CN108318892B - 正交基线InISAL的运动目标成像方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种正交基线InISAL的运动目标成像方法，包括以下步骤：InISAL发射连续无周期相位编码信号或秒级宽脉冲无周期相位编码信号；采用本振数字延时的方法保持InISAL信号的相干性；步骤S3，当InISAL系统为针对近距离运动目标时，采用内视场多光纤准直器/探测器形成正交基线；当InISAL系统为针对远距离运动目标时，采用3个望远镜形成正交长基线，且在内视场设置多光纤准直器/探测器，对目标振动和姿态变化引入的相位误差估计与补偿，同时对大气相位误差进行校正；通过各望远镜/探测器形成的正交基线，采用干涉处理，获得目标的三维成像结果。该方法有效解决了InISAL系统设计中的诸多问题。
Description
技术领域
本公开属于逆合成孔径激光雷达(Inverse Synthetic Aperture Ladar，ISAL)系统设计与信号处理领域，特别是正交基线干涉逆合成孔径激光雷达(InterferometryInverse Synthetic Aperture Ladar，InISAL)系统设计与信号处理领域。
背景技术
与合成孔径微波成像雷达技术的发展情况类似，合成孔径激光雷达(SyntheticAperture Ladar，SAL)成像的研究工作也是从地基激光雷达对运动目标的逆合成孔径ISAL成像开始的。
地基ISAL成像最为典型的应用是对远距离运动目标成像。自1964年第一台CO2激光器问世以来，CO2激光技术发展迅速，促进了相干接收体制的CO2激光雷达的起步和发展，比较有代表性的是Firepond光学装置(Gschwendtner A B，Keicher W E.Development ofcoherent laser radar at lincoln laboratory[J].Lincoln Laboratory Journal，2000，12(2)：383-394.)。1981年，高功率激光雷达放大器系统成功安装在Firepond光学装置上，林肯实验室利用上述激光雷达对翻滚运动的空间目标(Agena D火箭推进器)在距离-多普勒域实现成像。1990年，林肯实验室利用宽带激光雷达采集到了在轨卫星(LAGEOS)的第一幅距离-多普勒图像，宽带信号为带宽150MHz和1GHz的线性调频信号。
Firepond激光雷达系统的主要技术参数为：采用倍频的ND：YAG激光器，输出激光波长为532nm，脉冲重复频率为30Hz，峰值功率为10MW，窄视场为0.1mrad，口径为1.2m。使用高灵敏度光电倍增管(PMT)，能够探测极微弱(接近单光子)的激光回波。
2013年，美国国防部与Raytheon公司签订合同，宣布由其研制“远距离成像激光雷达”(Long Range Imaging LADAR，LRIL)，用于对地球同步轨道目标进行ISAL成像，该项目预计于2018年完成。
在机载激光合成孔径成像实验方面，美国雷声公司于2006年2月报道了机载合成孔径激光雷达实验结果，该样机采用了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，在美国国防部先进研究项目局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)的资助下，成功演示了机载合成孔径激光雷达成像实验(Dierking M，Schumm B，Ricklin J C，et al.Synthetic apertureLADAR for tactical imaging overview[C].The 14th Coherent Laser RadarConference(CLRC)，Snowmass，Colorado，USA，July 8-13，2007)。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应用中的巨大潜力。在美国军方的继续资助下，该技术正朝实用化方向进展。
2011年美国洛克希德-马丁公司独立完成了机载合成孔径激光雷达演示样机的飞行试验(Krause B W，Buck J，Ryan C，et al.Synthetic aperture ladar flightdemonstration[C].Optical Society of America/Conference on Lasers and Electro-optics(OSA/CLEO)，2011)，对距离1.6km的地面目标(观测目标为洛马公司徽标)获得了幅宽1m，分辨率优于3.3cm的成像结果。
随着激光合成孔径成像技术的快速发展，将干涉处理的概念引入到激光合成孔径成像中成为新的研究热点。2012年，美国Montana州立大学报道了室内激光干涉合成孔径成像实验结果。该实验在1.37m的距离上对一枚印有林肯头像的涂白硬币(涂白以使硬币各处散射特性均匀)进行了单航过和重航过激光合成孔径干涉成像，获得了分辨率在毫米级，高程精度在10微米级的成像结果。实验表明相对于二维光学图像，通过干涉处理可以获得关于目标更多的有益信息。
我国的很多大学和科研机构都展开了激光合成孔径成像技术的研究工作，已取得了一定的研究进展，但目前的工作主要是在室内和近距离条件下完成的。西安电子科技大学在2009年首次搭建了逆合成孔径激光成像雷达原理性的室内成像系统(郭亮，邢孟道，张龙，等.室内距离向合成孔径激光雷达成像的实验研究[J].中国科学E辑：技术科学，2009，39(10)：1678-1684.)，并在20cm距离上获得桌面目标的逆合成孔径激光雷达二维图像。中科院上海光机所在2011年完成了实验室近距离合成孔径激光成像演示验证实验，其采用距离向傅里叶变换和方位向匹配滤波的方法，给出了在14m距离上的二维成像结果，方位分辨率优于1.4mm，距离分辨率优于1.2mm。2014年，上海光机所完成了距离1.2km的直视SAL室外成像演示实验，其成像结果的方位分辨率为6.8cm，距离分辨率为5.5cm(Luan Z，Sun J，Zhou Y，et al.Down-looking synthetic aperture imaging ladar demonstrator andits experiments over 1.2km outdoor[J].Chinese Optics Letters，2014，12(11)：111101.)。2011年底，中科院电子所在室内也完成了距离约2.4m的合成孔径激光成像实验，其观测目标为电子所徽标(吴谨.关于合成孔径激光雷达成像研究[J].雷达学报，2012，1(4)：353-360.[Wu Jin.On the development of synthetic aperture ladar imaging[J].Journal of Radars，2012，1(4)：353-360.])，成像分辨率在毫米级。与此同时，中科院上海技物所等单位也积极开展了合成孔径激光成像技术的相关研究工作。
在系统研究的基础上，国外也开展了关于合成孔径激光成像方式、信号产生和振动抑制技术方面的相关研究工作(Barber Z W，Dahl J R.Experimental Demonstrationof Differential Synthetic Aperture Ladar[C].CLEO：Science andInnovations.Optical Society of America，2015：STh3O.3.)。
从2013年开始，中科院电子所系统地开展了机载SAL的研究工作(李道京，张清娟，刘波，等.机载合成孔径激光雷达关键技术和实现方案分析[J].雷达学报，2013，2(2)：143-151.)。2016年，中科院电子所和中科院上海光机所均开展了合成孔径激光雷达的飞行试验，获得了高分辨率成像结果，推动了国内SAL的技术发展。
关于合成孔径激光雷达的天基应用问题，有文献进行了初步讨论(李道京，杜剑波，马萌，等.天基合成孔径激光雷达系统分析[J].红外与激光工程，2016，(11)：269-276.)。目前，关于中低轨道空间目标cm级成像分辨率和GEO轨道空间目标成像探测地基ISAL的研究工作还停留在概念研究阶段。
现阶段主要需要解决针对远距离运动目标成像的InISAL系统设计和成像的问题，包括：发射何种波形；如何保持信号的相干性；如何估计目标振动和姿态变化产生的相位误差；如何校正随慢时间变化的大气相位误差；如何实现远距离运动目标的三维成像。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种正交基线InISAL的运动目标成像方法及系统，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种正交基线InISAL的运动目标成像方法，包括以下步骤：步骤S1，InISAL发射连续无周期相位编码信号或秒级宽脉冲无周期相位编码信号；步骤S2，采用本振数字延时的方法保持InISAL信号的相干性；步骤S3，当InISAL系统为针对近距离运动目标时，采用内视场多光纤准直器/探测器形成正交基线；当InISAL系统为针对远距离运动目标时，采用3个望远镜形成正交长基线，且在内视场设置多光纤准直器/探测器，对目标振动和姿态变化引入的相位误差估计与补偿，同时对大气相位误差进行校正；步骤S4，通过各望远镜/探测器形成的正交基线，采用干涉处理，获得目标的三维成像结果。
在本公开一些实施例中，当InISAL系统为针对近距离运动目标时，所述步骤S3中包括：采用内视场多光纤准直器/探测器形成十字/L型结构的正交基线；通过内视场顺轨放置的多光纤准直器/探测器提高等效脉冲重复频率；基于内视场正交基线干涉处理，对目标振动和姿态变化产生的相位误差进行估计与补偿。
在本公开一些实施例中，顺轨多光纤准直器/探测器用于提高信号的空间采样率，等效提高脉冲重复频率，所述顺轨的光纤准直器/探测器等间隔均匀放置，光纤准直器/探测器的个数等于可提高的等效脉冲重复频率的倍数
在本公开一些实施例中，当InISAL系统为针对远距离运动目标时，所述步骤S3中对大气相位误差进行校正包括：设置带有钠激光导引星的自适应光学子系统，并基于自适应光学子系统对大气时变相位误差进行校正；同时基于钠激光导引星和内视场多光纤准直器/探测器信号处理，对大气时变相位误差进行估计与补偿；基于内视场多光纤准直器/探测器信号求和处理，对大气空变相位误差导致的散焦的回波光斑能量进行接收；结合3个望远镜形成的正交长基线干涉处理和内视场多光纤准直器/探测器正交基线干涉处理，对目标振动和姿态变化产生的相位误差进行估计与补偿。
在本公开一些实施例中，所述步骤S3中，当InISAL系统为针对远距离运动目标时，正交基线干涉处理估计相位误差需要信噪比为10dB以上，在单脉冲信噪高的情况下，直接采用单脉冲干涉处理；在单脉冲信噪低的情况下，采用时域子孔径成像后再干涉处理。
在本公开一些实施例中，所述步骤S4中，在目标不存在自转的情况下，目标到各接收望远镜和多光纤准直器/探测器的斜距历程在观测中心时刻泰勒展开为：
其中，i＝1，2，3表征接收望远镜/探测器的序号；Ri为在观测中心时刻目标到各接收望远镜/探测器的距离；vri为目标相对各接收望远镜/探测器的径向速度；vci为目标相对各接收望远镜/探测器的横向速度；tm为慢时间；
斜距维脉冲压缩后的回波信号为：
其中，
为快时间；σk为第k个散射点的后向散射系数；C为光速；f0为发射信号的中心频率，Br为发射信号的带宽，N为散射点的个数；
将(6)式沿快时间傅里叶变换并代入(5)式：
经过距离走动和距离弯曲校正，获得的二维成像结果为：
其中，Ri，k为在观测中心时刻，第k个散射点到第i个望远镜的距离，Ba为回波信号的多普勒带宽，提取三通道二维成像结果的干涉相位：
由干涉相位反演目标斜距与基线的夹角：
其中，b1i是望远镜1和望远镜i形成的基线的长度；
由斜距与基线夹角反演散射点的三维位置：
通过对目标上各散射点三维定位即可获得目标的三维成像结果。
根据本公开的另一个方面，提供了一种正交基线InISAL运动目标成像系统，包括发射通道子系统、发射参考通道子系统、回波通道子系统、本振参考通道子系统以及自适应光学子系统组成，光源和本振信号通过分束器输出到所述发射通道子系统、发射参考通道子系统、回波通道子系统、本振参考通道子系统，其中，发射通道包括依次连接的定时器、宽带微波信号产生器、激光信号调制器、功率放大器和发射端光学系统，所述定时器还分别输出定时脉冲至激光信号调制器及选通脉冲至功率放大器，完成激光信号的调制、放大、发射功能；发射参考通道包括依次连接的耦合器、光电探测器和AD和参考信号记录器，被用于对发射信号相位误差进行记录；回波通道包括依次连接的接收端光学系统，光电探测器和AD和回波信号处理器，完成目标回波信号相干探测的功能；本振参考通道包括分束器，一路连接AOM移频器，另一路连接光纤延时线、耦合器、光电探测器和AD和参考信号记录器，所述AOM移频器接收基准频率信号，并输出至另一路的耦合器，被用于记录本振信号相位误差；自适应光学子系统，用于提供大气湍流引入的时变相位误差曲线。
在本公开一些实施例中，所述自适应光学子系统包括波前探测器，对目标回波信号的相位补偿在后续信号处理环节实现，同时，波前探测器的数量相应减少。
在本公开一些实施例中，所述自适应光学系统包括：波前探测器、波前控制器及变形反射镜；所述自适应光学系统接收所述发送通道的发射端光学系统的输出，通过波前探测器、波前控制器、变形反射镜形成校正波前形变的闭环系统，并输出至回波通道。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开正交基线InISAL运动目标成像方法及系统至少具有以下有益效果其中之一：
(1)通过基于3个望远镜正交长基线干涉处理，从而实现对目标振动和姿态变化产生的相位误差进行估计与补偿，并对目标实施三维成像；
(2)通过引入自适应光学用于对随慢时间变化的大气相位误差进行估计与校正；同时设置内视场多光纤准直器/探测器，提高等效脉冲重复频率，实现振动和时变大气相位误差估计。
(3)有效解决了InISAL系统设计中的诸多问题，比如发射波形选择、大气相位误差估计与补偿、振动大气相位误差估计与补偿、三维成像方法等，为用于空间目标观测的逆合成孔径激光雷达的研制提供理论和技术支持。
附图说明
图1为本公开实施例正交基线InISAL运动目标成像方法流程图。
图2为本公开实施例发射波形与回波信号裁剪示意图，(a)为通过对回波信号进行裁剪以形成等效PRF的脉冲串再实施成像处理的示意图，(b)为采用时分方法解决收发隔离问题的示意图。
图3为本公开实施例正交基线InISAR运动目标三维成像几何模型示意图。
图4为本公开实施例针对近距离运动目标成像的InISAL步骤图。
图5为本公开实施例针对近距离运动目标成像的InISAL几何模型示意图。
图6为本公开实施例针对远距离运动目标成像的InISAL步骤图。
图7为本公开实施例针对远距离运动目标成像的InISAL几何模型示意图。
图8为本公开实施例大气湍流导致光斑散焦示意图。
图9为本公开实施例正交基线InISAL系统组成原理框图。
具体实施方式
本公开提供了一种正交基线InISAL运动目标成像方法，其主要包括以下步骤：InISAL发射秒级宽脉冲/连续无周期相位编码信号；采用本振数字延时的方法保持InISAL信号的相干性；引入自适应光学用于对随慢时间变化的大气相位误差进行估计与校正；同时设置内视场多光纤准直器/探测器，提高等效脉冲重复频率，实现振动和时变大气相位误差估计；基于3个望远镜正交长基线干涉处理对目标振动和姿态变化产生的相位误差进行估计与补偿，并对目标实施三维成像。
为使本公开的目的、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，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种正交基线InISAL的运动目标成像方法。图1为本公开实施例正交基线InISAL的运动目标成像方法流程图。如图1所示，本公开一种正交基线InISAL的运动目标成像方法，包括以下步骤：
步骤S1，InISAL发射连续无周期相位编码信号或秒级宽脉冲无周期相位编码信号。
所述步骤S1中，由于需要发射大功率激光信号，而高功率激光器很难以高脉冲重复频率工作，InISAL波形考虑采用连续无周期相位编码信号，在一定时间段内连续发射激光信号，通过对回波信号进行裁剪以形成等效PRF的脉冲串再实施成像处理，如图2(a)所示。需要说明的是，目标运动速度不同，InISAL成像所需要的脉冲重复频率也不相同，发射连续无周期信号，根据目标运动速度将回波信号裁剪成所需要的脉冲重复频率，更加灵活。
上述波形要求InISAL系统具有较高的收发隔离度，当收发隔离不易保证时，可考虑采用秒级宽脉冲无周期相位编码信号，采用时分方法解决收发隔离问题，如图2(b)所示。对于远距离运动目标，如GEO目标，其回波信号时延为0.24s，可发射重复周期约为0.48s的宽脉冲，占空比约为50％，其中0.24s用于发射，O.24s用于接收。根据等效PRF计算等效脉冲重复间隔，依次将回波信号裁剪成脉冲串即可供二维成像处理。当PRF为10kHz，裁剪后的脉冲宽度为100μs。实际应用时，发射脉宽可设置得窄些，回波接收时间窗口可设置得宽些。
雷达的波形有多种，考虑到大功率激光信号的相位容易失真，故本公开InISAL无周期相位编码信号可选择为M序列二相码或者噪声雷达常用的随机二相码，其具有码长长的特点，适用于宽脉冲，而二相码相位不连续变化特点也使其适用于可能相位失真较大的场合。
步骤S2，采用本振数字延时的方法保持InISAL信号的相干性。图3为正交基线InISAR运动目标三维成像几何模型示意图。本振信号的延时长度为目标到雷达的距离，且可根据距离的变化任意调整，尤其适用于对远距离运动目标成像的InISAL。
所述步骤S2，包括以下4个子步骤：
子步骤S201，通过本振信号自外差探测并提取本振信号的差分相位：
其中，fc为本振信号的标称频率；Δt0为延时光纤对应的时延；ε(t)为本振信号的相位误差。
子步骤S202，依据差分相位对本振信号相位误差对应的瞬时频率进行估计：
子步骤S203，对瞬时频率积分处理获取本振信号的相位误差估计结果：
子步骤S204，将相位误差估计结果在数字域延时后对下变频后的回波信号进行相位补偿：
其中，s(t)为下变频后的回波信号；
被用来补偿回波信号中的相位误差，R为目标到雷达的距离；
被用来补偿本振信号中的相位误差。
步骤S3，在针对近距离运动目标的InISAL系统中，采用内视场多光纤准直器/探测器形成十字/L型结构的正交基线。图4为本公开实施例针对近距离运动目标成像的InISAL步骤图。图5为本公开实施例针对近距离运动目标成像的InISAL几何模型示意图。
所述针对近距离运动目标的InISAL系统中，采用内视场多光纤准直器/探测器形成十字/L型结构的正交基线包括：
(1)通过内视场顺轨放置的多光纤准直器/探测器提高等效脉冲重复频率。其中，顺轨多光纤准直器/探测器用于提高信号的空间采样率，等效提高了脉冲重复频率，其特征在于顺轨的光纤准直器/探测器需要等间隔均匀放置，光纤准直器/探测器的个数等于可提高的等效脉冲重复频率的倍数；
(2)基于内视场正交基线干涉处理，对目标振动和姿态变化产生的相位误差进行估计与补偿。
在针对远距离运动目标(比如GEO卫星)的InISAL系统中，采用3个望远镜形成正交长基线，且在内视场设置多光纤准直器/探测器，同时设置带有钠激光导引星的自适应光学子系统。图6为本公开实施例针对远距离运动目标成像的InISAL步骤图。图7为本公开实施例针对远距离运动目标成像的InISAL几何模型示意图。上述系统设置主要解决的问题包括：
(1)基于自适应光学子系统，对大气时变相位误差进行校正；同时基于钠激光导引星和内视场多光纤准直器/探测器信号处理，对大气时变相位误差进行估计与补偿；基于内视场多光纤准直器/探测器信号求和处理，对大气空变相位误差导致的散焦的回波光斑能量进行接收。
(2)结合正交长基线干涉处理和内视场多光纤准直器/探测器正交基线干涉处理，对目标振动和姿态变化产生的相位误差进行估计与补偿。
在针对远距离运动目标(比如GEO卫星)的InISAL系统中，所采用的自适应光学系统可以相对简单，波前控制器和波前校正器可省略，仅保留波前探测器用于提供大气湍流引入的时变相位误差曲线，对目标回波信号的相位补偿可在后续信号处理环节实现，波前探测器的数量应该也能减少。
上述步骤S3包括目标振动和姿态变化引入的相位误差估计方法，由于InISAL波长短至μm量级，实际空间目标通常采用飞轮控制姿态，目标μm量级的振动都会引起回波信号相位的显著变化，这给高分辨率成像带来了很多困难，需要进行振动相位误差估计与补偿。
顺轨干涉处理是一种振动相位误差估计方法，其基本思想是：沿顺轨布置两个接收望远镜，在不同时刻以相同视角对目标观测两次，两次观测的干涉相位即为振动相位误差的差分值，再进一步累积即可获得振动相位误差。
对于本公开InISAL，顺轨干涉方法在实施上存在两个难点。(1)目标运动方向难以和顺轨基线形成确定的几何关系，这样干涉相位中就存在一定的交轨分量，导致振动相位误差估计不准确。(2)由于成像时间在10s量级，目标自转也会在干涉相位中进一步引入交轨分量，假定目标自转角速度为0.0034mrad/s，目标尺寸为20m，10s以内目标自转最多可引入32个波长对应的相移，也会导致振动相位误差估计不准确。
为进行振动相位误差估计，在原理上需采用正交的观测结构。需要注意的是，正交基线干涉处理估计相位误差需要较高的信噪比，在单脉冲信噪比较高的情况下，可以直接单脉冲干涉处理；在单脉冲信噪比较低的情况下，应时域子孔径成像后再干涉处理。
对于InISAL，正交观测结构有内视场和3个望远镜两种实现方式。内视场实现方式指的是在一个接收望远镜的馈源处放置3个正交布局的光电探测器，其优点在于基线较短容易实现，但是对远距离目标的干涉测量相位精度低。使用3个长基线正交布局的接收望远镜，实现较为复杂，但是其优点在于在进行振动相位误差估计的同时可以实现高精度三维成像。
所述步骤S3中，对远距离运动目标成像的InISAL，本公开拟用3个长基线正交布局接收望远镜为振动相位误差估计提供最小观测结构(基线长度可能为30-100m量级)，每个望远镜系统同时采用内视场多光纤准直器/探测器结构。在此基础上，根据目标运动参数和InISAL几何关系确定顺轨和交轨基线，基于一条基线的干涉相位，去除另一条基线干涉相位中的交轨分量，获取顺轨干涉分量，进行振动相位误差估计与补偿，进而获得二维成像结果。另外，在内视场多光纤准直器/探测器的情况下，除正交基线干涉处理外，还可利用空间相关法(Space Correlation Algorithm，SCA)对振动相位误差进行估计。
所述步骤S3中，对近距离运动目标成像的InISAL，本公开直接采用内视场多光纤准直器/探测器形成的正交基线，通过干涉处理对振动相位误差进行估计与补偿。
需要说明的是，上述正交基线干涉处理的方法，原理上也可以对目标姿态变化引入的相位误差进行估计。
所述步骤S3中，在对目标振动和姿态变化引入的相位误差估计与补偿之前，还包括自适应光学子系统设置。由于激光信号需要穿过整个大气层，大气湍流必然导致激光信号的波前产生形变。对于实孔径成像光学系统，波前形变会造成图像散焦。对于InISAL，大气湍流的影响主要在能量和相位两个方面。能量方面，大气湍流会导致光电探测器上的回波信号光斑散焦，如图8所示，若光斑散焦范围超出光电探测器的尺寸，就会损失InISAL接收到的回波信号能量，从而降低成像信噪比，原理上可通过增大探测器的尺寸或采用少量光电探测器组(如3×3像元，对各自接收的回波信号进行求和处理)代替单个探测器以降低大气带来的散焦影响。相位方面，大气湍流会使目标回波信号同时产生空变相位误差和时变相位误差。和实孔径成像不同，InISAL的二维图像在距离多普勒域，大气湍流引入的空变相位误差不对InISAL成像产生影响，但是大气湍流引入的随慢时间变化的相位误差将影响InISAL的信号相干累积并导致图像散焦。对于10.6μm的激光信号，弱大气湍流引入的时变相位误差变化范围约5rad量级，强大气湍流引入的时变相位误差变化范围可达到40rad量级，远大于合成孔径成像所能允许的相位误差范围。
在对远距离运动目标(如GEO目标)进行成像时，本公开InISAL需要基于10-30s级慢时间信号积累，改善成像信噪比约50dB，这对系统的大气时变测量和校正提出了较高要求。为解决该问题，本公开InISAL拟设置带有钠激光导引星的自适应光学子系统对回波信号的波前进行校正。
目前自适应光学的波前校正分辨率在10nm量级，响应速度在ms量级，其校正精度和速度能基本满足InISAL成像要求并保持接收望远镜增益。
自适应光学能够同时对大气湍流引入的空变和时变相位误差进行校正，但是空变相位误差不影响InISAL成像，所以InISAL所采用的自适应光学系统可以相对简单，自适应光学子系统中，波前控制器和波前校正器可省略，仅保留波前探测器用于提供大气湍流引入的时变相位误差曲线，对回波信号的相位补偿可在后续信号处理环节实现，波前探测器的数量应该也能减少。
所述S3中，自适应光学子系统设置包括引入自适应光学校正随慢时间变化的大气相位误差。大气湍流引入的时变相位误差和振动相位误差对回波信号的影响相似，正交长基线干涉处理在原理上也可对大气湍流引入的时变相位误差进行估计。在存在钠激光导引星的情况下，在内视场同时增加589nm波长的探测器，通过分离导引星的信号，采用内视场多光纤准直器/探测器也可能对大气湍流引入的时变相位误差进行感知。InISAL与自适应光学应具备较强的互补性。
步骤S4，通过各望远镜/探测器形成的正交基线，采用干涉处理，获得目标的三维成像结果。其中，针对近距离运动目标的InISAL采用内视场多光纤准直器/探测器形成的正交基线，通过干涉处理实现三维成像；针对远距离运动目标的InISAL采用3个望远镜形成的正交长基线，通过干涉处理实现三维成像。
如图3所示，在目标不存在自转的情况下，目标到各接收望远镜/探测器的斜距历程在观测中心时刻泰勒展开为：
其中，i＝1，2，3表征接收望远镜/探测器的序号；Ri为在观测中心时刻目标到各接收望远镜/探测器的距离；vri为目标相对各接收望远镜/探测器的径向速度；vci为目标相对各接收望远镜/探测器的横向速度；tm为慢时间。
斜距维脉冲压缩后的回波信号为：
其中，
为快时间；σk为第k个散射点的后向散射系数；C为光速；f0为发射信号的中心频率；Br为发射信号的带宽，N为散射点的个数。
(6)式沿快时间傅里叶变换并代入(5)式：
经过距离走动和距离弯曲校正，获得的二维成像结果为：
其中Ri，k为在观测中心时刻，第k个散射点到第i个望远镜的距离，Ba为回波信号的多普勒带宽；
提取三通道二维成像结果的干涉相位：
由干涉相位反演目标斜距与基线的夹角：
其中，b1i是望远镜1和望远镜i形成的基线的长度；
由斜距与基线夹角反演散射点的三维位置：
通过对目标上各散射点三维定位即可获得目标的三维成像结果。
本公开提出了正交基线InISAL的运动目标成像方法，有效解决了InISAL系统设计中的诸多问题，为用于空间目标观测的逆合成孔径激光雷达的研制提供理论和技术支持。
至此，本公开第一实施例正交基线InISAL的运动目标成像方法介绍完毕。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种正交基线InISAL的运动目标成像系统，图9为正交基线InISAL的运动目标成像系统组成原理框图。如图9所示，本公开InISAL主要由发射通道子系统、发射参考通道子系统、回波通道子系统、本振参考通道子系统以及自适应光学子系统组成。光源和本振信号通过分束器输出到所述发射通道子系统、发射参考通道子系统、回波通道子系统、本振参考通道子系统。
以下对本公开的正交基线InISAL的运动目标成像系统的各个部分进行详细描述。
发射通道包括依次连接的定时器、宽带微波信号产生器、激光信号调制器、功率放大器和发射端光学系统，所述定时器还分别输出定时脉冲至激光信号调制器及选通脉冲至功率放大器，完成激光信号的调制、放大、发射功能；
发射参考通道包括依次连接的耦合器、光电探测器和AD和参考信号记录器，被用于对发射信号相位误差进行记录；
回波通道包括依次连接的接收端光学系统，光电探测器和AD和回波信号处理器，完成目标回波信号相干探测的功能；
本振参考通道包括分束器，一路连接AOM移频器，另一路连接光纤延时线、耦合器、光电探测器和AD和参考信号记录器，所述AOM移频器接收基准频率信号，并输出至另一路的耦合器，被用于记录本振信号相位误差；
自适应光学子系统，接收所述发送通道的发射端光学系统的输出，通过波前探测器、波前控制器、变形反射镜形成校正波前形变的闭环系统，并输出至回波通道。
在针对远距离运动目标(比如GEO卫星)的InISAL系统中，所采用的自适应光学系统可以相对简单，波前控制器和波前校正器可省略，仅保留波前探测器用于提供大气湍流引入的时变相位误差曲线，对目标回波信号的相位补偿可在后续信号处理环节实现，波前探测器的数量应该也能减少。
优选地，在针对远距离运动目标成像的InISAL中，还包括三个接收望远镜。
为了达到简要说明的目的，上述实施例1中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
至此，本公开第二实施例正交基线InISAL的运动目标成像系统介绍完毕。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。
本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(DSP)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、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，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种正交基线InISAL的运动目标成像方法，包括以下步骤：
步骤S1，InISAL发射连续无周期相位编码信号或秒级宽脉冲无周期相位编码信号；
步骤S2，采用本振数字延时的方法保持InISAL信号的相干性；
步骤S3，当InISAL系统为针对近距离运动目标时，采用内视场多光纤准直器/探测器形成正交基线；
当InISAL系统为针对远距离运动目标时，采用3个望远镜形成正交长基线，且在内视场设置多光纤准直器/探测器，对目标振动和姿态变化引入的相位误差估计与补偿，同时对大气相位误差进行校正；
步骤S4，通过各望远镜/探测器形成的正交基线，采用干涉处理，获得目标的三维成像结果；
当InISAL系统为针对远距离运动目标时，所述步骤S3中对大气相位误差进行校正包括：
设置带有钠激光导引星的自适应光学子系统，并基于自适应光学子系统对大气时变相位误差进行校正；同时基于钠激光导引星和内视场多光纤准直器/探测器信号处理，对大气时变相位误差进行估计与补偿；
基于内视场多光纤准直器/探测器信号求和处理，对大气空变相位误差导致的散焦的回波光斑能量进行接收；
结合3个望远镜形成的正交长基线干涉处理和内视场多光纤准直器/探测器正交基线干涉处理，对目标振动和姿态变化产生的相位误差进行估计与补偿。
2.根据权利要求1所述的运动目标成像方法，当InISAL系统为针对近距离运动目标时，所述步骤S3中包括：
采用内视场多光纤准直器/探测器形成十字/L型结构的正交基线；
通过内视场顺轨放置的多光纤准直器/探测器提高等效脉冲重复频率；
基于内视场正交基线干涉处理，对目标振动和姿态变化产生的相位误差进行估计与补偿。
3.根据权利要求2所述的运动目标成像方法，其中，所述顺轨的光纤准直器/探测器等间隔均匀放置，光纤准直器/探测器的个数等于可提高的等效脉冲重复频率的倍数。
4.根据权利要求1所述的运动目标成像方法，所述步骤S3中，当InISAL系统为针对远距离运动目标时，正交基线干涉处理估计相位误差的信噪比为10dB以上，在单脉冲信噪高的情况下，直接采用单脉冲干涉处理；在单脉冲信噪低的情况下，采用时域子孔径成像后再干涉处理。
5.根据权利要求1所述的运动目标成像方法，所述步骤S4中，在目标不存在自转的情况下，目标到各接收望远镜和多光纤准直器/探测器的斜距历程在观测中心时刻泰勒展开为：
其中，i＝1，2，3表征接收望远镜/探测器的序号；Ri为在观测中心时刻目标到各接收望远镜/探测器的距离；vri为目标相对各接收望远镜/探测器的径向速度；vci为目标相对各接收望远镜/探测器的横向速度；tm为慢时间；
斜距维脉冲压缩后的回波信号为：
其中，
为快时间；σk为第k个散射点的后向散射系数；C为光速；f0为发射信号的中心频率，Br为发射信号的带宽，N为散射点的个数；
将(6)式沿快时间傅里叶变换并代入(5)式：
经过距离走动和距离弯曲校正，获得的二维成像结果为：
其中，Ri，k为在观测中心时刻，第k个散射点到第i个望远镜的距离，Ba为回波信号的多普勒带宽，提取三通道二维成像结果的干涉相位：
由干涉相位反演目标斜距与基线的夹角：
其中，b1i是望远镜1和望远镜i形成的基线的长度；
由斜距与基线夹角反演散射点的三维位置：
通过对目标上各散射点三维定位即可获得目标的三维成像结果。
6.一种正交基线InISAL运动目标成像系统，包括发射通道子系统、发射参考通道子系统、回波通道子系统、本振参考通道子系统以及自适应光学子系统组成，光源和本振信号通过分束器输出到所述发射通道子系统、发射参考通道子系统、回波通道子系统、本振参考通道子系统，其中，
发射通道包括依次连接的定时器、宽带微波信号产生器、激光信号调制器、功率放大器和发射端光学系统，所述定时器还分别输出定时脉冲至激光信号调制器及选通脉冲至功率放大器，完成激光信号的调制、放大、发射功能；
发射参考通道包括依次连接的耦合器、光电探测器和AD和参考信号记录器，被用于对发射信号相位误差进行记录；
回波通道包括依次连接的接收端光学系统，光电探测器和AD和回波信号处理器，完成目标回波信号相干探测的功能；
本振参考通道包括分束器，一路连接AOM移频器，另一路连接光纤延时线、耦合器、光电探测器和AD和参考信号记录器，所述AOM移频器接收基准频率信号，并输出至另一路的耦合器，被用于记录本振信号相位误差；
自适应光学子系统，用于提供大气湍流引入的时变相位误差曲线。
7.根据权利要求6所述的运动目标成像系统，所述自适应光学子系统包括波前探测器，对目标回波信号的相位补偿在后续信号处理环节实现，同时，波前探测器的数量相应减少。
8.根据权利要求6所述的运动目标成像系统，所述自适应光学子系统包括：波前探测器、波前控制器及变形反射镜；所述自适应光学子系统接收所述发射通道的发射端光学系统的输出，通过波前探测器、波前控制器、变形反射镜形成校正波前形变的闭环系统，并输出至回波通道。
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| "Signal Processing of InISAR with Long Orthogonal Baselines for Air Target Three-dimensional Localization";Meng Ma 等;《Proceedings of EUSAR 2016: 11th European Conference on Synthetic Aperture Radar》;20160905;全文 * |
| "基于干涉处理的机载合成孔径激光雷达振动估计和成像";杜剑波 等;《中国激光》;20160930;第43卷(第9期);全文 * |
| "天机合成孔径激光雷达非合作目标成像系统设计与实验";李飞;《红外与激光工程》;20161031;第45卷(第10期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108318892A (zh) | 2018-07-24 |
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