合成孔径激光成像雷达两维卷积成像方法

摘要

一种合成孔径激光成像雷达两维卷积成像方法，基本思想在于将复数化后的合成孔径激光成像雷达目标回波信号首先在交轨向附加二次项相位因子，然后进行两维卷积同时实现交轨向，顺轨向聚焦成像，并对成像结果强度信号进行输出显示。由于交轨向，顺轨向均采用卷积进行聚焦成像，降低了成像处理对计算机性能的要求，另外，两维卷积直接得到空域成像结果，无需进行两维频域-空域转换，直接进行输出显示，减少成像步骤，是合成孔径激光成像雷达回波信号成像处理的重要技术改进。

说明书

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两维卷 积成像方法，用于对合成孔径激光成像雷达接收系统接收到的目标回波信号进行成 像处理。

背景技术

合成孔径激光成像雷达(SAIL)的原理取之于微波波段的合成孔径雷达（SAR） 原理，是国外报道的能够在远距离获得厘米量级分辨率的唯一的光学成像观察手段。 传统的侧视SAIL的发射激光采用光频线性调制即啁啾调制，光电外差接收采用去 斜解调方式即采用同样的啁啾发射激光作为外差本机振荡器光束，因此得到了在距 离向包含距离信息和在方位向包含相位历程信息的回波差频信号。2002年以来，侧 视SAIL在实验室先后得到了验证【参见文献1： M.Bashkansky,R.L.Lucke,E.Funk,L.J.Rickard,and J.Reintjes，“Two-dimensional synthetic  aperture imaging in the optical domain,”Optic Letters,Vol.27,pp1983-1985(2002),；文献 2：W.Buell,N.Marechal,J.Buck,R.Dickinson,D.Kozlowski,T.Wright,and S.Beck， “Demonstrations of Synthetic Aperture Imaging Ladar，”Proc.of SPIE Vol.5791 pp152-166(2005)，；文献3：周煜，许楠，栾竹，闫爱民，王利娟，孙建锋，刘立人， 尺度缩小合成孔径激光雷达的二维成像实验，光学学报，Vol.31(9)(2011)，；文献4： 刘立人，周煜，职亚楠，孙建锋，大口径合成孔径激光成像雷达演示样机及其实验 室验证，光学学报，Vol.29(7):2030～2032(2011)】，2006年在美国国防先进计划局支 持下的雷声公司和诺格公司分别实现了机载合成孔径激光雷达实验（无任何细节报 道）【参见文献5：J.Ricklin,M.Dierking,S.Fuhrer,B.Schumm,and D.Tomlison,“Synthetic  aperture ladar for tactical imaging,”DARPA Strategic Technology Office.】。2011年，洛 马公司对1.6公里处的地面目标实现了机载合成孔径激光成像雷达成像实验【参见 文献6：Brian W.Krause,Joe Buck,Chris Ryan,David Hwang,Piotr Kondratko,Andrew  Malm,Andy Gleason“Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration，”】。直视SAIL发 射采用两个正交偏振同轴且相对扫描的空间抛物波差的光束，接收采用自差及相位 复数化探测【参见文献7：刘立人，直视合成孔径激光成像雷达原理，光学学报， Vol.32(9):0928002(2012)】。侧视SAIL与直视SAIL具有相同的回波信号形式，即目 标面上每个点的回波信号距离向相位为与距离向快时间有关的线性项相位，方位向 相位为与方位向慢时间有关的二次项相位，因此可以采用相同的成像处理过程进行 成像处理。

在上述所有相关报道中【参见文献1、2、3、4、5、6，7】，回波信号的成像处 理方式都是分两步进行的，即将光电接收和数字化、复数化之后的回波信号首先在 距离向进行快速傅里叶变换实现目标距离向聚焦，然后将距离向聚焦后的信号在方 位向采用空间的二次项匹配滤波实现目标的方位向聚焦，进而实现对合成孔径激光 成像雷达探测目标的聚焦成像。上述两步在时间上有先后顺序，不能同时进行，因 此，对SAIL目标回波信号的处理时间较长，然而，随着合成孔径激光成像雷达探 测目标的增大，即目标回波数据的增多，以及对目标实时成像处理的要求，必然对 传统合成孔径激光成像雷达两步聚焦成像处理的数据处理系统提出了严峻的挑战。 在先技术【文献8：孙志伟，职亚楠，刘立人，侯培培，孙建锋，周煜，合成孔径 激光成像雷达交叉聚焦成像方法，发明专利，申请号：201310017515.8；文献9：刘 立人，合成孔径激光成像雷达的二维傅里叶变换成像算法，光学学报， Vol.34(1):0128001(2014)】提出对SAIL回波信号首先进行方位向二次项相位补偿然 后进行两维快速傅里叶变换得到成像结果，然而，由于SAIL回波数据矩阵较大， 因此进行两维快速傅里叶变换对计算机性能有较高要求，另外两维傅里叶变换得到 频域成像结果，需要进行两维频域-空域坐标转换才能转换为实际空域坐标并对成像 结果进行显示，过程较复杂。

发明内容

本发明要解决的问题在于提出了一种合成孔径激光成像雷达两维卷积成像方 法，该方法是将复数化后的合成孔径激光成像雷达目标回波信号首先在交轨向附加 二次项相位因子，然后进行两维卷积同时实现交轨向，顺轨向聚焦成像，并对成像 结果强度信号进行输出显示。由于交轨向，顺轨向均采用卷积进行聚焦成像，降低 了成像处理对计算机性能的要求，另外，两维卷积直接得到空域成像结果，无需进 行两维频域-空域转换，直接进行输出显示，减少成像步骤，是合成孔径激光成像雷 达回波信号成像处理的重要技术改进。

本发明的技术解决方案如下：

一种合成孔径激光成像雷达两维卷积成像方法，其特点在于，包括如下步骤：

①合成孔径激光成像雷达发射系统向目标照射激光光波，照射到目标后被目标 反射，反射光波经过合成孔径激光成像雷达接收系统进行光电接收、数字化与复数 化处理后存储在计算机中，计算机存储的目标回波信号为i(t_f,vt_s)：

$\left(\begin{array}{c}i(t_f,v{t}_s)=\underset{k}{\Sigma }A(x_k,y_k)S(x_k,y_k-v_y{t}_s)W\left(t_f\right)\\ \times \exp [j2\pi f_{\mathrm{eq}}\left(x_k\right)t_f+j\frac{\pi }{\mathrm{\lambda F}}{(y_k-v_y{t}_s)}^2]\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中，有如下设定：交轨向为x方向，顺轨向为y方向，A(x_k,y_k)为与SAIL结构， 系统安排，和目标点特性等有关的接收光场因子，S(x_k,y_k-v_yt_s)为由发射光斑和接 收方向性特性决定的光学足趾函数，侧视SAIL是由光学天线孔径的衍射产生，直视 SAIL是由发射机内口径成像产生，t_f为交轨向快时间，t_s为顺轨向慢时间，v为雷 达搭载平台顺轨向的运动速度，交轨向与快时间有关的窗函数为W(t_f)，f_eq(x_k)为 目标在交轨向快时间上产生的等效拍频频率，λ为雷达发射激光中心波长，F为雷 达光学足趾在目标面上的等效曲率半径；

②对所述的目标回波信号交轨向附加二次项相位因子，所述的二次项相位因子 为i_a(t_f)：

$i_a\left(t_f\right)=\exp \left[j\frac{\pi }{\lambda f_a}{t}_f^2\right]---\left(2\right)$

式中，f_a为所述的相位二次项的等效曲率半径，将所述的复数化后的目标回波信号 i(t_f,vt_s)与i_a(t_f)式按下列（3）式相乘，得交轨向附加二次项相位因子后的回波信 号为i_b(t_f,t_s)：

$\left(\begin{array}{c}{i}_b(t_f,t_s)=i(t_f,{\mathrm{vt}}_s)\times i_a\left(t_f\right)\\ =\underset{k}{\Sigma }A(x_k,y_k)S(x_k,y_k-v_y{t}_s)W\left(t_f\right)\exp \left[j2\pi f_{\mathrm{eq}}\left(x_k\right)t_f\right]\\ \times \exp \left[j\frac{\pi }{\lambda f_a}{t}_f^2\right]\exp \left[j\frac{\pi }{\mathrm{\lambda F}}{(y_k-v_y{t}_s)}^2\right]\end{array}\right)---\left(3\right)$

③对交轨向附加二次项相位因子后的回波信号进行两维卷积，同时实现目标交 轨向，顺轨向聚焦：

将所述的交轨向附加二次项相位因子后的回波信号为i_b(t_f,t_s)与二次项相位因 子按下列（4）式进行两维卷积，得到目标成像结 果：

式中，u,v分别为成像结果交轨向，顺轨向空间坐标，ξ,η分别为卷积中交轨向，顺 轨向坐标，代表傅里叶变换，符号*代表卷积，交轨向成像位置为u=-λf_af_eq(x_k)， 的零值全宽为交轨向成像分辨率，顺轨向成像位置为v=y_k，顺轨向 成像分辨率为的零值全宽；

④将所述的目标成像结果的强度信号|i_image(u,v)|²进行输出，并由显示器进行显 示。

本发明的技术效果：

本发明提出利用两维卷积的方法对合成孔径激光成像雷达目标回波信号进行聚 焦成像处理，基本思想在于将复数化后的合成孔径激光成像雷达目标回波信号首先 在交轨向附加二次项相位因子，然后进行两维卷积同时实现交轨向，顺轨向聚焦成 像，并对成像结果强度信号进行输出显示。由于交轨向，顺轨向均采用卷积进行聚 焦成像，降低了成像处理对计算机性能的要求，另外，两维卷积直接得到空域成像 结果，无需进行两维频域-空域转换，直接进行输出显示，减少成像步骤，是合成孔 径激光成像雷达回波信号成像处理的重要技术改进。

附图说明

图1是本发明合成孔径激光成像雷达两维卷积成像方法步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的 保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明合成孔径激光成像雷达交叉聚焦成像方法步骤示 意图。由图可见，本发明合成孔径激光成像雷达交叉聚焦成像方法，其步骤包括：

①合成孔径激光成像雷达发射系统向目标照射激光光波，照射到目标后被目标 反射，反射光波经过合成孔径激光成像雷达接收系统进行光电接收、数字化与复数 化处理后存储在计算机中。

侧视SAIL对目标发射线性调频的啁啾脉冲激光，接收到的回波信号与引入的本 振激光进行外差及复数化探测，直视SAIL发射采用两个正交偏振同轴且相对扫描的 空间抛物波差的光束，接收采用自差及相位复数化探测。

计算机存储复数化后的目标回波信号为i(t_f,vt_s)：

$\left(\begin{array}{c}i(t_f,v{t}_s)=\underset{k}{\Sigma }A(x_k,y_k)S(x_k,y_k-v_y{t}_s)W\left(t_f\right)\\ \times \exp [j2\pi f_{\mathrm{eq}}\left(x_k\right)t_f+j\frac{\pi }{\mathrm{\lambda F}}{(y_k-v_y{t}_s)}^2]\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中，有如下设定：交轨向为x方向，顺轨向为y方向，A(x_k,y_k)为与SAIL结构， 系统安排，和目标点特性等有关的接收光场因子，S(x_k,y_k-v_yt_s)为由发射光斑和接 收方向性特性决定的光学足趾函数，侧视SAIL是由光学天线孔径的衍射产生，直视 SAIL是由发射机内口径成像产生，t_f为交轨向快时间，t_s为顺轨向慢时间，v为雷 达搭载平台顺轨向的运动速度，交轨向与快时间有关的窗函数为W(t_f)，f_eq(x_k)为 目标在交轨向快时间上产生的等效拍频频率，λ为雷达发射激光中心波长，F为雷 达光学足趾在目标面上的等效曲率半径；

②对所述的目标回波信号交轨向附加二次项相位因子，所述的二次项相位因子 为i_a(t_f)：

$i_a\left(t_f\right)=\exp \left[j\frac{\pi }{\lambda f_a}{t}_f^2\right]---\left(2\right)$

式中，f_a为所述的相位二次项的等效曲率半径，将所述的复数化后的目标回波信号 i(t_f,vt_s)与i_a(t_f)式按下列（3）式相乘，得交轨向附加二次项相位因子后的回波信 号为i_b(t_f,t_s)：

$\left(\begin{array}{c}{i}_b(t_f,t_s)=i(t_f,{\mathrm{vt}}_s)\times i_a\left(t_f\right)\\ =\underset{k}{\Sigma }A(x_k,y_k)S(x_k,y_k-v_y{t}_s)W\left(t_f\right)\exp \left[j2\pi f_{\mathrm{eq}}\left(x_k\right)t_f\right]\\ \times \exp \left[j\frac{\pi }{\lambda f_a}{t}_f^2\right]\exp \left[j\frac{\pi }{\mathrm{\lambda F}}{(y_k-v_y{t}_s)}^2\right]\end{array}\right)---\left(3\right)$

③对交轨向附加二次项相位因子后的回波信号进行两维卷积，同时实现目标交 轨向，顺轨向聚焦：

将所述的交轨向附加二次项相位因子后的回波信号为i_b(t_f,t_s)与二次项相位因 子按下列（4）式进行两维卷积，得到目标成像结 果：

式中，u,v分别为成像结果交轨向，顺轨向空间坐标，ξ,η分别为卷积中交轨向，顺 轨向坐标，代表傅里叶变换，符号*代表卷积，交轨向成像位置为u=-λf_af_eq(x_k)， 的零值全宽为交轨向成像分辨率，顺轨向成像位置为v=y_k，顺轨向 成像分辨率为的零值全宽；

④将所述的目标成像结果的强度信号|i_image(u,v)|²进行输出，并由显示器进行显 示。

本发明的一个实施例是用于大口径合成孔径激光成像雷达演示样机获得的目 标回波数据的聚焦成像处理，下面给出雷达系统及目标的参数：雷达发射激光中心 波长λ=1.55μm，频率啁啾率：光学足趾大小：22mm×22mm， 雷达目标中心距：z=14m，雷达顺轨向步进长度：Δt_sv=0.1mm，交轨向采样时间 宽度：T_s=40ms，交轨向采样频率：2.5MHz，光学足趾曲率半径：F=2.6m，交 轨向附加相位因子二次项曲率半径：f_a=2.6m，目标大小：8mm×40mm，长边位 于顺轨向，目标短边相对雷达倾斜45°放置。

传统的SAIL回波信号的成像处理方式都是分两步进行的，即将光电接收和数 字化、复数化之后的回波信号首先在距离向进行快速傅里叶变换实现目标距离向聚 焦，然后将距离向聚焦后的信号在方位向采用空间的二次项匹配滤波实现目标的方 位向聚焦，进而实现对合成孔径激光成像雷达探测目标的聚焦成像。上述两步在时 间上有先后顺序，不能同时进行，因此，对SAIL目标回波信号的处理时间较长， 然而，随着合成孔径激光成像雷达探测目标的增大，即目标回波数据的增多，以及 对目标实时成像处理的要求，必然对传统合成孔径激光成像雷达两步聚焦成像处理 的数据处理系统提出了严峻的挑战。在先技术【文献8：孙志伟，职亚楠，刘立人， 侯培培，孙建锋，周煜，合成孔径激光成像雷达交叉聚焦成像方法，发明专利，申 请号：201310017515.8；文献9：刘立人，合成孔径激光成像雷达的二维傅里叶变换 成像算法，光学学报，Vol.34(1):0128001(2014)】提出对SAIL回波信号首先进行方 位向二次项相位补偿然后进行两维快速傅里叶变换得到成像结果，然而，由于SAIL 回波数据矩阵较大，因此进行两维快速傅里叶变换对计算机性能有较高要求，另外 两维傅里叶变换得到频域成像结果，需要进行两维频域-空域坐标转换才能转换为实 际空域坐标并对成像结果进行显示，过程较复杂。

本发明提出利用两维卷积的方法对合成孔径激光成像雷达目标回波信号进行聚 焦成像处理，基本思想在于将复数化后的合成孔径激光成像雷达目标回波信号首先 在交轨向附加二次项相位因子，然后进行两维卷积同时实现交轨向，顺轨向聚焦成 像，并对成像结果强度信号进行输出显示。由于交轨向，顺轨向均采用卷积进行聚 焦成像，降低了成像处理对计算机性能的要求，另外，两维卷积直接得到空域成像 结果，无需进行两维频域-空域转换，直接进行输出显示，减少成像步骤，是合成孔 径激光成像雷达回波信号成像处理的重要技术改进。