机载相干激光雷达三维成像中的振动误差补偿方法研究

雷克儿

激光波长比微波波长短三个数量级以上，相较于微波雷达成像技术，激光雷达成像系统具备更高的分辨率以及高数据率成像能力。此外，激光散射机理与微波不同，其频率特性更接近于可见光，因此，激光雷达能够对目标进行精细成像，且成像结果更接近光学图像。传统脉冲激光雷达发射短脉冲激光信号，通过计算回波延时获取目标的测距结果。而相干激光雷达是激光雷达技术与相干探测技术相结合的新型雷达系统，通过调频连续波（Frequency Modulated Continuous Wave， FMCW）相位测量技术进行数据处理，可利用较低的功率实现大尺寸、高精度、无盲区的远距离测量。机载相干激光雷达三维成像系统在相干激光雷达高精度距离测量的基础上，结合平台的快速扫描，对被探测区域进行三维成像，在军事、航空航天观测以及民用三维传感等领域发挥了重要作用。由于机载平台飞行过程中的不稳定会在回波数据中引入振动误差，而激光波长在微米量级，因此平台引入的微米量级的振动都会扰乱回波信号的距离判定。此外，雷达系统在产生信号及获取信号的过程中会引入噪声、调频非线性等系统误差。振动、噪声及调频非线性产生的测距误差会传递到后续的三维定位解算中，影响三维定位精度及三维场景的重构效果。然而，传统振动误差补偿方法主要针对微波雷达信号特征设计，难以直接应用于相干机载激光雷达信号，是限制相干机载激光雷达在上述领域进一步推广应用的瓶颈问题之一。针对上述问题，本文在时间-频率域建立了相干机载激光雷达瞬时测距模型和调频非线性误差模型，研发了匹配相干激光雷达信号特征的振动误差补偿方法及系统误差校正方法，进而发展了高精度机载相干激光雷达三维成像方法，论文主要工作以及创新点总结如下：针对相干激光雷达中的FMCW信号的调频非线性误差校正问题，通过同步挤压小波变换（Synchro Squeezing Wavelet Transform， SSWT）建立了调频非线性误差模型，提出了基于SSWT的非线性误差校正方法，以校正差频信号中的非线性误差。本文提出的非线性校正方法在远距离探测时能够准确补偿发射信号的非线性误差，并且在噪声环境下具有较强的鲁棒性。此外，研发了基于奇异值谱约束的集合经验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decomposition， EEMD）方法进行噪声压制，该噪声压制方法从相干激光雷达信号特征出发，具有良好的信号自适应性，相对于传统EEMD方法具有更好的去噪效果。针对机载相干激光雷达系统中的平台振动误差补偿问题，根据不同的振动模型，提出了三种不同的解决方案。第一，根据振动在单个观测周期内的表现形式，分析了二阶振动误差对相干激光雷达测距的影响，并提出一种基于分段干涉的二阶振动误差补偿方法。该方法不需要改变系统设计，只需要一个周期的数据就能够有效消除二阶振动误差。第二，分析了时变振动误差对相干激光雷达测距的影响，证明当机载平台振动频率较高时，相干机载激光雷达信号中高阶振动误差难以忽略，仅校正二阶振动误差无法得到高分辨率成像结果。基于此，将传统测距模型拓展为瞬时测距模型，利用瞬时测距模型准确刻画回波信号中的时变振动误差，提出了一种基于瞬时测距模型的时变振动误差补偿方法。该方法不需要增加系统的硬件设备，能够提高时变振动干扰下的测距精度。第三，考虑到相干激光雷达系统中振动误差和调频非线性误差的耦合效应，分析了耦合非线性误差的时变振动误差对测距的影响，并基于瞬时测距模型提出了耦合非线性误差的时变振动误差补偿方法。该方法只需要一个调频周期的回波信号，即可消除耦合误差，从而准确估计出目标距离。上述振动误差补偿方法的有效性和鲁棒性均通过仿真实验或实际数据处理进行了验证。最后，利用相干激光雷达三维成像系统采集了两个场景的地面实验数据，并模拟验证了平台振动对测距以及后续三维成像的影响，并通过所提出的振动误差补偿方法对地面模拟实验数据进行了处理，有效地降低每个观测周期的测距误差，提高了三维目标成像质量。综上所述，本文建立了新的相干机载激光雷达瞬时测距模型，研发了匹配相干激光雷达信号特征的振动误差补偿方法及系统误差校正方法，具有重要的理论意义。该研究能够提高机载相干激光雷达三维成像精度，在高分辨观测领域具有广阔的应用前景