直视合成孔径激光成像雷达非线性校正方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及直视合成孔径激光成像雷达，特别是一种直视合成孔径激光雷达非线 性校正方法，以改善合成孔径成像雷达的距离向分辨率。
【背景技术】
[0002] 合成孔径激光成像雷达有两种原理结构，一种是侧视合成孔径激光成像雷 达，另外一种是直视合成孔径激光成像雷达[参见文献l:Liren Liu, Coherent and incoherent synthetic-aperture imaging ladars and laboratory-space experimental demonstrations，Appl.0pt.，52(4):579 ~599(2013).和文献 2:Z.Luan，J. Sun, Y. Zhou,L.Wang, M. Yang and L.Liu, "Down-looking synthetic aperture imaging ladar demonstrator and its experiments over I. 2km outdoor, '，Chinese Optics Letters, 12(11)，111101-1~4(2014).]。在条带扫描模式下，两种合成孔径激光成像雷达 的数据处理一般均采用交轨向傅立叶变换和顺轨向相位二次项匹配滤波成像算法。由于 数据相位在交轨向傅立叶变换时间内的非线性变化将导致交轨向分辨率展宽，需要进行校 正。在先技术[参见文献3:许楠，鲁伟，刘立人.合成孔径激光成像雷达中非线性啁嗽 逐一扫描滤波校正算法的仿真与分析[J].光学学报，2009, 29 (1) : 47~54]针对侧视合成 孔径激光成像雷达给出了 一种校正方法，在系统中增加参考通道，根据参考通道的相位非 线性变化结果，按照一定比例估算信号通道的相位非线性误差，对接收信号进行校正。首先 参考通道增加了系统硬件的复杂性，尤其在直视合成孔径激光成像雷达中不易实现。其次 是参考通道信号中包含的线性项也存在于校正信号中，削弱了校正效果，不能完全校正非 线性。最后该方法仅针对侧视合成孔径激光成像雷达系统。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种直视合成孔径激光雷达非 线性校正方法，通过非线性系数，直接计算相位误差函数进行校正的简便方法。不需要增加 参考通道，系统简单。采用非线性项计算误差函数，为完全校正。适用于直视合成孔径激光 成像雷达。
[0004] 本发明的技术解决方案如下：
[0005] -种直视合成孔径激光成像雷达非线性校正方法，该方法是通过已知非线性系 数，直接估算目标回波中的非线性相位进行补偿，再进行傅里叶变换，减小距离向成像脉冲 宽度。
[0006] 其特点在于该方法包括以下步骤：
[0007] 1)直视合成孔径激光雷达系统经过自差接收的目标电流复信号为s(t)，s(t)可 以表示如下，将信号在时间长度上分为M个脉冲信号S ni (t)，每个脉冲信号间隔为T，脉冲宽 度为Tf，
[0008]
[0009] 2)测量或计算得到系统的非线性系数&1，a2，…，a k;
[0010] 3)取m = 1的脉冲信号S1 (t)进行距离向傅里叶变换得到频谱S1 (f);相似地，将 m = 2…M的脉冲信号Sni(t)分别进行距离向傅里叶变换得到频谱SJf)，f为频率，
[0012] 4)将M个频谱振幅的平方和相加得到
选取为S2 (f)最大值的 1/2为参考阈值G ;
[0013] 5)生成扫描滤波器，扫描范围为全部频率范围，间隔为1/Tf。中心频率为f n，扫描 带通滤波器表示为：
[0014] P(f) = rect[Tf(f-fn)]
[0015] 6)将扫描滤波器与S2(f)相乘，所得结果，如果大于阈值G，记录下此时滤波器的 中心频率f n，存在点目标；
[0016] 7)如果小于阈值G，判断是否完成全部频谱扫描，如未完成，即f/j、于频谱最大 值，f n= fn+l/Tf，返回步骤5);
[0017] 8)如果完成全部频谱扫描，脉冲序号m初始化为1 ;
[0018] 9)取第m个频谱Sni (f)，目标序号η初始化为1 ;
[0019] 10)取第η个目标，频率为匕，计算仁对应坐标χη;
[0020] 11)计算第η个目标对应滤波器P(f) = rect[Tf(f_fn)];
[0021 ] 12)利用步骤②的系数ai，a2，…，ak，步骤⑩的坐标x n，生成第η个目标的误差函数 en(t)：
[0023] 其中，λ为激光波长，β为变化率，是系统常数；
[0024] 13)将步骤9)的SJf)和步骤11)的滤波器P(f)相乘，乘积进行逆傅里叶变换， 得到第η个目标的时间信号 Sni(t，n):
[0025] sn (t, n) = FFT 1 [Sn (f) P (f)]；
[0026] 14)将步骤12)与步骤13)的结果相乘，得到第η个目标经过非线性校正后的信号 smc (t, n) = sm (t, n) en (t) 〇
[0027] 15)如果未完成所有N个点目标校正，取下一个点目标，η = η+1，返回步骤10);
[0028] 16)如果完成所有N个点目标校正，将校正后的点目标结果相加，得到校正后的脉 冲信号
[0029] 17)如果未完成所有M个脉冲的信号校正，m = m+Ι，返回步骤9);
[0030] 18)如果完成所有M个脉冲的信号校正，得到校正后的信号
根据 文献[1]的传统算法，对校正后的信号经距离向傅里叶变换和方位向匹配滤波，得到二维 压缩图像。
[0031] 本发明的技术效果
[0032] 直视合成孔径激光成像雷达中，回波信号经过自差探测后得到电流复信号s (t)。
[0033] 系统位相的非线性变化是产生距离成像脉冲展宽的原因，以扫描产生的位相变化 的系统为例，扫描速度表示为泰勒级数：
[0035] 上式各阶系数&仅与系统固有特性有关，可以测量或者计算。a。为理想速度，a i， a2，…，ak为非线性系数，引入速度的非线性变化。
[0036] 假定信号分为M个距离向脉冲，
非线性校正是针对某一个m的距离 向脉冲时间内的信号Sni (t)进行的，因此N个点目标的电流复信号表达式简写为：
[0038] 其中，N为目标数，Xn为第η个目标距离向坐标，s " (t，η)为第η个点目标的电流复 信号，An(xn，t)为第η个点目标的电流信号幅值，Φ η(χη，t)为第η个点目标相位，Φη(χη，0) 为第η个目标初始相位，β为系统常数。第一个指数项为理想情况下的线性函数，第二个 指数项是非线性误差，系数a k(k多1)为非线性系数。第三个指数项用于方位向匹配滤波。
[0039] 将目标的电流复信号进行傅里叶变换（FFT)为频谱Sni (f):
[0041] 第η个目标对应的频率位置为
与距离Xn成正比。導代表卷积，卷积 的第二项代表频谱的形状和宽度。
[0042] 选取第η个点目标的频率为带通滤波器中心频率，滤波器为：
[0043] P(f) = rect[Tf(f-fn)]
[0044] 将带通滤波器与距离频谱Sni (f)相乘，再进行逆傅里叶变换，可以得到第η个目标 的时域信号Sni(In):
[0045] sn (t, η) = FFT 1 [Sn (f) P (f)]
[0046] 根据非线性系数和第η个目标点的距离向坐标生成误差校正函数，选取k级近 似：
[0048] 时域信号Sni(t，n)和误差校正信号eni(t，n)相乘，得到第η