专利名称：合成孔径激光雷达非线性啁啾的匹配滤波方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及合成孔径激光雷达，是合成孔径激光雷达成像中一种合成孔径激光 雷达非线性啁啾的匹配滤波方法和装置，通过将差频信号频谱进行匹配滤波的方法， 实现对光源非线性啁啾的影响进行补偿，在外差信号中抑制啁啾非线性的影响，提 高合成孔径激光雷达成像的距离向高分辨率。
背景技术：
合成孔径激光雷达是一种以激光光源为辐射源的高分辨率成像雷达，它通过小 口径光学天线的运动来合成大孔径以获取高分辨率图像。雷达系统的发射和接收装 置装载在同一个运动平台上，真实的取样孔径在每一个取样位置上发射脉冲并接收 从目标物体或区域反射回的回波，往返光学相移通过每个脉冲回波的外差探测测量 得到，对脉冲复振幅(振幅和相位)的往返变化进行测量并记录，然后，取样孔径 移动到下一个取样位置。把在各个位置上接收到的一系列回波信号存储起来，然后 运用合成孔径技术对存储的数据进行综合处理，可得到高分辨率的目标图像。
合成孔径激光雷达的成像原理与传统的微波合成孔径雷达成像原理基本相同， 但是由于激光波长比微波波长短3 5个数量级，因此它的距离向分辨率可达毫米量 级，同时发射脉冲也很难达到高峰值功率。为保证接收脉冲同时具有高功率和足够 的分辨率，合成孔径激光雷达一般采用线性调频的啁啾信号，激光载频在脉冲时间 宽度内呈线性变化。光源啁啾产生的原因主要是由于激光器内动态电信号调制的影 响导致光源脉冲信号的相位产生动态变化，直接体现为光信号频率随时间的动态变 化，这种变化可以是线性的，也可以是非线性的。然而，实际的激光器并不能实现 完全的线性调频。首先，由于啁啾激光器一般为波长线性扫描型，并非直接对频率 进行线性扫描；其次，激光器在波长扫描时并不能保证做到完全的线性，在不同扫 描速率下和使用环境中波长的线性度会有所不同，其变化范围一般在百分之几到百
分之几十之间，后者因素会引起比前者更大的频率非线性。在合成孔径激光雷达的 成像算法中，信号啁啾中如果存在较大的频率非线性项，会导致差频信号中产生相 位误差，进而导致距离向成像聚焦模糊，降低成像分辨率。因此，必须通过一定的算法对光源的非线性啁啾进行补偿，从而保证雷达的成像质量，实现图像的高分辨率。
目前，针对光源非线性啁啾影响的克服主要分为匹配通道和非匹配通道两种方 案。2002年，在Naval Research Laboratory的匹配通道时域处理算法中，首次提出 了非线性啁啾的问题，其解决办法是通过建立长度与目标通道完全相同的参考通 道，由两通道外出电信号相乘实现相位相减，从而克服非线性啁啾在时间相位上的 累加对成像的影响[参见文献1. R. L. Lucke, L. J. Rickard， M. Bashkansky et al.. Synthetic aperture ladar (SAL): fundamental theory, design equations for a satellite system, and Laboratory Demonstration. Washington: Naval Research Laboratory, 2002]。 2005年，美国航空航天公司提出了使用非匹配通道的处理算法克服啁啾非线性，首 次实现了真正意义上的二维合成孔径激光成像雷达的实验室验证，通过建立非匹配 通道补偿非线性啁啾，提高了距离向分辨率[参见文献2. S. M. Beck, J. R. Buck, W. F. Buell et al.. Synthetic-aperture imaging laser radar: laboratory demonstration and signal processing.々少/. C^. 2005,44: 7621-7629]。上述两种方法的本质均是用长的本振通 道补偿回波通道的长度，并利用相干探测实现相位相减，啁啾非线性在极小的目标 通道延时差积累下产生的非线性相位可忽略，从而抑制啁啾非线性对距离向成像的 影响。Naval Research Laboratory的匹配通道方法仅限于已知目标距离的实验室环 境，且在实际作用的数百公里距离中不易实现，实用性较差。航空航天公司的非匹 配通道实验方案中的目标通道长度远小于参考通道长度，将参考通道差频信号进行 相位移相处理后再与目标通道的差频信号频谱进行匹配滤波，从而实现对光源非线 性啁啾的影响进行补偿。同匹配通道方案比较，非匹配通道方案设计灵活，更适用 于外场的实际应用，但在提取相位误差、相移计算以及非线性啁啾补偿时计算量较 大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种合成孔径激光雷达非线性啁啾的匹配滤波方法和装 置。该方法和装置的原理可靠，结构简单，易于实现，能克服激光光源的非线性啁 啾相位误差，提高了合成孔径激光雷达成像的距离向分辨率。
本发明的技术解决方案如下
一种合成孔径激光雷达非线性啁啾的匹配滤波方法，实质是在目标通道之外再 设置一个参考通道，对参考通道外差接收信号相位差中的二次高阶项的频域变换结果进行修正，使得频域信号的指数二次项与目标通道频域信号中的指数二次项形成 指数共轭对，再将修正后的参考通道频域信号与目标通道的频域信号作巻积运算， 指数二次项相乘后为脉冲函数，从而克服了激光光源非线性啁啾的影响。
一种合成孔径激光雷达非线性啁啾的匹配滤波装置，其特点是该装置包括 本机振荡激光光源，经分光装置分出四路光信号参考发射信号、参考本振信 号、目标发射信号和目标本振信号；
设有参考通道、参考本振通道和目标本振通道，而且满足；&=1^。，
其中r^为参考本振通道的时间延迟，r^为目标本振通道的时间延迟，r,为参 考通道的时间延迟，rs为目标通道时间延迟^的残余时间延迟；
目标通道处理装置由依次连接的目标信号外差接收装置和第三信号频谱变换模
块构成；
参考通道处理装置由依次连接的参考回波信号外差接收装置、解包络处理模块、 第一信号频谱变换模块、相移计算模块、反傅立叶变换模块、信号包络化处理模块 和第二信号频谱变换模块构成，所述的信号包络化处理模块的包络信号为与经第三
信号频谱变换模块处理得到的目标信号频谱频率特性相反的信号；
所述的第二信号频谱变换模块和所述的第三信号频谱变换模块的输出端同时连
接巻积运算器的输入端；
所述的参考发射信号经过参考通道的平面目标反射形成参考回波信号，该参考
回波信号与所述的参考本振信号同时由所述的参考回波信号外差接收装置接收，经
所述的参考通道处理装置处理后形成的参考信号频谱输入所述的巻积运算器；
所述的目标发射信号射向目标反射形成目标回波信号，该目标回波信号与所述
的目标本振信号同时由所述的目标信号外差接收装置接收，经所述的目标通道处理
装置处理后形成目标信号频谱输入所述的巻积运算器，与所述的参考回波信号频谱 巻积运算后输出匹配滤波聚焦像。
本发明的技术效果
本发明充分考虑到合成孔径激光成像雷达采用外差接收，其中两个通道所得到 的信号频谱中均含有光源啁啾信号非线性高次项的影响，在频域内具体表现为相位 的指数二次项。为此，我们利用相移公式将参考通道外差接收信号的相位误差变换 为同目标通道外差接收信号的相位误差近似相等的量，并在进行包络化时将信号设计为与目标通道信号相反的负频信号，根据构成共轭对的两个指数项的巻积得到脉 冲函数的性质，可在频域内对两个通道的频谱信号进行巻积计算，从而克服激光光 源非线性啁啾在两个通道中的相位二次项的影响，有效提高距离向成像分辨率。
和已有技术相比，本发明具有的原理可靠，结构简单，易于实现的优点。
图1为本发明原理框图。
图中1-本机振荡激光光源，2-参考通道发射信号，201-参考通道的平面目标， 3-目标通道发射信号，301-目标通道内的目标，4-分光装置，5-参考本振信号，6-目 标本振信号，7-参考回波信号，8-目标回波信号，9-参考回波信号外差接收装置，91-参考差频信号，10-目标信号外差接收装置，101-目标差频信号，11-解包络处理模块， 111-参考外差信号的时间相位信息，12-第一信号频谱变换模块，121-参考差频信号 的相位频谱信息，13-相移处理模块，131-参考差频信号的相移相位频谱信息，14-反傅立叶变换模块，141-参考差频信号相移后时域信号的相位信息，15-信号包络化 处理模块，151-参考时域信号，16-第二信号频谱变换模块，161-参考差频信号相移 后的信号频谱(简称为参考回波信号频谱)，17-第三信号频谱变换模块，171-目标信 号频谱，18-巻积运算处理模块，181-匹配滤波后的聚焦像。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的 保护范围。
先请参阅图1，由图可知，本发明合成孔径激光雷达非线性啁啾的匹配滤波装
置，包括
本机振荡激光光源l，经分光装置4分出四路光信号参考发射信号2、参考本 振信号5、目标发射信号3和目标本振信号6;
设有参考通道、参考本振通道和目标本振通道，而且满足2^。 = 7^， ^ = r,， 其中r^为参考本振通道的时间延迟，r^为目标本振通道的时间延迟，、为参 考通道的时间延迟，r,为目标通道时间延迟^的残余时间延迟；
目标通道处理装置由依次连接的目标信号外差接收装置10和第三信号频谱变
换模块17构成；
参考通道处理装置由依次连接的参考回波信号外差接收装置9、解包络处理模块ll、第一信号频谱变换模块12、相移计算模块13、反傅立叶变换模块14、信号 包络化处理模块15和第二信号频谱变换模块16构成，所述的信号包络化处理模块 15的包络信号为与经第三信号频谱变换模块17处理得到的目标信号频谱171频率 特性相反的信号；
所述的第二信号频谱变换模块16和所述的第三信号频谱变换模块17的输出端 同时连接巻积运算器18的输入端；
所述的参考发射信号2经过参考通道的平面目标201反射形成参考回波信号7， 该参考回波信号7与所述的参考本振信号5同时由所述的参考回波信号外差接收装 置9接收，经所述的参考通道处理装置处理后形成的参考信号频谱161输入所述的 巻积运算器18;
所述的目标发射信号3射向目标301反射形成目标回波信号8，该目标回波信 号8与所述的目标本振信号6同时由所述的目标信号外差接收装置10接收，经所述 的目标通道处理装置处理后形成目标信号频谱171输入所述的巻积运算器18，与所 述的参考回波信号频谱161巻积运算后输出匹配滤波聚焦像181。
本发明的技术解决方案原理如下
本机振荡激光光源1发射的光脉冲信号经分光装置4分出四路光信号参考通 道发射信号2、目标通道发射信号3、参考本振信号5、目标本振信号6可表示为
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中r为激光光源的脉冲宽度，^为信号幅值，取单位振幅。在接收端，参考通 道中的参考本振信号5的时间延迟为；￡。，参考回波信号7的延迟为；。对于参考
通道，参考回波信号7和参考本振信号5经参考信号外差接收装置9接收后，得到 参考差频信号91为
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中7;=r-(;-r^)为参考差频信号91的脉冲宽度，a; = ;+27^为脉冲的
中心位移。该参考差频信号91经过解包络处理模块11后得到参考差频信号的时间 相位信息111:C (0 ，(卜O - W - (-*+r, " —I+、。) (3)
C(O可以用Taylor级数的形式展开，这里取到时间的三次项，艮P:
C (0 = A (&。 - O + " - <(^。 - ； >2 +《(rri。 - r》3 (4) 根据傅立叶变换理论，将参考差频信号的时间相位信息111经过第一信号频谱变换 模块12变换为离散的参考差频信号的相位频谱信息121《m 。
根据相移计算原理，目标差频信号101的相位频谱l可用参考差频信号91的
相位频谱&表示
<formula>formula see original document page 9</formula> (5)
其中A/为采样频率间隔，为脉冲信号在目标通道内的时间延迟。上式(5)为
参考通道的相移计算公式，它是从参考通道确定目标通道相位误差的基础，通过该 公式可以使参考通道的相位频谱变换为和目标通道相位频谱相同的相位频谱。将所
述的参考差频信号的相位频谱信息121通过相移计算模块13处理后，得到参考通道 信号的移相相位频谱信息131，再将该参考通道信号的移相相位频谱信息131通过 反傅立叶变换模块14进行反傅立叶变换处理，得到参考通道的参考差频信号的离散 相位141《zz:
d) = KX -rzi。) +《(rz -Tzio> +《(rz -、。> 2 +-rzLo> 3 +…
(_f + W 2-1 + &。) (6)
将所述的参考差频信号的离散相位141输入信号包络化处理模块15，产生参考时域 信号151:
e"."('") ■ (7)
其中rzz=:r-(rz-r^)为相移处理后差频信号的脉冲宽度，A^-^^为相
移后差频脉冲的中心位移。将该参考时域信号151输入第二信号频谱变换模块16， 作快速傅立叶变换得到参考信号频谱161:"/2
(8)
其中y;(^Q = 为相移后信号的载频，《为人为设定的载频移位比例因
子，
"/2
为非线性啁啾在频谱域内的相位二次项，它也是本发明要克服掉的
项，^")(/)表示非线性嗎啾频谱域相位高阶项之和。
在目标通道中，所述的目标本振信号6的时间延迟为r^，目标通道发射信号3
射向目标301上第A:个目标散射点(第A:个目标散射点的位置为&^， ,，zA )，其返回
光路的时间延迟为r^，而相位二次项历程的等效焦距为F^。(注意到，前文中^是
表示目标通道发射信号3的光脉冲从发射经目标中心散射点反射回所述的目标信号 外差接收装置10的时间延迟。)目标回波信号8和目标本振信号6经目标信号外差 接收装置10接收后，得到目标差频信号101为
,-A匸、
2，&
cos
其中；一r-(^广~。)为目标外差信号101的脉冲宽度，△、
(9)
为
目标差频信号101的脉冲的中心位移。目标外差频信号101直接经第三信号频谱变 换模块17进行变换，得到目标信号频谱171，即频率域表达的复数非聚焦像，结果 的解析表达式可写为
' 龙/2 —
W/-/』 sine W e
(10)
其中=《4( —r"。)为第k个目标散射点的载频，、~~ , 2" 《,A,广、。)
为非线性啁
啾在频谱域的相位二次项，F/，(/)表示非线性啁啾频谱域相位高阶项之和。
将两个通道的参考信号频谱161和目标信号频谱171输入巻积运算器18，进行 匹配滤波处理，产生Z^(/)和/J/)的巻积结果，即得到匹配滤波后的聚焦像181，
其理想的解析结果可表示为<formula>formula see original document page 11</formula>请注意，当G(r广^。)趋近于Oz,广^。)时，有
<formula>formula see original document page 11</formula>(12)
因此，相对于所有的、,p合理设计^和r,，可使上述条件成立，从而得到 > [sin c e"'2 7 ] [sin c (TJ) f
<formula>formula see original document page 11</formula>(13)
其中[sinc(7;,)e—^^/^[sinc(7;z/)e-一^/]为激光脉冲宽度决定的距离方向
与传递函数相当的理想图像分辨率，《f(/，《^(/)为残留非线性啁啾影响巻积
因子，《J0)-。J0)为啁啾产生的固定相位，&4为二次项相位历程。
这里所说的合理设计^，主要是从解决光学问题的角度出发。考虑到对于目标
通道距离较远的情况，反射回波脉冲的中心频率很高，这就导致一系列问题的产生， 如没有合适的外差探测元器件与之匹配以及信号处理计算量大等。为了解决这些问 题，由于脉冲返回接收端目标信号外差接收装置10时的时间已经是目标通道发射信 号3发射后若干个周期之后，例如r,^(" + 0.4)r，其中n为整数，T为脉冲周期，
此时我们可以考虑将前面n个脉冲周期省略，只保留0.4T的时间延迟， 一般表述为 rz= r + rs，其中、称为仅保留不满整周期的残余时间延迟。这样的设计思路不仅
仍然保持返回脉冲和参考通道信号之间的相干性，而且还可以降低返回脉冲的中心 频率，从而有利于光电器件的外差接收，信号处理量也大为降低。 很显然，当本发明装置合理设计，使得&。 = rzi。， ； = rs，则上述公式(12)成立，匹配滤波后的聚焦像181就可以 表述为公式(11)，其中￡。为参考本振通道时间延迟，r^为目标本振通道时间
延迟，、为参考通道的时间延迟。这就是本发明是基本原理。
下面提供一个具体实施例的技术方案设计
本实施例的设计，以条带扫描工作模式下的星载合成孔径激光成像雷达为模型。
合成孔径激光成像雷达收发天线的口径d为0.19m，在目标上光学足趾直径D为 11.2m。工作波长为1.55pm，脉冲周期T为15.6ms，脉宽AT为7.8ms。要求距离向 和方位向的成像分辨率均为10cm，则啁啾带宽B为4.243x109112，对应波长扫描范 围A、为0.034nm，则有波长啁啾率AX/AT为4359nm/s ，频率啁啾率 /二万/Ar二5.44x1014/^/5。在雷达系统进行实际搭载运行时，搭载雷达系统的卫 星平台在400km高度飞行，即目标中心距离为400km、目标301起伏高度未知。
请参阅图l。针对距离为400km的远程目标，在室内建立参考通道，按图中所 示顺序搭建好参考通道的各个装置。其中，参考通道的平面目标201为反射镜，该 反射镜与参考通道发射信号2出射端的距离为lm,目标本振通道和参考本振通道的 长度均为0.5m。本机振荡激光光源1发射信号经分光装置4分为四束光信号2、 21、 3、 31，其中参考通道发射信号2经反射镜201反射得到参考回波信号7，信号 21经参考本振延时r^得到参考本振信号5，目标通道发射信号3经远程目标301 反射后得到目标回波信号8，信号31经目标本振延时r^得到目标本振信号6。参
考回波信号7和参考本振信号5经参考回波信号外差接收装置9接收后得到参考差 频信号91，该参考差频信号91输入信号解包络处理模块11、经第一信号频谱转换 模块12后得到参考差频信号的相位频谱信息121，再将该参考外差信号的相位频谱 信息121输入相移处理模块13、反傅立叶变换模块14、信号包络化处理模块15以 及第三信号频谱转换模块16，得到将参考信号频谱161。其中，在利用信号包络化 处理模块15将信号包络化时，将包络信号设计为与目标信号频谱171的频率特性相 反的信号。
同时，将目标差频信号ioi输入第四信号频谱转换模块n，得到目标信号频谱
171。将参考信号频谱161和目标信号频谱171输入巻积运算处理模块18，进行巻 积运算，得到距离向压縮图像181。
注意到，目标差频信号101的相位中的指数二次项经第四信号频谱转换模块17
12变换后，其在目标信号频谱171中表现为公式(10)中的e "(" 。'项；而参考差频信 号91的相位中的指数二次项先后经过第一信号频谱变换模块12、相移计算模块13、 反傅立叶变换模块.14、信号包络化处理模块15和第二信号频谱变换模块16的处理
后，在参考信号频谱161中表现为公式(8)中的e ^""。)项。其中^和^分别是参
考通道长度、参考本振通道长度、目标通道长度和目标本振通道长度的非线性函数， 我们设计参考通道长度为lm，参考本振通道长度和目标本振通道长度均为0.5m， 目标通道长度为400km， ^设计为省略整数个周期后的时间延迟，即s，称为仅保
留不满整周期的残余时间延迟。在具体的实施例中，将参考通道的时间延迟；设计
为^，代入计算后，得到C夂-&。)的数值接近于。(^-、。)，因此满足匹配滤
波聚焦成像的条件，从而可以得到距离向的压縮图像181。
经计算机仿真证明，本发明采用匹配滤波的方法对合成孔径激光雷达光源非线 性啁啾的影响进行克服是一种行之有效的办法，可使距离向成像的展宽得到抑制， 有效提高距离向的成像分辨率。
权利要求
1、一种合成孔径激光雷达非线性啁啾的匹配滤波方法，其特征是在目标通道之外再设置一个参考通道，对参考通道外差接收信号相位差中的二次高阶项的频域变换结果进行修正，使得频域信号的指数二次项与目标通道频域信号中的指数二次项形成指数共轭对，再将修正后的参考通道频域信号与目标通道的频域信号作卷积运算，指数二次项相乘后为脉冲函数，从而克服了激光光源非线性啁啾的影响。
2、 一种合成孔径激光雷达非线性啁啾的匹配滤波装置，其特征在于该装置包括: 本机振荡激光光源(1)，经分光装置(4)分出四路光信号参考发射信号(2)、参考本振信号(5)、目标发射信号(3)和目标本振信号(6);设有参考通道、参考本振通道和目标本振通道，而且满足1^。=:^。， ^ = ^，其中r^为参考本振通道的时间延迟，r^为目标本振通道的时间延迟，、为参考通道的时间延迟，^为目标通道时间延迟^的残余时间延迟；目标通道处理装置由依次连接的目标信号外差接收装置(10)和第三信号频谱 变换模块(17)构成；参考通道处理装置由依次连接的参考回波信号外差接收装置(9)、解包络处理模块(ll)、第一信号频谱变换模块(12)、相移计算模块(13)、反傅立叶变换模块(14)、 信号包络化处理模块(15)和第二信号频谱变换模块(16)构成，所述的信号包络 化处理模块(15)的包络信号为与经第三信号频谱变换模块(17)处理得到的目标 信号频谱(171)频率特性相反的信号；所述的第二信号频谱变换模块(16)和所述的第三信号频谱变换模块(17)的 输出端同时连接巻积运算器(18)的输入端；所述的参考发射信号(2)经过参考通道的平面目标(201)反射形成参考回波 信号(7)，该参考回波信号(7)与所述的参考本振信号(5)同时由所述的参考回 波信号外差接收装置(9)接收，经所述的参考通道处理装置处理后形成的参考信号频 谱(161)输入所述的巻积运算器(18);所述的目标发射信号(3)射向目标(301)反射形成目标回波信号(8)，该目 标回波信号(8)与所述的目标本振信号(6)同时由所述的目标信号外差接收装置 (10)接收，经所述的目标通道处理装置处理后形成目标信号频谱(171)输入所述的巻积运算器(18)，与所述的参考回波信号频谱(161)巻积运算后输出匹配滤波 聚焦像(181)。
全文摘要
一种合成孔径激光雷达非线性啁啾的匹配滤波方法和装置，该方法是在目标通道之外再设置一个参考通道，对参考通道外差接收信号相位差中的二次高阶项的频域变换结果进行修正，使得频域信号的指数二次项与目标通道频域信号中的指数二次项形成指数共轭对，再将修正后的参考通道频域信号与目标通道的频域信号作卷积运算，其中指数二次项相乘后为脉冲函数，从而克服了激光光源非线性啁啾的影响。本发明能克服激光光源的非线性啁啾相位误差，提高了合成孔径激光雷达成像的距离向分辨率。
文档编号G01S7/48GK101493521SQ20091004718
公开日2009年7月29日 申请日期2009年3月6日 优先权日2009年3月6日
发明者刘立人, 楠 许, 伟 鲁 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所