CN104898127A - 一种多发多收合成孔径激光雷达系统及其体制设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种多发多收合成孔径激光雷达系统及其体制设计方法，能够实现高分辨率宽测绘带的测量要求。该方法具体包括如下步骤：在运动的载机上，设置一个凸透镜，并在所述凸透镜的焦平面上沿方位向均匀放置多个阵元；所述多个阵元发射探测信号，并接收经过所述凸透镜折射的目标回波信号；根据所述多个阵元接收到所述髠回波信号，确定合成孔径激光雷达图像。

Description

一种多发多收合成孔径激光雷达系统及其体制设计方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及雷达数字信号处理技术领域中的多发多收合成孔径激光雷达系统及其体制设计方法。本发明可以用于高分辨率宽测绘带合成孔径激光雷达成像。

背景技术

高分辨率对地观测要求分辨率较高，观测距离较远，测绘带宽较大，并且朝着多种传感器相互协同工作的方向发展，合成孔径激光雷达(SyntheticAperture Ladar(SAL)和微波合成孔径雷达(Synthetic Aperture Ladar(SAR)有着很好的优势互补特性。对大范围地域可以采用SAR进行普查，但对于感兴趣的目标设施，可以采用SAL进行更高分辨率的观测，SAL是对目前高分辨率对地观测手段的一个必要的补充手段。采用SAL技术可以实现在远距离比目前SAR的分辨率提高至少一个数量级的高分辨率观测。与传统合成孔径雷达相比，由于合成孔径成像激光雷达的工作波长较短，其可以得到比合成孔径雷达分辨率高得多得图像(分辨率几十微米到几毫米)。

SAL技术的研究已经被列入到国家高分辨率对地观测的发展规划当中，西安电子科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室在研究中发现单发单收的SAL在高分辨率体制下，其测绘带宽受到极大的限制。国外对SAL系统的研究已经进行了单发单收SAL的机载飞行试验，其测绘带宽在一公里作用距离时只有2米，单发单收SAL窄测绘带宽的性质，严重制约了SAL系统的实用化。如何解决距离向测绘带和方位向分辨率的矛盾实现高分辨率宽测绘带SAL，是今后SAL研究的核心问题。

发明内容

针对上述缺点，本发明的目的在于提出一种多发多收合成孔径雷达系统及其体制设计方法，实现高分辨率宽测绘带的测量要求。

为了实现宽测绘带，本发明技术方案使用较低的脉冲重复频率，从方位向上看，整个回波信号是欠采样的，通过增加方位向实际接收的通道，也就是采用多发多收的体制来缓解系统测绘带宽和分辨率之间的矛盾。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

技术方案一：

一种多发多收合成孔径激光雷达系统，所述多发多收合成孔径激光雷达系统至少包括：

一个凸透镜，以及多个阵元，所述多个阵元在所述凸透镜的焦平面上沿方位向均匀放置，且所述阵元为多发多收阵元。

本发明技术方案一的特点和进一步的改进为：

(1)当在所述凸透镜的焦平面上沿方位向均匀放置N个阵元时，所述多发多收合成孔径激光雷达系统的方位向波束宽度△θ_m为其中，d为各个阵元方位向长度，f为凸透镜的焦距。

(2)所述多发多收合成孔径激光雷达系统的方位向分辨率ρ_am为其中，λ为激光的波长。

技术方案二：

一种多发多收合成孔径激光雷达系统的体制设计，包括以下步骤：

步骤1，在运动的载机上，设置一个凸透镜，并在所述凸透镜的焦平面上沿方位向均匀放置多个阵元，所述阵元为多发多收阵元；

步骤2，所述多个阵元分别发射探测信号，并接收经过所述凸透镜折射的目标回波信号；

步骤3，根据所述多个阵元接收到目标回波信号，确定合成孔径激光雷达图像。

本发明技术方案二的特点和进一步的改进为：

(1)步骤2具体包括如下子步骤：

(2a)多个阵元分别发射探测信号，所述探测信号的波束中心通过所述凸透镜的光心；

(2b)所述探测信号经过所述凸透镜的折射到达目标；

(2c)所述探测信号经所述目标反射形成目标回波信号；

(2d)所述目标回波信号经过所述凸透镜的折射被多个阵元接收。

(2)所述探测信号为线性调频信号。

本发明提出的多发多收合成孔径雷达系统及其体制设计方法可以有效解决传统单发单收SAL体制中存在的距离向宽测绘带和方位向高分辨率的矛盾问题，实现高分辨率宽测绘带SAL成像，该发明成果将拓展SAL成像的概念和内涵，为未来针对典型应用的高分辨率宽测绘带系统的提出和研制提供理论和方法基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多发多收合成孔径激光雷达系统的体制设计方法流程示意图；

图2为本发明实施例提供的方位向多发多收SAL模型示意图；

图3为本发明实施例提供的单发单收SAL方位向波束示意图；

图4为本发明实施例提供的多发多收SAL方位向波束示意图；

图5为本发明实施例提供的多发多收SAL多普勒频谱示意图，横坐标为多普勒频率f_a(单位为赫兹(Hz)，纵坐标为幅度；

图6为本发明实施例提供的多发多收SAL数据合成示意图；

图7为本发明实施例提供的单发单收SAL体制的9个点目标成像的等高线图，横坐标为方位单元，纵坐标为距离单元；

图8为本发明实施例提供的单发单收SAL体制的9个点目标成像的方位脉压剖面图，横坐标为方位向距离，单位为米(m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝(dB)；

图9为本发明实施例提供的多发多收SAL体制的9个点目标成像的等高线图，横坐标为方位单元，纵坐标为距离单元；

图10为本发明实施例提供的多发多收SAL体制的9个点目标成像的方位脉压剖面图，横坐标为方位向距离，单位为米(m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝(dB)；

图11为图7中中间位置的点目标成像放大图，横坐标为方位单元，纵坐标为距离单元；

图12为图7中中间位置的点目标方位脉压剖面图，横坐标为方位向距离，单位为米(m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝(dB)；

图13为图7中中间位置的点目标距离脉压剖面图，横坐标为距离向距离，单位为米(m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝(dB)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种多发多收合成孔径激光雷达系统，所述多发多收合成孔径激光雷达系统至少包括：一个凸透镜，以及多个阵元，所述多个阵元在所述凸透镜的焦平面上沿方位向均匀放置，且所述阵元为多发多收阵元。

当在所述凸透镜的焦平面上沿方位向均匀放置N个阵元时，所述多发多收合成孔径激光雷达系统的方位向波束宽度其中，d为阵元方位向长度，f为凸透镜的焦距。

所述多发多收合成孔径激光雷达系统的方位向分辨率ρ_am为其中，λ为激光的波长。

参照图1，本发明具体的设计方法的流程如下：

步骤1，在运动的载机上，设置一个凸透镜，并在凸透镜的焦平面上沿方位向均匀放置N个阵元。

所述阵元为多发多收阵元。

参照图2，图2为方位向多发多收SAL模型示意图。X轴表征方位向运动距离，Y轴表征零多普勒线校准后的地距，Z轴表征阵元高度。O为坐标原点，O'为星下点。沿X轴方向，分别放置3个阵元，C₁、C₂和C₃分别为3个多发多收阵元的中心，C₁、C₂和C₃位于X轴上，其中C₂位于坐标原点O处。A为凸透镜的光心。v为多发多收阵元的运动速度，方向为X轴方向。P为地面上的点目标，P′为P点在零多普勒面OO′P′上的投影点。椭圆区域为波束覆盖区。MP′为地面法线。α为第二个多发多收阵元(C₁)的入射角，β为第三个多发多收阵元(C₂)的斜视角。

其中，凸透镜的焦距为f，在凸透镜的焦平面上，沿航向(方位向)均匀放置N个多发多收阵元，多发多收阵元的方位向长度为d。

参照图3所示单发单收SAL方位向波束示意图。v是单发单收阵元沿方位向的运动速度，d是单发单收阵元方位向的长度，f为凸透镜的焦距，△θ_s为单发单收SAL的波束散射角。ρ_as是单发单收SAL系统的方位向分辨率，此时单发单收SAL系统的波束散射角△θ_s可以由下式求得:

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_s=\frac{d}{f}$

在单发单收SAL系统中，方位向分辨率ρ_as为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{as}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_s}$

λ为激光的波长。

此时单发单收SAL系统的脉冲重复频率PRF_s的要求为：

${\mathrm{PRF}}_s\≥\frac{v}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{as}}}$

其中，v是阵元沿方位向运动速度。

在单发单收体制下，要提高方位向分辨率ρ_as，势必要减小透镜的焦距f，也就是减小透镜的尺寸，并且提高系统的脉冲重复频率PRF_s。减小透镜的尺寸会减少单发单收SAL系统接收的回波能量，也就是减小图像的信噪比，而增大脉冲重复频率会使测绘带宽变小。而本发明技术方案采用的方位向多发多收的方式可以在不增加脉冲重复频率的条件下提高多发多收SAL系统方位向的分辨率。

参照图4所示多发多收SAL系统方位向波束示意图。v是多发多收阵元沿方位向的运动速度，d是多发多收阵元方位向的长度，f为凸透镜的焦距，△θ_m为多发多收SAL的波束散射角。

假设多发多收SAL系统方位向一共有N个多发多收阵元，多发多收阵元方位向长度为d，因此多发多收SAL系统方位向的波束宽度为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_m\≈\frac{\mathrm{Nd}}{f}$

此时多发多收SAL系统能达到的方位向分辨率ρ_am为：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{am}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_m}$

因此，采用方位向多发多收SAL体制，可以在不减小透镜方位向尺寸的条件下，提高多发多收SAL的方位向分辨率。此时多发多收SAL系统的脉冲重复频率PRF_m的要求为：

${\mathrm{PRF}}_m\≥\frac{v}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{am}}}$

通过比较单发单收SAL系统的脉冲重复频率PRF_s和多发多收SAL系统的脉冲重复频率PRF_m的要求可知，多发多收SAL系统的脉冲重复频率PRF_m的临界值比单发单收SAL系统的脉冲重复频率PRF_s的临界值小很多。因此在满足宽测绘带的条件下，通过方位向多发多收SAL体制，可以有效降低系统需要的脉冲重复频率要求，达到需要的方位向分辨率。

步骤2，多个阵元发射探测信号，并接收经过凸透镜折射的目标回波信号。

步骤2具体包括如下子步骤：

(2a)多个阵元分别发射探测信号，所述探测信号的波束中心通过所述凸透镜的光心；所述探测信号为线性调频信号。

(2b)所述探测信号经过所述凸透镜的折射到达目标；

(2c)所述探测信号经所述目标反射形成目标回波信号；

(2d)所述目标回波信号经过所述凸透镜的折射被多个阵元接收。

每个多发多收阵元发射线性调频信号，其中，线性调频信号的波束中心通过凸透镜的光心，并经过凸透镜的折射照射到目标，经目标反射之后的回波信号经过凸透镜折射被多发多收阵元接收。

参照图2所示，为了阐述简便，图中只画了3个多发多收阵元。由于多发多收阵元发射的波束会通过凸透镜折射，因此方位向均匀分布的多发多收阵元并不是严格的工作在正侧视模式。图2中，阵元中心位于C₂处的多发多收阵元a工作在正侧视模式，阵元中心位于C₁处的多发多收阵元b工作在前斜视模式，阵元中心位于C₃处的多发多收阵元c工作在后斜视模式。

参照图5，D₁、D₂和D₃分别为三个多发多收阵元a、b和c的多普勒频带，虚线表示多发多收SAL系统的多普勒频带。图5中实线分别为3个多发多收阵元a(b(c的多普勒频带D₁(D₂(D₃，虚线为多发多收SAL系统的多普勒频带。由于每个多发多收阵元的工作模式不同，因此多发多收SAL系统的多普勒频带比单发单收SAL系统的多普勒频带要宽。

步骤3，根据多个阵元接收到目标回波信号，确定合成孔径激光雷达图像。

对N个多发多收阵元接收到的回波信号做信号处理，得到高分辨率宽测绘带SAL图像。

在实际的多发多收SAL系统中，为了获得要求的方位向分辨率，多发多收SAL系统实际的脉冲重复频率PRF_m要比单发单收SAL系统的脉冲重复频率PRF_s低，因此，从整个多普勒频带上讲，多发多收SAL系统回波信号的多普勒存在模糊，为了获得无模糊的多发多收SAL系统的SAL图像，需要将多发多收阵元的回波数据合成一个无模糊的SAL回波数据。如果各个多发多收阵元的间距满足如下关系：

$\frac{v}{\mathrm{PRF}\·N}=d$

那么从多个多发多收阵元的回波数据合成一个无模糊的SAL回波数据只需要将各个多发多收阵元的回波数据按时间简单的排列即可。

但是在实际的多发多收SAL系统中，很难满足上式的要求，多发多收阵元的回波数据合成如图6所示。从图中可以看出，多发多收SAL系统是一个非均匀采样的系统，因此我们需要进行特殊的信号处理来实现各个多发多收阵元的回波数据的合成。关于各个多发多收阵元的回波数据合成的信号处理方法不属于本发明的设计，因此不在这里详细描述。

对各个多发多收阵元的回波数据合成后的数据进行成像处理可以获得高分辨率宽测绘带SAL图像。

至此，本发明的方位向多发多收SAL体制设计完成。

以下通过仿真进一步说明本发明实现合成孔径激光雷达成像的有效性。

1、仿真条件

为了方便起见，我们采用了三发三收的模式。关于回波数据合成，采用的是自适应波束形成方法，而后期成像处理采用的是距离多普勒算法。仿真参数如表1所示。

表1 三发三收SAL系统仿真参数

如果要实现方位向1.5mm分辨率的SAL图像(要求最小的脉冲重复频率为：

$\frac{v}{{\mathrm{\ρ}}_a}=23.3\mathrm{kHz}$

而实际发射信号的PRF为10kHz，我们采用将三个收发单元的数据相干合成一个全分辨率SAL图像。

2、仿真内容

采用三个收发阵元进三发三收，三个阵元的位置为：(-a,0)，(0,0)，(a,0)，a为收发阵元间隔，对地面上的9个点目标仿真。图7为单发单收SAL体制的9个点目标成像的等高线图，横坐标为方位单元，纵坐标为距离单元。图8为单发单收SAL体制的9个点目标成像的方位脉压剖面图，横坐标为方位向距离，单位为米(m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝(dB)。图9多为发多收SAL体制的9个点目标成像的等高线图，横坐标为方位单元，纵坐标为距离单元。图10为方位向多发多收SAL体制的9个点目标成像的方位脉压剖面图，横坐标为方位向距离，单位为米(m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝(dB)。图11为图7中中间位置的点目标成像放大图，横坐标为方位单元，纵坐标为距离单元。图12为图7中中间位置的点目标方位脉压剖面图，横坐标为方位向距离，单位为米(m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝(dB)。图13为图7中中间位置的点目标距离脉压剖面图，横坐标为距离向距离，单位为米(m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝(dB)。

3、仿真结果分析

单发单收SAL体制的脉冲重复频率PRF约为多普勒带宽的三分之一，方位向多普勒重叠三次，从图7和图8可以看出多普勒模糊在二维成像图中表现为将一个目标点分散成三个点，除了在正确的方位位置上出现目标，还会在这个方位位置的左右两侧各出现一个虚假目标。方位向多发多收SAL体制利用方位向上的3个收发单元的回波数据合成大带宽无模糊数据成像，可以消除多普勒模糊，通过图9和图10可以清楚的看出频带合成后的图像，只在正确的方位位置出现目标点，虚假目标已经被消除。

选取9点中的中间点目标分析单个目标图像方位分辨率和压缩效果。根据图11可以看出单个目标成像得到较好的十字成像。三发三收SAL体制利用方位向的三个收发单元将方位向波束宽度扩大了三倍，通过频带合成获得大带宽无模糊数据，方位向分辨率提高约三倍。通过图12和图13可以看到方位脉压和距离脉压的峰值旁瓣比分别为)13.24dB和)13.27dB，距离压缩和方位压缩效果良好。单发单收SAL系统的方位向分辨率为经过三发三收SAL体制解模糊和频带合成后得到的方位向分辨率约为ρ_am＝0.0012m，比单发单收SAL系统提高了约3倍。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种多发多收合成孔径激光雷达系统，其特征在于，所述多发多收合成孔径激光雷达系统至少包括：

一个凸透镜，以及多个阵元，所述多个阵元在所述凸透镜的焦平面上沿方位向均匀放置，且所述阵元为多发多收阵元。

2.根据权利要求1所述的多发多收合成孔径激光雷达系统，其特征在于，

当在所述凸透镜的焦平面上沿方位向均匀放置N个阵元时，所述多发多收合成孔径激光雷达系统的方位向波束宽度△θ_m为

其中，d为各个阵元方位向长度，f为凸透镜的焦距。

3.根据权利要求2所述的多发多收合成孔径激光雷达系统，其特征在于，所述多发多收合成孔径激光雷达系统的方位向分辨率ρ_am为其中，λ为激光的波长。

4.一种多发多收合成孔径激光雷达系统的体制设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在运动的载机上，设置一个凸透镜，并在所述凸透镜的焦平面上沿方位向均匀放置多个阵元，所述阵元为多发多收阵元；

步骤2，所述多个阵元分别发射探测信号，并接收经过所述凸透镜折射的目标回波信号；

步骤3，根据所述多个阵元接收到目标回波信号，生成合成孔径激光雷达图像。

5.根据权利要求4所述的多发多收合成孔径激光雷达系统的体制设计方法，其特征在于，步骤2具体包括如下子步骤：

(2a)多个阵元分别发射探测信号，所述探测信号的波束中心通过所述凸透镜的光心；

(2b)所述探测信号经过所述凸透镜的折射到达目标；

(2c）所述探测信号经所述目标反射形成目标回波信号；

(2d)所述目标回波信号经过所述凸透镜的折射被多个阵元接收。

6.根据权利要求4或5所述的多发多收合成孔径激光雷达系统的体制设计方法，其特征在于，

所述探测信号为线性调频信号。