专利名称：合成孔径激光成像雷达非线性啁啾相位误差克服法及装置的制作方法
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非线性 啁啾相位误差克服法及装置，主要是在合成孔径激光成像雷达中附加参考通道，测 量啁啾非线性相位误差信号，通过计算传递到目标距离上，再与信号通道接收的外 差信号进行匹配滤波，消除非线性啁啾相位误差，从而保证距离方向的成像分辨率。
背景技术：
合成孔径激光成像雷达的原理取之于射频领域的合成孔径雷达原理，是能够在 远距离取得厘米量级分辨率的唯一的光学成像观察手段，在距离方向合成孔径激光 成像雷达采用啁啾即线性频率调制的激光和外差光电接收获得高分辨率成像，因此 激光啁啾的非线性相位误差将严重影响距离方向成像分辨率。为了减弱或者克服激 光啁啾非线性等相位误差降低成像分辨率的影响，国外提出了两种采用附加模拟传 输光学通道进行啁啾非线性等相位误差补偿的方法一种方法(参见M. Bashkansky， R. L. Lucke， F. Funk, L. J. Rickard, and J. Reintjes, "Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain," O(prt'cs Z^Wers, Vol. 27, ppl983-1985 (2002))是直接对目标回波接收时间信号进行处理，即将参考通道 的输出对信号通道的信号进行二次差频，使等效差频范围大为降低，从而可以忽略 啁啾的非线性。另一种方法(参见S. M. Beck， J. R. Buck, W. F. Buell， R. P. Dickinson, D. A. Kozlowski, N. J. Marechal, and T. J. Wright, "Synthetic-aperture imaging ladar: laboratory demonstration and signal processing"0/;"'cs， Vol. 44, No. 35, pp.7621-7629(2005))是在信号解包络的相位域中进行处理，即首先在参考通道中计 算出相位误差，然后传递到信号通道，通过数字计算在信号通道中实现信号的相位 误差的消除。上述第一种方法的处理不需要直接求出相位误差，因此相对第二种方 法在体系和算法上是十分简单的。发明内容本发明的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 激光成像雷达非线性啁啾相位误差克服法及装置，以简单、可靠和有效地消除非线4性啁啾相位误差，从而保证合成孔径激光成像雷达在距离方向的成像分辨率。 本发明的技术解决方案如下一种合成孔径激光成像雷达非线性啁啾相位误差克服法，包括下列步骤① 在参考通道中，参考光学外差接收机探测本机振荡激光和参考延迟光路的回 波激光输出光电子信号，依次经参考模数转换、解包络相位误差处理、快速傅立叶 变换、相位移动处理、快速反傅立叶变换、包络化处理和快速傅立叶变换成像处理 形成并输出参考像；② 在信号通道中，信号光学外差接收机探测本机振荡激光和目标回波激光信号 输出光电子信号，依次经过信号通道模数转换和快速傅立叶变换成像处理形成并输 出信号像；③ 将快速傅立叶变换成像处理的参考像和快速傅立叶变换成像处理的信号像， 进行巻积运算；④ 然后经带通滤波后，输出聚焦的距离图像。另一种合成孔径激光成像雷达非线性啁啾相位误差的克服法，包括下列步骤① 在参考通道中，参考光学外差接收机探测本机振荡激光和参考延迟光路的回 波激光输出光电子信号，依次经参考模数转换、解包络相位误差处理、快速傅立叶 变换、相位移动处理、快速反傅立叶变换、包络化处理后将参考道的时间信号输入 乘法器；② 在信号通道中，信号光学外差接收机探测本机振荡激光和目标回波激光信号 输出光电子信号，经过信号通道模数转换后将信号道的时间信号输入所述的乘法器；③ 在所述的乘法器中，对于参考通道输出的时间信号和信号通道输出的时间信 号进行相乘运算；④ 然后通过傅立叶变换成像运算器处理和带通滤波后，输出聚焦的距离图像。实施上述第一方法的消非线性啁啾相位误差装置，其构成包括参考通道中，依次是参考光学外差接收机、参考模数转换器、解包络处理器、快速傅立叶变换器、相位移动处理器、快速反傅立叶变换器、包络化处理器、第一快速傅立叶变换成像处理器到巻积运算器；信号通道中，依次是信号光学外差接收机、信号模数转换器、第二快速傅立叶变换成像处理器到所述的巻积运算器； 所述的巻积运算器接带通滤波器。实施上述第二方法的消非线性啁啾相位误差装置，其构成包括 参考通道中，依次是参考光学外差接收机、参考模数转换器、解包络处理器、快速傅立叶变换器、相位移动处理器、快速反傅立叶变换器、包络化处理器到乘法器；信号通道中，依次是信号光学外差接收机、信号模数转换器到所述的乘法器; 所述的乘法器的输出端接傅立叶变换成像运算器，该傅立叶变换成像运算器的 输出端接带通滤波器。 本发明的技术效果-非线性啁啾相位误差的复共轭匹配滤波消除法，采用参考通道测量激光光源在 自延迟差频信号中所产生的相位时间流信号，通过数字处理的傅立叶变换和延迟传 递到目标距离延迟上，然后用该相位信号的傅立叶变换像的复共轭函数对目标在接 收通道产生的信号的傅立叶像进行巻积处理，因此可以同时对全部的目标散射点进 行非线性啁啾相位误差的消除。特点是本方法处理简单可靠，有效。
图l是本发明合成孔径激光成像雷达消非线性啁啾相位误差装置实施例l的结构 框图。图2是本发明合成孔径激光成像雷达消非线性啁啾相位误差装置实施例2的结构 框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细说明本发明先请参阅图l，图l是本发明合成孔径激光成像雷达消非线性啁啾相位误差装置 实施例l的结构框图。由图可见，本发明合成孔径激光成像雷达消非线性啁啾相位误 差装置实施例l的构成包括在参考通道中从探测本机振荡激光和参考延迟光路的回 波激光的参考光学外差接收机l的光电子输出信号开始，依次是参考模数转换器2，解包络处理器3，快速傅立叶变换器4，相位移动处理器5，快速反傅立叶变换器6， 包络化处理器7，第一快速傅立叶变换成像处理器8到巻积运算器9;在信号通道中从 探测本机振荡激光和目标回波激光信号的信号光学外差接收机10的光电子输出信号 开始，依次是参考道模数转换器ll，第二快速傅立叶变换成像处理器12到巻积运算器9;巻积运算器9对于参考通道输出的像和信号通道输出的像进行巻积运算，并通过带通滤波器13成为聚焦的距离图像输出14。基本原理如下 激光光源的时间相位变化可以用台劳级数表达为<formula>formula see original document page 7</formula>2!3 !w + l其中第一项为激光本征频率产生的线性时间相位，第二项为激光啁啾项即线性频 率扫描产生的时间二次项相位，第三项及以后各项为非线性啁啾产生的高次相位项。 因此激光光源光束信号可以表达为<formula>formula see original document page 7</formula>(2)其中r为激光光源的脉冲宽度。在参考通道中假定本机振荡激光的延迟为^,。，参考光路的延迟为r,，则参考通 道光学外差接收机1的输出的差频项信号为-<formula>formula see original document page 7</formula>(3)其中7; = r - (r, - rri。)为差频信号的脉冲宽度，=^，为差频脉冲的中心位移。而差频的时间相位为<formula>formula see original document page 7</formula>通过参考模数转换器2产生该差频信号的离散数字采样信号。然后通过解包络处理器3进行信号的解包络处理后得到离散时间(="")相位，理想结果应当为(5)该离散时间相位也可以用台劳级数的方式进行描述，即△A (U = A^(0)+ +A<j9"r(rr—rr,。> 2+ 。 (6)通过对于^的快速傅立叶变换器4后可以得到差频信号的时间相位函数的的离 散傅立叶变换，其傅立叶系数为Z^附为傅立叶级数指数。 相位移动处理器5进行如下的运算.<formula>formula see original document page 7</formula>、、(7) =z exp(-麵A/(r。 + rz/o))sin—-tzz)) W m exp(-2V,。))sin(腦A/(7V/。-r》)，其中~。是信号通道的本机振荡激光延迟，^是所需要移动的相位延迟量，A/是采样频率间隔。快速反傅立叶变换器6将公式(7)所代表的差频信号的相位频谱函数转换回相 位时间函数，理想结果应当为G 0")=《zz (0) +(rzz - rz/0 ), + C (rzz - rz/。 > 2 +… 包络化处理器7对其进行复数共轭包络化，相当于即产生(8)其中7;=7-(^-~。)为转移差频信号的脉冲宽度，Arzz =、+ U 2(9)为转移差频脉冲的中心位移。快速傅立叶变换成像处理器8对其产生傅立叶变换，理想结果应当为<formula>formula see original document page 8</formula>其中载频为/zz(iO=《'r(r_zz::rzto) ， K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的相位二次项；i^(/)表示非线性啁啾频谱域相位高阶项之和。该信号随后输入巻积运算器9。在信号通道中本机振荡激光的延迟为乙,。。第A:个目标散射点的位置在 (、"、"^)，其延迟为乙"而二次项历程的等效焦距为F^。则信号通道光学外 差接收机10的光电子输出信号为<formula>formula see original document page 8</formula>其中其中r，t =r —(rz，A-^,。)为差频信号的脉冲宽度， =、"、。为2差频脉冲的中心位移。相位项为.-^ (0 = W _ 、*) - W - rz/。 ) + %，A ，这里的二次项历程为=exp/ 2,2、 .、卢M ，、该信号通过信号模数转换器11进行数字化采样，其中离散时间相位可以用台劳 级数的方式进行描述，即A) = I* (o) +《'Z,A (rz - rz,。
+《"z,t z - rz,。 y 2 +…+。数字化光电子输出信号(11)输入到数字快速傅立叶变换成像处理器10，并经傅立叶变换后得到(/》o)频率域表达的复数非聚焦像，理想结果应当为-卡广,(15)<2为非线、⑧e《"""c。) @F，(/) 其中可定义/d = "J为^散射点的载频，而 e,，， 、性啁啾在频谱域的相位二次项，F』，f乂/)表示非线性啁啾频谱域相位高阶项之和。该信号随后输入巻积运算器9。巻积运算器9产生Z厶(/)和/。(/)的巻积，即匹配滤波后为聚焦像，理想结果应当为:-<formula>formula see original document page 9</formula>—W/)，因此相对于所有r^合理设计r^情况下，通过中心频率为(/w -/zz(《))的带通滤波 器13成为聚焦的距离图像输出14，即理想结果为 (sin cH"气") (sin《/)e,"),K。)-"o)+p,." 。 17)其中(Sinc(rz J)e— (sinc(rzz/)e-*A")为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』，(/)0F^W(/)为残留非线性啁啾影响巻积因子，U0)-。J0)为啁啾产生的固定相位，p^为二次项相位历程。以上公式中的^， 5和t/为复常数。2丄，设快时间测量距离为~ ( r/iZ =)而距离分辨率为AL，相应频域的中心频率为/>，2，因此要求频率分辨率A/^;y^。上述所有计算中，时间采样间隔&应当满足:频率采样间隔A/应当满足<formula>formula see original document page 10</formula>(18)<formula>formula see original document page 10</formula>(19)由于两个函数分别傅立叶变换后的巻积结果相当于两个函数乘积的傅立叶变 换，因此上述装置也可以改变化为图2，即本发明装置的实施例2。在参考通道中从 探测本机振荡激光和参考延迟光路的回波激光的参考光学外差接收机l的光电子输 出信号开始，依次是参考模数转换器2，解包络处理器3，快速傅立叶变换器4，相位 移动处理器5，快速反傅立叶变换器6，包络化处理器7，然后到乘法器15;在信号通 道中从探测本机振荡激光和目标回波激光信号的信号光学外差接收机10的光电子输 出信号开始，通过信号模数转换器11然后到乘法器15，该乘法器15对于参考通道输 出的时间信号和信号通道输出的时间信号相乘运算，然后通过傅立叶变换成像运算 器16和带通滤波器13成为聚焦的距离图像输出14。具体设计如下假设机载合成孔径激光成像雷达的高度为15km，对地面观察的成像距离为 50km，成像弥散园为20mm。设计激光雷达的光学接收和发射望远镜主镜的口径为 40mm，光束发散度和光学外差接收视场均为100prad，光斑直径5m。脉冲双程渡越 时间0.33ms。望远镜与地面目标处于夫琅和费衍射区域，接收过程中巧=00，采用高斯光束发射即F, = z ，因此二次项相位为exp7义，其最大相对相位差为10;rA(7)2 ，即72;r，属于合理的匹配滤波范围。这时一个光斑内的采样数取M 200。合成孔径激光成像雷达运动速度100m/s，目标一个光斑扫描时间0.05s，步进 ~0.25ms，激光脉冲宽度IOOilis。距离方向成像弥散园带宽S = ^ ，即15GZ/z，啁啾速率/ = 1.5><1014/&〃2，距离项快时间延迟的最大值控制在lps以内，距离向最大 差频频率为/腿=lS0Mfe 。已知r^ 0.33ms ，设计参考光路本机振荡激光的延迟^。和信号通道的本机振 荡激光延迟^。相等，有^。=~。=10"八设计参考光路中参考信号所需要移动的相 位延迟量rzz = 0.33 w ，设计参考信道中的载频为/zz (K) = 150M fe 。信号通道的距离方向的聚焦像可以通过 150MHz左右的线性相位调制项的傅 立叶变换压縮取得。参考信道的距离方向的聚焦像可以通过150MHz的线性相位调 制项的傅立叶变换压縮取得。两者进行匹配滤波后得到相位误差消除的距离方向的 聚焦像。然后方位方向的聚焦像可以通过约72;r最大相对相位的二次相位项的匹配 滤波压縮取得。
权利要求
1. 一种合成孔径激光成像雷达非线性啁啾相位误差克服法，其特征在于包括下列步骤①在参考通道中，参考光学外差接收机探测本机振荡激光和参考延迟光路的回波激光输出光电子信号，依次经参考模数转换、解包络相位误差处理、快速傅立叶变换、相位移动处理、快速反傅立叶变换、包络化处理和快速傅立叶变换成像处理形成并输出参考像；②在信号通道中，信号光学外差接收机探测本机振荡激光和目标回波激光信号输出光电子信号，依次经过信号通道模数转换和快速傅立叶变换成像处理形成并输出信号像；③将快速傅立叶变换成像处理的参考像和快速傅立叶变换成像处理的信号像，进行卷积运算；④然后经带通滤波后，输出聚焦的距离图像。
2、 一种合成孔径激光成像雷达非线性啁啾相位误差的克服法，其特征在于包括 下列步骤① 在参考通道中，参考光学外差接收机探测本机振荡激光和参考延迟光路的回 波激光输出光电子信号，依次经参考模数转换、解包络相位误差处理、快速傅立叶 变换、相位移动处理、快速反傅立叶变换、包络化处理后将参考道的时间信号输入 乘法器；② 在信号通道中，信号光学外差接收机探测本机振荡激光和目标回波激光信号 输出光电子信号，经过信号通道模数转换后将信号道的时间信号输入所述的乘法器；③ 在所述的乘法器中，对于参考通道输出的时间信号和信号通道输出的时间信 号进行相乘运算；④ 然后通过傅立叶变换成像运算器处理和带通滤波后，输出聚焦的距离图像。
3、 实施权利要求1所述的方法的消非线性啁啾相位误差装置，特征在于其构成 包括参考通道中，依次是参考光学外差接收机(1)、参考模数转换器(2)、解包 络处理器(3)、快速傅立叶变换器(4)、相位移动处理器(5)、快速反傅立叶变换 器(6)、包络化处理器(7)、第一快速傅立叶变换成像处理器(8)到巻积运算器(9);信号通道中，依次是信号光学外差接收机(10)、信号模数转换器(11)、第二快速傅立叶变换成像处理器(12)到所述的巻积运算器(9); 所述的巻积运算器(9)接带通滤波器(13)。
4、实施权利要求2所述的方法的消非线性啁啾相位误差装置，特征在于其构 成包括-参考通道中，依次是参考光学外差接收机(1)、参考模数转换器(2)、解包络处理器(3)、快速傅立叶变换器(4)、相位移动处理器(5)、快速反傅立叶变换 器(6)、包络化处理器(7)到乘法器(15);信号通道中，依次是信号光学外差接收机(10)、信号模数转换器(11)到所 述的乘法器(15);所述的乘法器(15)的是输出端接傅立叶变换成像运算器(16)，该傅立叶变换 成像运算器(16)的输出端接带通滤波器(13)。
全文摘要
一种合成孔径激光成像雷达非线性啁啾相位误差克服法及装置，所述的方法是非线性啁啾相位误差的参考通道匹配滤波法，是在合成孔径激光成像雷达中附加参考通道，测量啁啾非线性相位误差信号，通过计算传递到目标距离上，再与信号通道接收的外差信号进行匹配滤波，消除啁啾非线性相位误差，从而保证距离方向的成像分辨率。本方法具有处理简单、可靠和有效。
文档编号G01S17/00GK101261323SQ20081003677
公开日2008年9月10日 申请日期2008年4月29日 优先权日2008年4月29日
发明者刘立人 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所