一种合成孔径激光雷达成像方法、仪器及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种合成孔径激光雷达成像方法、仪器及系统。所述方法包括：通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号；对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位；通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差；利用所述运动误差对所述至少两个光学望远镜接收的回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到至少两个方位向待压缩图像数据；对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，完成成像的方位向压缩处理。

A Synthetic Aperture Lidar Imaging Method, Instrument and System

【技术实现步骤摘要】
一种合成孔径激光雷达成像方法、仪器及系统
本专利技术涉及一种合成孔径激光雷达成像方法、仪器及系统。
技术介绍
合成孔径激光雷达(SyntheticApertureLidar，SAL)结合合成孔径技术和相干激光探测技术，具有多普勒频移大、指向精度高、测距精度高、合成孔径时间短的系列技术特点。合成孔径激光雷达解决了LiDAR系统网格密度、成像分辨率和探测能量的技术瓶颈问题。实现全新体制的、基于光波段的合成孔径雷达系统，突破了几何光学的衍射极限，使成像分辨率大大提高。激光信号方便实现大带宽调制，因此对提高距离向分辨率有利；雷达和目标间很小的相对运动可以实现很大的方位多普勒频移，因此可以实现很高的方位分辨。SAL技术将成为超远程厘米级分辨率成像的重要技术手段，在未来高分辨率探测领域发挥重要作用。运动补偿问题是影响激光合成孔径成像的核心关键问题。SAL工作在短红外波段，波长在微米量级，亚波长量级的平台运动误差将影响SAL严重高分辨率成像。而以下传统两种运动补偿思路也难以解决亚微米量级的SAL运动误差补偿的难题：首先，基于运动测量传感器的运动补偿方法采用高精度的定位定姿系统(PositionandOrientationSystem，POS)实现对平台振动的测量，在成像处理阶段进行运动误差补偿。然而目前最高精度的POS系统位置测量精度在厘米量级，远远难以达到SAL高分辨率成像的需求；其次，基于雷达回波数据的运动估计补偿方法，最为经典的为相位梯度自聚焦算法。该方法依赖目前区域存在一定强散射点，针对均匀无理想点目标的场景将难以实现图像的聚焦。并且由于激光波长极短，传统微波波段可忽略的运动误差会引起超过2π的相位误差，图像散焦十分严重，给相位梯度自聚焦算法带来巨大的挑战。
技术实现思路
本专利技术一方面提供了一种合成孔径激光雷达成像方法，所述方法包括：通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号；对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位；通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差；利用所述运动误差对所述至少两个光学望远镜接收的回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到至少两个方位向待压缩图像数据；对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，完成成像的方位向压缩处理。可选地，所述对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位，包括：在ta时刻，两个回波信号的方位向相位分别为：通过对所述至少两个回波信号的方位向相位进行相位差分，得到顺轨差分干涉相位：其中λ是合成孔径激光雷达信号波长，R1是第一个光学望远镜对应的雷达斜距，R2是第二个光学望远镜对应的雷达斜距，ΔRn是运动误差。可选地，所述通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，包括：通过下列公式获取斜距向速度误差vr：其中，λ是合成孔径激光雷达信号波长，是顺轨差分干涉相位，Δt是合成孔径激光雷达的天线相位中心从一个位置运动到下一个位置所需的时间。可选地，所述利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差，包括：通过下列积分公式获取tk时刻的运动误差ΔR(tk)：其中，vr(t)是t时刻的斜距向速度误差。可选地，所述对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，包括：第k个光学望远镜去斜接收后的回波信号可表示成：其中，ta是方位慢时间，T是调频连续波调频时宽，Ka是线性调频信号调频率，fack是第k个光学望远镜的多普勒中心频率；对各光学望远镜的回波信号进行方位傅里叶变换到多普勒域，各光学望远镜对应的子带信号可通过滤波器Hak(fa)实现方位全孔径条件下多普勒信号的合成：其中，fa为多普勒频率。可选地，所述滤波器Hak(fa)表示为：其中，B是子带的多普勒宽度。本专利技术另一方面提供了一种合成孔径激光雷达成像仪器，所述仪器包括发射激光信号的设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜，以及用于接收回波信号的设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜。可选地，所述至少两个光学望远镜为三个光学望远镜。本专利技术再一方面提供了一种合成孔径激光雷达成像系统，所述系统包括：收发信号模块，用于通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号；差分干涉相位获取模块，用于对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位；运动误差获取模块，用于通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差；运动误差补偿处理模块，用于利用所述运动误差对所述至少两个光学望远镜接收的回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到至少两个方位向待压缩图像数据；成像处理模块，用于对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，完成成像的方位向压缩处理。附图说明图1是本专利技术实施例提供的合成孔径激光雷达成像方法的方法流程图；图2是本专利技术实施例提供的合成孔径激光雷达仪器结构示意图；图3是本专利技术实施例提供的合成孔径激光雷达仪器中光学望远镜结构示意图；图4是本专利技术实施例提供的合成孔径激光雷达成像方法中干涉运动补偿示意图；图5是本专利技术实施例提供的合成孔径激光雷达成像方法中多个光学望远镜的孔径综合原理图；图6是本专利技术实施例提供的合成孔径激光雷达成像方法中多个光学望远镜的多普勒合成原理图；图7为本专利技术实施例提供的合成孔径激光雷达成像系统的系统框图。具体实施方式以下，将参照附图来描述本专利技术的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本专利技术实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本专利技术的概念。在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本专利技术。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。本专利技术的一个实施例提供了一种合成孔径激光雷达成像方法，参见图1，所述方法包括步骤S1-S5的内容：步骤S1：通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号。参见图2和图3，用于发射激光信号和用于接收回波信号的光学望远镜均设置于合成孔径激光雷达上，并且用于发射激光信号的光学望远镜与用于接收回波信号的光学望远镜应不为同一个，因此在合成孔径激光雷达上应至少设置3个光学望远镜。以图3为例，可以看到该合成孔径激光雷达上设置了4个光学望远镜，位于图示位置最上部的即为用于发射激光信号的光学望远镜，位于图示位置下部的三个排成行的即为用于接收回波信号的光学望远镜，这4个光学望远镜在安装于合成孔径激光雷达上时应使3个用于接收回波信号的光学望远镜沿方位向排布，即沿合成孔径激光雷达的平台运动方向进行排布。从而形成一发多收的合成孔径激光雷达成像体制。步骤S2：对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种合成孔径激光雷达成像方法，其特征在于，所述方法包括：通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号；对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位；通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差；利用所述运动误差对所述至少两个光学望远镜接收的回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到至少两个方位向待压缩图像数据；对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，完成成像的方位向压缩处理。

【技术特征摘要】
1.一种合成孔径激光雷达成像方法，其特征在于，所述方法包括：通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号；对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位；通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差；利用所述运动误差对所述至少两个光学望远镜接收的回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到至少两个方位向待压缩图像数据；对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，完成成像的方位向压缩处理。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位，包括：在ta时刻，两个回波信号的方位向相位分别为：通过对所述至少两个回波信号的方位向相位进行相位差分，得到顺轨差分干涉相位：其中λ是合成孔径激光雷达信号波长，R1是第一个光学望远镜对应的雷达斜距，R2是第二个光学望远镜对应的雷达斜距，ΔRn是运动误差。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，包括：通过下列公式获取斜距向速度误差vr：其中，λ是合成孔径激光雷达信号波长，是顺轨差分干涉相位，Δt是合成孔径激光雷达的天线相位中心从一个位置运动到下一个位置所需的时间。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差，包括：通过下列积分公式获取tk时刻的运动误差ΔR(tk)：其中，vr(t)是t时刻的斜距向速度误差。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述方位向待压缩图像...

【专利技术属性】
技术研发人员：向茂生，汪丙南，周良将，丁赤飚，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11