本发明专利技术公开了一种THz级大带宽激光合成孔径雷达成像系统的数据处理方法，系统由线性调谐半导体激光器、99:1光纤耦合器、90:10光纤耦合器、发射准直镜、极化偏振分束镜、λ/4波片、目标位移平台、接收准直镜、4个50:50光纤耦合器、2个平衡探测器、参考延时光纤、分子波长参考器、光功率计、数据采集模块和数据处理程序模块构成。本发明专利技术的激光合成孔径雷达成像系统是基于大范围线性调谐激光脉冲信号，采用零差相干探测技术、平衡探测技术和合成孔径技术，最后利用特殊的数据处理程序，计算得出目标的二维图像，优点是激光信号波长短，带宽大，成像分辨率高，具有全天时的特点；另外系统大部分基于光纤器件，稳定性高，结构简单，探测灵敏度高，作用距离远。
【技术实现步骤摘要】
本专利涉及激光雷达成像技术，具体指一种用于成像的THz级大带宽激光成像系统的数据处理方法。
技术介绍
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)是一种主动式的成像雷达，工作在微波波段，可全天时、全天候，目前SAR已经得到成熟应用。在SAR发展的同时， 激光器也迅速发展，实孔径激光雷达的空间分辨率受到发射孔径的衍射极限的限制。因而将微波段合成孔径技术移植到光学波段，以获得更高分辨率的图像，激光合成孔径雷达(Synthetic Aperture Ladar,简称SAL)就应运而生。原理同SAR,都是在距离向上通过发射大时宽-带宽积的线性调频信号，对目标回波进行脉冲压缩得到距离向的高分辨率，理论上距离向分辨率P r = c/2B(c为光速，B为线性调频信号带宽)；方位向上基于合成孔径原理，利用平台与目标之间的相对运动，模拟孔径阵列，合成出一个大的孔径，在一个合成孔径时间内，收集记录平台不同位置处携带相位信息的目标回波信号，用数据处理的方法实现方位向聚焦，获得方位向的高分辨率，理论上方位向分辨率P a = DT/2(DT为系统真实孔径长度)。根据雷达探测体制，激光合成孔径雷达包括正/斜侧视条带SAL、扫描SAL、聚束式SAL等，而扫描式和聚束式在成像过程中波束的视线方向需要调整，实现起来难度较大，因此本系统采用条带式。正侧视条带模式激光合成孔径激光雷达是指雷达沿直线作匀速运动，运动中发射光束的瞄准线(LOS)与雷达航迹垂直，对平行于雷达运动方向的条带区域成像的激光合成孔径雷达。信号理论指出，大时宽与带宽的发射信号，必须使用复杂的调制波形。常用的有三种形式线性调频、非线性调频和相位编码调制。由于线性调频信号(LFM信号，即啁啾信号)易于产生、便于处理、对多普勒频移不敏感，所以其应用最广。微波雷达已经有了成功的应用，同理，借鉴微波雷达，激光雷达也出现了一些新体制，包括线性调频连续波(LFMCW)激光雷达、伪随机码调相激光雷达以及啁啾信号调幅激光雷达等。LFM信号的产生有声光调制、电光调制、波长线性调谐(以下简称线性调谐)等方法。声光和电光调制由于体制及器件缘故，其调制带宽一般在几百MHz作用，难以实现更大带宽的调制；而采用线性调谐半导体激光器的波长线性调节方式可轻易地实现几十nm的调制，对应带宽为THz量级，理论分辨率可达亚毫米级甚至更小。故SAL系统首选线性调谐半导体激光器作为发射信号源。因为该激光器是通过调节波长来实现调频率，波长的线性变化，频率v = f (c是光速)，则频率必然不是线性变化，故激光发射脉冲存在较大的非线性调频误差，仅仿照传统微波SAR的系统及采用常规脉冲压缩方法取得的分辨率为米级，与理论值相差甚远，不能实现此体制下的高分辨率成像。因此必须利用特定的系统，结合有效的数据处理方法，才能使该体制的SAL实现高分辨率成像。无论系统采用何种形式的载波，无论采用何种调制方式，获得大带宽的信号是最终的目标，采用线性调谐半导体激光器可以取得的带宽最大，调谐范围可达几十 到几百nm，本专利只选择了 1550 1560nm之间(对应带宽为I. 24THz)进行线性调谐，目的是降低系统的采样率压力。目前市场已有多种型号的此类可调谐激光器，调谐速度有20nm/s，100nm/s，2000nm/s不等，本专利的系统中采用20nm/s的调谐速度。因此在增大采样率以满足成像距离要求的情况下，此系统的带宽还可继续增大，对应距离分辨率会继续增大。本专利在于构建了特殊的成像系统，凭借特定的数据处理方法，解决了这种线性调谐方式的目标通道中存在的非线性调频相位误差，完成了距离向和方位向的二维聚焦，使得这种THz级大带宽激光脉冲得以实现高分辨率激光合成孔径雷达成像。
技术实现思路
本专利技术的目的是为相干探测激光成像雷达技术中的激光合成孔径雷达，特指具有THz级大带宽发射激光脉冲的激光合成孔径雷达，在系统上，相比普通的相干探测通道，除目标通道外，又增加了额外的两个通道，一是固有具定延时的参考通道，用来补偿目标通道中的非线性相位误差；另外一个是同步通道，用来精确对齐成像过程中的每一个脉冲的起始位置。在数据处理方法上，利用同步通道对每个脉冲的数据进行了同步，提出了一种能够自适应地补偿掉目标通道内包含的非线性调频相位误差，实现每个脉冲的距离向聚焦，而后再经过匹配滤波方位聚焦和梯度相位自聚焦处理，最终获得高分辨率的二维图像的系统及数据处理算法，从而实现对应带宽的高分辨率激光合成孔径雷达成像。采用线性调谐半导体激光器直接发射的线性调谐脉冲，无需进行其他的外部调制，而且该系统也继承了 SAR的优点，距离分辨率和方位分辨率不随距离增加而降低。波长随时间线性调谐的激光脉冲信号经发射后，目标信号与同微小延迟的目标本振信号之间存在一个与距离相对应的延时，由于该信号可近似看成是线性调频信号，频率随时间线性变化，因此通过相干混频后，固定的延时转换为固定的频差，通过检测频差，也即是频谱中峰值对应的频率位置，就可实现单个脉冲的距离向聚焦，这是合成孔径成像的基本前提。啁啾信号的“频率-时间”表达式为(锯齿波，即在单周期内频率只随时间线性下降)权利要求1.一种，它是在包括线性调谐半导体激光器(I) >99:1光纤耦合器(2) ,90:10光纤耦合器(3)、发射准直镜(4)、极化偏振分束镜(5)、入/4波片￠)、接收准直镜(7)、50:50光纤耦合器1(8)、50:50光纤耦合器II(9)、50:50光纤耦合器III (10)、目标通道平衡探测器(11)、50:50光纤耦合器IV (12)、参考通道平衡探测器(13)、参考延时光纤(14)、分子波长参考器(15)、光功率计(16)、目标位移平台(17)、数据采集模块(18)和数据处理程序模块(19)的系统上实现的，其特征在于对数据采集模块(18)采集两个平衡探测器和光功率计输出的电信号而获得的目标通道数据A、参考通道数据B和同步通道数据C的数据处理方法步骤如下 步骤1，三通道数据同步每发射一个激光脉冲，三个通道会被同时采集一次，采集速率和长度一致，分别记为目标通道数据A、参考通道数据B及同步通道数据C。从同步通道数据C中找出第一个吸收峰的位置，按照该位置分别从目标通道数据A、参考通道数据B截取出等长的目标通道数据Atl、参考通道数据Btl,以保证脉冲与脉冲之间的 初始相位一致； 步骤2，距离向压缩对每一个脉冲数据进行距离向压缩处理，主要是非线性调频相位误差补偿方法，即利用参考通道数据包含的相位误差补偿掉目标通道数据中的相位误差，得到距离聚焦图像I，操作如下 ①对目标通道数据Atl和参考通道数据Btl的数据进行加与数据长度等长的汉明窗w(t)，得到加窗后的目标通道数据A1 A1 = AXw(t)(I) 和参考通道数据B1 B1 = BXw(t) (2) ②利用时-频分析从加窗后的目标通道数据A1中提取出相位随时间的分布PmO)，再从加窗后的参考通道数据B1中提取出相位随时间的分布A1O); ③将数据B1的相位减去理想参考通道的相位分布而得到参考通道数据B1的相位误差分布△(%(>)= (Pmit)-(PldJt)(3) 其中理想参考通道的本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴军，张琨锋，胡以华，洪光烈，舒嵘，徐显文，吴世辉，于啸，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：
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