CN103576145A - 机载合成孔径激光雷达系统及成像方法 - Google Patents

机载合成孔径激光雷达系统及成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种机载合成孔径激光雷达系统及成像方法，所述的机载合成孔径激光雷达包括激光单元、微波单元、数据采集和记录器(AD)、稳定平台、位置和姿态测量系统(POS)等。微波宽带信号通过激光相位调制器调制到激光频段发射出去，耦合部分功率的激光发射信号进入接收端以供系统定标处理、距离向脉冲压缩和随机初相位的校正。将回波信号在频域做滤波处理以消除稳定平台减振后的残余振动对成像的影响；在保证方位向分辨率实现的同时，采用子带图像非相干累积处理提高图像信噪比，并抑制相干斑。本发明提出了一种把微波SAR成像技术和激光成像技术相结合的合成孔径激光雷达成像方法，促进了光学遥感和微波遥感技术的融合发展。

Description

机载合成孔径激光雷达系统及成像方法
技术领域
本发明属于合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)和光学遥感技术领域，特别涉及一种机载合成孔径激光雷达系统及成像方法。具体涉及一种将合成孔径的雷达成像技术运用到激光波段的合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar，SAL)系统设计方法，特别是利用机载平台实现合成孔径激光雷达并利用该雷达系统成像的方法。
背景技术
光学成像系统和激光雷达成像系统其空间分辨率都受系统孔径的限制。对于一定的工作波段，一定大小的系统孔径，分辨率会随着距离的增加而下降。因此，高分辨率的远距离成像需要很大的系统孔径。但是，在实际系统中很多因素限制了系统孔径的增加，并且成像分辨率本质上还会受到系统采用的波长的限制，较长的波长会导致较差的分辨率，这两种限制对于整个电磁波波段都是存在的。
合成孔径技术是利用运动的雷达平台，步进地发射和接收雷达信号，将这些含有接收处回波的相位、幅度信息的回波信号按阵列回波做合成处理，得到与实际长阵列相类似结果的技术。利用合成孔径技术获取的方位向分辨率为λ表示载波波长，θbw表示雷达波束宽度。
合成孔径激光雷达由于采用合成孔径的原理，分辨率不随着距离的增加而下降，因此能获得更高的分辨率，在超高分辨率观测技术领域有广阔的发展前景。
国内中科院上海光机所、西安电子科技大学、中科院电子所、中科院上海技物所都积极开展合成孔径激光成像技术研究工作，目前已获得毫米级成像结果。但依旧存在以下问题：主要工作停留在室内桌面试验状态；为产生大的距离向带宽，采用了类似SAR频率步进的技术方案，用慢时间获取信号带宽；为形成方位向带宽的空间步进也很慢，由此产生长达数十分钟的数据获取时间，在该条件下对运动误差的测量提出了过高的要求，没有考虑到航空激光SAR合成孔径成像时间在毫秒量级的特点；桌面系统的分辨率在毫米量级，和航空应用需求的5-10cm分辨率相差甚远。
美国雷声公司于2006年2月17日报导了合成孔径激光成像雷达机载实验结果，该样机采用1.5μm成熟的激光光源和光纤器件。2006年4月美国诺斯罗普·格鲁门公司采用最新研发的CO2激光器，也在DARPA的资助下，成功演示了机载合成孔径激光成像雷达成像实验。上述机载实验验证了该技术在空间远程探测和高分辨率成像等军事应用中的巨大潜力，引发了空间远程高分辨率成像的新技术革命。
在美国军方的继续资助下，该技术正朝实用化方向进展，2006年秋利用机载实验实现了三维成像，2007年春对城市和峡谷等复杂目标进行了成像实验，展示了合成孔径激光成像雷达在三维目标成像和复杂目标成像方面的优势和潜力。
2011年美国洛克希德-马丁公司独立完成了合成孔径激光成像雷达演示样机的机载实验，其机载样机系统，对距离1.6km的地面目标实现了幅宽1m，方位向分辨率3.3cm的成像。该实验系统没有使用载机平台运动测量设备，平台运动通过平衡架消除，残余运动对成像的影响完全通过自聚焦算法消除(参见：Brian W. Krause，Joe Buck，Chris Ryan，et al.SyntheticApertureLadarFlightDemonstration[C].CLEO：Science andInnovations 2011.Baltimore Maryland.)。该系统采用自聚焦算法时方位向成像分辨率为3.3cm，当利用场景内的角反射器做自聚焦成像处理时方位向分辨率可提高到2.5cm。存在的主要问题是：飞行作业期间没有使用POS记录载机平台的运动状态，增加了后期数据处理的压力；主要利用自聚焦算法去除经过平衡架减振后的残余振动对成像的影响；场景内需布设角反射器以提高成像质量。
发明内容
本发明要解决的技术问题主要包括以下几点：为适应载机平台设计机载合成孔径激光雷达总体方案；解决高灵敏度激光信号相干调制技术问题；解决运动和相位误差对高分辨率激光成像的影响。
为解决上述问题，本发明提出了一种机载合成孔径激光雷达系统设计方法。
本发明提出的一种机载合成孔径激光雷达系统包括激光单元、微波单元、数据采集和记录器(AD)，所述的激光单元用于激光信号的产生、发射和接收，其进一步包括激光光源、发射端光纤放大器和接收端光纤放大器、激光相位调制/解调器；所述的微波单元用于微波信号的产生、发射和接收以及系统时序控制，其进一步包括接、频率源和定时器、线性调频信号产生器或者编码信号产生器、相干调制/解调器；所述的数据采集和记录器(AD)，用于解调后微波信号的采集和记录。
微波单元在频率源的激发和定时器的控制下产生宽带信号和中频信号，并通过相干调制器将宽带信号调制到中频信号上，利用激光相位调制器将该调制后的微波中频信号调制到激光光源产生的激光信号频段，生成激光发射信号，通过由定时器的选通脉冲控制的光纤放大器放大并发射出去，发射的同时耦合部分功率的激光发射信号进入接收端，接收端收到的激光回波信号和发射耦合信号通过光纤放大器放大，利用激光相位解调器和激光光源解调出微波中频信号，该信号经过接收机接收后，通过相干解调器利用中频信号正交解调出宽带信号的IQ两路到数据采集和记录设备，完成AD转换和记录。
本发明的系统采用脉冲压缩体制，为获得高距离分辨率所需的宽带信号波形可选择线性调频信号或相位编码信号。
当使用线性调频信号时，该宽带信号可利用SAR常用的电路产生，并相干调制到微波中频信号上。利用激光相位调制器将该微波中频信号调制到激光光源产生的激光信号频段上，生成激光发射信号，通过由微波单元定时器选通脉冲控制的光纤放大器放大并发射出去，发射的同时耦合部分功率的激光发射信号进入接收端，接收端收到的激光回波信号和发射耦合信号通过光纤放大器放大，利用激光相位解调器和光电探测器解调出微波中频信号，该信号经过接收机低噪声放大器(LNA)和相干解调后，经AD完成数据采集和记录，对记录的信号采用微波频段SAR的技术流程进行处理。
当使用相位编码信号时，由编码产生器电路产生的相位编码信号直接作用于激光相位调制器，在激光载波上产生相位编码信号。相位编码信号的发射、接收和相位解调的过程和上述线性调频信号相同，其信号的处理流程和微波频段SAR的技术流程接近，其微波信号的载频为零中频，编码信号的脉冲压缩需利用相关器实现。
本发明的系统利用所述的数据采集和记录器进行数据采集时，将发射信号耦合记录形成参考信号，同时完成随机初始相位校正使微波源和激光源相干。
所述的激光单元通过载机平台机腹下的窗口直接倒挂在所述的稳定平台上，实现其在舱外机腹下的侧视工作能力；稳定平台用于隔离载机平台在飞行作业时由于气流和飞行不稳定的姿态变化导致的误差和实现对高频振动的机械减阵作用，同时保证激光波束的指向稳定。
所述的机载合成孔径激光雷达系统，对利用所述的稳定平台减振后的残余振动采用频域滤波处理，消除其对成像的影响。
对所述的频域滤波处理后的剩余带宽，通过子带成像处理和子带图像非相干累积提高信噪比，并抑制相干斑。
当回波和发射信号距离较近时，用于系统定标的耦合发射信号的记录在回波后实施，当前时刻记录的耦合信号用于对下一个重复周期回波信号的定标。
该系统在成像处理时，所述的成像方法为RD算法，当非正侧视回波信号有距离走动时，在使用POS数据的基础上用KEYSTONE变换进行距离徙动校正。
为扩大幅宽和增大作用距离，系统可通过以下方案进行调整：提高光源的相干性；成像分辨率随幅宽调整；激光单元使用交轨向线状扩束器和交轨向多元探测阵列，采用交轨向扫描扩大幅宽，由于瞬时幅宽较小，系统可采用高重频距离模糊工作体制；增大系统接收和发射孔径以扩大作用距离。
本发明突破合成孔径激光成像雷达关键技术，弥补了我国在合成孔径激光成像雷达原理样机系统设计和验证飞行试验研究方面的空白，为合成孔径激光成像雷达工程样机研制提供技术支撑，提出了一种把微波SAR成像技术和激光成像技术相结合的合成孔径激光雷达成像方法，促进了光学遥感和微波遥感技术的融合发展。
合成孔径激光雷达由于其采用相干体制，代表着激光雷达的发展方向，具有重要的研究价值。除用于对地二维成像观测外，在远距离三维激光雷达地形测绘和多普勒风场测量方面也具有广阔的应用前景，具体包括：1、高分辨率成像技术研究(成像转角很小的主动激光成像，在原理上可和可见光图像融合)；2、基础测绘(高空三维激光雷达距离向采用脉冲压缩，顺轨采用合成孔径成像体制，提高顺轨空间分辨率)；3、大气风场测量(目前的激光多普勒雷达距离向可改为脉冲压缩体制)；4、空间安全(激光ISAR空间目标监视)。
附图说明
图1为本发明的机载合成孔径激光雷达系统实现框图；
图2为本发明信号方位频谱分析和处理范围示意图；
图3为本发明数据采集和记录方式示意图。
具体实施方式
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。
本发明的机载合成孔径激光雷达系统包括激光单元、微波单元、数据采集和记录器(AD)、稳定平台、位置和姿态测量系统(POS)等。所述稳定平台搭载于载机平台上，用于隔离载机平台在飞行作业时由于气流和飞行不稳定的姿态变化导致的误差和实现对高频振动的机械减振作用，同时保证激光波束的指向稳定。该稳定平台可以选用通用的机载稳定平台，如光学载荷的稳定平台或者磁悬浮稳定平台。
所述的激光单元包括激光光源、发射端光纤放大器和接收端光纤放大器、激光相位调制/解调器、光电探测器等，主要用于激光信号的产生、发射和接收。所述激光光源是采用高频率稳定度的点频激光光源；所述的光纤放大器主要功能是放大激光信号，涉及发射端和接收端两部分；所述的激光相位调制器是将微波中频信号调制到激光频段的仪器，所述的激光相位解调器是将微波中频信号从激光信号中解调出来的仪器；所述的光电探测器是实现光信号到电磁信号转换的设备。所述的激光器主机通过载机平台机腹下的窗口直接倒挂在所述的稳定平台上，实现其在舱外机腹下的侧视工作能力。
所述的微波单元包括接收机低噪声放大器(LNA)、频率源和定时器、线性调频信号产生器(或者编码信号产生器)、相干调制/解调器，主要用于微波信号的产生、发射和接收以及系统时序控制。所述的接收机低噪声放大器(LNA)是用来接收微波信号同时实现微波信号的低噪声放大的设备；所述的频率源是用来产生变频需要的本振信号和各个单元需要的时钟及基准信号的设备，所述的定时器是产生各种时序控制信号，管理系统工作时序的设备；系统宽带信号波形可选择为线性调频信号或相位编码信号，可分别用线性调频信号产生器或用编码信号产生器产生；所述的相干调制器的输入信号是中频信号和宽带信号，该相干调制器能利用正交调制的方法将宽带信号上变频到中频上，相干解调器的输入信号是中频信号和被调制的微波中频信号，该解调器能利用正交解调的方法将宽带信号恢复到基带。
所述的宽带信号波形可选择为线性调频信号或二相编码信号。若选为线性调频信号时，信号可在微波频段产生，采用调相方式相干调制到高频率稳定度的激光载波上利用光纤放大器放大后经光学系统发射，回波经光学系统接收放大后，相干解调成微波信号；若选为相位编码信号时，编码信号产生器电路产生的相位编码信号直接作用于激光相位调制器，在激光载波上产生相位编码信号，该信号的脉冲压缩需利用相关器实现。
所述的位置和姿态测量系统(POS)用于测量所述的激光器主机在作业期间的位置和姿态信息，包括GPS和IMU(Inertial Measurement Unit，惯性测量装置)及其他附属设备。可利用通用的位置和姿态测量系统，其数据主要用于实际激光回波信号的初校正
所述的数据采集和记录器(AD)是实现数据采集和记录的设备。
下面进一步参照图1来说明本发明的机载合成孔径激光雷达系统的工作流程。
参照图1，在频率源的激发和定时器的控制下产生线性调频信号(宽带信号)和中频信号，并通过相干调制器将宽带信号调制到中频信号上。利用激光相位调制器将该微波中频信号调制到激光光源产生的激光信号频段，生成激光发射信号，通过由定时器的选通脉冲控制的光纤放大器放大并发射出去。发射的同时耦合部分功率的激光发射信号进入接收端。接收端收到的激光回波信号和发射耦合信号通过光纤放大器放大，利用激光相位解调器和激光光源解调出微波中频信号，该信号经过接收机接收后，通过相干解调器利用中频信号正交解调出宽带信号的IQ两路到数据采集和记录设备，完成AD转换和记录。
为解决激光光源和微波信号源不相干问题，将激光发射信号耦合到接收机中，进行数据采集和记录，利用该耦合信号形成参考信号对回波进行脉冲压缩，同时实现激光和微波信号的随机初相位校正。
系统采用脉冲压缩体制，为获得高距离分辨率所需的信号带宽也较宽，作为本发明的一种优选方式，宽带线性调频信号，带宽为3.6GHz，该线性调频宽带信号可在微波频段(3GHz载频，频率范围为1.2GHz-4.8GHz)产生，采用调相方式相干调制到激光载波上利用光纤放大器放大后经光学系统发射，回波经光学系统接收放大后，相干解调成微波信号(3GHz载频，频率范围为1.2GHz-4.8GHz)，后续合成孔径成像工作采用微波频段SAR的技术流程进行处理。
本发明的稳定平台可以选择LH system PAV系列稳定平台，是徕卡公司研制的高性能、高可靠性航空陀螺稳定平台，可以选用的型号是PAV30/80；所述的载机平台可选用运12飞机，该飞机可在1km高度以50m/s的速度平稳飞行，并有和PAV系列平台相适应的光学窗口。
本发明的最大作用距离可优选设置为1.5km，其最大脉冲宽度设置为1us，为保证测距不模糊，其重复周期约为11us，对应的最高重复频率约为90kHz。
本发明的激光波束宽度优选确定为0.8mrad，地面足迹直径(地距向幅宽)大小约为1.5m。当载机速度为50m/s时，其方位向的多普勒带宽约为51.6kHz，当系统重复频率选为90kHz，其方位向过采样率为1.7倍。
本发明的激光器光源波长优选设计为1.55um，的频率稳定度需优于±10kHz/10us。
本发明的AD采样率优选为4GHz，每脉冲距离向采样时间设定在2.3us时，其距离向的采样点数约为9K。
根据以上介绍的优选实施方式，可以确定当合成孔径时间为2～4ms，合成孔径长度为0.1～0.2m，方位分辨率为1～0.5cm，其对应的频率分辨率为500～1000Hz。回波信号方位向全孔径带宽为51.6kHz，对应的全孔径方位向分辨率约为1mm，全孔径合成孔径时间为20ms，全分辨率合成孔径长度为1m，但要实现5cm分辨率，在方位向只需要1kHz的信号带宽。
根据以上介绍的优选实施方式，通过PAV稳定平台减振后，在对应于250Hz的残余振动，4ms时间内，激光主机的位置移动范围为±15um，在激光波长上可能产生的多普勒频率为±9.7kHz；在对应于125Hz残余振动的8ms时间内，当激光主机移动范围为±50um，在激光波长上可能产生的多普勒频率为±9.7kHz；在对应于100Hz残余振动的10ms时间内，当激光主机的位置移动范围为±40um，在激光波长上可能产生的多普勒频率约为±10kHz。
考虑以上介绍的分辨率和残余振动两个因素，本发明拟在频域采用滤波处理，结合图2说明。舍弃-10kHz至+10kHz范围的信号，对剩余的30kHz带宽信号，以1kHz带宽为间隔进行成像处理，再进行非相干积累提高信噪比并抑制相干斑，等效做微波SAR的20-30视处理；同时，若能将稳定平台减振后的100Hz残余振动产生的位移控制在±40um量级，250Hz残余振动产生的位移控制在±15um量级，那么舍弃-10kHz至+10kHz范围的信号，即可使系统满足使用要求。在距离向采用的处理方法和方位向类似，在距离频域舍弃-10KHz至+10KHz范围信号，由于该范围信号相对3.6GHz信号带宽很小，对距离向的5cm分辨率实现不会构成影响。
根据以上介绍的优选实施方式，虽然幅宽很小，但为解决激光光源信号和微波信号不相干问题，需记录发射信号并实施初相位校正。设计的信号采集方式如图3所示。数据采集过程中，用于系统定标的耦合发射信号的记录在回波后实施，当前时刻记录的数据用于对下一个重复周期回波信号的定标，相关的初相位校正处理在脉冲压缩过程中同时实施。
根据以上介绍的优选实施方式，采用微波SAR的体制和成像处理方法将记录的微波信号结合POS数据做成像处理。所述的成像方法可选择为RD算法，非正侧视回波信号有距离走动时可考虑在使用POS数据的基础上用KEYSTONE变换进行距离徙动校正。为扩大幅宽，激光器光学系统可采用机械扫描(其成像处理流程和微波SAR的SCAN模式相近)。
通过改变系统参数，最大作用距离可提高到10km左右，地距向幅宽可达到15m左右。
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。

Claims (10)

1.一种机载合成孔径激光雷达系统，包括激光单元、微波单元、数据采集和记录器AD、稳定平台、位置和姿态测量系统POS，其特征在于，
所述的激光单元用于激光信号的产生、发射和接收，其进一步包括激光光源、发射端光纤放大器和接收端光纤放大器、激光相位调制/解调器；所述的微波单元用于微波信号的产生、发射和接收以及系统时序控制，其进一步包括接、频率源和定时器、线性调频信号产生器或者编码信号产生器、相干调制/解调器；
所述的数据采集和记录器AD，用于解调后微波信号的采集和记录；
微波单元在频率源的激发和定时器的控制下产生宽带信号和中频信号，并通过相干调制器将宽带信号调制到中频信号上，利用激光相位调制器将该调制后的微波中频信号调制到激光光源产生的激光信号频段，生成激光发射信号，通过由定时器的选通脉冲控制的光纤放大器放大并发射出去，发射的同时耦合部分功率的激光发射信号进入接收端，接收端收到的激光回波信号和发射耦合信号通过光纤放大器放大，利用激光相位解调器和激光光源解调出微波中频信号，该信号经过接收机接收后，通过相干解调器利用中频信号正交解调出宽带信号的IQ两路到数据采集和记录设备，完成AD转换和记录；
所述稳定平台用于整个系统的承载、载机振动隔离和激光波束指向控制；
所述位置和姿态测量系统POS采用通用的位置和姿态测量系统，其数据用于实际激光回波信号的初校正。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统采用脉冲压缩体制，选择线性调频信号或相位编码信号，以获得高距离分辨率所需的宽带信号波形。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，当使用线性调频信号时，该宽带信号利用SAR常用的电路产生，并相干调制到微波中频信号上，当使用相位编码信号时，由编码产生器电路产生的相位编码信号直接作用于激光相位调制器，在激光载波上产生相位编码信号。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，利用所述的AD进行数据采集时，将发射信号耦合记录形成参考信号，同时完成随机初始相位校正使微波源和激光源相干。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的激光单元通过载机平台机腹下的窗口直接倒挂在所述的稳定平台上，实现其在舱外机腹下的侧视工作能力；稳定平台用于隔离载机平台在飞行作业时由于气流和飞行不稳定的姿态变化导致的误差和实现对高频振动的机械减振作用，同时保证激光波束的指向稳定。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，对利用所述的稳定平台减振后的残余振动采用频域滤波处理，消除其对成像的影响。
7.如权利要求5所述的机载合成孔径激光雷达系统，其特征在于，对所述的频域滤波处理后的剩余带宽，通过子带成像处理和子带图像非相干累积提高信噪比，并抑制相干斑。
8.如权利要求1至7任一项所述的系统，其特征在于，该系统在成像处理时，所述的成像方法为RD算法，当非正侧视回波信号有距离走动时，在使用POS数据的基础上用KEYSTONE变换进行距离徙动校正。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，当回波和发射信号距离较近时，用于系统定标的耦合发射信号的记录在回波后实施，当前时刻记录的耦合信号用于对下一个重复周期回波信号的定标。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述的微波单元还包括接收机低噪声放大器LNA，用于接收微波信号同时实现微波信号的低噪声放大。
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