限制,可观测地面上任何区域.因此对CSAR星载平台的研究是非常必要的,发展星载CSAR是大势所趋.本文通过对以圆周轨迹运行的星载平台进行动力学分析,来探讨星载CSAR是否可行.

1 CSAR星载平台轨道模型

CSAR与传统聚束合成孔径雷达直线的观测路径不同,平台的圆周观测路径是其获得高空间分辨率的重要保障,且需满足如下工作条件:

(1)星载平台要实现完整圆的轨迹(360°角观测可达到最大分辨率);

(2)圆迹中心星下点与观测区域中心重合;

(3)圆迹平面与观测点当地水平面平行;

(4)波束入射角α(雷达与目标之间连线与观测区域中心法线的夹角)可在30°～60°之间选择.波束可适应卫星运动轨迹的变化,本文只研究固定波束入射角情况.

以上述工作条件为约束,建立CSAR的星载平台轨道模型,如图1所示.其中圆A'是平台的圆迹观测路径,A点为地面观测区域中心,圆迹中心A'点的星下点与观测区域中心A点重合.AA'为圆迹平面与观测区域水平面之间的距离(用h表示),波束入射角α即图1中的∠A'AS,则圆迹半径r=h tanα.

对地球卫星的研究属二体问题,在不考虑星上自主控制的前提下,在地面上某一点观测,卫星的运行轨迹近似一条直线,而星载平台要实现沿目标观测区域的圆周观测路径,这就必需在承载CSAR的卫星平台上作用主动控制力,因此星上能量的消耗以及控制实现的难易程度是单星平台星载CSAR可行的制约条件.

2 CSAR星载平台运动分析

以观测区域中心A点为原点,建立直角坐标系Axyz,如图1所示.x轴与A点万有引力方向相反,y轴在当地水平面内与x轴垂直并指向北,z轴与x轴、y轴构成右手坐标系,该坐标系与地球表面A点的运动固连.圆迹中心A'点的坐标为(h,0,0),且由于其星下点始终要与观测区域中心重合,所以A'点以地球自转角速度ωe绕OO'做定轴转动.有

则A'的速度和加速度分别为

其中i,j,k是坐标的单位向量,ωe为地球自转角速度7.292×10-5rad/s,Re为地球平均半径6371.1km,δ为观测区域中心的纬度.

2.1 速度分析

以A'为基点研究卫星平台S的运动[7].设卫星在半径为r的圆迹上匀速运行,角速度为ωs,即逆时针环绕时为ωsi,顺时针时为-ωsi,下面以逆时针环绕为例分析,速度分析如图2所示.则卫星平台的速度为

其中,rA'S=jr cosθ+kkrsinθ,θ为自正y轴起算的角度.当顺时针环绕时,以一θ代替θ即可.以Axyz为动坐标系,根据复合运动理论,则有绝对角速度

将式(1)和式(4)代入式(3)中,得

2.2 加速度分析

以A'为基点进行卫星平台S的加速度分析.星载平台S的绝对加速度为

其中,ε为卫星平台的绝对角加速度,以Axyz为动坐标系,根据复合运动理论,有

将式(2)、式(4)和式(7)代入式(6)中,得

从上述分析可以看出,绝对加速度是一个复杂且无规律的变量,其大小以及方向随着星载平台S的运动(θ的变化)在不断变化.

2.3 受力分析

对卫星平台进行受力分析.在不考虑摄动力的情况下,星载平台除受万有引力的作用外,还要有主动控制力,才能形成满足CSAR工作的圆形轨迹,因此有

其中,Fw为万有引力,大小为,μ为地球引力常数,m为卫星平台质量,ρ为卫星矢径大小,由下式计算

方向随着θ的变化也逐渐变化,有

将式(8)和式(10)式代入式(9)中,可得到主动控制力F控在坐标系Axyz中的投影.

从式(11)中可以看出,若实现对任意纬度区域的观测,控制力的大小和方向随着卫星平台沿圆迹运动不断在变化,实际应用中难以实现,设计星载CSAR平台是不现实的.

3 平台可行轨迹设计

当观测区域中心在南北两极,即δ=±90°时,式(11)可得到较简单的形式:

x方向

y方向

z方向

并且当满足时,即卫星平台围绕圆迹中心环绕角速度

时,式(12)只剩下x方向上的控制力,有

且控制力的大小与方向均不变,这对卫星平台轨道的实现是有利的.此时卫星平台相对圆迹中心的角速度与地球自转角速度方向相同或相反,卫星平台的绝对角加速度为0,形成一个圆迹所需的时间

由式(13)和式(15)可知,圆迹中心轨道高度越高,周期越长,二者关系如图3所示,图中选取波束入射角为45°.对于南北两个极点区域的观测,可以通过观测区域物体变化特性,确定观测的周期,选择圆迹周期,最终确定轨道高度.同时要考虑CSAR的最大发射功率,能承受的最远作用距离.由式(14)可知,圆迹中心轨道高度越高,需要作用在卫星平台的推力越小,如图4所示,卫星平台单位质量需要的推力最大为0.01 N.若卫星平台质量大,设计寿命长,燃料是需要考虑的问题.

4 结语

在地球低轨进行观测,由于卫星沿轨道相对于地球表面高速运动,令其在固定观测区域周围构成完整的圆迹观测轨道非常困难.CSAR对平台的特殊轨迹要求使得星载实现难度很大.通过本文的研究得到如下结论:对于星载平台,由于作用在卫星平台上的主动控制力大小、方向不断改变,控制很难实现,使得对任意纬度区域的观测是不可能实现的.但对于两极点区域,当星载平台沿圆迹以一定的角速度运行时,主动控制力的大小、方向不变,易于实现控制,有实现星载的可能性.本文的研究结果同样适用于目前新兴的圆迹环扫SAR (circular trace scanning synthetic aperture radar,CTSSAR).

由于星载平台存在圆轨迹的形成以消耗星载燃料为代价,因此研究不需主动控制力的星载CSAR平台是一项很有意义的工作,使用多颗卫星构成编队来虚拟圆迹轨道是一种可以尝试的方案[8],即可以考虑利用均匀分布在圆周轨道上的多颗卫星共同来对一固定区域进行观测.在沿整个卫星编队轨道运动的同时,多颗卫星相对圆周轨道的圆心(即观测区域中心)进行匀速圆周运动.当一个卫星运动到下一个卫星的出发点处时(也即单颗卫星沿圆迹轨道旋转(360/n)°,n为卫星个数),多颗卫星的运行轨迹就可构成此区域的完整的圆周观测,而无需单个卫星绕圆周轨道的圆心运行360°.合理的设计编队卫星的个数,就可解决卫星沿其轨道运行而偏离观测区域从而不能构成360°观测角的矛盾.

随着数据处理技术的发展,CSAR的工作条件会逐步放宽,将大大提高星载平台的可实现性.需要进一步研究的内容有:

(1)本文中提到的圆迹平面与观测点当地水平面平行在数据处理时是最简单的情况.如不平行,CSAR在z方向就能合成孔径,得到目标的高度值,进而得到目标观测区域的三维信息[9].

(2)星载平台形成部分圆弧,或曲线的SAR[10]星载实现研究.通过改变波束入射角,提高星载实现的可行性.

(3)圆迹中心星下点与观测区域中心不重合的情况.

摘要：圆迹合成孔径雷达(circular synthetic aperture radar,CSAR)是一种通过传感器平台作360°圆周运动来获得全方位高空间分辨率的聚束合成孔径雷达,本文通过对其星载平台进行动力学分析来研究其星载的可行性.首先以CSAR的工作条件作为约束,建立了星载平台轨道模型.然后以圆迹中心为基点,分析了星载平台的运动状态及受力情况,最终得到形成圆迹平台所需要的主动控制力.研究结果表明:形成圆迹的星载平台,作用在卫星平台上的主动控制力大小、方向是不断改变的,使得CSAR对任意纬度区域的观测很难实现.但对于两极点区域,当星载平台沿圆迹以一定的角速度运行时,主动控制力的大小、方向不变,易于实现控制,有星载实现的可能性.

关键词：圆迹合成孔径雷达,轨道动力学,星载实现,基点法

参考文献

[1] Cur lander JC,McDonough RN.Synthetic Aperture Rader:System and Signal Processing.New York:Wiley,1991

[2] Franceschetti G,Lanari R.Synthetic Aperture Rader Signal Processing.Boca Raton:CRC Press,1999

[3] Ishimaru A,Chan TK,Kuga Y.An imaging technique using confocal circular synthetic aperture radar.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,1998,36(5):1524-1530

[4] Chan TK,Kuga Y,Ishimaru A.Experimental studies on circular SAR imaging in clutter using angular correlation function technique.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing,1999,37(5):2192-2197

[5] Jin MY,Chen M.Analysis and simulation for a spotlightmode aircraft SAR in circular flight path.Geoscience and Remote Sensing Symposium,IGARSS'93,1993

[6] Zhang XK,Zhang YH,Jiang JS.Circular SAR imaging approximated by spotlight processing.ISAPE2006,Guilin,2006

[7]李俊峰,张雄,任革学等.理论力学.北京:清华大学出版社,2001

[8]张祥坤.高分辨率圆迹合成孔径雷达成像机理及方法研究.[博士论文].北京:中国科学院研究生院,2007

[9] Soumekh M.Reconnaissance with slant plane circular SAR imaging.IEEE Transactions on Image Processing,1996,5(8):1252-1265

合成孔径激光雷达 第7篇

2015年3月20日, 由中国安全生产科学研究院承担的北京市科技计划项目“矿山边坡合成孔径雷达监测预警系统 (S-SAR) 研制”验收会在北京召开。专家组对项目成果给予了较高的评价, 认为项目已完成了任务书规定的内容及要求, 达到验收标准, 项目验收成果在矿山边坡领域具有先进性、创新性和可操作性, 一致同意通过项目验收, 并希望北京市科学技术委员会继续支持后续工作。

边坡位移监测合成孔径雷达系统 (S-SAR) 是中国安全生产科学研究院自主研发的基于地基合成孔径雷达差分干涉技术 (DIn SAR技术) 的边坡位移监测系统, 能够对露天矿边坡、排土场边坡、尾矿库坝坡、水电库岸和坝体边坡、山体滑坡、建筑物及地表沉降等进行安全监测预警。

与传统变形观测方法相比, S-SAR雷达具有6大特点:一是全天候, 不受光线、天气影响 (主动式衰减小) ;二是大范围, 5 km、120°监测范围全覆盖 (大角度通视型) ;三是非接触, 无需合作点、无需人工跑点 (自动遥感监测) ;四是高精度, 亚毫米级变形观测精度 (干涉差分技术) ;五是高分辨率, 厘米级距离向分辨率 (百万离散点云) ;六是快速获取, 单次测量周期3~10 min (实时三维成像) 。

合成孔径激光雷达 第8篇

边坡滑坡是矿山开采中的重大动力灾害之一。 我国有露天矿山约7万座,尾矿库1. 2万座,排土场10万余座,数量非常庞大,频繁发生露天矿边坡滑坡、尾矿库溃坝、排土场泥石流等灾害造成的人员伤亡和财产损失不计其数[1]。因此,开展边坡形变监测工作,为科学研究边坡变形机理、掌握边坡变形规律,从而有效控制边坡工程灾害,减少其带来的人员伤亡和经济损失,保证工程运行安全有着十分重要的意义[2]。

目前,在边坡变形监测中主要采用的方法可以分为简易监测法、设站监测法、仪表监测法和远程监测法四种基本类型,或者也可以分为单点监测和区域监测两种基本类型[3]。地基合成孔径雷达( Synthetic Aperture Radar,SAR) 地形形变监测技术属于一种远程非接触区域监测方法。其工作原理是利用天线在水平轨道上运动,形成方位向合成孔径,获取SAR图像; 通过天线多次沿轨道的往复运动获取监测区域的长时间序列SAR数据,利用差分干涉技术实现高精度形变监测结果。

与人工简易监测法相比,地基SAR工作在微波波段,可以全天时、全天候对监测区域进行连续监视; 与GPS、激光全站仪、近景摄影等设站监测手段相比,地基SAR不仅可以进行定点监视,还可以对更广的大片区域进行监测; 与精密仪表监测法相比, 地基SAR不需要在监测区域布设参考点,避免了灾害区域人工介入带来的危险。与星载、机载平台SAR相比,地基SAR在观测角度、重访周期、使用灵活性、成本方面都更有优势,更重要的是,地基SAR零基线的干涉测量模式可以去除基线误差,多角度观测模式可以去除地形误差。

因此,可以说地基SAR差分干涉形变测量技术是滑坡监测技术未来的发展趋势,对于灾害预报及防治具有重要意义。

关于该技术的研究工作20世纪90年代,研究者们主要应用星载数据进行地震、火山、冰川活动等造成的地表滑坡监测,以及探测由地下水、石油、矿藏等造成的地表沉降[4,5]。目前,国外进行用于矿山边坡位移监测的地基SAR系统的生产和研发的团队较多。其中,最成熟的是意大利IDS公司,其IBIS系列产品是地基SAR干涉测量雷达的代表[6]。 此外,还有挪威的ISPAS系统和法国ONERA的干涉测量雷达系统。其他地基SAR干涉测量雷达系统研发机构包括: 意大利的佛罗伦萨大学、英国的谢菲尔德大学、韩国的江源大学、日本的东北大学、台湾的国立中央大学与国立联合大学等。

国内的相关研究工作主要集中在理论与实验室验证实验阶段[7],或利用星载、机载平台数据,对地基SAR用于形变监测的研究相对较少,还没有成熟的产品问世。

经国家“十二五”科技支撑计划资助,中国安全生产科学研究院成功研制出地基SAR形变监测原理样机系统。并在紫金山金铜矿露天采场开展应用,将边坡雷达监测和全站仪同步监测数据的对比, 论证了地基SAR用于形变监测的技术特点,验证了系统监测精度、有效性和可靠性。

1差分干涉形变测量原理

本节研究基于雷达回波的目标形变信息监测原理。地基SAR的成像几何如图1所示。其工作原理为,水平轨道位于y轴( 方位向) ,天线向垂直于轨道方向( 距离向) 辐射电磁波,并接收地物回波, 然后移动 Δy到轨道下一位置重复辐射电磁波,直到采完设定长度L ,然后通过二维回波数据重建出地物的雷达反射系数分布。

根据合成孔径成像技术原理[8],设雷达系统发射信号带宽为B,电磁波真空中的传播速度为c,则斜距向分辨率为:

发射电磁波波长为 λ ,则方位角分辨率为:

获取目标区域数据过程中,由于天线运动轨道固定,对某一区域目标重复监测成像时天线都处于相同的空间位置,所以空间基线为零。重复观测在技术上实现了完全重复的轨道和其他参数,对某一目标进行重复观测时,雷达信号往返的路径之差等于雷达视线方向的目标距离变化,具体可以表现为相位之差。

因此,利用差分干涉测量技术[9,10]可以实现对目标物位移变化情况进行精确测量。地基SAR差分干涉测量技术把同一目标区域,不同时间获取的SAR复图像结合起来,通过比较目标在不同时刻的相位差,获得目标的位移信息。

设地基SAR在不同时间获取了同一目标区域的两幅SAR复图像I1和I2,假设图像完全匹配,则将复图像的对应像素共轭相乘就可以得到相对应的相位差,形成干涉相位图。由此,可得干涉相位图中任意像素点p的相位差为

式中,“* ”表示复共轭。∠In( p) = Φn( p) ,n = 1或2 。

由解缠后的相位差可算得图像中目标的沿雷达视线方向的形变值为

综上所述,数据处理流程如图2所示。

2地基SAR形变监测系统

本文采用自主研制的地基SAR形变监测系统开展相关研究工作,系统照片如图3所示。系统基本组成包括雷达分系统、轨道分系统、供电与控制分系统、数据存储分系统和系统控制软件分系统。

雷达分系统完成信号的产生、发射、接收和采样; 轨道分系统搭载雷达分系统稳定移动到指定观测位置; 供电与控制分系统负责向全系统提供所需的电能并控制各分系统协调工作。

系统控制软件分系统一方面完成数据采集控制; 一方面负责完成对数据处理分系统记录的原始雷达回波数据的成像处理和两幅图像的差分干涉处理,并通过分析长时间序列的位移变化,综合数字高程图( DEM) ,对特定位置做出滑坡预测及预警。

系统主要特点为: 监测距离远,监测精度高; 无须在目标区域安装传感器; 连续区域覆盖同时监测自动预警; 运输及安装方便,自动化程度高; 数据采集时间短; 全天时全天候监测; 适合矿区环境可长时间工作。

3紫金山金铜矿露采边坡监测应用

为了验证系统应用于真实矿区进行采场边坡形变监测的能力,在紫金山金铜矿露天采场利用该系统进行了连续多天边坡形变监测,成功获得了待测边坡区域的长时间序列雷达回波。

监测场景照片如图4所示。为了验证成像结果,在待监测边坡不同位置放置四个角反射器作为定标设备,同时利用GPS测量直线扫描轨道前后端点位置坐标及四个角反射器坐标。角反射器放置照片及成像结果和待测边坡CAD图进行比对,如图5所示,验证数据成像处理过程。

图5 左: 待测边坡 CAD 图; 中: 角反射器照片; 右: 雷达原始回波数据成像结果 Fig.5 L : The CAD chart of the to be measured slope M : The photo of corner reflector R : The imaging results of radar raw data

从图5可知,四个定标点在雷达图像中的位置和CAD图中位置十分吻合,各平台在雷达图像中的走势及纹理和CAD图中也基本一致,可以认为系统采集的数据质量高,成像处理算法精确。

根据图3所示的数据处理流程,提取待测边坡区域的形变信息,结果如图6、图7所示。

提取四个角反射器位移和全站仪监测结果对比,如表1所示。

4结论

本文基于自主研制的地基SAR形变监测系统, 介绍了基本原理和数据处理流程,说明了系统组成及功能特点。并将该系统成功应用于紫金山金铜矿露天采场边坡监测,获取了真实矿山边坡回波数据, 通过定标器位置GPS测量,验证了系统数据处理方法和流程,通过定标器位置全站仪测量,验证了系统的监测精度和有效性。

摘要：紫金山金铜矿是福建紫金矿业集团股份有限公司下属的一个矿山基地,其露天采场将是全亚洲第一高露天矿山边坡。基于目前矿山采用的全站仪、GPS等监测技术,易受粉尘、降雨、光照、云雾等影响,无法实现大范围边坡区域实时、自动监测。而地基合成孔径雷达差分干涉测量技术则可以克服上述缺陷,该技术是滑坡监测技术未来的发展趋势,对于灾害预报及防治具有重要意义。介绍了国产地基合成孔径雷达边坡位移监测预警系统在紫金山金铜矿露采边坡的首次应用,验证了地基合成孔径雷达系统用于形变监测的可靠性、有效性及高精度等优势。