一种基于合成孔径激光雷达的成像装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于合成孔径激光雷达的成像装置及方法，所述成像装置至少包括成像模块和相位补偿模块，在所述成像模块基于反馈控制模块驱动所述可调谐激光模块后生成的差频信号进行成像的过程中，所述相位补偿模块通过迭代的方式逐渐逼近所述差频信号中的残余相位以进行补偿从而避免方位向失真。

【技术实现步骤摘要】
一种基于合成孔径激光雷达的成像装置及方法本专利技术是申请号为201910787399.5，申请日为2019年8月23日，申请类型为专利技术，申请名称为一种合成孔径激光雷达系统的分案申请。
本专利技术涉及雷达
，尤其涉及一种合成孔径激光雷达系统。
技术介绍
激光雷达是一种高灵敏度雷达，它分辨率高、隐蔽性好、体积小、重量轻抗干扰能力强、多多路径效应不敏感，能探测隐身飞机、潜艇、生化战剂等。但激光雷达波束窄，不适用于大面积搜索，并且受大气和气象影响大，难以搜索和捕获目标，而且其空间分辨率受光学孔径限制，并随着距离的增加而下降。因此一种新体制激光雷达—合成孔径激光雷达(SyntheticApertureLaserRadar,SAL)应运而生。SAL的工作原理与合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar,SAR)类似，只是发射的信号不同，它在方位向通过合成孔径原理来实现高分辨率。SAL图像的分辨率也分为方位向分辨率和距离向分辨率。根据合成孔径原理，其方位向分辨率由方位向合成孔径长度决定，理论上可推导方位分辨率为天线方位孔径长度的一半，而距离向分辨率由雷达发射的激光信号带宽决定，即距离向分辨率为光速和激光信号带宽的比值。由此可知：第一，因SAL的方位向分辨率等于实际天线孔径的一半，而激光雷达的天线孔径远远小于微波雷达的天线孔径，因此，SAL可得到比微波合成孔径雷达更高的方位分辨率；第二，分辨率和波长与目标所在的位置无关，通过合成孔径处理，激光雷达大大提高了方位分辨率，减小了对目标环境的依赖性，能够形成清晰度较高的图像，从而实现高性能、远距离的探测。例如，公开号为CN104898107B的中国专利文献公开了一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法。该方法包括如下步骤：N个阵元分别接收目标回波信号，每个阵元对目标回波信号做剩余视频相位补偿处理和形式简化处理：每个阵元对所述形式简化处理后的目标回波信号做方位向傅里叶变换；对由N个阵元的混迭后的目标回波多普勒信号构成观测向量做解模糊处理，对无模糊的目标回波多普勒信号向量的各个元素按照模糊分量的数值大小进行排列，采用多普勒频谱拼接得到完整的无模糊的目标回波多普勒信号，从而得到合成孔径激光雷达图像。该专利技术提出的多发多收SAL体制可以有效解决传统单发单收SAL体制中存在的距离向宽测绘带和方位向高分辨率的矛盾问题，实现高分辨率宽测绘带SAL成像。但是，该专利提供的方法没有考虑到大气湍流以及卫星平台的振动带来的相位变化。由于SAL的工作频率很高，因此SAL在成像过程中对于大气环境中的湍流效应非常敏感。大气湍流引起的折射率的起伏以及大气密度的涨落会导致光束的波前发生失真，从而影响光束的强度和相干性，最终导致SAL方位向的分辨率降低。而且对于SAL系统采用激光作为载波，载波波长短于微波3～4个量级，对平台振动更加敏感。以机载或星载平台为例的运动平台按照一步一停模式分析，在一个步长内平台振动带来的光程变化将大于激光波长，因此平台振动带来的非理想光程变化会导致回波信号的相位发生变化影响SAL系统的成像分辨率。例如，公开号为CN106371102A的中国专利文献公开了一种基于自适应光学的逆合成孔径激光雷达信号接收系统，包括激光信号发射子系统、接收望远镜、目标波前探测器、目标跟踪传感器、信号接收系统、倾斜控制系统、像差控制系统等：目标跟踪传感器获取目标相对光轴的倾斜信息，并通过倾斜控制系统实现对倾斜的实时补偿；目标波前探测器测量大气湍流、光学器件误差带来的光学像差，并通过像差控制系统实时补偿。该专利利用自适应光学技术实时补偿光束波前像差，保证了接收信号的信噪比。但是，虽然该专利考虑了大气湍流以及光学期间带来的相位误差，却没有考虑到激光光源的非线性失真导致SAL距离向的参数失真，对后期的合成孔径激光雷达的图像处理造成影响。目前大部分的SAL均使用的是线性调频激光作为发射源，而线性调频激的线性度直接决定了SAL距离向分辨率的好坏。为了补偿调频激光的线性度，SAL系统大多是通过对参考信道的数据进行分析，在后期对SAL的距离向的相位误差加以补偿。例如，公开号为CN108020824A的中国专利文献公开了一种基于本振数字延时的合成孔径激光雷达信号相干性保持方法，该方法包括：设置参考通道进行本振信号自外差探测并提取本振信号的差分相位；依据差分相位对本振信号瞬时频率进行估计；对瞬时频率积分处理获取本振信号的相位估计结果；将相位估计结果在数字域延时后对目标回波进行相位补偿。该专利基于本振数字延时实现了SAL信号相干性的保持，大幅度提高了SAL成像的方向向以及横向分辨率。由于采用了本振信号自外差探测，有效估计出了本振信号频率不稳引入的相位，并将相位估计结果在数字域延时后对目标回波信号进行相位补偿，其延时长度可任意调整，因此该方法可使SAL实现对远距离目标的方位/横向高分辨率成像，也适用于对远距离运动目标成像。但是，该专利提供的方法通过匹配参考通道来获得差分相位，因此需要提前知道相关目标通道的时延，而在实际应用中，目标通道时延是个未知量，所以匹配参考通道有很大的局限性。例如，公开号为CN101493521B的中国专利文献公开了一种合成孔径激光雷达非线性啁啾的匹配滤波方法和装置，该方法是在目标通道之外再设置一个参考通道，对参考通道外差接收信号相位差中的二次高阶项的频域变换结果进行修正，使得频域信号的指数二次项与目标通道频域信号中的指数二次项形成指数共轭对，再将修正后的参考通道频域信号与目标通道的频域信号作卷积运算，其中指数二次项相乘后为脉冲函数，从而克服了激光光源非线性啁啾的影响。该专利通过的方法能够克服激光光源的非线性啁啾带来的相位误差，提高了合成孔径激光雷达成像的距离向分辨率。但是，匹配参考通道是在后期算法阶段才对非线性啁啾进行补偿，不是实时的补偿方法，不适用像SAL这样对信号源的线性度需要实时补偿的系统。例如，公开号为CN204789997U的中国专利文献公开了一种改进的合成孔径激光雷达系统。它包括可调谐激光器、发射天线组件、目标通道、参考通道和计算机：发射天线组件由第一分光器、光纤环形器和发射天线构成，目标通道由第二分光器、第一光纤耦合器、第一外差平衡接收器、第一A/D转换器构成，参加通道由第三分光器、光纤延迟线圈、第二光纤耦合器、第二外差平衡接收器、第二A/D转换器构成；在可调谐激光器与第一分光器之间连接有带通滤波器，第一A/D转换器、第二A/D转换器与计算机电连接。该专利文献在现有参考通道结构的基础上，利用参考通道信号来补偿可调谐激光器输出的线性调频信号的非线性，从而提高了合成孔径激光雷达的距离向成像分辨率，而且在可调谐激光器与发射天线组件之间增加了光学带宽滤波器，因此能够对可调谐激光器输出的线性调频信号的起始波长进行波长定标，从而提高了合成孔径激光雷达的方位向的成像分辨率。但是，该专利提供的改进系统同样没有对可调谐的激光源的非线性度进行实时监测和补偿，而且，在方位向上光学带宽滤波器对大气湍流以及平台振动引起的相位误差作用有限，无法大幅度的提高方位向的成像分辨率。综本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于合成孔径激光雷达的成像装置，其特征在于，至少包括成像模块(300)和相位补偿模块(400)，其中，/n在所述成像模块(300)基于反馈控制模块(200)驱动所述可调谐激光模块(100)后生成的差频信号进行成像的过程中，所述相位补偿模块(400)通过迭代的方式逐渐逼近所述差频信号中的残余相位以进行补偿从而避免方位向失真。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于合成孔径激光雷达的成像装置，其特征在于，至少包括成像模块(300)和相位补偿模块(400)，其中，
在所述成像模块(300)基于反馈控制模块(200)驱动所述可调谐激光模块(100)后生成的差频信号进行成像的过程中，所述相位补偿模块(400)通过迭代的方式逐渐逼近所述差频信号中的残余相位以进行补偿从而避免方位向失真。


2.根据权利要求1所述的成像装置，其特征在于，所述成像模块(300)配置为基于所述差频信号生成基带信号，并配置为按照如下步骤基于所述基带信号进行成像：
第一数字信号处理器(310)对所述基带信号进行方位向频域处理生成距离向多普勒域信号；
相位方程生成器(320)基于所述基带信号生成相位补余函数并对所述距离向多普勒域信号进行校正；
第二数字信号处理器(330)基于相位补余函数校正后的所述距离向多普勒信号进行距离向的频域处理以得到距离方位向的二维多普勒域信号；
距离徒动校正滤波器(340)对该距离方位向的二维多普勒域信号进行距离徒动补偿；
第三数字信号处理器(350)基于距离徒动补偿后的距离方位向的二维多普勒域信号进行距离向解卷积；
方位向匹配滤波器(360)基于解卷积后的二维多普勒域信号进行相位校正；
第四数字信号滤波器(370)对该相位校正后的多普勒域信号进行方位向的解卷积后输出图像。


3.根据权利要求1或2所述的成像装置，其特征在于，所述相位补偿模块(400)包括第一相位补偿组件(410)和第二相位补偿组件(420)，其中，
所述第一相位补偿组件(410)配置为基于大气湍流模型和平台振动模型引入相应的虚拟相位误差和初始相位估计值生成相位误差。


4.根据前述权利要求任一所述的成像装置，其特征在于，在第三数字信号处理器(350)基于距离徒动补偿后的距离方位向的二维多普勒域信号进行距离向解卷积后生成离散化的回波信号的情况下，第一相位补偿组件(410)配置为：
基于离散化的回波信号对所有相邻离散单元内的回波信号的初始相位差求平均值以获得所述离散化的回波信号的初始相位估计值；
基于所述初始相位估计值通过构建相位误差模型生成相位误差；
基于所述相位误差共轭与所述离散化的回波信号相乘的方式补偿相位误差，以及对补偿后的离散化的回波信号的噪声功率进行检测。


5.根据前述权利要求任一所述的成像装置，其特征在于，在离散化的回波信号经过第一相位补偿组件(410)补偿后，第二相位补偿组件(420)配置为：
基于补偿后的离散化的回波信号在每个距离单元内选取复振幅最大的点，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨峰，任维佳，杜志贵，陈险峰，
申请(专利权)人：长沙天仪空间科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43