CN103760548A - 一种基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法 - Google Patents

一种基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，包括步骤：对相干体制激光雷达的线性调频信号的相位进行量化得到激光雷达波形；依据激光雷达波形生成激光相位调制信号，一方面，获取延时的激光相位调制信号，另一方面，放大并发射激光相位调制信号；对接收的目标回波信号与延时的激光相位调制信号进行去调相处理，生成正交解调回波信号；利用模数转换器采集、记录正交解调回波数据；对正交解调回波数据进行相位误差估计和校正，得到相位误差校正后的回波信号；对相位误差校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换，得到目标的距离向脉冲压缩信号，用于在大幅度降低模数转换器采样率的条件下实现相干体制激光雷达高距离分辨率成像。

Description

一种基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法
技术领域
本发明属于相干体制激光雷达技术领域，特别是一种相干体制激光雷达波形设计及其信号处理方法，具体涉及的相干体制激光雷达包括合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar，SAL)、相干体制三维成像激光雷达、相干体制多普勒测风雷达。
背景技术
随着激光光源信号相干性的提高，相干体制的激光雷达技术已经得到了快速发展。其激光雷达的种类和主要的应用方向包括：
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，无论对技术推动和实际应用均具有重要的研究价值；
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)；
基础测绘(高空三维激光雷达距离向采用脉冲压缩，顺轨向采用合成孔径成像体制，提高空间探测分辨率。脉冲压缩技术有助于实现远距离时的高距离分辨率探测，并平衡峰值功率和平均功率的矛盾)；
大气风场测量(目前的激光多普勒测风雷达距离向可改为脉冲压缩体制)。
激光雷达成像系统和光学成像系统一样，其空间分辨率都受天线孔径的限制。对于一定载频的激光和一定大小的天线孔径，方位分辨率会随着距离的增加而下降。因此，要实现远距离时的高分辨率成像需要很大的天线孔径。但是，在实际系统中很多因素限制了天线孔径的增加，因此限制了方位分辨率的提高。
作为相干激光雷达的典型例子，合成孔径激光雷达由于采用合成孔径的原理，方位分辨率不随距离的增加而下降，因此能获得更高的方位分辨率，在超高分辨率观测技术领域有广阔的发展前景。目前其研究已经得到了广泛的关注，并取得了明显的研究进展。
合成孔径激光雷达为形成高分辨率图像需要形成宽带信号。宽带信号的形式主要包括宽带频率调制信号和宽带相位调制信号，目前微波合成孔径雷达(SAR，Synthetic Aperture Radar)主要使用了宽带频率调制信号，并采用了成熟的成像处理技术，实现的图像分辨率已达到厘米量级。在激光波段，由于实现频率调制的声光器件的限制，目前短时间内(μs级)能够实现的调频信号带宽较小，达不到厘米级分辨率对应的带宽要求，现阶段只能考虑使用在激光数字通信技术支持下发展出的高速宽带激光相位调制器形成宽带激光相位调制信号。
国内对相干体制激光雷达已展开了一些研究，积极开展了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，无法满足实际中要在短时间内生成大带宽信号的应用要求。另外，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。
国外有关相干体制激光雷达成像的工作开展相对较早，取得了一定的研究成果。2006年美国雷声公司和诺斯罗普·格鲁门公司先后报导和演示了机载合成孔径激光雷达成像实验。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。事实上，美国洛克希德-马丁公司的机载实验系统就是使用了相位编码信号并有效结合了微波SAR的成像处理技术。
发明内容
(一)要解决的技术问题
要解决的技术问题主要包括以下几点：1.解决相干体制激光雷达高分辨率要求的宽带信号产生问题和发射信号的高峰值功率问题；2.解决宽带信号的高速采样率问题；3.解决回波信号在存在相位误差情况下脉冲压缩性能降低的问题；鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提出了一种基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，其包括：
步骤S1：对相干体制激光雷达的线性调频信号的相位进行量化，得到激光雷达波形；
步骤S2：依据激光雷达波形，生成激光相位调制信号，一方面，将激光相位调制信号延时，得到延时的激光相位调制信号，另一方面，将激光相位调制信号进行放大，并由相干体制激光雷达发射放大的激光相位调制信号；
步骤S3：将相干体制激光雷达接收的目标回波信号与延时的激光相位调制信号进行去调相处理，生成正交解调回波信号；
步骤S4：利用模数转换器采集正交解调回波信号，并由数据记录器记录正交解调回波数据；
步骤S5：对记录的正交解调回波数据进行相位误差估计和相位误差校正，得到相位误差校正后的回波信号；
步骤S6：对相位误差校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换，得到目标的距离向脉冲压缩信号。
(三)有益效果
1.本发明设计了一种相干体制激光雷达波形，用高速宽带激光相位调制器生成宽带激光相位调制信号，实现了高距离分辨率要求的宽带信号，该信号适用于周期相位调制的连续波形式，降低了发射信号的峰值功率；
2.本发明设计了去调相接收方式，降低了信号带宽，使用低采样率AD转换器完成数据采集，使系统得以简化；
3.本发明提出了相位误差校正方法，保证了回波信号的脉冲压缩性能。
附图说明
图1为本发明基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法的流程图；
图2为本发明中激光雷达波形的相位示意图；
图3为本发明中激光雷达波形的脉冲压缩性能示意图；
图4为本发明中相干体制激光雷达去调相接收的具体实现示意图；
图5为本发明中激光雷达回波信号经去调相接收后的脉冲压缩结果示意图；
图6为本发明中相干体制激光雷达相位误差校正的去调相接收的具体实现示意图；
图7a为本发明中含相位误差的LFM连续相位调制信号回波(或者经过耦合并延时的激光发射信号)经去调相接收的脉冲压缩结果示意图；
图7b为估计出的信号相位误差示意图；
图7c为对含相位误差的LFM连续相位调制信号回波(或者经过耦合并延时的激光发射信号)经去调相接收后进行相位误差校正的脉冲压缩结果示意图。
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，对本发明作进一步的详细说明。
图1示出了本发明中基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法的流程图，如图所示，该处理流程包括：
步骤S1：对相干体制激光雷达的线性调频(LFM)信号的相位进行量化，得到激光雷达波形；
步骤S2：依据激光雷达波形，生成激光相位调制信号，一方面，将激光相位调制信号延时，得到延时的激光相位调制信号，另一方面，将激光相位调制信号进行放大，并由相干体制激光雷达发射放大的激光相位调制信号；
步骤S3：将相干体制激光雷达接收的目标回波信号与延时的激光相位调制信号进行去调相处理，生成正交解调回波信号；
步骤S4：利用模数转换器(A/D)采集正交解调回波信号，并由数据记录器记录正交解调回波数据；
步骤S5：对记录的正交解调回波数据进行相位误差估计和相位误差校正，得到相位误差校正后的回波信号；
步骤S6：对相位误差校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换，得到目标的距离向脉冲压缩信号，用于在大幅度降低A/D采样率的条件下实现相干体制激光雷达高距离分辨率成像。
步骤S1中，所设计的激光雷达波形具有如下特点和性能：其信号相位历程等同于线性调频信号的相位历程，对应的脉冲压缩性能等同于线性调频信号的脉冲压缩性能；或者其信号相位历程是线性调频信号相位历程的量化实现，对应的脉冲压缩性能与线性调频信号的脉冲压缩性能相近。随着量化位数的增加，其信号的脉冲压缩性能不断逼近线性调频信号的脉冲压缩性能。当量化位数大于8时，其脉冲压缩后的副瓣情况和线性调频信号脉冲压缩后的副瓣情况相近。
图2示出了本发明激光雷达波形的相位示意图。图3示出了本发明激光雷达波形的脉冲压缩性能示意图。图2中，LFM连续相位调制信号是信号相位等同于线性调频信号相位的基带信号，LFM16PSK相位调制信号是信号相位为线性调频信号相位的16位量化实现的基带信号。
图3结果显示了LFM连续相位调制信号的脉冲压缩性能和线性调频信号的脉冲压缩性能相同，LFM16PSK相位调制信号的脉冲压缩性能和线性调频信号的脉冲压缩性能相近。
步骤S2中，所述激光相位调制信号是由激光相位调制器接收激光信号和调制信号，生成并输出激光相位调制信号。所述调制信号由高速数模转换器形成的调制信号产生器(或任意波形发生器)产生。所述激光相位调制器是高速宽带激光相位调制器，其生成的激光相位调制信号是宽带激光相位调制信号。
所述激光相位调制信号的一方面，当激光相位调制器具有连续相位调制能力时，生成线性调频信号相位的激光相位调制信号；所述激光相位调制信号的另一方面，当激光相位调制器不具有连续相位调制能力时，生成线性调频信号相位量化后的激光相位调制信号。
所述量化包括二进制、四进制、八进制、十六进制相移键控(2PSK，4PSK，8PSK，16PSK)和更高进制的相移键控等。
步骤S2中，将所述激光相位调制信号放大并发射时，激光相位调制信号分为脉冲和周期相位调制的连续波两种形式。采用周期相位调制的连续波形式，用于降低发射信号的峰值功率。
步骤S3中，所述去调相接收是将所述相干体制激光雷达接收的目标回波信号和延时的激光相位调制信号进行相干探测和正交解调，用以大幅度降低正交解调(I/Q)信号的带宽。所述正交解调(I/Q)信号的带宽小于接收的目标回波信号的带宽。
步骤S4中，使用低采样率的模数转换器采集正交解调回波数据。所述低采样率指采样率小于激光相位调制信号的带宽。
实施例1：图4示出了本发明相干体制激光雷达去调相接收的具体实现示意图，其主要包括：激光光源、晶振、定时器、调制信号产生器、激光相位调制器、光纤延时线、发射端光纤放大器、接收端光纤放大器、激光相干探测解调器、A/D转换器、数据记录器和脉冲压缩处理单元，其中：
定时器接收晶振信号，输出模数时钟信号、定时脉冲信号和选通脉冲信号；
调制信号产生器接收定时脉冲信号，生成并输出调制信号；
激光相位调制器接收调制信号和激光光源信号，生成并输出激光相位调制信号；
光纤延时线对激光相位调制信号进行延时，并输出延时的激光相位调制信号；
发射端光纤放大器接收激光相位调制信号和选通脉冲信号，并发射放大的激光相位调制信号；
接收端光纤放大器接收目标回波信号，经放大处理并发送放大的目标回波信号；
激光相干探测解调器与接收端光纤放大器连接，接收放大的目标回波信号和延时的激光相位调制信号，生成并输出正交解调(IQ)回波信号；
A/D转换器接收正交解调回波信号，生成正交解调回波数据；
由数据记录器记录正交解调回波数据；
脉冲压缩处理单元对记录的正交解调回波数据进行距离向傅里叶变换，获得目标的距离向脉冲压缩信号。
图5示出了激光雷达回波信号经去调相接收后的脉冲压缩结果示意图，图中红色虚线为LFM连续相位调制信号回波和其参考信号经过去调相接收后的距离向脉冲压缩图像，蓝色实线为LFM16PSK相位调制信号回波和其参考信号经过去调相接收后的距离向脉冲压缩图像。仿真参数为：雷达和场景目标的距离为15m，LFM连续相位调制信号和LFM16PSK相位调制信号的脉宽为10μs，带宽为3GHz，激光相位调制信号的延时为0，A/D转换器的采样率为500MHz。结果显示，LFM连续相位调制信号脉冲压缩性能良好；和LFM连续相位调制信号相比，LFM16PSK相位调制信号由于量化在脉冲压缩后产生了新的副瓣，但其副瓣的分布区离场景目标较远，且其电平较低，适用于对成像幅宽较小的使用场合。
步骤S5中所述相位误差和相位误差校正是在不同延时的情况下，估计出记录的正交解调回波数据中的强点回波信号(或者经过耦合并延时的激光发射信号)和理想波形信号相比较存在的相位误差，构建不同延时的情况下的相位误差补偿函数进行补偿，完成相位误差校正，以保证回波信号的脉冲压缩性能。
实施例2：图6示出了本发明相干体制激光雷达相位误差校正的去调相接收的具体实现示意图，其主要包括：激光光源信号、调制信号、激光相位调制器、光纤延时线、发射端光纤放大器、耦合器、接收端光纤放大器、激光相干探测解调器、A/D转换器和数据记录器、相位误差校正单元和脉冲压缩处理单元，其中：
激光相位调制器接收调制信号和激光光源信号，生成并输出激光相位调制信号；
光纤延时线对激光相位调制信号进行延时，并输出延时的激光相位调制信号；
发射端光纤放大器接收激光相位调制信号，并发射放大的激光相位调制信号；
耦合器/光纤延时线接收放大的激光相位调制信号，输出耦合并延时的激光发射信号；
接收端光纤放大器接收目标回波信号或者耦合并延时的激光发射信号，经放大处理并发送放大的目标回波信号；
激光相干探测解调器接收放大的目标回波信号和延时的激光相位调制信号，生成并输出正交解调回波信号；
A/D转换器接收正交解调回波信号，生成正交解调回波数据；
由数据记录器记录正交解调回波数据；
相位误差校正单元对记录的回波数据进行相位误差估计和相位误差校正，得到相位误差校正后的信号；
脉冲压缩处理单元对相位误差校正后的信号进行距离向傅里叶变换，获得目标的距离向脉冲压缩信号。
图7a-图7c中仿真参数为：雷达和场景目标的距离为15m，LFM连续相位调制信号的脉宽为10μs，带宽为3GHz，激光相位调制信号的延时为0，A/D转换器的采样率为500MHz。图7a示出了所述仿真参数的、含正弦相位误差的LFM连续相位调制信号回波(或者经过耦合并延时的激光发射信号)经去调相接收后的脉冲压缩结果示意图；图7b图示出了根据理想波形信号在该延时下的去调相结果，估计出经去调相接收后回波信号(或者经过耦合并延时的激光发射信号)存在的相位误差示意图；图7c图示出了用估计出的相位误差构造相位误差补偿函数对回波信号(或者经过耦合并延时的激光发射信号)经去调相接收后的信号进行相位补偿，再进行脉冲压缩的结果示意图。结果显示，和未经过相位误差校正的脉冲压缩结果相比，经过相位误差校正后的脉冲压缩性能得到很大的提高。
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，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 (9)

1.一种基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，其特征在于，包括步骤：
步骤S1：对相干体制激光雷达的线性调频信号的相位进行量化，得到激光雷达波形；
步骤S2：依据激光雷达波形，生成激光相位调制信号，一方面，将激光相位调制信号延时，得到延时的激光相位调制信号，另一方面，将激光相位调制信号进行放大，并由相干体制激光雷达发射放大的激光相位调制信号；
步骤S3：将相干体制激光雷达接收的目标回波信号与延时的激光相位调制信号进行去调相处理，生成正交解调回波信号；
步骤S4：利用模数转换器采集正交解调回波信号，并由数据记录器记录正交解调回波数据；
步骤S5：对记录的正交解调回波数据进行相位误差估计和相位误差校正，得到相位误差校正后的回波信号；
步骤S6：对相位误差校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换，得到目标的距离向脉冲压缩信号。
2.如权利要求1所述的基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，其特征在于，所述激光相位调制信号是由激光相位调制器接收激光信号和调制信号，生成并输出激光相位调制信号。
3.如权利要求2所述的基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，其特征在于，所述激光相位调制信号的一方面，当激光相位调制器具有连续相位调制能力时，生成线性调频信号相位的激光相位调制信号；所述激光相位调制信号的另一方面，当激光相位调制器不具有连续相位调制能力时，生成线性调频信号相位量化后的激光相位调制信号。
4.如权利要求3所述的基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，其特征在于，所述量化包括二进制、四进制、八进制、十六进制相移键控和更高进制的相移键控。
5.如权利要求1所述的基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，其特征在于，将所述激光相位调制信号放大并发射时，激光相位调制信号分为脉冲和周期相位调制的连续波两种形式。
6.如权利要求5所述的基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，其特征在于，所述周期相位调制的连续波形式，用于降低发射信号的峰值功率。
7.如权利要求1所述的基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，其特征在于，所述去调相接收是将所述相干体制激光雷达接收的目标回波信号和延时的激光相位调制信号进行相干探测和正交解调，用以大幅度降低正交解调回波信号的带宽。
8.如权利要求1所述的基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，其特征在于，使用低采样率的模数转换器采集正交解调回波数据。
9.如权利要求1所述的基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，其特征在于，所述相位误差和相位误差校正是在不同延时的情况下，估计出记录的正交解调回波数据中的强点回波信号和理想波形信号相比较存在的相位误差，构建不同延时的情况下的相位误差补偿函数对相位误差进行补偿，完成相位误差校正，用以保证回波信号的脉冲压缩性能。
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