激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器技术

本发明专利技术公开的激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器，属于光电信息技术领域。本发明专利技术激光脉冲接收装装置把同步激光脉冲转换为同步信号和初始激光脉冲；根据目标轨迹数据生成控制指令，在同步信号触发下生成一系列延时差值相同的步进延时信号，分别代表一系列等延时面；激光脉冲延时空间重构装置把步进延时信号在空间上分配到各自的等延时平面上，形成空间二维延时信号阵列；投影光学系统把二维延时信号投影到被试激光雷达接收镜头的入瞳处，实现回波信号模拟。本发明专利技术能够解决现有目标回波信号模拟技术方案中不同工作波长不能通用、光学回波通道数量少、距离分辨率差、存在不定延时等问题，主要应用于激光成像雷达制导武器半实物仿真系统。

Simulation method and simulator of target echo signal for laser imaging radar

The invention discloses a laser imaging radar target echo signal simulation method and a simulator, belonging to the field of photoelectric information technology. The laser pulse receiving device of the invention converts the synchronous laser pulse into the synchronous signal and the initial laser pulse; generates a series of step-delay signals with the same delay difference value under the trigger of the synchronous signal according to the control command generated from the target track data; and represents a series of equal delay planes respectively; and the time-delay space reconstruction assembly of the laser pulse The two-dimensional delay signal array is formed by distributing the stepped delay signal to each equal delay plane, and the projection optical system projects the two-dimensional delay signal to the pupil of the laser radar receiving lens to simulate the echo signal. The invention can solve the problems of different working wavelengths can not be used universally, the number of optical echo channels is small, the range resolution is poor, and the time delay exists in the existing target echo signal simulation technology scheme, and is mainly applied to the hardware-in-the-loop simulation system of the laser imaging radar guidance weapon.

【技术实现步骤摘要】
激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器
本专利技术涉及一种激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器，主要应用于激光成像雷达制导武器半实物仿真系统，属于光电信息

技术介绍
激光技术的出现和应用，推动了激光成像雷达技术的发展。自1960年第一台红宝石激光器问世以来，科研人员就提出了激光雷达的设想,半个世纪以来，激光雷达技术从简单的激光测距系统发展为具有激光跟踪、激光测速、激光成像等多种功能的复杂激光雷达系统。按照目标信息获取方式，直接探测激光雷达可以分为单点测距式激光雷达、线阵成像激光雷达和面阵成像激光雷达。被广泛应用在军事、民用、遥感等领域。激光成像雷达目标回波信号模拟器是激光成像雷达制导武器半实物仿真系统中的关键部件。激光成像雷达目标回波信号模拟器在实验室条件下为被试激光成像雷达提供物理的、实时的光学回波信号。目前国内外有关激光回波信号模拟的技术方案，主要有直接电信号注入方案、光信号投影方案和光学MEMS微镜阵列方案。直接电信号注入方案将生成的回波电信号直接注入到被试激光成像雷达的信号处理系统，这种方案不输出光学回波，因而不能测试光电探测系统的性能。光信号投影方案将光学回波信号投影到接收光学系统的入瞳处，该方案目前的回波生成通道数量较少，只能通过扫描方式实现大阵列规模的二维面阵回波信号的生成，系统的复杂度高，实时性差。光学MEMS微镜阵列方案的原理与光信号投影相似，它采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列作为光源，以MEMS微镜阵列作为图像投影器，该方案降低了成本和体积，然而这种方式目前只是停留在概念设计和分析阶段。上述三种方案系统中都包含信号源，存在信号源响应时间的不确定性，限制了系统的应用。因此我们提出一种直接利用激光雷达发射激光脉冲的方案，不引入额外的激光源，直接对激光雷达发射机光脉冲进行延时。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有激光成像雷达目标回波信号模拟技术方案中不同工作波长不能通用、光学回波通道数量少、距离分辨率差、存在不定延时等问题，提供一种激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：本专利技术公开的激光成像雷达目标回波信号模拟方法，包括如下步骤：步骤一：建立激光雷达探测场景的数字三维模型，生成激光回波信号延时矩阵。以视点和激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点形成轴线，定义为Z坐标轴，视点位于坐标原点(0,0,0)，激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点位于(0,0,Dmax)，其中Dmax表示激光雷达最远探测距离，激光雷达接收光学系统的最远面视场的含义是指在激光雷达最远探测距离上，由激光雷达接收光学系统的角视场决定的矩形区域。激光雷达接收光学系统的角视场为α×β，其中α为X方向角视场，β为Y方向角视场，则激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向和Y方向的宽度分别为：激光雷达接收光学系统的最远面视场的四个顶点坐标分别为：激光雷达探测器的阵列规模为A列B行(A×B)，把激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向等分为A-1份，在Y方向上等分为B-1份，则在激光雷达接收光学系统的最远面视场所在的平面上由面视场边线和分割线共形成A×B个格点，称为视场采样点。分别以视点为起点，A×B个视场采样点为终点，建立A×B条线段，称为距离采样线段。当所建立的激光雷达探测场景的数字三维模型位于由视点和激光雷达接收光学系统的最远面视场的四个顶点P1～P4所确定的四棱锥空间区域内时，部分距离采样线段与激光雷达探测场景的数字三维模型将有至少一个交点，提取距视点最近的交点的空间坐标(xi,j,yi,j,zi,j)，其中i,j为整数，并有i∈[1,A]，j∈[1,B]，根据公式(2)计算该交点对应的探测距离：部分距离采样线段与激光雷达探测场景的数字三维模型无交点，则对应的探测距离一律设置为最远探测距离Dmax。得到所有距离采样线段对应的探测距离矩阵后，根据公式(3)计算对应的回波信号延时。c为光速(3)得到整个激光雷达探测场景的激光回波信号延时矩阵。步骤一中所述的激光回波信号延时矩阵共有A列B行，共A×B个元素，每个元素表示一个激光回波信号相对于激光雷达发射激光脉冲的延时。作为优选，建立模拟激光雷达探测场景的数字三维模型优选3Dmax、Creator等三维建模工具实现，求取回波信号的延时矩阵优选开源三维引擎OpenSceneGraph实现。步骤二：对步骤一生成的激光回波信号延时矩阵进行分解，得到延时切片数据。提取延时矩阵中的最小值，称为基础延时t0。以基础延时t0为起点，每隔固定延时增量(Δt)对激光回波信号延时矩阵进行切片，共做N次切片，即在激光回波信号延时矩阵中分别提取出延时值等于：Tn＝t0+(n-1)Δt，n＝1,2,···,N(4)的点的矩阵坐标，称为对应于延时切片Tn的延时关联点坐标，记为i∈[1,A]，j∈[1,B]，即激光回波信号延时矩阵的第i列第j行的延时值为Tn。对应于延时切片Tn的延时关联点个数最少为0个，最多为A×B个。步骤二中所述的延时切片数据包括一系列延时切片值Tn及对应于每个延时切片Tn的若干延时关联点坐标所述的固定延时增量Δt由所要模拟的激光雷达探测距离分辨率ΔD决定：步骤一至步骤二为本专利技术公开的激光成像雷达目标回波信号模拟方法的数据生成方法。步骤三：根据步骤二生成的基础延时t0对初始激光脉冲进行基础延时，通过光纤长度的不同组合实现对初始激光脉冲进行基础延时，得到基础延时激光脉冲。步骤四：根据步骤二生成的延时切片数据，对步骤三得到的基础延时激光脉冲进行分束，共分成N束，令每束子激光脉冲通过不同长度的光纤从而引入不同的延时，相邻子激光脉冲的延时差值依次递增固定延时Δt，得到以基础延时t0为起点，每隔固定延时时间Δt的一系列延时切片激光脉冲Tn＝t0+(n-1)Δt，n＝1,2,···,N。步骤五：把步骤四得到的一系列延时切片激光脉冲Tn＝t0+(n-1)Δt，n＝1,2,···,N在空间上展宽为N条线激光脉冲，分别照亮空间光调制器的N行像元(H1,H2,…,HN)，则空间光调制器的每一行受到光照的时刻是不同的，因此空间光调制器的每一行对应一个延时切片，对应关系为：再把空间光调制器M列像元L1,L2,…,LM发出的光分别收集到M根光纤中，每根光纤对应一路激光回波信号通道，因此空间光调制器的每一列对应一路激光回波信号，对应关系为：根据步骤二中得到的对应于延时切片Tn的若干延时关联点坐标i∈[1,A]，j∈[1,B]，把空间光调制器第m列第n行的像元状态设置为开态，m,n,Tn,i,j之间有如下换算关系：步骤五中所述的空间光调制器的阵列规模为M列N行，共M×N个像元，对于阵列规模为A×B的激光回波信号延时矩阵，有M＝A×B。当空间光调制器的像元状态为开态时，光能够通过空间光调制器，当空间光调制器的像元状态为关态时，光不能通过空间光调制器。由于空间光调制器的每一行对应一个延时切片，每一列对应一路激光回波信号，因此当阵列坐标为(m,n)，m∈[1,M],n∈[1,N]的像元的状态为开态时，延时为Tn＝t0+(n-1)Δt的延时切片激光脉冲就进入了i∈[1,A]，j∈[1,B]对应的Rm激光回波通道。每一个延时切片对应若干个延时关联点，因本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.激光成像雷达目标回波信号模拟方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立激光雷达探测场景的数字三维模型，生成激光回波信号延时矩阵；以视点和激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点形成轴线，定义为Z坐标轴，视点位于坐标原点(0,0,0)，激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点位于(0,0,Dmax)，其中Dmax表示激光雷达最远探测距离，激光雷达接收光学系统的最远面视场的含义是指在激光雷达最远探测距离上，由激光雷达接收光学系统的角视场决定的矩形区域；激光雷达接收光学系统的角视场为α×β，其中α为X方向角视场，β为Y方向角视场，则激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向和Y方向的宽度分别为：

【技术特征摘要】
1.激光成像雷达目标回波信号模拟方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立激光雷达探测场景的数字三维模型，生成激光回波信号延时矩阵；以视点和激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点形成轴线，定义为Z坐标轴，视点位于坐标原点(0,0,0)，激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点位于(0,0,Dmax)，其中Dmax表示激光雷达最远探测距离，激光雷达接收光学系统的最远面视场的含义是指在激光雷达最远探测距离上，由激光雷达接收光学系统的角视场决定的矩形区域；激光雷达接收光学系统的角视场为α×β，其中α为X方向角视场，β为Y方向角视场，则激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向和Y方向的宽度分别为：激光雷达接收光学系统的最远面视场的四个顶点坐标分别为：P1：P2：P3：P4：激光雷达探测器的阵列规模为A列B行(A×B)，把激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向等分为A-1份，在Y方向上等分为B-1份，则在激光雷达接收光学系统的最远面视场所在的平面上由面视场边线和分割线共形成A×B个格点，称为视场采样点；分别以视点为起点，A×B个视场采样点为终点，建立A×B条线段，称为距离采样线段；当所建立的激光雷达探测场景的数字三维模型位于由视点和激光雷达接收光学系统的最远面视场的四个顶点P1～P4所确定的四棱锥空间区域内时，部分距离采样线段与激光雷达探测场景的数字三维模型将有至少一个交点，提取距视点最近的交点的空间坐标(xi,j,yi,j,zi,j)，其中i,j为整数，并有i∈[1,A]，j∈[1,B]，根据公式(2)计算该交点对应的探测距离：部分距离采样线段与激光雷达探测场景的数字三维模型无交点，则对应的探测距离一律设置为最远探测距离Dmax；得到所有距离采样线段对应的探测距离矩阵后，根据公式(3)计算对应的回波信号延时；c为光速(3)得到整个激光雷达探测场景的激光回波信号延时矩阵；步骤一中所述的激光回波信号延时矩阵共有A列B行，共A×B个元素，每个元素表示一个激光回波信号相对于激光雷达发射激光脉冲的延时；步骤二：对步骤一生成的激光回波信号延时矩阵进行分解，得到延时切片数据；提取延时矩阵中的最小值，称为基础延时t0；以基础延时t0为起点，每隔固定延时增量(Δt)对激光回波信号延时矩阵进行切片，共做N次切片，即在激光回波信号延时矩阵中分别提取出延时值等于：Tn＝t0+(n-1)Δt，n＝1,2,…,N(4)的点的矩阵坐标，称为对应于延时切片Tn的延时关联点坐标，记为i∈[1,A]，j∈[1,B]，即激光回波信号延时矩阵的第i列第j行的延时值为Tn；对应于延时切片Tn的延时关联点个数最少为0个，最多为A×B个；步骤三：根据步骤二生成的基础延时t0对初始激光脉冲进行基础延时，通过光纤长度的不同组合实现对初始激光脉冲进行基础延时，得到基础延时激光脉冲；步骤四：根据步骤二生成的延时切片数据，对步骤三得到的基础延时激光脉冲进行分束，共分成N束，令每束子激光脉冲通过不同长度的光纤从而引入不同的延时，相邻子激光脉冲的延时差值依次递增固定延时Δt，得到以基础延时t0为起点，每隔固定延时时间Δt的一系列延时切片激光脉冲Tn＝t0+(n-1)Δt，n＝1,2,…,N；步骤五：把步骤四得到的一系列延时切片激光脉冲Tn＝t0+(n-1)Δt，n＝1,2,…,N在空间上展宽为N条线激光脉冲，分别照亮空间光调制器的N行像元(H1,H2,…,HN)，则空间光调制器的每一行受到光照的时刻是不同的，因此空间光调制器的每一行对应一个延时切片，对应关系为：再把空间光调制器M列像元L1,L2,…,LM发出的光分别收集到M根光纤中，每根光纤对应一路激光回波信号通道，因此空间光调制器的每一列对应一路激光回波信号，对应关系为：根据步骤二中得到的对应于延时切片Tn的若干延时关联点坐标i∈[1,A]，j∈[1,B]，把空间光调制器第m列第n行的像元状态设置为开态，m,n,Tn,i,j之间有如下换算关系：步骤五中所述的空间光调制器的阵列规模为M列N行，共M×N个像元，对于阵列规模为A×B的激光回波信号延时矩阵，有M＝A×B；当空间光调制器的像元状态为开态时，光能够通过空间光调制器，当空间光调制器的像元状态为关态时，光不能通过空间光调制器；由于空间光调制器的每一行对应一个延时切片，每一列对应一路激光回波信号，因此当阵列坐标为(m,n)，m∈[1,M],n∈[1,N]的像元的状态为开态时，延时为Tn＝t0+(n-1)Δt的延时切片激光脉冲就进入了i∈[1,A]，j∈[1,B]对应的Rm激光回波通道；每一个延时切片对应若干个延时关联点，因此每一个延时切片能够对应多个激光回波，但每个延时关联点只能位于一个延时切片上，因此每个激光回波只能对应一个延时切片，因此空间光调制器每一列上只能有一个像元为开态，每一行上处于开态的像元数量依据该行代表的延时切片关联点个数，允许是多个；对于一帧激光回波信号延时矩阵，空间光调制器所有M×N个像元中只能有M个像元导通；步骤六：通过线-面转换的光纤传像束实现M路空间一维线阵激光回波到A×B路空间二维面阵激光回波的空间变换；光纤传像束的线阵输入端第m(m∈[1,M])路激光回波通道与光纤传像束面阵输出端阵列坐标为(i,j)(i∈[1,A],j∈[1,B])的激光回波通道之间按公式m＝i+A(j-1)一一对应；步骤七：通过投影光学系统把步骤六所述的光纤传像束的面阵输出端面投影...

【专利技术属性】
技术研发人员：李卓，高彦泽，王欣，杨苏辉，李炎炎，时庆峰，周朗，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11