CN101694525A - 非相干合成孔径激光成像雷达及其聚束模式成像方法 - Google Patents

Abstract

一种非相干合成孔径激光成像雷达及其聚束模式成像方法，非相干合成孔径激光成像雷达的构成依次是合成孔径激光成像雷达，光学足迹和目标平面。合成孔径激光成像雷达主要由激光头、光学扫描器和图像处理器三部分组成，本发明方法的原理是基于计算机层析的投影成像原理，提供了三种工作模式即传统的聚束模式，逆聚束模式和成像聚束模式，和两种传感成像方式即距离分辨成像和多普勒频移成像，本发明大大降低了信号收集和数据处理的技术难度，提供了丰富的操作性，开阔了合成孔径激光成像雷达的应用范围。

Description

非相干合成孔径激光成像雷达及其聚束模式成像方法

技术领域

本发明涉及合成孔径激光成像雷达，特别是一种非相干合成孔径激光成像雷达及其聚束模式成像方法，本发明基于计算机层析的投影成像的原理，提供了三种工作模式即传统的聚束模式，逆聚束模式和成像聚束模式，包括了两种传感成像方式即距离分辨成像和多普勒频移成像，即能够实施平面目标的二维成像也可以实施三维物体的距离分辩、三维或深度压缩二维层析成像或深度压缩的二维多普勒频移成像，本发明大大降低了信号收集和数据处理的技术难度，提供了丰富的操作性，开阔了合成孔径激光成像雷达的应用范围。

背景技术

合成孔径激光成像雷达(SAIL)的原理来自于微波合成孔径雷达，是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【参见(1)J.Ricklin，M.Dierking，S.Fuhrer，B.Schumm，and D.Tomlison.Synthetic aperture ladar for tacticalimaging，DARPA Strategic Technology Office.(2)M.Bashkansky，R.L.Lucke，F.Funk，L.J.Rickard，and J.Reintjes.Two-dimensional synthetic aperture imaging in the opticaldomain，Optics Letters，27(22)，1983-1985(2002).(3)S.M.Beck，J.R.Buck，W.F.Buell，R.P.Dickinson，D.A.Kozlowski，N.J.Marechal，and T.J.Wright.Synthetic-apertureimaging ladar：laboratory demonstration and signal processing，Applied Optics，44(35)，7621～7629(2005).(4)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，29(7)，2030-2032(2009)】。合成孔径激光成像雷达在距离向的聚焦成像采用啁啾激光外差接收解斜方法，在方位向的聚焦成像采用孔径合成的方法即空间二次项相位匹配滤波方法，因此合成孔径激光成像雷达属于空间一时间全相干处理，在信号的收集和处理的时间域【参见(2)M.Bashkansky，R.L.Lucke，F.Funk，L.J.Rickard，and J.Reintjes.Two-dimensionalsynthetic aperture imaging in the optical domain，Optics Letters，27(22)，1983-1985(2002).(5)R.L.Lucke，M.Bashkansky，J.Reintjes，and E.Funk，Synthetic aperture ladar(SAL)：fundamental theory，design equations for a satellite system，and laboratorydemonstration[R]，Naval Research Laboratory Report NRL/FR/7218-02-10，051(2002)】中和空间域【参见(6)Liren Liu，Optical Antenna of Telescope for Synthetic ApertureLadar，Proc.SPIE，7094，7094F1～F13，(2008).(7)Liren Liu，Antenna Aperture andImaging Resolution of Synthetic Aperture Imaging Ladar，Proc.SPIE，7468B，74680R1-R13，(2009)】中都提出了非常严格的要求，同时涉及光频信号的振幅、偏振、频率、时间相位和空间相位，实施上有很高的技术难度。

微波合成孔径雷达是无线电频率下的相干处理成像雷达，聚束模式是主要工作模式之一，聚束模式本质上涉及激光雷达与目标的相对转动运动。微波合成孔径雷达聚束模式可以采用计算机层析成像的体系和算法进行完整描述【参见(8)C.V.Jakowatz，Jr.，D.E.Wahl，P.H.Eichel，D.C.Ghiglia，and P.A.Thompson，Spotlight-Mode Synthetic Aperture Radar：A Signal Processing Appoach，Boston：KluwerAcademic Publishers，1996】，同样在合成孔径激光成像雷达中也存在聚束模式【参见(9)刘立人，合成孔径激光成像雷达(IV)：统一工作模式和二维数据收集方程，光学学报，29(1)，1-6，2009】。但是计算机层析方法在医疗成像的初始应用中是采用X射线光强进行非相干处理，不涉及射线的相位问题。因此计算机层析方法也适用于非相干处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种非相干合成孔径激光成像雷达及其聚束模式成像方法，本发明方法的原理是基于计算机层析的投影成像，提出了三种工作模式即传统的聚束模式，逆聚束模式和成像聚束模式，包括了两种传感成像方式即距离分辨成像和多普勒频移成像，能够实施平面目标的二维成像也可以实施三维物体的距离分辩、三维或深度压缩二维层析成像或深度压缩的二维多普勒频移成像，大大降低了信号收集和数据处理的技术难度，提供了丰富的操作性，开阔了合成孔径激光成像雷达的应用范围。

本发明的技术解决方案如下：

一种非相干合成孔径激光成像雷达，包括合成孔径激光成像雷达、光学足迹和被测目标的目标平面，所述的合成孔径激光成像雷达主要由激光头、光学扫描器和图像处理器三部分组成，其特点在于所述的被测目标与所述的合成孔径激光成像雷达必须具有侧视观察的相对的转动运动，并根据被测目标的具体运动情况选择所述的合成孔径激光成像雷达相应的工作模式和激光头结构，所述的激光头，包括激光发射机，光电接收机和光学天线，其作用是进行被测目标的距离分辨测量或者目标的多普勒频移分辨测量，获得距离数据；所述的光学扫描器，用于对被测目标的精密跟踪；所述的图像处理器用于从所获得距离数据进行目标图像重构。

一种非相干合成孔径激光成像雷达的聚束模式成像的方法，特点在于其成像的方式包括二维目标的距离分辨成像、二维目标多普勒频移分辨成像、三维目标距离分辨成像或三维目标的多普勒频移二维压缩成像，包括下列步骤：

①根据被测目标的运动状态选定成像的聚束模式和相应的非相干合成孔径激光成像雷达的激光头结构；

②采用非相干合成孔径激光成像雷达在与被测目标的相对转动中测量和收集目标回波的距离分辨信息或者多普勒频移分辨信息；

③利用所述的图像处理器，即计算机进行被测目标图像重构，主要的算法包括正交投影的坐标变换预处理算法，或从获取数据重构目标图像的层析解调算法。

其中的激光头可以采用四种具体结构：第一种结构用于距离分辨，采用脉冲激光发射和回波光强度直接探测并且进行目标延时的时间测量实现距离分辨；第二种结构也用于距离分辨，采用脉冲激光发射和回波的光学外差接收并且进行目标延时的时间测量实现距离分辨；第三种结构也用于距离分辨，采用脉冲啁啾激光发射和回波光学外差接收并且进行解斜解调实现距离分辨；第四种结构用于多普勒频移分辨，采用单频连续激光发射和回波的光学外差接收并且进行频率解调实现多普勒频移距离分辨。上述距离分辨用的三种结构中，第一种结构即脉冲激光发射和回波光强度直接探测方式的系统结构最简单，但是距离分辨率受激光脉冲宽度和光电系统的带宽限制。第二种结构即脉冲激光发射和回波的光学外差接收方式相对上述第一种结构可以提高接收灵敏度，但是系统结构比较复杂，接收视场比较小。第三种结构即脉冲啁啾激光发射和回波光学外差接收方式具有最高的距离分辨率和接收灵敏度，但是系统结构最复杂，接收视场比较小。应当根据具体的总体使用要求进行适当的选择激光头的结构。

光学足迹2是光学头的激光照明光斑和接收视场共同作用的目标面可成像面积。本发明的聚束模式非相干合成孔径激光成像雷达的成像关键是激光雷达与目标必须具有侧视观察的相对转动运动，这种转动可以由激光成像雷达与目标作相对直线运动产生，也可以由目标本身的旋转产生。因此，本发明的聚束模式非相干合成孔径激光成像雷达具有三种工作模式：

(1)传统聚束模式，即合成孔径激光成像雷达作直线运动，在运动中光学足迹恒定地指准在被测目标平面内所关注的成像区域，这时在激光雷达运动过程中该静止目标相对于激光雷达产生转动。

(2)逆聚束模式，被测目标作直线运动而雷达作跟踪，使得光学足迹恒定地指准目标，这时在目标运动过程中该静止激光雷达相对于目标产生转动。

(3)层析聚束模式，雷达与被测目标相对不平动，被测目标在光学足趾中只作旋转运动。工作模式的选择，应当视具体的总体应用要求而制定。

为了分析说明先定义坐标系统：光学足迹2的中心与雷达运动中心位置的连线称为聚束中心线，聚束中心线与目标平面3的交点定义为成像系统的坐标原点，通过坐标原点并且垂直于聚束中心线的平面定义为主平面，通过坐标原点并且垂直于目标平面与主平面交线的垂线称为目标面旋转轴。定义目标平面3与主平面的倾斜角为

目标平面3环绕目标面旋转轴的转动角为θ。目标平面3上的坐标系记作(x″，y″)，主平面的坐标系记作(x，y)，在目标面内设定一个转动坐标系(α，β)，其顺时针转动γ角。目标面原点与雷达运动中心位置的距离为Z，对于层析聚束模式θ角即为目标自旋角，对于传统聚束模式和逆聚束模式有

其中X为合成孔径激光成像雷达或者目标的移动距离。

本发明的成像方法中均包含了两部分实施过程，在第一过程中采用非相干合成孔径激光成像雷达在激光雷达与目标的相对转动中测量和收集目标回波的距离分辨信息或者多普勒频移分辨信息，在第二过程中采用计算机进行目标图像重构，主要的算法包括进行正交投影的坐标变换预处理算法和从获取数据重构目标图像的层析解调算法。

本发明的以下部分以成像的方式，即二维目标的距离分辨成像，二维目标多普勒频移分辨成像，三维目标距离分辨成像和三维目标的多普勒频移二维压缩成像，来阐述本发明的原理和方法。

1.二维目标的距离分辨成像

这时设定目标为平面物体，可以采用上述的传统聚束模式，逆聚束模式或者层析聚束模式。光学头可以采用上述的第一种结构即脉冲激光发射和回波光强度直接探测方式、第二种结构即脉冲激光发射和回波光学外差接收或者第三种结构即脉冲啁啾激光发射和回波光学外差接收方式。

在这些安排下，首先对于不同的非相干合成孔径激光成像雷达与目标的相对转动角下进行距离测量的距离数据收集，该距离定义为目标面上目标点所产生的相对于主平面的距离。事实上，在某一个θ角下的目标面上一个目标点(x″，y″)所产生的相对于主平面的距离(z)应当为

对于非相干合成孔径激光成像雷达所获得的一维距离数据，然后采用计算机进行坐标系统的变换，即实现投影轴定位。设定相对于目标面坐标系统进行转动后的新坐标系统为(α，β)，对于激光雷达和目标在θ采样角下采用如下的坐标转动角γ，即

这时投影距离等位线将平行于α轴，而目标点(x″，y″)对于主平面的距离在β轴上的投影位置变为：

设目标函数为p(x″，y″)，如前所述为光强或者场强振幅分布，则沿距离等位线α方向上的距离分辨的图像函数在β轴上投影的积分为一维函数，应当为：

p_RR(β:γ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα。    (5)

这是在不同采样角下激光雷达数据收集和坐标变换后产生的目标的有关距离数据，所有采样角下的一维距离数据集成为激光雷达的目标二维距离收集数据。

下一步过程是从目标回波的二维距离收集数据中重构出目标二维图像，这时使用计算机进行数据和图像处理。计算机采用的最标准的层析解调方法是反向投影算法和雷登-傅立叶变换，其它方法还包括滤波反向投影算法，匹配滤波算法，Hough变换算法，等等。

反向投影算法进行目标像重构的层析计算公式为：

$g_B(x^{\′\′},y^{\′\′})=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{RR}}(\mathrm{\β}:{\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{RR}}(x^{\′\′}\sin {\mathrm{\γ}}_i+y^{\′\′}\cos {\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ},---\left(6\right)$

其中：γ_i为第i次投影的等效坐标系转角，Δγ是两次投影的角差，i是投影次数。公式表明从激光雷达获得的二维数据P_RR可以计算出目标的二维图像g_B。

雷登-傅立叶变换方法基于投影-切片原理，即一个投影的傅立叶变换是该物体二维傅立叶变换的一个切片。因此对于目标作二维傅立叶变换，有：

对于投影作一维傅立叶变换：

则根据投影-切片理论，即有

F(f_xcosγ，f_ysinγ)＝P(f_β:γ))。               (7c)

因此不同角度测量的投影所产生的傅立叶变换是通过坐标原点上不同直线上的数值分布。所以一系列的投影将产生图像的近似二维傅立叶变换，重构像可以进一步采用逆傅立叶变换产生，其中有可能还需要采取插值或和极坐标-直角坐标变换处理。

为了降低反向投影算法在重建中的条纹效应，提供较好的图像质量，也可以使用滤波反向投影算法，即在反向投影之前先采用适当的预修正。

上述几种重构算法所得到的像可以进一步采用阈值处理等等的图像处理方法。

2.二维目标多普勒频移分辨成像

这时设定目标为平面物体并且具有自转，非相干合成孔径激光成像雷达采用层析聚束模式。光学头可以采用上述的第四种结构即采用单频连续激光发射和回波的光学外差接收并且进行频率解调。假定目标旋转角速度为ω。

在这些安排下，首先对于不同的非相干合成孔径激光成像雷达与目标的相对转动角下进行多普勒频移测量，实现目标的多普勒频移数据收集，该多普勒频移定义为目标面上目标点所产生的相对于激光雷达的多普勒频移。事实上，在某一个目标转动角(θ)下的目标面上一个目标点(x″，y″)所产生的合成孔径激光成像雷达观察方向上的激光光频的多普勒频移应当为：

对于非相干合成孔径激光成像雷达所获得的一维多普勒频移数据，然后采用计算机进行坐标系统的变换，即实现投影轴定位。设定：相对于目标面坐标系统进行转动后的新坐标系统为(α，β)，对于激光雷达和目标在θ采样角下采用如下的坐标转动角γ，即

这时投影多普勒频移等位线将平行于α轴，而目标点(x″，y″)对于主平面的多普勒频移在β轴上的投影位置应当变为：

设目标函数为p(x″，y″)为场强振幅分布。则沿多普勒频移等位线α方向上的多普勒分辨的图像函数在β轴上投影的积分应当为一维函数：

p_DS(β:γ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα。      (11)

这是在不同采样角下激光雷达数据收集和坐标变换后产生的目标的多普勒频移有关数据，所有采样角下的一维多普勒频移数据集成为激光雷达的目标多普勒频移二维收集数据。

下一步过程是从目标回波的二维多普勒频移收集数据中重构出与多普勒频移有关的目标二维图像，这时使用计算机进行数据和图像处理。

使用反向投影算法，目标多普勒频移像的计算公式为：

$g_B(x^{\′\′},y^{\′\′})=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{DR}}(\mathrm{\β}:{\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{DR}}(x^{\′\′}\sin {\mathrm{\γ}}_i+y^{\′\′}\cos {\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}.---\left(12\right)$

其中：γ_i为第i次投影的等效坐标系转角，Δγ是两次投影的角差，i是投影次数。公式表明从激光雷达获得的二维多普勒频移数据P_DS可以计算出目标的二维多普勒频移图像g_B。

同样，解调也可以采用滤波反向投影，雷登-傅立叶变换，匹配滤波算法，Hough变换，等等其它算法。重构算法所得到的像也可以进一步采用阈值处理等等的图像处理方法。

3.三维目标距离分辨成像

三维目标成像的基本原理是基于上述的距离分辩的二维成像，可以把三维物体沿聚束中心轴并且平行目标面(x″，y″)作多剖面分解，然后同时对于各个剖面作非相干处理的距离分辩聚束模式成像，最后再合成出三维图像。

这时设定目标为三维物体，可以采用传统聚束模式，逆聚束模式或者层析聚束模式。光学头可以采用第一种结构即脉冲激光发射和回波光强度直接探测方式，第二种结构即脉冲激光发射和回波光学外差接收或者第三种结构即脉冲啁啾激光发射和回波光学外差接收方式。

采用上述的二维目标的距离分辨成像过程中的距离数据和坐标变换方法，可以得到第n个距离剖面的θ(γ)角的目标距离在β(n)轴上的投影应当为：

p_RR(β(n):γ)＝∫g_n(α(n)cosγ+β(n)sinγ，-α(n)sinγ+β(n)cosγ)dα(n)。(13)

采用计算机使用反向投影算法采用如下计算公式可以得到第n个距离剖面的目标像为：

$g_{\mathrm{Rn}}(x^{\′\′}\left(n\right),y^{\′\′}\left(n\right))=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{RR}}(\mathrm{\β}\left(n\right):{\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{RR}}(x^{\′\′}\left(n\right)\sin {\mathrm{\γ}}_i+y^{\′\′}\left(n\right)\cos {\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}.---\left(14\right)$

同样也可以采用滤波反向投影，雷登-傅立叶变换等等算法，以及阈值等图像处理算法。

得到了所有的距离剖面的目标二维像，则可以采用计算机层析合成出物体三维像g_BRR，计算公式如下：

$g_{\mathrm{BRR}}(x^{\′\′}\left(0\right),y^{\′\′}\left(0\right),z)=\underset{n=0}{\overset{\±N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{\mathrm{RR}:n}(x^{\′\′}\left(n\right),y^{\′\′}\left(n\right)+\mathrm{n\Δ}{Y}^{\′\′})\mathrm{\δ}(z+\mathrm{n\Δ}{Z}^{\′\′}),---\left(15\right)$

其中：ΔZ″为沿中心轴的距离剖面结构。

事实上为了得到三维成像，其距离剖面的间隔必须足够小。如物体在y″方向宽度为L_y，则为了保证距离剖面的投影的积分在距离(时间)上不重叠，要求距离间隔满足条件：

如果三维成像所用的距离剖面的间隔远远达不到上述条件，将产生三维目标在深度方向压缩的距离分辩的二维像，具体操作时则不需进行分层收集收集。

4.三维目标的多普勒频移二维压缩成像

这时设定目标为三维物体并且具有自转，非相干合成孔径激光成像雷达采用层析聚束模式。光学头可以采用上述的第四种结构即采用单频连续激光发射和回波的光学外差接收并且进行频率解调。假定目标旋转角速度为ω。

由于是三维目标，原理上可以把三维物体沿聚束中心轴并且平行目标面(x″，y″)作多剖面分解，然后同时对于各个剖面作非相干处理的多普勒频移分辩的层析聚束模式成像，最后再合成出目标的三维多普勒频移有关的图像。但是可以证明在两个剖面之间的多普勒频移间隔近似为零，因此所有剖面的多普勒目标像不可能在剖面方向上分辩出，所以仅可能求得在深度方向上压缩的三维目标的多普勒频移二维像。

因此采用二维目标多普勒频移分辨成像中的同样方法和算法对于三维目标可以得到在深度方向上压缩的多普勒频移二维像。

首先对于不同的非相干合成孔径激光成像雷达与目标的相对转动角下进行多普勒频移测量，实现目标的多普勒频移数据收集，该多普勒频移定义为目标面上目标点所产生的相对于激光雷达的多普勒频移。事实上，在某一个目标转动角(θ)下的目标基底面上一个目标点(x″，y″)所产生的合成孔径激光成像雷达观察方向上的激光光频的多普勒频移应当为：

对于非相干合成孔径激光成像雷达所获得的一维多普勒频移数据，然后采用计算机进行坐标系统的变换，即实现投影轴定位。设定：相对于目标基底面坐标系统进行转动后的新坐标系统为(α，β)，对于激光雷达和目标在θ采样角下采用如下的坐标转动角γ，即

这时投影多普勒频移等位线将平行于α轴，而目标点(x″，y″)对于主平面的多普勒频移在β轴上的投影位置应当变为：

设以基底为参考的目标函数为p(x″，y″)场强振幅分布。则沿多普勒频移等位线α方向上的多普勒分辨的图像函数在β轴上投影的积分应当为一维函数：

p_DS(β:γ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα。(20)

这是在不同采样角下激光雷达数据收集和坐标变换后产生的目标的多普勒频移有关数据，所有采样角下的一维多普勒频移数据集成为激光雷达的目标多普勒频移二维收集数据。

下一步过程是从目标回波的二维多普勒频移收集数据中重构出与多普勒频移有关的目标的深度压缩二维多普勒频移图像，这时使用计算机进行数据和图像处理。

使用反向投影算法，目标多普勒频移像的计算公式为：

$g_B(x^{\′\′},y^{\′\′})=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{DR}}(\mathrm{\β}:{\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{DR}}(x^{\′\′}\sin {\mathrm{\γ}}_i+y^{\′\′}\cos {\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}.---\left(21\right)$

其中：γ_i为第i次投影的等效坐标系转角，Δγ是两次投影的角差，i是投影次数。公式表明从激光雷达获得的二维多普勒频移数据P_DS可以计算出目标的深度方向压缩二维多普勒频移图像g_B。

同样，解调也可以采用滤波反向投影，雷登-傅立叶变换，匹配滤波算法，Hough变换，等等其它算法。重构算法所得到的像也可以进一步采用阈值处理等等的图像处理方法。

距离分辩成像的成像分辨率：

激光测距采用脉冲激光发射和强度直接探测方式时，激光脉冲宽度为Δτ，考虑到触发光脉冲误差则距离分辩全宽度为Δz＝cΔτ。采用啁啾激光发射和外差解斜解调方式时，啁啾带宽为B，则距离分辩全宽度为

由此，测距误差产生的投影成像全宽度Δβ(θ)为

假定共有I个反投影成像，I个光强或振幅叠加的直径即成为成像点最大值的直径，即取I阈值后的像点直径为

多普勒频移分辩成像的成像分辨率：

假定多普勒频移的测量精度为

投影误差全宽度Δβ(θ)即为

因此成像点最大值的直径为

d_I＝Δβ(θ＝0)＝ΔF。                        (23)

本发明的技术效果：

1、本发明基于层析结构体系和算法，提出了合成孔径激光成像雷达的非相干处理的聚束模式，采用距离分辨或者多普勒频移分辨的目标侧视投影的光强或者光场振幅信号的时间积分进行数据收集，再通过反向投影或雷登-傅立叶变换等等计算方法实现目标成像重构。

2、本发明有如下的明显特点：由于采用非相干处理，不需要考虑光频的时间和空间相位特性，因此大大降低了实施技术难度，具有重要应用价值。

3、本发明非相干合成孔径激光成像雷达提供了三种可能的工作模式，即传统的聚束模式，逆聚束模式和成像聚束模式；包含了两种传感成像方式，即距离分辨成像和多普勒频移成像；可以实施平面目标的二维成像，也可以进行三维物体的距离分辩三维和二维层析成像或者多普勒频移分辩的深度方向压缩的二维成像，应当注意对于一个三维目标产生深度压缩的二维距离分辩或二维多普勒频移像是一个全新的概念。

4、本发明具有丰富的操作性，开阔了合成孔径激光成像雷达的应用范围。应当注意，反射层析激光成像雷达也采用计算层析概念和算法【参见(10)R.M.Marino，R.N.Capes，W.E.Keicher，S.R.Kulkarni，J.K.Parker，L.W.Swezey，J.R.Senning，M.F.Reiley and E.B.Craig，Tomographic image reconstruction from laser ladar reflectiveprojections，Proc.SPIE，999，248-268(1989)；(11)C.L.Matson and D.E.Mosley，Reflective tomography reconstruction of satellite features-field results，Applied Optics，40(14)，2290～2296(2001)】，但是对被测物体的横截面观察得到的是物体的表面轮廓像，本发明是对于目标的侧视观察得到的是目标的平面像，因此成像方式根本不同。

附图说明

图1是本发明非相干合成孔径激光成像雷达的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明非相干合成孔径激光成像雷达的原理图。由图可见，本发明非相干合成孔径激光成像雷达，包括合成孔径激光成像雷达1、光学足迹2和被测目标的目标平面3，所述的合成孔径激光成像雷达1主要由激光头、光学扫描器和图像处理器三部分组成，其特征在于所述的被测目标与所述的合成孔径激光成像雷达1必须具有侧视观察的相对的转动运动，并根据被测目标的具体运动情况选择所述的合成孔径激光成像雷达1相应的工作模式和激光头结构，所述的激光头，包括激光发射机，光电接收机和光学天线，其作用是进行被测目标的距离分辨测量或者目标的多普勒频移分辨测量，获得距离数据；所述的光学扫描器，用于对被测目标的精密跟踪；所述的图像处理器用于从所获得距离数据进行目标图像重构。

本发明的一个具体实施例是一种机载或者地面站非相干处理距离分辩逆聚束模式合成孔径激光成像雷达，用于对低轨卫星进行高分辩观察，要求：作用距离约1000km，理论成像分辨率(直径)～0.2m。

由于低轨卫星为运动物体，本具体实施例采用逆聚束模式，即被测目标作直线运动而激光雷达作光学精密跟踪使得光学足迹恒定地指准目标。

本发明非相干合成孔径激光成像雷达的总体技术方案设计为：激光波长λ＝1.55um，发射激光脉冲宽度0.5ns，接收处理电子学带宽2GHz，发射光学天线口径50mm×50mm，衍射极限设计即得到目标照明宽度为62m×62m，其远大于卫星尺寸，接收光学主镜口径为1m×1m，焦距f＝10m，接收视场光栏0.62mm×0.62mm。

本非相干合成孔径激光成像雷达的用于距离分辨成像的技术设计为：卫星目标倾斜角45°，目标光学跟踪总角度30°，跟踪角间隔平均为0.25°，采样数120，激光脉冲重复频率约2pps。在这些设计下，因此理论上成像分辨率直径

达到0.21m。

数据收集和图像处理的原理和方法如下：

首先采用激光雷达在目标跟踪状态下进行不同角度(θ)的目标距离数据采集。其中目标面上一点(x″，y″)所产生的相对于主平面的距离，事实上应当为：

对于每一个跟踪角度(θ)下进行转动坐标系(α，β)的角度变换

使得距离分辨数据投影到β轴上，即目标面点(x″，y″)在的β轴上的投影位置事实上应当为：

目标的光强函数为p(x″，y″)，则沿距离等位线α方向上的距离分辨的图像函数在β轴上投影的积分为一维函数，应当为：

p_RR(β:γ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα。

这是收集信号和坐标变换数据的理想值，实际值为p′_RR(β:γ)。

采用反向投影算法进行层析解调，目标像的层析计算公式为：

$g_B(x^{\′\′},y^{\′\′})=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p^{\′}}_{\mathrm{RR}}(x^{\′\′}\sin {\mathrm{\γ}}_i+y^{\′\′}\cos {\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}.$

在上述考虑中，由于跟踪角间隔平均为Δθ＝0.25°，因此坐标变换角间隔平均为Δγ＝0.35°。

Claims (10)

1.一种非相干合成孔径激光成像雷达，包括合成孔径激光成像雷达(1)、光学足迹(2)和被测目标的目标平面(3)，所述的合成孔径激光成像雷达(1)主要由激光头、光学扫描器和图像处理器三部分组成，其特征在于所述的被测目标与所述的合成孔径激光成像雷达(1)必须具有侧视观察的相对的转动运动，并根据被测目标的具体运动情况选择所述的合成孔径激光成像雷达(1)相应的工作模式和激光头结构，所述的激光头，包括激光发射机，光电接收机和光学天线，其作用是进行被测目标的距离分辨测量或者目标的多普勒频移分辨测量，获得距离数据；所述的光学扫描器，用于对被测目标的精密跟踪；所述的图像处理器用于从所获得距离数据进行目标图像重构。

2.根据权利要求1所述的聚束模式非相干合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的激光头具有四种具体结构：第一种结构用于距离分辨，采用脉冲激光发射和回波光强度直接探测并且进行目标延时的时间测量实现距离分辨的激光头；第二种结构用于距离分辨，采用脉冲激光发射和回波的光学外差接收并且进行目标延时的时间测量实现距离分辨激光头；第三种结构用于距离分辨，采用脉冲啁啾激光发射和回波光学外差接收并且进行解斜解调实现距离分辨激光头；第四种结构用于多普勒频移分辨，采用单频连续激光发射和回波的光学外差接收并且进行频率解调实现多普勒频移距离分辨激光头。

3.根据权利要求1所述的聚束模式非相干合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的合成孔径激光成像雷达(1)分为三种工作模式：

1)传统聚束模式，即合成孔径激光成像雷达作直线运动，在运动中光学足迹恒定地指准在被测目标平面内所关注的成像区域，这时在合成孔径激光成像雷达运动过程中该静止目标相对于合成孔径激光成像雷达产生转动；

2)逆聚束模式，被测目标作直线运动而雷达作跟踪，使得光学足迹恒定地指准被测目标，这时在被测目标运动过程中该静止合成孔径激光成像雷达相对于被测目标产生转动；

3)层析聚束模式，合成孔径激光成像雷达与被测目标相对静止，被测目标在光学足趾中只作旋转运动。

4.一种非相干合成孔径激光成像雷达的聚束模式成像的方法，特征在于其成像的方式包括二维目标的距离分辨成像、二维目标多普勒频移分辨成像、三维目标距离分辨成像或三维目标的多普勒频移二维压缩成像，包括下列步骤：

①根据被测目标的运动状态选定成像的聚束模式和相应的非相干合成孔径激光成像雷达的激光头结构；

②采用非相干合成孔径激光成像雷达在与被测目标的相对转动中测量和收集目标回波的距离分辨信息或者多普勒频移分辨信息；

③利用所述的图像处理器，即计算机进行被测目标图像重构，主要的算法包括正交投影的坐标变换预处理算法，或从获取数据重构目标图像的层析解调算法。

5.根据权利要求4所述的聚束模式成像的方法，其特征在于所述的成像的方式为二维被测目标的距离分辨成像，具体步骤如下：

①被测目标为平面物体，采用所述的传统聚束模式、逆聚束模式或者层析聚束模式，所述的激光头采用所述的第一种结构即脉冲激光发射和回波光强度直接探测方式、第二种结构即脉冲激光发射和回波光学外差接收、或者第三种结构即脉冲啁啾激光发射和回波光学外差接收方式；

②对于不同的非相干合成孔径激光成像雷达与被测目标的相对转动角下进行距离测量的距离数据收集，该距离定义为目标面上目标点所产生的相对于主平面的距离。事实上，在某一个θ角下的目标面上一个目标点(x″，y″)所产生的相对于主平面的距离(z)应当为

对于非相干合成孔径激光成像雷达所获得的一维距离数据，然后采用计算机进行坐标系统的变换，即实现投影轴定位：设定相对于目标面坐标系统进行转动后的新坐标系统为(α，β)，对于非相干合成孔径激光成像雷达和被测目标在θ采样角下采用如下的坐标转动角γ，即

这时投影距离等位线将平行于α轴，而目标点(x″，y″)对于主平面的距离在β轴上的投影位置变为：

设目标函数为p(x″，y″)为光强或者场强振幅分布，则沿距离等位线α方向上的距离分辨的图像函数在β轴上投影的积分为一维函数为：

p_RR(β：γ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα

这是在不同采样角下非相干合成孔径激光成像雷达数据收集和坐标变换后产生的目标的有关距离数据，所有采样角下的一维距离数据集成为非相干合成孔径激光成像雷达的被测目标二维距离收集数据；

③从被测目标回波的二维距离收集数据中重构出目标二维图像，这时使用计算机进行数据和图像处理：计算机采用最标准的层析解调方法是反向投影算法或雷登-傅立叶变换方法，所述的反向投影算法进行目标像重构的层析计算公式为：

$g_B(x^{\′\′},y^{\′\′})=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{RR}}(\mathrm{\β}:{\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{RR}}(x^{\′\′}\sin {\mathrm{\γ}}_i+y^{\′\′}\cos {\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ},$

其中：γ_i为第i次投影的等效坐标系转角，Δγ是两次投影的角差，i是投影次数，公式表明从非相干合成孔径激光成像雷达获得的二维数据P_RR可以计算出目标的二维图像g_B；

所述的雷登-傅立叶变换方法基于投影-切片原理，即一个投影的傅立叶变换是该物体二维傅立叶变换的一个切片，因此对于被测目标作二维傅立叶变换，有：

对于投影作一维傅立叶变换：

则根据投影-切片理论，即有F(f_xcosγ，f_ysinγ)＝P(f_β：γ))，

一系列的投影将产生图像的近似二维傅立叶变换，重构像可以进一步采用逆傅立叶变换产生，其中必要时还需要采取插值或和极坐标-直角坐标变换处理。

6.根据权利要求4所述的聚束模式成像的方法，其特征在于所述的成像的方式为二维目标多普勒频移分辨成像，具体步骤如下：

①被测目标为平面物体并具有自转，非相干合成孔径激光成像雷达采用层析聚束模式，激光头采用上述的第四种结构即采用单频连续激光发射和回波的光学外差接收并且进行频率解调，假定目标旋转角速度为ω；

②对于不同的非相干合成孔径激光成像雷达与被测目标的相对转动角下进行多普勒频移测量，实现目标的多普勒频移数据收集，该多普勒频移定义为目标面上目标点所产生的相对于非相干合成孔径激光成像雷达的多普勒频移，事实上，在某一个目标转动角(θ)下的目标面上一个目标点(x″，y″)所产生的合成孔径激光成像雷达观察方向上的激光光频的多普勒频移应当为：

对于非相干合成孔径激光成像雷达所获得的一维多普勒频移数据，然后采用计算机进行坐标系统的变换，即实现投影轴定位，设定：相对于目标面坐标系统进行转动后的新坐标系统为(α，β)，对于激光雷达和目标在θ采样角下采用如下的坐标转动角γ，即

这时投影多普勒频移等位线将平行于α轴，而目标点(x″，y″)对于主平面的多普勒频移在β轴上的投影位置为：

设目标函数为p(x″，y″)为场强振幅分布，则沿多普勒频移等位线α方向上的多普勒分辨的图像函数在β轴上投影的积分为一维函数：

p_DS(β：γ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα

这是在不同采样角下非相干合成孔径激光成像雷达数据收集和坐标变换后产生的目标的多普勒频移有关数据，所有采样角下的一维多普勒频移数据集成为非相干合成孔径激光成像雷达的被测目标多普勒频移二维收集数据；

③从所述的被测目标回波的二维多普勒频移收集数据中重构出与多普勒频移有关的目标二维图像，这时使用计算机进行数据和图像处理，数据和图像处理方法采用反向投影算法，目标多普勒频移图像的计算公式为：

$g_B(x^{\′\′},y^{\′\′})=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{DR}}(\mathrm{\β}:{\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{DR}}(x^{\′\′}\sin {\mathrm{\γ}}_i+y^{\′\′}\cos {\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}$

其中：γ_i为第i次投影的等效坐标系转角，Δγ是两次投影的角差，i是投影次数。

7.根据权利要求6所述的聚束模式成像的方法，其特征在于所述的计算机进行数据和图像处理方法还有滤波反向投影方法，雷登-傅立叶变换，匹配滤波算法，或Hough变换方法。

8.根据权利要求4所述的聚束模式成像的方法，其特征在于所述的成像的方式为三维目标距离分辨成像，具体步骤如下：

①被测目标为三维物体，采用传统聚束模式，逆聚束模式或者层析聚束模式，所述的激光头采用第一种结构即脉冲激光发射和回波光强度直接探测方式，第二种结构即脉冲激光发射和回波光学外差接收，或者第三种结构即脉冲啁啾激光发射和回波光学外差接收方式；

②采用所述的二维目标的距离分辨成像过程中的距离数据和坐标变换方法，得到第n个距离剖面的θ(γ)角的目标距离在β(n)轴上的投影为：

p_RR(β(n)：γ)＝∫g_n(α(n)cosγ+β(n)sinγ，-α(n)sinγ+β(n)cosγ)dα(n)，但为了得到三维成像，其距离剖面的间隔必须满足下列条件：

即物体在y″方向宽度为L_y，以保证距离剖面的投影的积分在距离(时间)上不重叠：

③采用计算机使用反向投影算法采用如下计算公式可以得到第n个距离剖面的目标像为：

$g_{\mathrm{Rn}}(x^{\′\′}\left(n\right),y^{\′\′}\left(n\right))=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{RR}}(\mathrm{\β}\left(n\right):{\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}=\underset{i=1}{\overset{I}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{RR}}(x^{\′\′}\left(n\right)\sin {\mathrm{\γ}}_i+y^{\′\′}\left(n\right)\cos {\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ};$

④得到了所有的距离剖面的目标二维像，采用计算机层析合成出物体三维像g_BRR，计算公式如下：

$g_{\mathrm{BRR}}(x^{\′\′}\left(0\right),y^{\′\′}\left(0\right),z)=\underset{n=0}{\overset{\±N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_{\mathrm{RR}:n}(x^{\′\′}\left(n\right),y^{\′\′}\left(n\right)+\mathrm{n\Δ}{Y}^{\′\′})\mathrm{\δ}(z+\mathrm{n\Δ}{Z}^{\′\′}),$

其中：ΔZ″为沿中心轴的距离剖面结构。

9.根据权利要求4所述的聚束模式成像的方法，其特征在于所述的成像的方式为三维目标的多普勒频移二维压缩成像，具体步骤如下：

①设定被测目标为三维物体并且具有自转，非相干合成孔径激光成像雷达采用层析聚束模式，激光头采用第四种结构即采用单频连续激光发射和回波的光学外差接收并且进行频率解调，假定被测目标的旋转角速度为ω；

②对于不同的非相干合成孔径激光成像雷达与被测目标的相对转动角下进行多普勒频移测量，实现目标的多普勒频移数据收集，该多普勒频移定义为目标面上目标点所产生的相对于激光雷达的多普勒频移，在某一个目标转动角(θ)下的目标基底面上一个目标点(x″，y″)所产生的合成孔径激光成像雷达观察方向上的激光光频的多普勒频移为：

对于非相干合成孔径激光成像雷达所获得的一维多普勒频移数据，然后采用计算机进行坐标系统的变换，即实现投影轴定位：相对于目标基底面坐标系统进行转动后的新坐标系统为(α，β)，对于激光雷达和目标在θ采样角下采用如下的坐标转动角γ，即

这时投影多普勒频移等位线将平行于α轴，而目标点(x″，y″)对于主平面的多普勒频移在β轴上的投影位置应当变为：

设以基底为参考的目标函数为p(x″，y″)场强振幅分布，则沿多普勒频移等位线α方向上的多普勒分辨的图像函数在β轴上投影的积分为一维函数：

p_DS(β：γ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα

这是在不同采样角下非相干合成孔径激光成像雷达数据收集和坐标变换后产生的目标的多普勒频移有关数据，所有采样角下的一维多普勒频移数据集成为激光雷达的目标多普勒频移二维收集数据；

③从被测目标回波的二维多普勒频移收集数据中重构出与多普勒频移有关的目标的深度压缩二维多普勒频移图像，这时使用计算机进行数据和图像解调处理，数据和图像解调处理采用反向投影算法，目标多普勒频移像的计算公式为：

$g_B(x^{\′\′},y^{\′\′})=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{DR}}(\mathrm{\β}:{\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{p}_{\mathrm{DR}}(x^{\′\′}\sin {\mathrm{\γ}}_i+y^{\′\′}\cos {\mathrm{\γ}}_i)\mathrm{\Δ\γ}$

其中：γ_i为第i次投影的等效坐标系转角，Δγ是两次投影的角差，i是投影次数。

10.根据权利要求9所述的聚束模式成像的方法，其特征在于所述的解调方法还有滤波反向投影，雷登-傅立叶变换，匹配滤波算法，Hough变换算法。

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