一種基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法
2023-05-29 10:45:36 1
一種基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法
【專利摘要】本發明是一種基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法，包括步驟：對相干體制雷射雷達的線性調頻信號的相位進行量化得到雷射雷達波形；依據雷射雷達波形生成雷射相位調製信號，一方面，獲取延時的雷射相位調製信號，另一方面，放大並發射雷射相位調製信號；對接收的目標回波信號與延時的雷射相位調製信號進行去調相處理，生成正交解調回波信號；利用模數轉換器採集、記錄正交解調回波數據；對正交解調回波數據進行相位誤差估計和校正，得到相位誤差校正後的回波信號；對相位誤差校正後的回波信號進行距離向傅立葉變換，得到目標的距離向脈衝壓縮信號，用於在大幅度降低模數轉換器採樣率的條件下實現相干體制雷射雷達高距離解析度成像。
【專利說明】一種基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法【技術領域】
[0001]本發明屬於相干體制雷射雷達【技術領域】，特別是一種相干體制雷射雷達波形設計及其信號處理方法，具體涉及的相干體制雷射雷達包括合成孔徑雷射雷達(SyntheticAperture Ladar, SAL)、相干體制三維成像雷射雷達、相干體制都卜勒測風雷達。
【背景技術】
[0002]隨著雷射光源信號相干性的提高，相干體制的雷射雷達技術已經得到了快速發展。其雷射雷達的種類和主要的應用方向包括:
[0003]合成孔徑雷射雷達由於其採用相干體制，代表著雷射雷達的發展方向，無論對技術推動和實際應用均具有重要的研究價值；
[0004]高解析度成像技術研究(成像轉角很小的主動雷射成像，在原理上可和可見光圖像融合)；
[0005]基礎測繪(高空三維雷射雷達距離向採用脈衝壓縮，順軌向採用合成孔徑成像體制，提高空間探測解析度。脈衝壓縮技術有助於實現遠距離時的高距離解析度探測，並平衡峰值功率和平均功率的矛盾)；
[0006]大氣風場測量(目前的雷射都卜勒測風雷達距離向可改為脈衝壓縮體制)。
[0007]雷射雷達成像系統和光學成像系統一樣，其空間解析度都受天線孔徑的限制。對於一定載頻的雷射和一定大小的天線孔徑，方位解析度會隨著距離的增加而下降。因此，要實現遠距離時的高解析度成像需要很大的天線孔徑。但是，在實際系統中很多因素限制了天線孔徑的增加，因此限制了方位解析度的提高。
`[0008]作為相干雷射雷達的典型例子，合成孔徑雷射雷達由於採用合成孔徑的原理，方位解析度不隨距離的增加而下降，因此能獲得更高的方位解析度，在超高解析度觀測【技術領域】有廣闊的發展前景。目前其研究已經得到了廣泛的關注，並取得了明顯的研究進展。
[0009]合成孔徑雷射雷達為形成高解析度圖像需要形成寬帶信號。寬帶信號的形式主要包括寬帶頻率調製信號和寬帶相位調製信號，目前微波合成孔徑雷達(SAR，SyntheticAperture Radar)主要使用了寬帶頻率調製信號，並採用了成熟的成像處理技術，實現的圖像解析度已達到釐米量級。在雷射波段，由於實現頻率調製的聲光器件的限制，目前短時間內(μ s級)能夠實現的調頻信號帶寬較小，達不到釐米級解析度對應的帶寬要求，現階段只能考慮使用在雷射數字通信技術支持下發展出的高速寬帶雷射相位調製器形成寬帶雷射相位調製信號。
[0010]國內對相干體制雷射雷達已展開了一些研究，積極開展了合成孔徑雷射成像技術研究工作，目前已獲得毫米級成像結果。但依舊存在以下問題:主要工作停留在室內桌面試驗狀態；為產生大的距離向帶寬，採用了類似SAR頻率步進的技術方案，用慢時間獲取信號帶寬；為形成方位向帶寬的空間步進也很慢，由此產生長達數十分鐘的數據獲取時間，無法滿足實際中要在短時間內生成大帶寬信號的應用要求。另外，在該條件下對運動誤差的測量提出了過高的要求，沒有考慮到航空雷射SAR合成孔徑成像時間在毫秒量級的特點；桌面系統的解析度在毫米量級，和航空應用需求的5-lOcm解析度相差甚遠。
[0011]國外有關相干體制雷射雷達成像的工作開展相對較早，取得了一定的研究成果。2006年美國雷聲公司和諾斯羅普.格魯門公司先後報導和演示了機載合成孔徑雷射雷達成像實驗。2011年美國洛克希德-馬丁公司獨立完成了合成孔徑雷射成像雷達演示樣機的機載實驗，其機載樣機系統對距離1.6km的地面目標實現了幅寬lm，方位向解析度3.3cm的成像。事實上，美國洛克希德-馬丁公司的機載實驗系統就是使用了相位編碼信號並有效結合了微波SAR的成像處理技術。
【發明內容】
[0012](一)要解決的技術問題
[0013]要解決的技術問題主要包括以下幾點:1.解決相干體制雷射雷達高解析度要求的寬帶信號產生問題和發射信號的高峰值功率問題；2.解決寬帶信號的高速採樣率問題；
3.解決回波信號在存在相位誤差情況下脈衝壓縮性能降低的問題；鑑於上述問題，本發明的目的是提供一種基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法。
[0014](二)技術方案
[0015]為解決上述問題，本發明提出了一種基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法，其包括:
[0016]步驟S1:對相干體制雷射雷達的線性調頻信號的相位進行量化，得到雷射雷達波形；
[0017]步驟S2:依據雷射雷達波形，生成雷射相位調製信號，一方面，將雷射相位調製信號延時，得到延時的雷射相位調製信號，另一方面，將雷射相位調製信號進行放大，並由相干體制雷射雷達發射放大的雷射相位調製信號；
[0018]步驟S3:將相干體制雷射雷達接收的目標回波信號與延時的雷射相位調製信號進行去調相處理，生成正交解調回波信號；
[0019]步驟S4:利用模數轉換器採集正交解調回波信號，並由數據記錄器記錄正交解調回波數據；
[0020]步驟S5:對記錄的正交解調回波數據進行相位誤差估計和相位誤差校正，得到相位誤差校正後的回波信號；
[0021]步驟S6:對相位誤差校正後的回波信號進行距離向傅立葉變換，得到目標的距離向脈衝壓縮信號。
[0022](三)有益效果
[0023]1.本發明設計了一種相干體制雷射雷達波形，用高速寬帶雷射相位調製器生成寬帶雷射相位調製信號，實現了高距離解析度要求的寬帶信號，該信號適用於周期相位調製的連續波形式，降低了發射信號的峰值功率；
[0024]2.本發明設計了去調相接收方式，降低了信號帶寬，使用低採樣率AD轉換器完成數據採集，使系統得以簡化；
[0025]3.本發明提出了相位誤差校正方法，保證了回波信號的脈衝壓縮性能。
【專利附圖】
【附圖說明】[0026]圖1為本發明基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法的流程圖；
[0027]圖2為本發明中雷射雷達波形的相位示意圖；
[0028]圖3為本發明中雷射雷達波形的脈衝壓縮性能示意圖；
[0029]圖4為本發明中相干體制雷射雷達去調相接收的具體實現示意圖；
[0030]圖5為本發明中雷射雷達回波信號經去調相接收後的脈衝壓縮結果示意圖；
[0031]圖6為本發明中相干體制雷射雷達相位誤差校正的去調相接收的具體實現示意圖；
[0032]圖7a為本發明中含相位誤差的LFM連續相位調製信號回波(或者經過耦合併延時的雷射發射信號)經去調相接收的脈衝壓縮結果示意圖；
[0033]圖7b為估計出的信號相位誤差示意圖；
[0034]圖7c為對含相位誤差的LFM連續相位調製信號回波(或者經過耦合併延時的雷射發射信號)經去調相接收後進行相位誤差校正的脈衝壓縮結果示意圖。
【具體實施方式】
[0035]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0036]圖1示出了本發明中基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法的流程圖，如圖所示，該處理流程包括:
[0037]步驟S1:對相干體制雷射雷達的線性調頻(LFM)信號的相位進行量化，得到雷射雷達波形；
[0038]步驟S2:依據雷射雷達波形，生成雷射相位調製信號，一方面，將雷射相位調製信號延時，得到延時的雷射相位調製信號，另一方面，將雷射相位調製信號進行放大，並由相干體制雷射雷達發射放大的雷射相位調製信號；
[0039]步驟S3:將相干體制雷射雷達接收的目標回波信號與延時的雷射相位調製信號進行去調相處理，生成正交解調回波信號；
[0040]步驟S4:利用模數轉換器(A/D)採集正交解調回波信號，並由數據記錄器記錄正交解調回波數據；
[0041]步驟S5:對記錄的正交解調回波數據進行相位誤差估計和相位誤差校正，得到相位誤差校正後的回波信號；
[0042]步驟S6:對相位誤差校正後的回波信號進行距離向傅立葉變換，得到目標的距離向脈衝壓縮信號，用於在大幅度降低A/D採樣率的條件下實現相干體制雷射雷達高距離解析度成像。
[0043]步驟SI中，所設計的雷射雷達波形具有如下特點和性能:其信號相位歷程等同於線性調頻信號的相位歷程，對應的脈衝壓縮性能等同於線性調頻信號的脈衝壓縮性能；或者其信號相位歷程是線性調頻信號相位歷程的量化實現，對應的脈衝壓縮性能與線性調頻信號的脈衝壓縮性能相近。隨著量化位數的增加，其信號的脈衝壓縮性能不斷逼近線性調頻信號的脈衝壓縮性能。當量化位數大於8時，其脈衝壓縮後的副瓣情況和線性調頻信號脈衝壓縮後的副瓣情況相近。
[0044]圖2示出了本發明雷射雷達波形的相位示意圖。圖3示出了本發明雷射雷達波形的脈衝壓縮性能示意圖。圖2中，LFM連續相位調製信號是信號相位等同於線性調頻信號相位的基帶信號，LFM16PSK相位調製信號是信號相位為線性調頻信號相位的16位量化實現的基帶信號。
[0045]圖3結果顯示了 LFM連續相位調製信號的脈衝壓縮性能和線性調頻信號的脈衝壓縮性能相同，LFM16PSK相位調製信號的脈衝壓縮性能和線性調頻信號的脈衝壓縮性能相近。
[0046]步驟S2中，所述雷射相位調製信號是由雷射相位調製器接收雷射信號和調製信號，生成並輸出雷射相位調製信號。所述調製信號由高速數模轉換器形成的調製信號產生器(或任意波形發生器)產生。所述雷射相位調製器是高速寬帶雷射相位調製器，其生成的雷射相位調製信號是寬帶雷射相位調製信號。
[0047]所述雷射相位調製信號的一方面，當雷射相位調製器具有連續相位調製能力時，生成線性調頻信號相位的雷射相位調製信號；所述雷射相位調製信號的另一方面，當雷射相位調製器不具有連續相位調製能力時，生成線性調頻信號相位量化後的雷射相位調製信號。
[0048]所述量化包括二進位、四進位、八進位、十六進位相移鍵控(2PSK，4PSK，8PSK，16PSK)和更高進位的相移鍵控等。
[0049]步驟S2中，將所述雷射相位調製信號放大並發射時，雷射相位調製信號分為脈衝和周期相位調製的連續波兩種形式。採用周期相位調製的連續波形式，用於降低發射信號的峰值功率。
[0050]步驟S3中，所述去調相接收是將所述相干體制雷射雷達接收的目標回波信號和延時的雷射相位調製信號進行相干探測和正交解調，用以大幅度降低正交解調(I/Q)信號的帶寬。所述正交解調(I/Q)信號的帶寬小於接收的目標回波信號的帶寬。
[0051]步驟S4中，使用低採樣率的模數轉換器採集正交解調回波數據。所述低採樣率指採樣率小於雷射相位調製信號的帶寬。
[0052]實施例1:圖4示出了本發明相干體制雷射雷達去調相接收的具體實現示意圖，其主要包括:雷射光源、晶振、定時器、調製信號產生器、雷射相位調製器、光纖延時線、發射端光纖放大器、接收端光纖放大器、雷射相干探測解調器、A/D轉換器、數據記錄器和脈衝壓縮處理單元，其中:
[0053]定時器接收晶振信號，輸出模數時鐘信號、定時脈衝信號和選通脈衝信號；
[0054]調製信號產生器接收定時脈衝信號，生成並輸出調製信號；
[0055]雷射相位調製器接收調製信號和雷射光源信號，生成並輸出雷射相位調製信號；
[0056]光纖延時線對雷射相位調製信號進行延時，並輸出延時的雷射相位調製信號；
[0057]發射端光纖放大器接收雷射相位調製信號和選通脈衝信號，並發射放大的雷射相位調製信號；
[0058]接收端光纖放大器接收目標回波信號，經放大處理並發送放大的目標回波信號；
[0059]雷射相干探測解調器與接收端光纖放大器連接，接收放大的目標回波信號和延時的雷射相位調製信號，生成並輸出正交解調(IQ)回波信號；
[0060]A/D轉換器接收正交解調回波信號，生成正交解調回波數據；
[0061]由數據記錄器記錄正交解調回波數據；[0062]脈衝壓縮處理單元對記錄的正交解調回波數據進行距離向傅立葉變換，獲得目標的距離向脈衝壓縮信號。
[0063]圖5示出了雷射雷達回波信號經去調相接收後的脈衝壓縮結果示意圖，圖中紅色虛線為LFM連續相位調製信號回波和其參考信號經過去調相接收後的距離向脈衝壓縮圖像，藍色實線為LFM16PSK相位調製信號回波和其參考信號經過去調相接收後的距離向脈衝壓縮圖像。仿真參數為:雷達和場景目標的距離為15m，LFM連續相位調製信號和LFM16PSK相位調製信號的脈寬為10 μ s,帶寬為3GHz，雷射相位調製信號的延時為0，A/D轉換器的採樣率為500MHz。結果顯示，LFM連續相位調製信號脈衝壓縮性能良好jPLFM連續相位調製信號相比，LFM16PSK相位調製信號由於量化在脈衝壓縮後產生了新的副瓣，但其副瓣的分布區離場景目標較遠，且其電平較低，適用於對成像幅寬較小的使用場合。
[0064]步驟S5中所述相位誤差和相位誤差校正是在不同延時的情況下，估計出記錄的正交解調回波數據中的強點回波信號(或者經過耦合併延時的雷射發射信號)和理想波形信號相比較存在的相位誤差，構建不同延時的情況下的相位誤差補償函數進行補償，完成相位誤差校正，以保證回波信號的脈衝壓縮性能。
[0065]實施例2:圖6示出了本發明相干體制雷射雷達相位誤差校正的去調相接收的具體實現示意圖，其主要包括:雷射光源信號、調製信號、雷射相位調製器、光纖延時線、發射端光纖放大器、耦合器、接收端光纖放大器、雷射相干探測解調器、A/D轉換器和數據記錄器、相位誤差校正單元和脈衝壓縮處理單元，其中:
[0066]雷射相位調製器接收調製信號和雷射光源信號，生成並輸出雷射相位調製信號；
[0067]光纖延時線對雷射相位調製信號進行延時，並輸出延時的雷射相位調製信號；
[0068]發射端光纖放大器接收雷射相位調製信號，並發射放大的雷射相位調製信號；
[0069]稱合器/光纖延時線接收放大的雷射相位調製信號，輸出稱合併延時的雷射發射信號;
[0070]接收端光纖放大器接收目標回波信號或者耦合併延時的雷射發射信號，經放大處理並發送放大的目標回波信號；
[0071]雷射相干探測解調器接收放大的目標回波信號和延時的雷射相位調製信號，生成並輸出正交解調回波信號；
[0072]A/D轉換器接收正交解調回波信號，生成正交解調回波數據；
[0073]由數據記錄器記錄正交解調回波數據；
[0074]相位誤差校正單元對記錄的回波數據進行相位誤差估計和相位誤差校正，得到相位誤差校正後的信號；
[0075]脈衝壓縮處理單元對相位誤差校正後的信號進行距離向傅立葉變換，獲得目標的距離向脈衝壓縮信號。
[0076]圖7a-圖7c中仿真參數為:雷達和場景目標的距離為15m，LFM連續相位調製信號的脈寬為10 μ S，帶寬為3GHz，雷射相位調製信號的延時為0，A/D轉換器的採樣率為500MHz。圖7a示出了所述仿真參數的、含正弦相位誤差的LFM連續相位調製信號回波(或者經過耦合併延時的雷射發射信號)經去調相接收後的脈衝壓縮結果示意圖；圖713圖示出了根據理想波形信號在該延時下的去調相結果，估計出經去調相接收後回波信號(或者經過耦合併延時的雷射發射信號)存在的相位誤差示意圖；圖7(:圖示出了用估計出的相位誤差構造相位誤差補償函數對回波信號(或者經過耦合併延時的雷射發射信號)經去調相接收後的信號進行相位補償，再進行脈衝壓縮的結果示意圖。結果顯示，和未經過相位誤差校正的脈衝壓縮結果相比，經過相位誤差校正後的脈衝壓縮性能得到很大的提高。
[0077]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法，其特徵在於，包括步驟: 步驟S1:對相干體制雷射雷達的線性調頻信號的相位進行量化，得到雷射雷達波形； 步驟S2:依據雷射雷達波形，生成雷射相位調製信號，一方面，將雷射相位調製信號延時，得到延時的雷射相位調製信號，另一方面，將雷射相位調製信號進行放大，並由相干體制雷射雷達發射放大的雷射相位調製信號； 步驟S3:將相干體制雷射雷達接收的目標回波信號與延時的雷射相位調製信號進行去調相處理，生成正交解調回波信號； 步驟S4:利用模數轉換器採集正交解調回波信號，並由數據記錄器記錄正交解調回波數據； 步驟S5:對記錄的正交解調回波數據進行相位誤差估計和相位誤差校正，得到相位誤差校正後的回波信號； 步驟S6:對相位誤差校正後的回波信號進行距離向傅立葉變換，得到目標的距離向脈衝壓縮信號。
2.如權利要求1所述的基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法，其特徵在於，所述雷射相位調製信號是由雷射相位調製器接收雷射信號和調製信號，生成並輸出雷射相位調製信號。
3.如權利要求2所述的基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法，其特徵在於，所述雷射相位調製信號的一方面，當雷射相位調製器具有連續相位調製能力時，生成線性調頻信號相位的雷射相位調製信號；所述雷射相位調製信號的另一方面，當雷射相位調製器不具有連續相位調製能力時，生成線性調頻信號相位量化後的雷射相位調製信號。
4.如權利要求3所述的基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法，其特徵在於，所述量化包括二進位、四進位、八進位、十六進位相移鍵控和更高進位的相移鍵控。
5.如權利要求1所述的基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法，其特徵在於，將所述雷射相位調製信號放大並發射時，雷射相位調製信號分為脈衝和周期相位調製的連續波兩種形式。
6.如權利要求5所述的基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法，其特徵在於，所述周期相位調製的連續波形式，用於降低發射信號的峰值功率。
7.如權利要求1所述的基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法，其特徵在於，所述去調相接收是將所述相干體制雷射雷達接收的目標回波信號和延時的雷射相位調製信號進行相干探測和正交解調，用以大幅度降低正交解調回波信號的帶寬。
8.如權利要求1所述的基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法，其特徵在於，使用低採樣率的模數轉換器採集正交解調回波數據。
9.如權利要求1所述的基於相干體制雷射雷達波形的信號處理方法，其特徵在於，所述相位誤差和相位誤差校正是在不同延時的情況下，估計出記錄的正交解調回波數據中的強點回波信號和理想波形信號相比較存在的相位誤差，構建不同延時的情況下的相位誤差補償函數對相位誤差進行補償，完成相位誤差校正，用以保證回波信號的脈衝壓縮性能。
【文檔編號】G01S7/483GK103760548SQ201410010466
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月9日 優先權日:2014年1月9日
【發明者】李道京, 杜劍波, 馬萌 申請人:中國科學院電子學研究所