CN101285886A - 合成孔径激光成像雷达激光啁啾非线性和频克服方法 - Google Patents

Abstract

一种合成孔径激光成像雷达激光啁啾非线性和频克服方法，其特点是回波光信号依次通过外差光电探测器、电子乘法器、高通滤波器后输出电子信号，其中外差光电探测器带有激光本机振荡器，电子乘法器带有参考载频发生器，所述的参考载频发生器发生的载频电子信号的载频频率为f_r＝τ_r，其中：为线性啁啾，τ_r为延迟，τ_r＞＞τ_s，τ_s为回波光信号的距离传播延迟。本发明是在合成孔径激光成像雷达的信号通道中对于光电外差信号采用电子载频再进行和频处理，通过提高载频比减弱和克服啁啾非线性的影响，从而保证距离方向的成像分辨率。本发明与传统方法相比，特点是不需要模拟非线性啁啾传输的光学参考通道，硬件软件简单可靠。

Description

合成孔径激光成像雷达激光啁啾非线性和频克服方法

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激光啁啾非线性电子和频克服方法。

背景技术

合成孔径激光成像雷达的原理取之于射频领域的合成孔径雷达原理，是能够在远距离取得厘米量级分辨率的唯一的光学成像观察手段，在距离方向合成孔径激光成像雷达采用啁啾即线性频率调制的激光和外差光电接收获得高分辨率成像，因此激光啁啾的非线性将严重影响成像分辨率。

为了减弱或者克服激光啁啾非线性降低成像分辨率的影响，国外提出了两种采用附加模拟传输光学通道进行啁啾非线性相位误差补偿的方法：

一种方法，参见M.Bashkansky，R.L.Lucke，F.Funk，L.J.Rickard，and J.Reintjes，“Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain，”Optics Letters，Vol.27，pp1983-1985(2002)，是直接对目标回波接收时间信号进行处理，即将参考通道的输出对信号通道的信号进行二次差频，使等效差频大为降低，从而在采样时间窗口内可以忽略啁啾的非线性。

另一种方法，参见S.M.Beck，J.R.Buck，W.F.Buell，R.P.Dickinson，D.A.Kozlowski，N.J.Marechal，and T.J.Wright，“Synthetic-aperture imaging ladar：laboratory demonstration and signal processing”Applied Optics，Vo1.44，No.35，pp.7621-7629(2005)，是在信号的相位域中进行处理，即首先在参考通道中计算出相位误差，然后传递到信号通道，最终在信号通道中实现信号的相位误差的消除。

上述第一种方法的处理不需要直接求出相位误差，因此相对第二种方法来说，在体系和算法上是简单的。

但是，上述两种方法都需要增加一个参考光电子通道，其硬件包括一路本机振荡激光、一路模拟一定距离传输的光纤器件、光束分束器、光学桥接器和外差光电探测器等，大大增加了合成孔径激光成像雷达的复杂性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种合成孔径激光成像雷达激光啁啾非线性和频克服方法，该方法不需要模拟非线性啁啾传输的光学参考通道，硬件软件简单可靠。

本发明的技术解决方案如下：

一种合成孔径激光成像雷达激光啁啾非线性和频克服方法，其特点是：同波光信号依次通过外差光电探测器、电子乘法器、高通滤波器后输出电子信号，所述的外差光电探测器带有激光本机振荡器，所述的电子乘法器带有参考载频发生器，所述的参考载频发生器(7)发生的载频电子信号的载频频率为 $f_r=\stackrel{\·}{f}{\mathrm{\τ}}_r,$ 其中：

为线性啁啾，τ_r为延迟，τ_r＞＞τ_s，τ_s为回波光信号的距离传播延迟。

上述方法的具体实施是采用模拟电子学处理，参考载频发生器产生模拟电子载频信号，并与外差光电探测器输出的光电流通过模拟乘法器进行直接变频，所述的高通滤波器采用模拟电路。

上述方法的另一种具体实施是采用电子学数字处理，所述的外差光电探测器输出的光电流首先通过模数变换器转化为数字信号，然后采用数字参考载频进行数字乘法处理，再进行数字高通滤波。

本发明的工作原理如下：

激光本机振荡器事实上不仅产生本机激光振荡，而且是激光发射光源。本机激光振荡的时间相位变化可以表达为：

其中：第一项为激光本征频率，第二项为激光啁啾项，即线性频率扫描项，第三项及以后各项为啁啾高次项，也就是需要克服的项。

假定目标为单个散射点，经过距离传播延迟τ_s的回波光信号为：

其中为目标的相位历程。

因此所述的外差光电探测器的输出电流为：

其中

为残余固定位相。

所述的参考载频发生器发生的载频电子信号为：

i_r(t)＝Bcos(2πf_rt)，                              (4)

其中：载频频率f_r可以用线性啁啾

和延迟τ_r等效地表达，即 $f_r=\stackrel{\·}{f}{\mathrm{\τ}}_r.$

所述的外差光电探测器的输出电子信号i_s(t)和参考载频发生器发生的电子信号i_r(t)通过电子乘法器后输出i_m(t)为

其中和频项为：

上述式中：A，B和C为常数。

由公式(3)可以得到外差信号中的二次项因子对一次项因子的非线性啁啾比为：

$K_s=\frac{f^{\′\′}}{2\stackrel{\·}{f}}(t-{\mathrm{\τ}}_s).---\left(7\right)$

由公式(6)可见：本方法的第二次电子和频后的二次项因子对一次项因子的非线性啁啾比为：

$K_h=\frac{f^{\′\′}}{2\stackrel{\·}{f}}\frac{{\mathrm{\τ}}_s(t-{\mathrm{\τ}}_s)}{{\mathrm{\τ}}_s+{\mathrm{\τ}}_r}.---\left(8\right)$

所以，本方法的非线性啁啾比比本征定义的非线性啁啾比的提高比例因子为：

$K=\frac{K_h}{K_s}=\frac{{\mathrm{\τ}}_s}{{\mathrm{\τ}}_s+{\mathrm{\τ}}_r}.---\left(8\right)$

当τ_r＞＞τ_s时，提高比例因子 $K\&cong;\frac{{\mathrm{\&tau;}}_s}{{\mathrm{\&tau;}}_r}<<1.$ 因此可以忽略啁啾的非线性二次项，当然也包括高阶项。

此时，通过中心频率为 $f_h=\stackrel{\&CenterDot;}{f}({\mathrm{\&tau;}}_s+{\mathrm{\&tau;}}_r)$ 的高通滤波器4后的最终电子输出信号5为：

只保留了啁啾线性项，克服了啁啾非线性项。

事实上，目标的回波由许多散射点的回波所组成，因此由公式(3)外差光电探测器的输出电流应为：

它与所述的参考载频发生器的载频电子信号的和频项为：

通过高通滤波器4后的最终电子输出信号5为：

可见：一次和频处理后，对于所有的目标散射点都只保留了啁啾线性项，克服了啁啾非线性项。

具体实施上可以采用模拟电子学处理，也可以采用电子学数字处理。采用模拟电子学处理时，参考载频发生器产生模拟电子载频信号，它与外差光电探测器输出的光电流通过模拟乘法器进行直接变频，高通滤波器4采用模拟电路。采用数字电子学处理时，外差光电探测器2输出的光电流首先通过模数变换器转化为数字信号，然后采用数字参考载频进行数字乘法处理，再进行数字高通滤波。

本发明的技术效果：

本发明提出一种在信号通道中对于光电外差信号采用电子载频进行和频处理，通过高频滤波减弱和克服啁啾非线性的影响。本方法无需附加光电子参考通道，不增加系统硬件的复杂性；由于和频运算，无需计算出相位误差，算法简单可靠；由于增大了距离线性项，可以提高成像分辨率。

本发明方法的特点是不需要模拟非线性啁啾传输的光学参考通道，即可克服啁啾非线性项，硬件软件简单可靠。

附图说明

图1是本发明方法的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细说明本发明：

如图1是本发明的方法实施例的原理框图。由图可见，本发明合成孔径激光成像雷达激光啁啾非线性和频克服方法，是回波光信号1依次通过外差光电探测器2、电子乘法器3、高通滤波器4后输出电子信号5，其中外差光电探测器2带有激光本机振荡器6，电子乘法器3带有参考载频发生器7，所述的参考载频发生器(7)发生的载频电子信号的载频频率为 $f_r=\stackrel{\&CenterDot;}{f}{\mathrm{\&tau;}}_r,$ 其中：

为线性啁啾，τ_r为延迟，τ_r＞＞τ_s，τ_s为回波光信号的距离传播延迟。

具体设计如下：

假设机载合成孔径激光成像雷达的高度为15km，对地面观察的成像距离为50km，成像弥散园为20mm。设计激光雷达的光学接收和发射望远镜主镜的口径为40mm，光束发散度和光学外差接收视场均为100μrad，光斑直径5m。脉冲双程渡越时间0.33ms。

望远镜与地面目标处于夫琅和费衍射区域，接收过程中F_r＝∞，采用高斯光束发射即F_t＝z，因此二次项相位为

其最大相对相位差为

即72π，属于合理的匹配滤波范围。这时一个光斑内的采样数取M≈200。合成孔径激光成像雷达运动速度100m/s，目标一个光斑扫描时间0.05s，步进～0.25ms，激光脉冲宽度100μs。距离方向成像弥散园带宽 $B=\frac{c}{\mathrm{\&Delta;d}},$ 即15GHz，啁啾速率 $\stackrel{\&CenterDot;}{f}=1.5\&times;{10}^{14}\mathrm{Hz}/s^2,$ 距离项快时间延迟的最大值控制在0.2μs以内，距离向最大差频频率为f_max＝30MHz。

因此参考载频发生器7发生的载频电子信号的载频频率取值为f_r＝300MHz，非线性啁啾比的提高比例因子为K≌0.1，因此可以忽略啁啾的非线性二次项，也包括高阶项。

然后距离方向的聚焦像可以通过对～330MHz线性相位调制项的傅立叶变换压缩取得。方位方向的聚焦像可以通过约72π最大相对相位的二次相位项的匹配滤波压缩取得。

Claims (3)

1、一种合成孔径激光成像雷达激光啁啾非线性和频克服方法，其特征在于回波光信号(1)依次通过外差光电探测器(2)、电子乘法器(3)和高通滤波器(4)后输出电子信号(5)，其中外差光电探测器(2)带有激光本机振荡器(6)，电子乘法器(3)带有参考载频发生器(7)，所述的参考载频发生器(7)发生的载频电子信号的载频频率为 $f_r=\stackrel{\&CenterDot;}{f}{\mathrm{\&tau;}}_r,$ 其中：

为线性啁啾，τ_r为延迟，τ_r＞＞τ_s，τ_s为回波光信号的距离传播延迟。

2、根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达激光啁啾非线性和频克服方法，其特征在于具体实施方法是采用模拟电子学处理，参考载频发生器(7)产生模拟电子载频信号，并与外差光电探测器(2)输出的光电流通过模拟乘法器(3)进行直接变频，所述的高通滤波器(4)采用模拟电路。

3、根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达激光啁啾非线性和频克服方法，其特征在于具体实施方法是采用电子学数字处理，所述的外差光电探测器(2)输出的光电流首先通过模数变换器转化为数字信号，然后采用数字参考载频进行数字乘法处理，再进行数字高通滤波。

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