CN105093236B - 基于直视合成孔径激光成像雷达的交轨向变标重采样方法 - Google Patents

Abstract

一种基于直视合成孔径激光成像雷达的交轨向变标重采样的方法，通过交轨向相位控制装置控制交轨向透镜做正弦往返运动，对交轨向透镜正弦运动时进行单向均匀采样(交轨向相位为正弦相位)下的回波数据进行变标，变标后的时间为非均匀的采样时间(交轨向相位为线性相位)，然后以均匀的时间在变标后的非均匀时间之中进行重采样运算，从而得到一系列满足直视合成孔径激光成像雷达交轨向处理要求的均匀时间线性相位数据，最终通过傅里叶变换实现交轨向成像，实现顺轨向聚焦成像。本发明实现了合成孔径激光成像雷达的交轨向成像，对成像精度、分辨率有一定程度的提高，在未来机载以及星载合成孔径激光成像雷达系统中有广泛应用前景。

Description

基于直视合成孔径激光成像雷达的交轨向变标重采样方法

技术领域

本发明涉及合成孔径激光成像雷达，是一种基于抛物波前差动扫描和自差探测的直视合成孔径激光成像雷达。利用交轨向透镜的正弦往返运动来代替透镜的匀速往返运动，以减小高速运动情况下对交轨向相位控制装置造成的伤害和高速运动带来的相位非线性影响。

背景技术

合成孔径激光成像雷达(SAIL)的原理取之于射频领域的合成孔径雷达(SAR)原理，是国外报道的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。直视合成孔径激光成像雷达是基于抛物波前差动扫描和自差探测复数化接收的方法提出的。基本原理是采用波前变换原理对目标投射两个同轴同心且偏振正交的光束并进行自差接收，这两个波前的合成相位差为抛物等相位线分布。在沿运载平台运动正交的交轨向上两个光束的波前具有相同曲率并作相互反向的偏转，因此在快时间轴上产生目标交轨方向与目标点位置成正比的空间线性相位项调制，在运载平台运动的顺轨向上两个光束的波前具有符号相反的曲率半径，因此在慢时间轴上产生与目标点顺轨向位置有关的空间二次项相位历程。最终通过傅里叶变换实现交轨向成像，通过共轭相位二次项匹配滤波实现顺轨向聚焦成像。

2012年12月，上海光机所刘立人研究员首次提出了基于抛物波前差动扫描和自差探测复数化接收的合成孔径激光成像雷达【参考文献1：刘立人，直视合成孔径激光成像雷达原理，光学学报，Vol.32(9)(2012)】，2014年报道了直视合成孔径激光成像雷达装置在使用焦距为10m的平行光管模拟远场条件下的阵列目标二维成像实验结果,实现的成像分辨率为1mm【参见文献2：栾竹、孙建锋、职亚楠、周煜、王丽娟、刘立人，直视合成孔径激光成像雷达模拟远场条件下的二维成像实验，光学学报，Vol.34(7)(2014)】。2014年，上海光机所首次实现了直视合成孔径激光成像雷达室外1.2km实验成像【参见文献3：Z.Luan,J.Sun,Y.Zhou,L.Wang,M.Yang,L.Liu,“Down-looking synthetic aperture imaging ladardemonstrator and its experiments over 1.2km outdoor”.Chin.Opt.Lett.12,111101(2014).】。

在上述所有相关报道中【参见文献1、2、3】，交轨向数据都是采用的匀速运动，但是在机载或者星载等高速运动的载体上，为了满足交轨向的采样要求，需要提高交轨向相位控制装置的运动速度，而交轨向相位控制装置速度的提升必然伴随着交轨向相位控制装置的急启急停，这在高速情况下对交轨向相位控制装置的损伤很大并且会带来一定程度的非线性影响。为了解决这个问题，我们采用交轨向相位控制装置做正弦运动，来减小交轨向相位控制装置的急启急停损伤，并使用软件的方法对其进行回波数据的矫正。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提出了一种基于直视合成孔径激光成像雷达的交轨向变标重采样方法，首先将正弦运动下的均匀时间采集到的数据(交轨向正弦相位)，依据相位相等原理，将正弦运动下的均匀采样时间变标到匀速运动下的非均匀时间(交轨向线性相位)，然后通过均匀时间插值的方法，获得均匀时间下的数据。

本发明的技术解决方案如下：

①通过控制直视合成孔径激光成像雷达的交轨向相位控制装置使交轨向透镜做正弦往返运动，设正弦运动轨迹为Asin(2πft_f)，则接收到的相位为：

式中，A为交轨向相位控制装置做正弦运动的振幅，f为交轨向相位控制装置运动的频率，x_p为目标面点目标的横坐标位置，S为相位偏置常数，R₁为发射光场的等效二次项曲率半径，t_f为透镜运动时间；

②交轨向时间变标：当正弦运动轨迹Asin(2πft_f)的触发位置选在-A′，其中-A≤-A′＜0，对应的起始采样时间为t₁＝arcsin(A′/A)/2πf，转化成的线性运动轨迹为则此时对应的时间为

设采样点数为N_f，采样频率为采样均匀时间序列为：

t_f,n为均匀采样时刻；

由正弦运动轨迹Asin(2πft_f)转化成线性运动时对应的时间为：

对其进行量化得到非均匀时间序列为：

③交轨向重采样：用插值法在这些非均匀时间序列对应的值中插出均匀时间序列对应的值：

即：

式中：b＝4π(x_p+S)/λR₁，a为传播过程中的常数，a′为激光传播过程以及重采样插值过程产生的常数项；

④交轨向傅里叶变换：利用分离变量法提取交轨向数据，进行交轨向傅里叶变换：

其中，ξ与目标点横坐标有关，可以作为雷达成像的横坐标；

⑤顺轨向共轭匹配滤波，公式如下：

其中，表示自相关运算，a″表示共轭匹配滤波之后的常数项，共轭匹配滤波函数为

至此，实现直视合成孔径激光成像雷达在交轨向和顺轨向的成像。

本发明的技术效果：

本发明提出的方法，可以解决雷达载体高速运动情况下交轨向的高采样率的要求。通过将正弦运动均匀时间采样得到的采样数据(交轨向正弦相位)，变换到与之对应的非均匀采样时间数据(交轨向线性相位)，然后再通过均匀时间插值，得到均匀时间的采样信号。

本发明可以很好地解决雷达载体高速运动情况下交轨向信号采集的问题，并且很好的补偿正弦运动带来的非线性影响。成像结果与匀速运动结果相符，并且通过提高采样宽度，对于成像精度、分辨率都有一定程度的提高。

附图说明

图1为直视合成孔径激光成像雷达原理框图。

图2为本发明流程图。

图3为本发明原理图。

图4为成像效果对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

直视合成孔径激光成像雷达原理框图如附图1所示，其中发射端主要包括(1)激光器，(2)偏振分束装置，(3)交轨向透镜，(4)顺轨向透镜，(5)偏正合束装置，(6)发射装置，(7)交轨向相位控制装置；接收端主要包括(8)接收望远镜，(9)分束装置，(10)平衡光电探测器，(11)电脑。

单频单模激光由(1)激光器发出，经过(2)偏振分束装置分为两束正交偏振的光束，(7)交轨向相位控制装置经过控制(3)交轨向透镜对交轨向光束进行相位调制，顺轨向光束经过(4)顺轨向透镜与交轨向光束在(5)偏振合束装置合为一束激光，经(6)发射装置发射出去。发射的回波信号经过(8)接收望远镜之后，光斑尺寸变小，在经过(9)分束装置分为两束功率相等的光束，最终通过(10)平衡光电探测器将光信号转化为电信号，输入(11)电脑进行后期处理。

下面根据附图2，对交轨向变标重采样算法进行说明。

①通过控制直视合成孔径激光成像雷达的交轨向相位控制装置使交轨向透镜做正弦往返运动，设正弦运动轨迹为Asin(2πft_f)，则接收到的相位为：

式中，A为交轨向相位控制装置做正弦运动的振幅，f为交轨向相位控制装置运动的频率，x_p为目标面点目标的横坐标位置，S为相位偏置常数，R₁为发射光场的等效二次项曲率半径，t_f为透镜运动时间；

发射内光场经调制后，照射到目标面上。针对目标面上的一点(x_p,y_p)，直视合成孔径激光成像雷达接收到的回波信号为：

其中a为传播过程中的各种常数项，λ为发射激光波长，t_s雷达运动的慢时间(雷达运动时间t＝t_s+n×t_f)，2t₁为交轨向采样时间宽度，T_s为顺轨向采样时间宽度。

②交轨向时间变标：当正弦运动轨迹Asin(2πft_f)的触发位置选在-A′，其中-A≤-A′＜0，对应的起始采样时间为t₁＝arcsin(A′/A)/2πf，转化成的线性运动轨迹为则此时对应的时间为

设采样点数为N_f，采样频率为采样均匀时间序列为：

t_f,n为均匀采样时刻；

由正弦运动轨迹Asin(2πft_f)转化成线性运动时对应的时间为：

对其进行量化得到非均匀时间序列为：

③交轨向重采样：用插值法在这些非均匀时间序列对应的值中插出均匀时间序列对应的值：

即：

式中：b＝4π(x_p+S)/λR₁，a为传播过程中的常数，a′为激光传播过程以及重采样插值过程产生的常数项；

④交轨向傅里叶变换：利用分离变量法提取交轨向数据，进行交轨向傅里叶变换：

其中，ξ与目标点横坐标有关，可以作为雷达成像的横坐标；

⑤顺轨向共轭匹配滤波，公式如下：

其中，表示自相关运算，a″表示共轭匹配滤波之后的常数项，共轭匹配滤波函数为

至此，实现直视合成孔径激光成像雷达在交轨向和顺轨向的成像。正弦相位时成像与变标重采样后成像如附图4所示。

综上，可以看出此算法以正弦相位代替线性相位，可以减小对交轨向相位控制装置在高速往返运动时的损伤。在实际应用中，由于电机匀速线性往返运动的两端存在一定的非线性，所以采样时间宽度往往要低于交轨向扫描时间宽度，而此算法通过扩展交轨向采样时间宽度，在雷达成像质量上，有了很大的改善，对于未来雷达的机载具有重要意义。

Claims (1)

1.一种基于直视合成孔径激光成像雷达的交轨向变标重采样方法，其特征在于，包括如下方法：

①通过控制直视合成孔径激光成像雷达的交轨向相位控制装置使交轨向透镜做正弦往返运动，设正弦运动轨迹为Asin(2πft_f)，则接收到的相位为：

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式中，A为交轨向相位控制装置做正弦运动的振幅，f为交轨向相位控制装置运动的频率，x_p为目标面点目标的横坐标位置，S为相位偏置常数，R₁为发射光场的等效二次项曲率半径，t_f为透镜运动时间；

②交轨向时间变标：当正弦运动轨迹Asin(2πft_f)的触发位置选在-A′，其中-A≤-A′＜0，对应的起始采样时间为t₁＝arcsin(A′/A)/2πf，转化成的线性运动轨迹为则此时对应的时间为

设采样点数为N_f，采样频率为采样均匀时间序列为：

<mrow> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>f</mi> <mo>,</mo> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;Element;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <msub> <mi>N</mi> <mi>f</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>f</mi> </msub> </mfrac> <mo>,</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>f</mi> </msub> </mfrac> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>-</mo> <mn>2</mn> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>f</mi> </msub> </mfrac> <mfrac> <msub> <mi>N</mi> <mi>f</mi> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>f</mi> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

t_f,n为均匀采样时刻；

由正弦运动轨迹Asin(2πft_f)转化成线性运动时对应的时间为：

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对其进行量化得到非均匀时间序列为：

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③交轨向重采样：用插值法在这些非均匀时间序列对应的值中插出均匀时间序列对应的值：

即：

式中：b＝4π(x_p+S)/λR₁，a为传播过程中的常数，a′为激光传播过程以及重采样插值过程产生的常数项；

④交轨向傅里叶变换：利用分离变量法提取交轨向数据，进行交轨向傅里叶变换：

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其中，ξ与目标点横坐标有关，可以作为雷达成像的横坐标；

⑤顺轨向共轭匹配滤波，公式如下：

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其中，表示自相关运算，a″表示共轭匹配滤波之后的常数项，共轭匹配滤波函数为

至此，实现直视合成孔径激光成像雷达在交轨向和顺轨向的成像。