机载SAL光学系统及其对应的SAL信号处理方法

摘要

本发明提供了一种机载SAL光学系统及其对应的SAL信号处理方法。在该机载SAL光学系统中，在内视场多探测器条件下实现重叠视场并进行干涉处理。基于该机载SAL光学系统的三个振动估计探测器和正交基线干涉处理，提出了一种SAL信号处理方法，其可以在载机俯仰角和偏航角存在时，对振动产生的相位误差进行估计和补偿，实现对高程起伏地形精确成像。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达成像和信号处理技术领域，尤其涉及一种机载SAL(Synthetic Aperture Ladar，合成孔径激光雷达)光学系统及其对应的SAL信号处理方法。

背景技术

机载SAL可在短时间内实现远距离高分辨率成像，在军事侦察方面具有重要的应用潜力。但由于激光波长较短，回波信号相位对雷达平台的振动非常敏感，在SAL成像处理前需要对振动相位误差估计和补偿。

在传统的振动相位误差估计方法中，PGA是一种经典的不基于误差模型的自聚焦方法，但是由于PGA不能估计线性相位误差，条带成像时图像拼接困难。通常PGA处理需场景中有孤立强点，而激光波段地面粗糙度的存在使SAL成像场景很难满足这一条件。空间相关算法(Spatial Correlation Algorithm，SCA)是一种不依赖于特显点的自聚焦方法，其利用高脉冲重复频率(PRF)条件下脉冲间的强相关性估计相位误差。但SCA对脉冲间信号的相关性要求较高，当成像场景不均匀时其对振动相位误差的估计效果不好。

除对振动相位误差进行估计补偿外，2004年，Eddy A.Stappaerts提出了基于差分处理的SAL振动对消方法，在顺轨向设置两探测单元，利用同一时刻两探测单元回波信号具有近似相同振动误差的原理，通过两信号相位差分处理对消振动误差相位。在此基础上，2015年，张鸿翼等人针对实际中镜头间距较大的问题，提出将两个接收镜头在距离向上交错放置的差分处理实现方法。该方法由于存在交轨基线分量不适宜对高程起伏地形精确成像，且使用双接收镜头使光学系统显得笨重。

2012年，刘立人提出了一种下视SAL的振动抑制方法，利用同一时刻两路同轴偏振正交回波信号具有近似相同振动误差的原理对消振动误差。该方法构思巧妙，但需要发射两路同轴偏振正交且具有空间抛物相位差的信号，系统实现较为复杂。

2013年，李道京等人分析了机载SAL关键技术和实现方案，提出了使用稳定平台(包括磁悬浮稳定平台)来初步抑制载机振动的思路。在此基础上，2014年，马萌等人提出了基于顺轨双探测器的振动误差估计方法，与Eddy A.Stappaerts提出的差分SAL方法消除振动相位误差不同，其利用两探测器在同一空间位置回波信号的顺轨干涉相位估计出振动相位误差，再对回波数据进行相位误差补偿和方位成像。相比其他方法，顺轨干涉方法不依赖于场景，精度较高，而且该方法估计出的相位误差直接用于条带连续长时间的相位补偿和成像处理，避免了子孔径成像后的图像拼接问题。

目前，国内外有关振动相位误差估计方法的研究工作没有考虑载机俯仰角和偏航角的影响。然而，实际飞行过程中载机俯仰角和偏航角的存在使振动条件下对高程起伏地形难以精确成像，相关研究尚未见公开报道。干涉处理需要重叠视场，在内视场多探测器条件下实现重叠视场问题亟待解决。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种机载SAL光学系统及其对应的SAL信号处理方法。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种机载SAL光学系统。该SAL光学系统包括：发射端光学系统和接收端光学系统；发射端光学系统用于发射激光雷达信号，包括发射望远镜；接收端光学系统用于将接收的激光回波信号进行光电转换，产生相应的电信号；该接收端光学系统包括：接收望远镜和探测器阵列，该探测器阵列包括：共面且正交布设的三个振动估计探测器-T_1raw，T_2raw，T_3raw；三个振动估计探测器分别与发射望远镜的相位中心形成正交的三个等效相位中心-T₁，T₂，T₃，从而形成顺轨向和交轨向两条干涉处理正交基线，三个振动估计探测器均能被接收激光回波信号完全覆盖，从而使内视场条件下各振动估计探测器具有重叠接收视场。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种SAL信号处理方法。该SAL信号处理方法应用上述的机载SAL光学系统所得到的激光回波信号；在SAL信号处理方法中，通过机载SAL光学系统中三个振动估计探测器的回波信号，在载机存在俯仰角和偏航角时通过干涉处理估计出振动相位误差用于补偿，实现对高程起伏地形的精确成像。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明机载SAL光学系统及其对应的SAL信号处理方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)提出了一个对地宽幅成像探测器和三个振动估计探测器分置的光学系统实现方案，在内视场多探测器条件下实现重叠视场并进行干涉处理，不需要使用多个接收镜头实现重叠视场和干涉处理，降低了系统的体积和重量；

(2)提出了基于三个振动估计探测器和正交基线干涉处理的振动相位误差估计和成像处理方法，可以在载机俯仰角和偏航角存在时，对振动产生的相位误差进行估计和补偿，实现对高程起伏地形精确成像。

附图说明

图1(a)示出了本发明机载SAL光学系统对地成像几何原理示意图；

图1(b)示出了本发明机载SAL光学系统中探测器阵列示意图；

图1(c)示出了本发明机载SAL光学系统的接收端光学系统的探测提阵列中三个振动估计探测器等效相位中心示意图；

图2(a)示出了本发明机载SAL光学系统的x’y’平面接收光路图；

图2(b)示出了本发明机载SAL光学系统的x’z’平面接收光路图；

图2(c)示出了本发明机载SAL光学系统中振动估计探测器前移距离确定的示意图；

图3(a)示出了本发明的俯仰角和偏航角偏差为0时，三个振动估计探测器对地成像几何模型；

图3(b)示出了所述俯仰角和偏航角偏差不为0时，慢时间域对准后的三个振动估计探测器对地成像交轨干涉模型；

图4示出了本发明SAL信号处理方法的流程图；

图5(a)示出了本发明的对地成像仿真中的字母场景示意图；

图5(b)示出了所述对地成像仿真中字母场景的高程变化示意图；

图6(a)示出了本发明的对地成像仿真中加入的振动相位误差；

图6(b)示出了所述对地成像仿真中三个振动估计探测器补偿后的残余相位误差；

图7(a)和(b)、图7(c)和(d)、图7(e)和(f)分别示出了本发明的对地成像仿真中补偿前，三个振动估计探测器补偿后及理想补偿后的成像结果，其中图7(a)、图7(c)、图7(e)分别为场景成像结果，图7(b)、图7(d)、图7(f)分别为点阵(字母E前三列)成像结果。

图8(a)示出了顺轨向两探测器接收视场完全重叠，部分重叠(如接收视场重叠部分占发射视场的50％)，及完全不重叠3种情况的示意图；

图8(b)示出了顺轨向两探测器接收视场完全重叠，部分重叠(如接收视场重叠部分占发射视场的50％)，及完全不重叠3种情况下回波信号的多普勒频谱；

图9示出了方位波束宽度为0.6mrad时，接收视场部分重叠(接收视场重叠部分占发射视场的50％)时的残余相位误差。

具体实施方式

本发明首先提出了一个对地宽幅成像探测器和三个振动估计探测器分置的光学系统实现方案。在此基础上，提供了一种SAL信号处理方法。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据本发明实施例的一个方面，提供了一种机载SAL光学系统。以下首先对该机载SAL光学系统进行详细说明。

该机载SAL光学系统包括：发射端光学系统和接收端光学系统。其中，发射端光学系统包括：发射望远镜。接收端光学系统包括：接收望远镜和探测器阵列。发射端光学系统发射激光雷达信号。接收望远镜接收目标的激光回波信号。探测器阵列包括：一个成像探测器和三个振动估计探测器。其中，成像探测器和三个振动估计探测器用于将接收的激光回波信号进行光电转换，产生相应的电信号。成像探测器用于扩大SAL对地成像幅宽；三个振动估计探测器正交布设，用于在载机存在俯仰角和偏航角时通过干涉处理估计出振动相位误差用于补偿，实现对高程起伏地形的精确成像。

图1(a)示出了本发明机载SAL光学系统对地成像几何原理示意图。其中，全局坐标系为大地坐标系xyz。探测器阵列位于高度H处，其所在的局部坐标系定义为x′y′z′。在该局部坐标系x′y′z′中，坐标原点为三个振动估计探测器的几何中心位置，x′轴为接收望远镜中心视线方向；y′轴平行于y轴，为雷达平台运动方向，定义为顺轨向；z′轴垂直于x′轴和y′轴，并满足右手螺旋定则。

发射望远镜位于y′轴上不为0的一点，发射端光学系统在交轨向发射长椭圆光斑，发射波束和长椭圆光斑在图1(a)中用粗实线标注。地面场景回波经接收望远镜接收后，由探测器阵列实现光电转换。

图1(b)示出了本发明机载SAL光学系统中探测器阵列示意图。本实施例中，探测器阵列由长线状探测器和三个振动估计探测器T_1raw，T_2raw，T_3raw组成。

长线状探测器和三个振动估计探测器的接收波束和地面接收光斑在图1(a)中分别用细实线和细虚线标注。长线状探测器接收第一部分激光回波信号。该第一部分激光回波信号覆盖远端场景，占激光回波信号总辐射量的90％以上，用于扩大SAL的观测幅宽；三个振动估计探测器接收第二部分激光回波信号。该第二部分激光回波信号覆盖近端场景，其与第一部分激光回波信号组成全部的激光回波信号，用于干涉处理估计振动相位误差。

图1(c)示出了本发明机载SAL光学系统的接收端光学系统的探测器阵列中三个振动估计探测器等效相位中心示意图。图中，三个振动估计探测器T_1raw，T_2raw，T_3raw分别与发射望远镜的相位中心形成正交的三个等效相位中心T₁，T₂，T₃，从而形成顺轨向和交轨向两条干涉处理正交基线，用于在载机俯仰角和偏航角存在时，对振动产生的相位误差进行估计和补偿，实现对高程起伏地形精确成像。

由于SAL工作在一发多收模式，各探测器的等效相位中心位于其与发射望远镜连线的中心位置，等效基线长度为各探测器几何中心间距的1/2。若三个振动估计探测器尺寸为2mm×0.4mm(顺轨向×交轨向)，则T₁，T₂间的几何中心间距为1mm，T₃，T₂间的几何中心间距为0.2mm，等效的顺轨基线和交轨基线长度分别0.5mm和0.1mm。

图2(a)示出了本发明机载SAL光学系统的x′y′平面接收光路图，图2(b)示出了本发明的x′z′平面接收光路图，图2(c)示出了本发明的振动估计探测器前移距离确定的示意图。

在内视场条件下，将三个振动估计探测器前移于接收光学系统的焦平面前方，此时激光回波信号不完全聚焦可以获取较大的接收光斑，能同时覆盖三个振动估计探测器以实现重叠视场。以光学接收系统的口径200mm，焦距500mm，三个振动估计探测器尺寸2mm×0.4mm(顺轨向×交轨向)，发射波束宽度0.3mrad×30mrad(顺轨向×交轨向)为例，当前移距离为5.37mm时，三个振动估计探测器均能被接收激光回波信号完全覆盖，从而使内视场条件下各振动估计探测器具有重叠接收视场。

需要说明的是，除了上述通过将三个振动估计探测器移至接收光学系统的焦平面前方(或后方)的方法实现重叠接收视场之外，还可以通过将三个振动估计探测器放在焦平面上并在其前面设置微透镜的方法或者本领域技术人员所能想到的其他方法实现重叠接收视场。

此外，上述分析是在空间光路中进行的，当把探测器换成光纤准直器/光纤阵列时，通过在所述光纤准直器/光纤阵列的前方设置微透镜阵列，可使激光信号收入光纤，以形成全光纤相干激光雷达系统，易于实现相干探测。具体而言：

(1)对于三个振动估计探测器，还可以采用如下方案：

三个光纤准直器位于所述接收光学系统的焦平面的前方或后方，该三个光纤准直器将接收到的激光回波信号收入光纤中，该光纤的后端分别连接至相应的振动估计探测器，三个光纤准直器共面且正交布设。

(2)对于成像探测器，还可以采用如下方案其中之一：

2.1一个长线状的光纤阵列位于所述接收光学系统的焦平面上，沿z′轴方向延伸，在所述光纤阵列的前方设置微透镜阵列，以使激光回波信号收入光纤中，该光纤的后端连接至成像探测器；

2.2一个光纤准直器位于所述接收光学系统的焦平面上，在所述光纤准直器的前方设置微透镜阵列，以使激光回波信号收入光纤中，该光纤的后端连接至所述成像探测器。

本发明中，利用三个振动估计探测器中交轨向两探测器间的干涉相位，根据俯仰角和偏航角估计出顺轨向两探测器间交轨基线分量对应的干涉相位大小，对顺轨向两探测器间的干涉相位进行补偿，用以去除顺轨向两探测器间交轨基线分量的影响，并估计出正确的振动相位误差。

图3(a)示出了本发明的俯仰角和偏航角偏差为0时，三个振动估计探测器对地成像顺轨干涉模型。当俯仰向和偏航向偏差为0时，顺轨基线完全水平，等效相位中心T₁，T₂，T₃形成正交基线，其中T₁，T₂形成顺轨基线；T₃位于T₂所在的xz平面上，T₂，T₃形成交轨基线。

图3(b)示出了所述俯仰角和偏航角偏差不为0时，慢时间域对准后的三个振动估计探测器对地成像交轨干涉模型。当俯仰角和偏航角偏差不为0时，可视作T₁和T₃以T₂为中心旋转，顺轨和交轨基线偏离原位置。将各探测器距离压缩数据在慢时间域对准，使各探测器的等效相位中心在顺轨向的位置相同，相当于将T₁和T₃投影到T₂所在的xz平面上，形成交轨干涉模型，如图3(b)所示。设T₁和T₃在上述xz平面上的投影点分别为T_1xz和T_3xz。T_1xz和T₂，T_3xz和T₂间的长度分别为T₁和T₂，T₃和T₂的交轨基线长度，记为d_12xz，d_32xz。设雷达-目标射线方向与x轴的夹角为θ(逆时针为正)，基线d_12xz与x轴的夹角为α₁(逆时针为正)，基线d_32xz与x轴的夹角为α₂(逆时针为正)，振动估计探测器T_1raw，T_2raw间的去平地相位为探测器T_3raw，T_2raw间的去平地相位为则顺轨干涉相位满足其中将顺轨干涉相位沿慢时间积分即可得到振动相位误差。

基于上述，请参照图4，本发明实施例SAL信号处理方法包括：

步骤A：对探测器阵列中三个振动估计探测器(T_1raw，T_2raw，T_3raw)获取的激光回波信号分别进行距离压缩，得到距离压缩信号s₁，s₂，s₃；

步骤B：将距离压缩信号s₁，s₂，s₃在慢时间域对准，使三者的等效相位中心T₁，T₂，T₃在顺轨向位于同一空间位置；

本步骤中，当振动估计探测器T_1raw，T_2raw的接收视场在方位向部分重叠时，需要在信号处理前预先滤除这两个振动估计探测器的激光回波信号中方位谱不重合的部分，用以提高两探测器信号的相干性。

步骤C：求取信号s₁，s₂间的复相关系数相位作为等效相位中心T₁，T₂间的干涉相位求取信号s₃，s₂间的复相关系数相位作为T₃，T₂间的干涉相位计算公式如下：

其中s_k(m，n)(其中k＝1，2，3)表示等效相位中心T_k在第m个脉冲，第n个距离门处的距离压缩信号；表示T_i，T_j在第m个脉冲处的干涉相位，angle{}为求取相位角。

本步骤中，所述和也可在慢时域划分为多个子孔径方位成像的情况下计算得到。此外，在计算复相关系数相位时，采用方位向多脉冲滑窗处理，用于提高振动相位误差的估计精度。

步骤D：设置地面为参考平面，计算T₁、T₂间的平地相位，对进行去平地处理，得到T₁、T₂间的去平地相位同时，计算T₃、T₂间的平地相位，对进行去平地处理，得到T₂、T₃间的去平地相位

步骤E：根据T₁和T₂的基线长度，T₃和T₂的基线长度，以及俯仰角和偏航角计算出T₁，T₂间交轨基线分量对应干涉相位和的比例系数k，结合确定

步骤F：对T₁，T₂间的去平地相位进行补偿，去除T₁，T₂间交轨基线分量对应干涉相位的影响，得顺轨干涉相位将顺轨干涉相位沿慢时间积分即可得到振动相位误差；

步骤G：对三个振动估计探测器和长线状探测器的距离压缩信号进行振动相位误差补偿和条带成像，分别得到三个振动估计探测器和长线状探测器的成像结果。

为了验证本发明机载SAL光学系统及其对应的SAL信号处理方法的有效性，申请人进行了仿真实验。为降低运算量，场景地距向尺寸(幅宽)依据振动估计探测器的交轨向视场大小设置。

在第一次仿真实验中，参数设置如表1所示。其中，振动误差为正弦形式；目标场景为由多个点目标排列成的“IECAS”字母场景，字母的高程在方位向呈正弦形式起伏。

表1第一次仿真实验中的参数设置

激光波长1.55μm发射波束宽度(顺轨向×交轨向)0.3mrad×30mrad脉冲重复频率100kHz入射角余角45°雷达平台高度2121m雷达平台速度50m/s顺轨向等效基线长度0.5mm交轨向等效基线长度0.1mm俯仰角偏差3°偏航角偏差1°振动幅度15μm振动频率20Hz字母高程起伏范围-1m～1m字母间方位向间隔0.2m点目标方位向间隔0.05m点目标地距向间隔0.2m字母场景方位向尺寸10.5m字母场景地距向尺寸1.8m

图5(a)示出了本发明的对地成像仿真中的字母场景示意图，图5(b)示出了所述对地成像仿真中字母场景的高程变化示意图。

图6(a)示出了本发明的对地成像仿真中加入的振动相位误差，图6(b)示出了所述对地成像仿真中三个振动估计探测器补偿后残余相位误差。结果表明，三个振动估计探测器补偿后残余相位误差大大减小。

图7(a)和(b)、图7(c)和(d)、图7(e)和(f)分别示出了本发明的对地成像仿真中补偿前，三个振动估计探测器补偿后及理想补偿后的成像结果，其中图7(a)、图7(c)、图7(e)分别为场景成像结果，图7(b)、图7(d)、图7(f)分别为点阵(字母E前三列)成像结果。

可以看出，补偿前，振动误差使成像结果在方位向散焦严重，字母弯曲变形，点目标间难以分辨；三个振动估计探测器补偿后，残余相位误差很小，点目标在方位向清晰可辨，成像结果聚焦较好，与理想补偿后的成像结果接近。

因此，仿真结果表明本发明方法可以在载机俯仰角和偏航角存在时，对振动产生的相位误差进行估计和补偿，实现对高程起伏地形精确成像。

在第二次仿真实验中，方位波束宽度为0.6mrad，其他参数设置同表1。

图8(a)示出了顺轨向两探测器接收视场完全重叠，部分重叠(如接收视场重叠部分占发射视场的50％)，及完全不重叠3种情况的示意图，其中实线表示顺轨向两探测器T_1raw，T_2raw的接收视场，虚线表示发射视场。图8(b)为所述3种情况下回波信号的多普勒频谱。其中f_dtmin，f_dtmax分别为由发射波束宽度限定的多普勒带宽最小值和最大值。上述3中情况下，两探测器信号的相干系数分别为1，0.67和0。

当接收视场部分重叠时，在信号处理前需要预先滤除顺轨向两探测器信号方位谱不重合的部分，以提高两探测器信号的相干性。在利用复相关系数提取干涉相位时使用方位向多脉冲滑窗处理，或者对顺轨干涉相位进行拟合，可提高振动相位误差的估计精度，减小估计后的残余相位误差。注意为能描述振动误差，多脉冲滑窗处理时窗宽不应过长，可设为振动周期的数十分之一。

图9示出了方位波束宽度为0.6mrad时，顺轨向两探测器接收视场部分重叠(接收视场重叠部分占发射视场的50％)时的残余相位误差。

经方位谱滤波处理，滑窗处理(窗宽1ms，对应100个脉冲重复周期)和拟合处理后，整个成像时间内的残余相位误差约1.5rad。

至此，本发明实施例机载SAL光学系统及其对应的SAL信号处理方法介绍完毕。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

综上所述，本发明机载SAL光学系统在内视场多探测器条件下实现重叠视场并进行干涉处理，不需要使用多个接收镜头实现重叠视场和干涉处理，降低了系统的体积和重量，基于该机载SAL光学系统的SAL信号处理方法，可在载机俯仰角和偏航角存在时，对振动产生的相位误差进行估计和补偿，实现对高程起伏地形精确成像，具有较好的实用价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。