一种逆合成孔径激光雷达成像振动相位误差估计装置与方法

摘要

本发明公开了一种逆合成孔径激光雷达成像振动相位误差估计装置与方法，包括：激光器系统，多通道信号接收系统，多通道数据采集系统，数据处理系统，信号发射器，分束器和探测器，多通道信号接收系统构成了一种V型结构的基线，其振动相位误差估计方法是，在基线方向由两条基线上对应序号的天线互相干涉提取干涉相位，由几何关系和目标运动速度计算得到振动相位误差梯度，在时间上积分得到振动相位误差，最后在基线空间方向上进行平均计算得到估计振动相位误差，用估计得到的振动相位误差对原始数据进行补偿成像，提高逆合成孔径激光雷达成像质量，降低振动误差对成像质量的影响。

说明书

技术领域

本发明属于逆合成孔径激光雷达(Invers Synthetic Aperture Ladar，ISAL)成像系统设计与数据处理领域，具体涉及一种优化基线结构的干涉逆合成孔径激光雷达(Interferometry Invers Synthetic Aperture Ladar，InISAL)的系统设计与成像数据处理方法。

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)在应用于运动目标成像而雷达系统相对于目标静止的场景下又被称为逆合成孔径雷达(Invers Synthetic ApertureRadar，ISAR)。随着成像分辨率的需求不断提高和激光器技术的蓬勃发展，ISAR在光学波段的推广ISAL成像系统的应用脚步不断加快。在远距离目标成像中，为了获取系统的振动相位误差和目标三维特征信息，干涉成像的理念被引入到ISAL成像系统中。

目前国内外有多个单位开展了合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar，SAL)的室内验证工作和室外机载实验工作。

国外具有代表性的是：美国Firepond激光雷达系统(Alfred B.Gschwendtner，William E.Keicher.Development of Coherent Laser Radar at Lincoln Laboratory[J].lincoln laboratory journal，2000.)；2006年美国Raytheon公司机载SAL成像实验(JRicklin，B Schumm，M Dierking，Synthetic Aperture Ladar for Tactical Imagingoverview[C].The 14th Coherent laser radar conference(CLRC)，Snowmass，Colorado，USA，July，8-13，2007；2011年美国洛马公司1.6km机载SAL实验(Brian Krause，JosephBuck，Christopher Ryan，et al.Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration[C].Optical Society of America/Conference on Laser and Electro-optics(OSA/CLEO)，2011)。

国内目前中科院电子所、中科院上光所等单位也开展了大量有关SAL/ISAL的理论和实验研究工作，对InISAL的研究工作大部分还处于理论阶段，胡炬等人对InISAL成像系统的振动相位误差进行了仿真分析(Xuan H，Daojing L.Vibration phases estimationbased on multi-channel interferometry for ISAL[J].Applied Optics，2018，57(22)：6481-6490.)，提出了一种基于正交基线干涉处理的ISAL振动相位误差估计方法，通过M个接收通道使基线构成正交形式，并在相同视角和相同距离上进行M次观察。原理上，如果目标不存在振动，每次观测结果应该相同，若目标有振动，每两次观测所获得的目标回波的干涉相位就是振动相位误差的差分值，经过时间和空间的拼接对振动误差模型的系数进行估计得到完整成像观测时间内的的误差观测结果，并利用微波InISAR数据验证了其误差估计方法的有效性。

振动相位误差补偿是InISAL系统工程化应用不可缺少的部分，原因在于激光波长通常比微波波长短3个数量级，即使微小的系统振动误差也会对成像效果产生严重影响。一种基于正交基线干涉处理的ISAL振动相位误差估计方法的局限性在于，工程应用中严格的正交基线排布方式难以实现，振动相位误差估计的处理方法只能提取顺轨方向分量，且在目标运动方式更为复杂的情况下，该振动相位误差估计方法的有效性将受到一定的影响，为此需要一种对光学振动更为敏感的成像振动相位误差估计方法。

发明内容

为解决以上问题，本文提出一种逆合成孔径激光雷达成像振动相位误差估计装置与方法，提高InISAL系统工程应用的灵活性和振动相位误差估计的有效性。

本发明采用的技术方案为：一种逆合成孔径激光雷达成像振动相位误差估计装置，该装置包括激光器系统1，多通道信号接收系统6，多通道数据采集系统7，数据处理系统8，信号发射器5，分束器2和探测器9，多通道信号接收系统6为V型排布的多通道信号接收系统，V型排布的多通道信号接收系统内，信号接收器组成的两条基线非正交，各个接收器的间距通过优化设计得到，通过该排布方式接收的数据对振动相位误差估计的有效性更高，

激光器系统产生用于目标探测的线性调频信号，其中一部分作为本振信号和参考信号，另一部分用于目标探测，本振信号和回波信号混频得到包含目标信息的中频信号，参考信号用于发射信号非线性误差补偿，V型排布的多通道信号接收系统内共有2M+1个信号接收器，组成两条基线，两条基线所成角度不定，可以是锐角，直角或钝角，每条基线上安装有M个信号接收器，通过优化可以计算得到每两个信号接收器排布间隔的最佳值，数据处理系统根据多通道信号接收系统和多通道数据采集系统接收采集到的数据s

步骤1：利用参考信号s

步骤2：对s

步骤3：对s

步骤4：步骤3处理得到2M+1组数据，其中每一基线上同一序号天线与中心天线信号干涉，提取得到M个基线方向包含振动相位误差梯度的干涉相位

步骤5：根据回波数据利用调频率定标方法估计目标运动速度

步骤6：根据干涉相位

步骤7：将相位误差梯度

步骤8：将振动相位误差φ

步骤9：根据估计得到的

步骤10：对补偿后的回波数据进行方位向压缩，得到目标图像。

进一步地，其V型结构基线的夹角为锐角，或是直角，即正交干涉形式。

进一步地，所述激光器系统产生用于目标探测的线性调频信号，在分束器处按比例分为两路，其中一路作为探测信号用于目标探测，另一路作为本振信号和参考信号。

进一步地，所述探测器为多通道探测器，具体探测路数为信号接收器个数加本振信号路数加参考信号路数。

本发明还提供一种振动相位误差估计的成像方法，包括：

步骤1：利用参考信号对回波数据做非线性补偿；

步骤2：对非线性补偿后的数据做平动补偿和转动补偿；

步骤3：对补偿后数据进行距离向压缩处理；

步骤4：步骤3处理得到2M+1组数据，其中每一基线上同一序号天线与中心天线信号干涉，提取得到M个基线方向包含振动相位误差梯度的干涉相位；

步骤5：根据回波数据利用调频率定标方法估计目标运动速度；

步骤6：根据干涉相位，由几何关系和估计得到的目标运动速度计算得到振动相位误差梯度；

步骤7：将相位误差梯度在时间方向积分，得到某两组信号之间的振动相位误差；

步骤8：将振动相位误差值基线方向在空间上进行平均，得到运动目标在慢时间内的估计振动相位误差；

步骤9：根据估计得到的振动相位误差对接收原始数据做出补偿；

步骤10：对补偿后的回波数据进行方位向压缩，得到目标图像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明设计的V型基线，在实际工程应用中对复杂多变的环境具有较强的适应性。

本发明设计的多通道振动相位误差估计方法将空间基线方向上的振动相位误差进行平均，所得结果更接近真是误差值，对误差的描述更加准确。

附图说明

图1为本发明的一种逆合成孔径激光雷达成像振动相位误差估计装置组成及原理示意图；

图2为本发明多通道信号接收系统几何模型示意图；

图3为本发明成像数据处理的流程图。

图中附图标记含义为：1为激光器系统，2为分束器，3为耦合器，4为发射镜，5为信号发射器，6为多通道信号接收系统，7为多通道数据采集系统，8为数据处理系统，9为探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进一步说明。

本发明提供了一种逆合成孔径激光雷达成像振动相位误差估计装置。包括：激光器系统1，多通道信号接收系统6，多通道数据采集系统7，数据处理系统8，信号发射器5，分束器2和探测器9。

所述激光器系统1产生用于目标探测的线性调频信号：

式中，t＝t

所述信号发射器还包括耦合器3和发射镜4，将目标离散化为多个散射点组成，则回波信号可以表示为：

式中，s

所述传播距离R

R

所述激光器系统1产生的线性调频信号，在分束器2处按比例分为两路，其中一路作为探测信号用于目标探测，另一路作为本振信号和参考信号。

所述参考信号可将信号调频率的非线性特征进行补偿，消除调频率的时变性，即调频率K

所述本振信号与回波信号经过探测器9混频外差得到回波中频信号，再经过运动补偿和距离压缩得到：

所述多通道信号接收系统6内，V型基线上排布有2M+1个接收器。即得到2M+1组回波数据，所述步骤4，每一基线上同一序号天线与中心天线信号干涉，提取得到M个基线方向包含振动相位误差梯度的干涉相位

由所述步骤5估计得到目标运动速度

式中L为基线长度，及对应编号信号接收器到中心接收器的距离。将振动相位误差梯度在时间方向积分得到振动相位误差，

所述步骤8将振动相位误差φ

所述步骤9根据估计得到的

所述步骤10对补偿后的回波数据进行方位向压缩，得到目标图像。

本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡在本发明的精神和原则之内对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求保护范围内。