合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法
2023-06-05 04:45:16 1
專利名稱：合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法
技術領域：
本發明涉及合成孔徑雷射成像雷達，特別是一種合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法，提高合成孔徑雷射成像雷達的距離向解析度。
背景技術：
合成孔徑雷射成像雷達利用合成孔徑的概念、使用雷射作為輻射源。由於雷射頻率遠高於微波，因此可以用更小的孔徑用更短的成像時間實現更高的成像解析度。理論上合成孔徑雷射成像雷達可以用數米的口徑實現幾千公裡上的釐米量級的解析度。合成孔徑概念在高頻波段的應用帶來技術上的新問題，而這些問題在工程化方面顯得尤為突出。其中包括高性能雷射器的研製、光學收發系統的研究、相干探測器靈敏度的提高以及成像算法的改進等。
由於發射脈衝很難達到高峰值功率，為保證接收脈衝同時具有高功率和足夠的解析度，通常使用線性調頻啁啾信號，利用脈衝壓縮技術同時滿足功率和解析度要求。常用的成像算法中，通過對線性調頻信號和相位歷史進行脈衝壓縮得到距離向和方位向的解析度。但常用的可調諧雷射器並不能實現完全的線性調頻，一方面可調諧雷射器為波長線性掃描型，並非頻率線性掃描型。另一方面，雷射器在波長掃描時也不能保證完全線性，波長線性度在不同掃描速率下和使用環境下有所不同，一般在百分之幾甚至幾十，會造成比前者更大的頻率非線性。較大的啁啾非線性帶來的距離向相位誤差會在成像時造成距離向脈寬的展寬，導致距離向聚焦不準，降低距離向成像解析度，並會進一步影響方位向信號的處理。因此必須通過一定的圖像處理方法補償非線性啁啾，以保證成像質量，實現高解析度。
20世紀60年代人們開始展開對合成孔徑雷射成像雷達的研究。2002年美國海軍實驗室使用步進平臺上的雷達系統實現了二維(逆)合成孔徑雷達成像。在成像算法中，首次提出了非線性啁啾的問題，並採用了匹配通道對目標回波中的非線性啁啾進行補償[參見文獻1.R.L.Lucke，L.J.Rickard，M.Bashkansky et al..Syntheticaperture ladar(SAL)fundamental theory，design equations for a satellite system，andLaboratory Demonstration.WashingtonNaval Research Laboratory，2002]。2005年美國航空航天公司首次實現了真正意義上的二維合成孔徑雷射成像雷達的實驗室驗證，通過建立非匹配通道補償非線性啁啾，提高了距離向解析度[參見文獻2.S.M.Beck，J.R.Buck，W.F.Buell et al..Synthetic-aperture imaging laser radarlaboratorydemonstration and signal processing.Appl.Opt.2005，447621-7629]。兩種方法的本質均是用長本振通道補償回波通道的長度，並利用相干探測實現相位相減，啁啾非線性在極小的目標通道延時差積累下產生的非線性相位可忽略，從而抑制啁啾非線性對距離向成像的影響。海軍實驗室的匹配通道方法僅限於已知目標距離的實驗室環境，且在實際作用的數百公裡距離中不易實現，實用性較差。航空航天公司的非匹配通道方法利用數位訊號處理，將參考通道較短延時差下的相位誤差擴大到接近目標通道較大延時差下的相位誤差，間接獲得信號回波中的相位誤差近似值，在一定程度上拓展了適用範圍，但在提取相位誤差、相移計算以及非線性啁啾補償時計算量較大。
發明內容
本發明要解決的技術問題在於克服上述現有技術的不足，提供一種合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法，該方法簡單易行，可根據不同應用環境和性能要求靈活選擇工作模式。
本發明的技術解決方案如下 一種合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法，該方法是在一般的成像算法中通過建立等臂本振通道，對目標回波中的啁啾非線性進行抑制。
一種合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法，其特點在於包括下列步驟 ①建立目標本振通道，令目標本振通道的長度RT-LO接近或等於目標距離RT-S，n，所述的目標距離RT-S，n是合成孔徑雷射成像雷達到目標的距離的2倍； ②發射雷射器的發射信號分為兩束第一束髮射信號經目標反射後，得到目標回波信號；第二發射信號經所述的目標本振通道延時，得到目標本振信號； ③將所述的目標本振信號和目標回波信號經目標相干探測得到目標相干探測光電流，該目標相干探測光電流經模數轉換器後得到數位化目標電流，再經低通濾波器得到目標外差信號；由於所述的目標本振通道的長度RT-LO接近或等於目標距離RT-S，n，目標本振信號延時τT-LO接近目標回波信號延時τT-S，n，該目標外差信號的距離向相位中的相位誤差趨近於零； ④對所述的目標外差信號進行傅立葉變換，即得到距離向壓縮圖像。
一種合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法，其特點在於包括下列步驟 ①建立目標本振通道，但目標本振通道的長度RT-LO小於目標距離RT-S，n，所述的目標距離RT-S，n是合成孔徑雷射成像雷達到目標的距離的2倍； ②建立參考通道設立參考目標和參考本振通道，令參考目標距離RT-S和參考本振通道的長度RR-LO之差接近目標距離RT-S，n和目標本振通道的長度RT-LO之差； ③發射雷射器的發射信號分為四束第一束髮射信號經目標反射後，得到目標回波信號；第二束髮射信號經所述的目標本振通道延時，得到目標本振信號；將所述的目標本振信號和目標回波信號經目標相干探測得到目標相干探測光電流，該目標相干探測光電流經模數轉換器後得到數位化目標電流，再經低通濾波得到目標外差信號；第三束髮射信號經參考目標反射後，得到參考回波信號；第四發射信號經所述的參考本振通道延時，得到參考本振信號；參考回波信號和參考本振信號經參考相干探測後得到的參考相干探測光電流，該參考相干探測光電流經模數轉換和低通濾波，得到參考外差信號 ④所述的參考外差信號與目標外差信號進行二次相干探測得到二次外差信號，該二次外差信號)經低通濾波器得到二次外差低頻信號 ⑤對所述的二次外差低頻信號進行傅立葉變換，即得到距離向壓縮圖像。
一種合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法，其特點在於包括下列步驟 ①建立目標本振通道，但目標本振通道的長度RT-LO小於目標距離RT-S，n，所述的目標距離RT-S，n是合成孔徑雷射成像雷達到目標的距離的2倍； ②建立參考通道設立參考目標和參考本振通道，參考本振通道的長度和參考目標的距離接近或相等； ③發射雷射器的發射信號分為四束第一束髮射信號經目標反射後，得到目標回波信號；第二束髮射信號經所述的目標本振通道延時，得到目標本振信號；將所述的目標本振信號和目標回波信號經目標相干探測得到目標相干探測光電流，該目標相干探測光電流經模數轉換後得到數位化目標電流，再經低通濾波器得到目標外差信號第三束髮射信號經參考目標反射後，得到參考回波信號；第四發射信號經所述的參考本振通道延時，得到參考本振信號，所述的參考回波信號和參考本振信號經參考相干探測後得到的參考相干探測光電流，該參考相干探測光電流經模數轉換和低通濾波，得到參考外差信號 ④利用該參考外差信號進行相移計算，獲得目標外差信號估計值； ⑤對所述的目標外差信號估計值和目標外差信號進行二次相干探測得到二次外差信號，經低通濾波得到二次外差低頻信號 ⑥對所述的二次外差低頻信號進行傅立葉變換，即得到距離向壓縮圖像。
圖1是本發明的原理框圖。
圖2是本發明實施例的系統框圖。
圖中1為發射雷射器；2為發射信號；3為目標；4為目標回波信號；5為目標本振通道；6為目標本振信號；7為目標通道相干探測；8為目標通道相干探測光電流；9為模數轉換；10為數位化的目標電流；11為低通濾波器；12為目標外差信號；13為反射鏡；14為參考回波信號；15為參考本振通道；16為參考本振信號；17為參考通道相干探測；18為參考通道相干探測光電流；19為模數轉換；20為數位化參考電流；21為低通濾波器；22為參考外差信號；23為二次相干探測；24為二次外差信號；25為低通濾波器；26為二次外差低頻信號；27為相移計算；28為目標外差信號估算值；29為距離向傅立葉變換；30為距離向壓縮圖像；31為相移計算開關；32為相位估算值開關；33為距離壓縮信號開關；
具體實施例方式 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
本發明的基本原理是 線性啁啾信號的頻率變化率完全線性的頻率表達式為 其中，f0為起始頻率，
為啁啾速率(Hz/s)，T為脈衝周期。
由相位和頻率之間積分計算關係，得到啁啾雷射信號的瞬時相位為
非線性啁啾信號的頻率除了線性變化項外，還存在著隨時間變化二階項、三階項甚至更高階項。對應的相位用Taylor級數展開式表示為
我們僅考慮最高含有二階項的情況，啁啾信號頻率為 其中，
為二階啁啾速率(Hz/s2)。
則相應的相位表達式為
參見圖1，發射雷射器1的發射信號2為此啁啾信號，並分為兩路第一路發射信號2經目標3反射回來，作為目標回波信號4，第二路發射信號2經本振通道5延時，作為目標本振信號6。
目標回波信號4和目標本振信號6表達式分別為
其中，
為第n個目標點回波信號4中的方位向相位；目標回波信號4和目標本振信號6的距離向相位
分別為發射信號2相位的延時信號
其中，第n個目標點回波信號4的延時τT-S，n＝2RT-S，n/c，目標本振信號6的延時τT-LO＝RT-LO/c，RT-S，n為第n個目標距離，RT-LO為目標本振通道5長度。
目標回波信號4和目標本振信號6經目標相干探測7後，得到目標相干探測光電流8
經模數轉換9和低通濾波器11濾波後，保留其中的差頻部分，作為目標通道外差信號12為
其中，N為目標點數，M為方位向採樣點數，為第n個目標點在第m個方位向的外差信號幅值。
距離向相位為目標回波信號4和目標本振信號6的相位差
在合成孔徑雷射成像雷達的成像算法中，目標外差信號12的距離向相位大小決定了距離向的成像脈寬。若存在啁啾非線性引起的非線性誤差，即公式(11)中的後兩項，則會造成距離向成像脈寬的展寬，降低距離向解析度。
通過建立等臂本振通道補償目標通道長度，縮短公式(11)中外差信號12的距離向相位的延時差τT-S，n-τT-LO，減小距離向的非線性相位誤差，從而對目標回波4中的非線性啁啾影響進行抑制，保證距離向的高解析度。
建立等臂本振通道的方法有三種 直接延長目標本振通道； 建立參考通道延長目標本振通道； 短參考本振通道經相移計算延長目標本振通道。
第一種方法直接延長目標本振通道 由公式(10)可見，當目標本振通道5長度RT-LO接近目標距離RT-S，n時，則本振信號延時τT-LO接近回波信號延時τT-S，n，目標外差信號12距離向相位中的相位誤差趨近於零。
第二種方法建立參考通道延長目標本振通道 在目標本振通道5長度小於目標距離的情況下，建立類似目標通道的參考通道。參考目標13為反射鏡。發射雷射器1的發射信號2分為四束第一束髮射信號2經目標3反射後，得到目標回波信號4；第二束髮射信號2經所述的目標本振通道5延時，得到目標本振信號6；將所述的目標本振信號6和目標回波信號4經目標相干探測7得到目標相干探測光電流8，該目標相干探測光電流8經模數轉換器9後得到數位化目標電流10，再經低通濾波11得到目標外差信號12；第三束髮射信號2經參考目標13反射後，得到參考回波信號14；第四發射信號2經所述的參考本振通道15延時，得到參考本振信號16；參考回波信號14和參考本振信號16經參考相干探測17後得到的參考相干探測光電流18，該參考相干探測光電流18經模數轉換19和低通濾波21，得到參考外差信號21。參考回波信號14和參考本振信號16的表達式如下
參考通道回波信號14和本振信號16的相位分別為發射信號2相位不同延時下的信號
其中，參考回波信號14的延時τR-S＝2RR-S/c，參考本振信號16的延時τR-LO＝RR-LO/c，RT-S為參考目標距離，RR-LO為參考本振通道15的長度。
兩信號經參考通道相干探測17得到的參考通道光電流18
經模數轉換19和低通濾波器21，得到參考通道外差信號22
其中，為信號幅值，距離向相位為參考回波信號14和本振信號16的相位差
參考通道外差信號22與目標通道外差信號12進行二次相干探測23，得到二次外差信號24
利用低通濾波器25取二次外差低頻信號26
其中，為信號幅值，二次外差低頻信號26的相位為目標外差信號12和參考外差信號22的相位差
由公式(11)和(16)可知，若參考通道延時差τR-S-τR-LO接近目標通道延時差τT-S，n-τT-LO，則在二次相干探測23過程中參考通道外差信號相位可有效抵消目標通道外差信號中的非線性相位誤差，抑制非線性啁啾的影響。
第三種方法短參考本振通道通過相移計算延長目標本振通道 目標本振通道5的長度遠小於目標距離，且參考本振通道15的長度和參考目標距離接近。目標通道外差信號12和參考通道外差信號22的獲得同第二種方法。利用相移計算27對參考通道外差信號22進行放大，得到目標通道長延時差產生的外差信號估算值28。在兩通道二次相干探測23時，目標外差信號估算值28與目標外差信號12相位進行抵消。
相移計算27通常包括鑑相、相移、恢復包絡三個步驟。
首先對參考通道外差信號22進行解包絡運算得到參考通道相位，即參考本振信號16和參考回波信號14相位差
對參考通道相位進行傅立葉變換，得到參考通道相位頻譜
。由相移公式(參見文獻2)，得到目標通道中每個目標點外差信號相位的頻譜估算值
其中，Pn為第n個目標點的相移因子，Nrange為距離向採樣點數，nrange為點數序列號，γrange為距離向採樣率。
逆傅立葉變換後得到每個目標點的目標通道外差信號相位估算值
，並恢復為餘弦函數的包絡形式，即得到目標外差信號估算值28
與通過建立參考通道延長目標本振通道的方法類似，目標外差信號估算值28與目標外差信號12進行二次相干探測23後，得到二次外差信號24
經低通濾波25從二次外差信號24中取得二次外差低頻信號26
其中，為信號幅值，距離向相位
為
兩相位相減，從而抵消非線性相位影響。
具體實施例是以條帶掃描工作模式下的星載合成孔徑雷射成像雷達為模型。合成孔徑雷射成像雷達收發天線的口徑d為0.19m，在目標上光學足趾直徑D為11.2m。工作波長為1.55μm，脈衝周期T為15.6ms，脈寬ΔT為7.8ms。要求距離向和方位向的成像解析度均為10cm，則啁啾帶寬B為4.243×109Hz，對應波長掃描範圍Δλ為0.034nm，則有波長啁啾率Δλ/ΔT為4359nm/s，頻率啁啾率 本發明的啁啾非線性抑制方法的合成孔徑雷射成像雷達系統及流程圖如圖2所示。根據不同應用環境，該系統有三種工作模式對非線性啁啾進行抑制。
在室內模擬實驗環境下，已知簡單目標的目標距離為10m，且距離向解析度要求較高，則選擇第一種模式「直接延長本振通道」。將目標本振通道5的長度延長到與目標距離一樣的10m。距離壓縮信號開關33接通目標通道外差信號12。發射雷射器1的發射信號2經目標3反射後，得到目標回波4。另外一路發射信號2經目標本振通道5延時，得到目標本振波6。目標本振波6和目標回波4經目標通道相干探測7、模數轉換9和低通濾波器11得到目標外差信號12。對目標外差信號12進行傅立葉變換29，即可得到距離向壓縮圖像30。
在室內模擬實驗環境下，已知複雜目標的目標中心距離10m，且距離向解析度要求較低，選擇第二種模式「通過建立參考通道延長本振通道」。將目標本振通道5的長度縮短為0.5m，並建立參考通道。參考本振通道15的長度與目標本振通道5一致，為0.5m，參考通道的反射鏡13距離取與目標3中心距離相同的10m。相移計算開關31斷開相移計算模塊27，直接接通至相位估算值開關32。相位估算值開關32接通參考通道外差信號22。距離壓縮信號開關33接通二次外差低頻信號26。與第一種模式相同，發射雷射器1的發射信號2經目標3反射和目標本振通道5延時，分別得到目標回波信號4和目標本振信號6，經目標相干探測7、模數轉換9和低通濾波器11，得到目標外差信號12。同樣，參考通道中的兩路發射信號2分別經反射鏡13反射和參考本振通道15延時，分別得到參考回波信號14和參考本振信號16，經參考相干探測17、模數轉換19和低通濾波器21，得到參考外差信號22。目標外差信號12和參考外差信號22經二次相干探測23和低通濾波器25，得到二次外差低頻信號26。對二次外差低頻信號26進行距離向傅立葉變換29，即可得到距離向壓縮圖像30。
在雷達系統進行實際搭載運行時，搭載雷達系統的衛星平臺在400km高度飛行，即目標中心距離為400km、目標起伏高度未知，且距離向解析度要求較高，則選擇第三種模式「短參考本振通道通過相移計算延長目標本振通道」。同第二種模式一樣建立參考通道參考通道的反射鏡13距離為10m，目標本振通道5和參考本振通道15的長度均為0.5m。相移計算開關31接通相移計算模塊27，相位估算值開關32接通目標相位估算值28，距離壓縮信號開關33接通二次外差低頻信號26。發射雷射器1的發射信號2經目標3反射、目標本振通道5延時，以及經反射鏡13和參考本振通道15延時，分別得到目標通道的回波信號4、本振信號6、參考通道的回波信號14和本振信號16。目標通道的回波信號4和本振信號6經目標相干探測7、模數轉換9和低通濾波器11得到目標外差信號12。參考回波信號14和參考本振信號16經參考相干探測17、模數轉換19和低通濾波器21，得到參考外差信號22。參考外差信號22通過相移計算27得到目標外差信號估算值28。目標外差信號估算值28與目標外差信號12二次相干探測23和低通濾波器25，得到二次外差低頻信號26。對二次外差低頻信號26進行距離向傅立葉變換29，即可得到距離向壓縮圖像30。
經計算機仿真證明，本發明等臂本振通道抑制啁啾非線性方法的三種工作模式均可使距離向成像的展寬得到抑制，非線性啁啾影響得到了有效抑制。並且三種工作模式可根據實際應用情況進行靈活選擇。
權利要求
1、一種合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法，其特徵在於該方法是在一般的成像算法中通過建立等臂本振通道，對目標回波中的啁啾非線性進行抑制。
2、根據權利要求1所述的合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法，其特徵在於包括下列步驟
①建立目標本振通道(5)，令目標本振通道(5)的長度RT-LO接近或等於目標距離RT-S，n，所述的目標距離RT-S，n是合成孔徑雷射成像雷達到目標的距離的2倍；
②發射雷射器(1)的發射信號(2)分為兩束第一束髮射信號(2)經目標(3)反射後，得到目標回波信號(4)；第二發射信號(2)經所述的目標本振通道(5)延時，得到目標本振信號(6)；
③將所述的目標本振信號(6)和目標回波信號(4)經目標相干探測(7)得到目標相干探測光電流(8)，該目標相干探測光電流(8)經模數轉換器(9)後得到數位化目標電流(10)，再經低通濾波器(11)得到目標外差信號(12)
④對所述的目標外差信號(12)進行傅立葉變換(29)，即得到距離向壓縮圖像(30)。
3、根據權利要求1所述的合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法，其特徵在於包括下列步驟
①建立目標本振通道(5)，但目標本振通道(5)的長度目標本振通道5的長度RT-LO小於目標距離RT-S，n，所述的目標距離RT-S，n是合成孔徑雷射成像雷達到目標的距離的2倍；
②建立參考通道設立參考目標(13)和參考本振通道(15)，令參考目標距離RT-S和參考本振通道(15)的長度RR-LO之差接近目標距離RT-S，n和目標本振通道(5)的長度RT-LO之差；
③發射雷射器(1)的發射信號(2)分為四束第一束髮射信號(2)經目標(3)反射後，得到目標回波信號(4)；第二束髮射信號(2)經所述的目標本振通道(5)延時，得到目標本振信號(6)；將所述的目標本振信號(6)和目標回波信號(4)經目標相干探測(7)得到目標相干探測光電流(8)，該目標相干探測光電流(8)經模數轉換器(9)後得到數位化目標電流(10)，再經低通濾波器(11)得到目標外差信號(12)第三束髮射信號(2)經參考目標(13)反射後，得到參考回波信號(14)；第四發射信號(2)經所述的參考本振通道(15)延時，得到參考本振信號(16)；參考回波信號(14)和參考本振信號(16)經參考相干探測(17)後得到的參考相干探測光電流(18)，經模數轉換(19)和低通濾波器(21)，得到參考外差信號(22)
④所述的參考外差信號(22)與目標外差信號(12)進行二次相干探測(23)得到二次外差信號(24)，該二次外差信號(24)經低通濾波器(25)得到二次外差低頻信號(26)
⑤對所述的二次外差低頻信號(26)進行傅立葉變換(29)，即得到距離向壓縮圖像(30)。
4、根據權利要求1所述的合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法，其特徵在於包括下列步驟
①建立目標本振通道(5)，但目標本振通道(5)的長度RT-LO小於目標距離RT-S，n，所述的目標距離RT-S，n是合成孔徑雷射成像雷達到目標的距離的2倍；
②建立參考通道設立參考目標(13)和參考本振通道(15)，參考本振通道(15)的長度和參考目標的距離接近或相等；
③發射雷射器(1)的發射信號(2)分為四束第一束髮射信號(2)經目標(3)反射後，得到目標回波信號(4)；第二束髮射信號(2)經所述的目標本振通道(5)延時，得到目標本振信號(6)；將所述的目標本振信號(6)和目標回波信號(4)經目標相干探測(7)得到目標相干探測光電流(8)，該目標相干探測光電流(8)經模數轉換器(9)後得到數位化目標電流(10)，再經低通濾波器(11)得到目標外差信號(12)第三束髮射信號(2)經參考目標(13)反射後，得到參考回波信號(14)；第四發射信號(2)經所述的參考本振通道(15)延時，得到參考本振信號(16)，參考回波信號(14)和參考本振信號(16)經參考相干探測(17)後得到的參考相干探測光電流(18)，該參考相干探測光電流(18)經模數轉換(19)和低通濾波器(21)，得到參考外差信號(22)
④利用該參考通道外差信號(22)進行相移計算(27)，獲得目標外差信號估計值(28)；
⑤對所述的目標外差信號估計值(28)和目標外差信號(12)進行二次相干探測(23)得到二次外差信號(24)，經低通濾波(25)得到二次外差低頻信號(26)
⑥對所述的二次外差低頻信號(26)進行傅立葉變換(29)，即得到距離向壓縮圖像(30)。
全文摘要
一種合成孔徑雷射成像雷達抑制啁啾非線性的方法，在一般的成像算法中通過建立等臂本振通道，對目標回波中的啁啾非線性進行抑制。建立等臂本振通道的方法有三種直接延長目標本振通道，通過建立參考通道延長目標本振通道、短參考本振通道通過相移計算延長目標本振通道。三種方法均可有效抑制非線性啁啾的影響，可根據實際應用情況進行靈活選擇，對保證合成孔徑雷射成像雷達的高成像解析度有實際意義。
文檔編號G01S17/89GK101446643SQ20081020410
公開日2009年6月3日 申請日期2008年12月5日 優先權日2008年12月5日
發明者楠 許, 劉立人, 偉 魯, 吳亞鵬 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所