专利名称：合成孔径激光成像雷达抑制啁啾非线性的方法
技术领域：
本发明涉及合成孔径激光成像雷达，特别是一种合成孔径激光成像雷达抑制啁啾非线性的方法，提高合成孔径激光成像雷达的距离向分辨率。
背景技术：
合成孔径激光成像雷达利用合成孔径的概念、使用激光作为辐射源。由于激光频率远高于微波，因此可以用更小的孔径用更短的成像时间实现更高的成像分辨率。理论上合成孔径激光成像雷达可以用数米的口径实现几千公里上的厘米量级的分辨率。合成孔径概念在高频波段的应用带来技术上的新问题，而这些问题在工程化方面显得尤为突出。其中包括高性能激光器的研制、光学收发系统的研究、相干探测器灵敏度的提高以及成像算法的改进等。
由于发射脉冲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，通常使用线性调频啁啾信号，利用脉冲压缩技术同时满足功率和分辨率要求。常用的成像算法中，通过对线性调频信号和相位历史进行脉冲压缩得到距离向和方位向的分辨率。但常用的可调谐激光器并不能实现完全的线性调频，一方面可调谐激光器为波长线性扫描型，并非频率线性扫描型。另一方面，激光器在波长扫描时也不能保证完全线性，波长线性度在不同扫描速率下和使用环境下有所不同，一般在百分之几甚至几十，会造成比前者更大的频率非线性。较大的啁啾非线性带来的距离向相位误差会在成像时造成距离向脉宽的展宽，导致距离向聚焦不准，降低距离向成像分辨率，并会进一步影响方位向信号的处理。因此必须通过一定的图像处理方法补偿非线性啁啾，以保证成像质量，实现高分辨率。
20世纪60年代人们开始展开对合成孔径激光成像雷达的研究。2002年美国海军实验室使用步进平台上的雷达系统实现了二维(逆)合成孔径雷达成像。在成像算法中，首次提出了非线性啁啾的问题，并采用了匹配通道对目标回波中的非线性啁啾进行补偿[参见文献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年美国航空航天公司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 radarlaboratorydemonstration and signal processing.Appl.Opt.2005，447621-7629]。两种方法的本质均是用长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。海军实验室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方法利用数字信号处理，将参考通道较短延时差下的相位误差扩大到接近目标通道较大延时差下的相位误差，间接获得信号回波中的相位误差近似值，在一定程度上拓展了适用范围，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
本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种合成孔径激光成像雷达抑制啁啾非线性的方法，该方法简单易行，可根据不同应用环境和性能要求灵活选择工作模式。
本发明的技术解决方案如下 一种合成孔径激光成像雷达抑制啁啾非线性的方法，该方法是在一般的成像算法中通过建立等臂本振通道，对目标回波中的啁啾非线性进行抑制。
一种合成孔径激光成像雷达抑制啁啾非线性的方法，其特点在于包括下列步骤 ①建立目标本振通道，令目标本振通道的长度RT-LO接近或等于目标距离RT-S，n，所述的目标距离RT-S，n是合成孔径激光成像雷达到目标的距离的2倍； ②发射激光器的发射信号分为两束第一束发射信号经目标反射后，得到目标回波信号；第二发射信号经所述的目标本振通道延时，得到目标本振信号； ③将所述的目标本振信号和目标回波信号经目标相干探测得到目标相干探测光电流，该目标相干探测光电流经模数转换器后得到数字化目标电流，再经低通滤波器得到目标外差信号；由于所述的目标本振通道的长度RT-LO接近或等于目标距离RT-S，n，目标本振信号延时τT-LO接近目标回波信号延时τT-S，n，该目标外差信号的距离向相位中的相位误差趋近于零； ④对所述的目标外差信号进行傅立叶变换，即得到距离向压缩图像。
一种合成孔径激光成像雷达抑制啁啾非线性的方法，其特点在于包括下列步骤 ①建立目标本振通道，但目标本振通道的长度RT-LO小于目标距离RT-S，n，所述的目标距离RT-S，n是合成孔径激光成像雷达到目标的距离的2倍； ②建立参考通道设立参考目标和参考本振通道，令参考目标距离RT-S和参考本振通道的长度RR-LO之差接近目标距离RT-S，n和目标本振通道的长度RT-LO之差； ③发射激光器的发射信号分为四束第一束发射信号经目标反射后，得到目标回波信号；第二束发射信号经所述的目标本振通道延时，得到目标本振信号；将所述的目标本振信号和目标回波信号经目标相干探测得到目标相干探测光电流，该目标相干探测光电流经模数转换器后得到数字化目标电流，再经低通滤波得到目标外差信号；第三束发射信号经参考目标反射后，得到参考回波信号；第四发射信号经所述的参考本振通道延时，得到参考本振信号；参考回波信号和参考本振信号经参考相干探测后得到的参考相干探测光电流，该参考相干探测光电流经模数转换和低通滤波，得到参考外差信号 ④所述的参考外差信号与目标外差信号进行二次相干探测得到二次外差信号，该二次外差信号)经低通滤波器得到二次外差低频信号 ⑤对所述的二次外差低频信号进行傅立叶变换，即得到距离向压缩图像。
一种合成孔径激光成像雷达抑制啁啾非线性的方法，其特点在于包括下列步骤 ①建立目标本振通道，但目标本振通道的长度RT-LO小于目标距离RT-S，n，所述的目标距离RT-S，n是合成孔径激光成像雷达到目标的距离的2倍； ②建立参考通道设立参考目标和参考本振通道，参考本振通道的长度和参考目标的距离接近或相等； ③发射激光器的发射信号分为四束第一束发射信号经目标反射后，得到目标回波信号；第二束发射信号经所述的目标本振通道延时，得到目标本振信号；将所述的目标本振信号和目标回波信号经目标相干探测得到目标相干探测光电流，该目标相干探测光电流经模数转换后得到数字化目标电流，再经低通滤波器得到目标外差信号第三束发射信号经参考目标反射后，得到参考回波信号；第四发射信号经所述的参考本振通道延时，得到参考本振信号，所述的参考回波信号和参考本振信号经参考相干探测后得到的参考相干探测光电流，该参考相干探测光电流经模数转换和低通滤波，得到参考外差信号 ④利用该参考外差信号进行相移计算，获得目标外差信号估计值； ⑤对所述的目标外差信号估计值和目标外差信号进行二次相干探测得到二次外差信号，经低通滤波得到二次外差低频信号 ⑥对所述的二次外差低频信号进行傅立叶变换，即得到距离向压缩图像。
图1是本发明的原理框图。
图2是本发明实施例的系统框图。
图中1为发射激光器；2为发射信号；3为目标；4为目标回波信号；5为目标本振通道；6为目标本振信号；7为目标通道相干探测；8为目标通道相干探测光电流；9为模数转换；10为数字化的目标电流；11为低通滤波器；12为目标外差信号；13为反射镜；14为参考回波信号；15为参考本振通道；16为参考本振信号；17为参考通道相干探测；18为参考通道相干探测光电流；19为模数转换；20为数字化参考电流；21为低通滤波器；22为参考外差信号；23为二次相干探测；24为二次外差信号；25为低通滤波器；26为二次外差低频信号；27为相移计算；28为目标外差信号估算值；29为距离向傅立叶变换；30为距离向压缩图像；31为相移计算开关；32为相位估算值开关；33为距离压缩信号开关；
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。
本发明的基本原理是 线性啁啾信号的频率变化率完全线性的频率表达式为 其中，f0为起始频率，
为啁啾速率(Hz/s)，T为脉冲周期。
由相位和频率之间积分计算关系，得到啁啾激光信号的瞬时相位为
非线性啁啾信号的频率除了线性变化项外，还存在着随时间变化二阶项、三阶项甚至更高阶项。对应的相位用Taylor级数展开式表示为
我们仅考虑最高含有二阶项的情况，啁啾信号频率为 其中，
为二阶啁啾速率(Hz/s2)。
则相应的相位表达式为
参见图1，发射激光器1的发射信号2为此啁啾信号，并分为两路第一路发射信号2经目标3反射回来，作为目标回波信号4，第二路发射信号2经本振通道5延时，作为目标本振信号6。
目标回波信号4和目标本振信号6表达式分别为
其中，
为第n个目标点回波信号4中的方位向相位；目标回波信号4和目标本振信号6的距离向相位
分别为发射信号2相位的延时信号
其中，第n个目标点回波信号4的延时τT-S，n＝2RT-S，n/c，目标本振信号6的延时τT-LO＝RT-LO/c，RT-S，n为第n个目标距离，RT-LO为目标本振通道5长度。
目标回波信号4和目标本振信号6经目标相干探测7后，得到目标相干探测光电流8
经模数转换9和低通滤波器11滤波后，保留其中的差频部分，作为目标通道外差信号12为
其中，N为目标点数，M为方位向采样点数，为第n个目标点在第m个方位向的外差信号幅值。
距离向相位为目标回波信号4和目标本振信号6的相位差
在合成孔径激光成像雷达的成像算法中，目标外差信号12的距离向相位大小决定了距离向的成像脉宽。若存在啁啾非线性引起的非线性误差，即公式(11)中的后两项，则会造成距离向成像脉宽的展宽，降低距离向分辨率。
通过建立等臂本振通道补偿目标通道长度，缩短公式(11)中外差信号12的距离向相位的延时差τT-S，n-τT-LO，减小距离向的非线性相位误差，从而对目标回波4中的非线性啁啾影响进行抑制，保证距离向的高分辨率。
建立等臂本振通道的方法有三种 直接延长目标本振通道； 建立参考通道延长目标本振通道； 短参考本振通道经相移计算延长目标本振通道。
第一种方法直接延长目标本振通道 由公式(10)可见，当目标本振通道5长度RT-LO接近目标距离RT-S，n时，则本振信号延时τT-LO接近回波信号延时τT-S，n，目标外差信号12距离向相位中的相位误差趋近于零。
第二种方法建立参考通道延长目标本振通道 在目标本振通道5长度小于目标距离的情况下，建立类似目标通道的参考通道。参考目标13为反射镜。发射激光器1的发射信号2分为四束第一束发射信号2经目标3反射后，得到目标回波信号4；第二束发射信号2经所述的目标本振通道5延时，得到目标本振信号6；将所述的目标本振信号6和目标回波信号4经目标相干探测7得到目标相干探测光电流8，该目标相干探测光电流8经模数转换器9后得到数字化目标电流10，再经低通滤波11得到目标外差信号12；第三束发射信号2经参考目标13反射后，得到参考回波信号14；第四发射信号2经所述的参考本振通道15延时，得到参考本振信号16；参考回波信号14和参考本振信号16经参考相干探测17后得到的参考相干探测光电流18，该参考相干探测光电流18经模数转换19和低通滤波21，得到参考外差信号21。参考回波信号14和参考本振信号16的表达式如下
参考通道回波信号14和本振信号16的相位分别为发射信号2相位不同延时下的信号
其中，参考回波信号14的延时τR-S＝2RR-S/c，参考本振信号16的延时τR-LO＝RR-LO/c，RT-S为参考目标距离，RR-LO为参考本振通道15的长度。
两信号经参考通道相干探测17得到的参考通道光电流18
经模数转换19和低通滤波器21，得到参考通道外差信号22
其中，为信号幅值，距离向相位为参考回波信号14和本振信号16的相位差
参考通道外差信号22与目标通道外差信号12进行二次相干探测23，得到二次外差信号24
利用低通滤波器25取二次外差低频信号26
其中，为信号幅值，二次外差低频信号26的相位为目标外差信号12和参考外差信号22的相位差
由公式(11)和(16)可知，若参考通道延时差τR-S-τR-LO接近目标通道延时差τT-S，n-τT-LO，则在二次相干探测23过程中参考通道外差信号相位可有效抵消目标通道外差信号中的非线性相位误差，抑制非线性啁啾的影响。
第三种方法短参考本振通道通过相移计算延长目标本振通道 目标本振通道5的长度远小于目标距离，且参考本振通道15的长度和参考目标距离接近。目标通道外差信号12和参考通道外差信号22的获得同第二种方法。利用相移计算27对参考通道外差信号22进行放大，得到目标通道长延时差产生的外差信号估算值28。在两通道二次相干探测23时，目标外差信号估算值28与目标外差信号12相位进行抵消。
相移计算27通常包括鉴相、相移、恢复包络三个步骤。
首先对参考通道外差信号22进行解包络运算得到参考通道相位，即参考本振信号16和参考回波信号14相位差
对参考通道相位进行傅立叶变换，得到参考通道相位频谱
。由相移公式(参见文献2)，得到目标通道中每个目标点外差信号相位的频谱估算值
其中，Pn为第n个目标点的相移因子，Nrange为距离向采样点数，nrange为点数序列号，γrange为距离向采样率。
逆傅立叶变换后得到每个目标点的目标通道外差信号相位估算值
，并恢复为余弦函数的包络形式，即得到目标外差信号估算值28
与通过建立参考通道延长目标本振通道的方法类似，目标外差信号估算值28与目标外差信号12进行二次相干探测23后，得到二次外差信号24
经低通滤波25从二次外差信号24中取得二次外差低频信号26
其中，为信号幅值，距离向相位
为
两相位相减，从而抵消非线性相位影响。
具体实施例是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1.55μm，脉冲周期T为15.6ms，脉宽ΔT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4.243×109Hz，对应波长扫描范围Δλ为0.034nm，则有波长啁啾率Δλ/ΔT为4359nm/s，频率啁啾率 本发明的啁啾非线性抑制方法的合成孔径激光成像雷达系统及流程图如图2所示。根据不同应用环境，该系统有三种工作模式对非线性啁啾进行抑制。
在室内模拟实验环境下，已知简单目标的目标距离为10m，且距离向分辨率要求较高，则选择第一种模式“直接延长本振通道”。将目标本振通道5的长度延长到与目标距离一样的10m。距离压缩信号开关33接通目标通道外差信号12。发射激光器1的发射信号2经目标3反射后，得到目标回波4。另外一路发射信号2经目标本振通道5延时，得到目标本振波6。目标本振波6和目标回波4经目标通道相干探测7、模数转换9和低通滤波器11得到目标外差信号12。对目标外差信号12进行傅立叶变换29，即可得到距离向压缩图像30。
在室内模拟实验环境下，已知复杂目标的目标中心距离10m，且距离向分辨率要求较低，选择第二种模式“通过建立参考通道延长本振通道”。将目标本振通道5的长度缩短为0.5m，并建立参考通道。参考本振通道15的长度与目标本振通道5一致，为0.5m，参考通道的反射镜13距离取与目标3中心距离相同的10m。相移计算开关31断开相移计算模块27，直接接通至相位估算值开关32。相位估算值开关32接通参考通道外差信号22。距离压缩信号开关33接通二次外差低频信号26。与第一种模式相同，发射激光器1的发射信号2经目标3反射和目标本振通道5延时，分别得到目标回波信号4和目标本振信号6，经目标相干探测7、模数转换9和低通滤波器11，得到目标外差信号12。同样，参考通道中的两路发射信号2分别经反射镜13反射和参考本振通道15延时，分别得到参考回波信号14和参考本振信号16，经参考相干探测17、模数转换19和低通滤波器21，得到参考外差信号22。目标外差信号12和参考外差信号22经二次相干探测23和低通滤波器25，得到二次外差低频信号26。对二次外差低频信号26进行距离向傅立叶变换29，即可得到距离向压缩图像30。
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、目标起伏高度未知，且距离向分辨率要求较高，则选择第三种模式“短参考本振通道通过相移计算延长目标本振通道”。同第二种模式一样建立参考通道参考通道的反射镜13距离为10m，目标本振通道5和参考本振通道15的长度均为0.5m。相移计算开关31接通相移计算模块27，相位估算值开关32接通目标相位估算值28，距离压缩信号开关33接通二次外差低频信号26。发射激光器1的发射信号2经目标3反射、目标本振通道5延时，以及经反射镜13和参考本振通道15延时，分别得到目标通道的回波信号4、本振信号6、参考通道的回波信号14和本振信号16。目标通道的回波信号4和本振信号6经目标相干探测7、模数转换9和低通滤波器11得到目标外差信号12。参考回波信号14和参考本振信号16经参考相干探测17、模数转换19和低通滤波器21，得到参考外差信号22。参考外差信号22通过相移计算27得到目标外差信号估算值28。目标外差信号估算值28与目标外差信号12二次相干探测23和低通滤波器25，得到二次外差低频信号26。对二次外差低频信号26进行距离向傅立叶变换29，即可得到距离向压缩图像30。
经计算机仿真证明，本发明等臂本振通道抑制啁啾非线性方法的三种工作模式均可使距离向成像的展宽得到抑制，非线性啁啾影响得到了有效抑制。并且三种工作模式可根据实际应用情况进行灵活选择。
权利要求
1、一种合成孔径激光成像雷达抑制啁啾非线性的方法，其特征在于该方法是在一般的成像算法中通过建立等臂本振通道，对目标回波中的啁啾非线性进行抑制。
2、根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达抑制啁啾非线性的方法，其特征在于包括下列步骤
①建立目标本振通道(5)，令目标本振通道(5)的长度RT-LO接近或等于目标距离RT-S，n，所述的目标距离RT-S，n是合成孔径激光成像雷达到目标的距离的2倍；
②发射激光器(1)的发射信号(2)分为两束第一束发射信号(2)经目标(3)反射后，得到目标回波信号(4)；第二发射信号(2)经所述的目标本振通道(5)延时，得到目标本振信号(6)；
③将所述的目标本振信号(6)和目标回波信号(4)经目标相干探测(7)得到目标相干探测光电流(8)，该目标相干探测光电流(8)经模数转换器(9)后得到数字化目标电流(10)，再经低通滤波器(11)得到目标外差信号(12)
④对所述的目标外差信号(12)进行傅立叶变换(29)，即得到距离向压缩图像(30)。
3、根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达抑制啁啾非线性的方法，其特征在于包括下列步骤
①建立目标本振通道(5)，但目标本振通道(5)的长度目标本振通道5的长度RT-LO小于目标距离RT-S，n，所述的目标距离RT-S，n是合成孔径激光成像雷达到目标的距离的2倍；
②建立参考通道设立参考目标(13)和参考本振通道(15)，令参考目标距离RT-S和参考本振通道(15)的长度RR-LO之差接近目标距离RT-S，n和目标本振通道(5)的长度RT-LO之差；
③发射激光器(1)的发射信号(2)分为四束第一束发射信号(2)经目标(3)反射后，得到目标回波信号(4)；第二束发射信号(2)经所述的目标本振通道(5)延时，得到目标本振信号(6)；将所述的目标本振信号(6)和目标回波信号(4)经目标相干探测(7)得到目标相干探测光电流(8)，该目标相干探测光电流(8)经模数转换器(9)后得到数字化目标电流(10)，再经低通滤波器(11)得到目标外差信号(12)第三束发射信号(2)经参考目标(13)反射后，得到参考回波信号(14)；第四发射信号(2)经所述的参考本振通道(15)延时，得到参考本振信号(16)；参考回波信号(14)和参考本振信号(16)经参考相干探测(17)后得到的参考相干探测光电流(18)，经模数转换(19)和低通滤波器(21)，得到参考外差信号(22)
④所述的参考外差信号(22)与目标外差信号(12)进行二次相干探测(23)得到二次外差信号(24)，该二次外差信号(24)经低通滤波器(25)得到二次外差低频信号(26)
⑤对所述的二次外差低频信号(26)进行傅立叶变换(29)，即得到距离向压缩图像(30)。
4、根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达抑制啁啾非线性的方法，其特征在于包括下列步骤
①建立目标本振通道(5)，但目标本振通道(5)的长度RT-LO小于目标距离RT-S，n，所述的目标距离RT-S，n是合成孔径激光成像雷达到目标的距离的2倍；
②建立参考通道设立参考目标(13)和参考本振通道(15)，参考本振通道(15)的长度和参考目标的距离接近或相等；
③发射激光器(1)的发射信号(2)分为四束第一束发射信号(2)经目标(3)反射后，得到目标回波信号(4)；第二束发射信号(2)经所述的目标本振通道(5)延时，得到目标本振信号(6)；将所述的目标本振信号(6)和目标回波信号(4)经目标相干探测(7)得到目标相干探测光电流(8)，该目标相干探测光电流(8)经模数转换器(9)后得到数字化目标电流(10)，再经低通滤波器(11)得到目标外差信号(12)第三束发射信号(2)经参考目标(13)反射后，得到参考回波信号(14)；第四发射信号(2)经所述的参考本振通道(15)延时，得到参考本振信号(16)，参考回波信号(14)和参考本振信号(16)经参考相干探测(17)后得到的参考相干探测光电流(18)，该参考相干探测光电流(18)经模数转换(19)和低通滤波器(21)，得到参考外差信号(22)
④利用该参考通道外差信号(22)进行相移计算(27)，获得目标外差信号估计值(28)；
⑤对所述的目标外差信号估计值(28)和目标外差信号(12)进行二次相干探测(23)得到二次外差信号(24)，经低通滤波(25)得到二次外差低频信号(26)
⑥对所述的二次外差低频信号(26)进行傅立叶变换(29)，即得到距离向压缩图像(30)。
全文摘要
一种合成孔径激光成像雷达抑制啁啾非线性的方法，在一般的成像算法中通过建立等臂本振通道，对目标回波中的啁啾非线性进行抑制。建立等臂本振通道的方法有三种直接延长目标本振通道，通过建立参考通道延长目标本振通道、短参考本振通道通过相移计算延长目标本振通道。三种方法均可有效抑制非线性啁啾的影响，可根据实际应用情况进行灵活选择，对保证合成孔径激光成像雷达的高成像分辨率有实际意义。
文档编号G01S17/89GK101446643SQ20081020410
公开日2009年6月3日 申请日期2008年12月5日 优先权日2008年12月5日
发明者楠 许, 刘立人, 伟 鲁, 吴亚鹏 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所