CN108519590A - 激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明公开的激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器，属于光电信息技术领域。本发明激光脉冲接收装装置把同步激光脉冲转换为同步信号和初始激光脉冲；根据目标轨迹数据生成控制指令，在同步信号触发下生成一系列延时差值相同的步进延时信号，分别代表一系列等延时面；激光脉冲延时空间重构装置把步进延时信号在空间上分配到各自的等延时平面上，形成空间二维延时信号阵列；投影光学系统把二维延时信号投影到被试激光雷达接收镜头的入瞳处，实现回波信号模拟。本发明能够解决现有目标回波信号模拟技术方案中不同工作波长不能通用、光学回波通道数量少、距离分辨率差、存在不定延时等问题，主要应用于激光成像雷达制导武器半实物仿真系统。

Description

激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器

技术领域

本发明涉及一种激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器，主要应用于激光成像雷达制导武器半实物仿真系统，属于光电信息技术领域。

背景技术

激光技术的出现和应用，推动了激光成像雷达技术的发展。自1960年第一台红宝石激光器问世以来，科研人员就提出了激光雷达的设想,半个世纪以来，激光雷达技术从简单的激光测距系统发展为具有激光跟踪、激光测速、激光成像等多种功能的复杂激光雷达系统。按照目标信息获取方式，直接探测激光雷达可以分为单点测距式激光雷达、线阵成像激光雷达和面阵成像激光雷达。被广泛应用在军事、民用、遥感等领域。

激光成像雷达目标回波信号模拟器是激光成像雷达制导武器半实物仿真系统中的关键部件。激光成像雷达目标回波信号模拟器在实验室条件下为被试激光成像雷达提供物理的、实时的光学回波信号。

目前国内外有关激光回波信号模拟的技术方案，主要有直接电信号注入方案、光信号投影方案和光学MEMS微镜阵列方案。直接电信号注入方案将生成的回波电信号直接注入到被试激光成像雷达的信号处理系统，这种方案不输出光学回波，因而不能测试光电探测系统的性能。光信号投影方案将光学回波信号投影到接收光学系统的入瞳处，该方案目前的回波生成通道数量较少，只能通过扫描方式实现大阵列规模的二维面阵回波信号的生成，系统的复杂度高，实时性差。光学MEMS微镜阵列方案的原理与光信号投影相似，它采用垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列作为光源，以MEMS微镜阵列作为图像投影器，该方案降低了成本和体积，然而这种方式目前只是停留在概念设计和分析阶段。上述三种方案系统中都包含信号源，存在信号源响应时间的不确定性，限制了系统的应用。因此我们提出一种直接利用激光雷达发射激光脉冲的方案，不引入额外的激光源，直接对激光雷达发射机光脉冲进行延时。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有激光成像雷达目标回波信号模拟技术方案中不同工作波长不能通用、光学回波通道数量少、距离分辨率差、存在不定延时等问题，提供一种激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的激光成像雷达目标回波信号模拟方法，包括如下步骤：

步骤一：建立激光雷达探测场景的数字三维模型，生成激光回波信号延时矩阵。以视点和激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点形成轴线，定义为Z坐标轴，视点位于坐标原点(0,0,0)，激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点位于(0,0,D_max)，其中D_max表示激光雷达最远探测距离，激光雷达接收光学系统的最远面视场的含义是指在激光雷达最远探测距离上，由激光雷达接收光学系统的角视场决定的矩形区域。激光雷达接收光学系统的角视场为α×β，其中α为X方向角视场，β为Y方向角视场，则激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向和Y方向的宽度分别为：

激光雷达接收光学系统的最远面视场的四个顶点坐标分别为：

激光雷达探测器的阵列规模为A列B行(A×B)，把激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向等分为A-1份，在Y方向上等分为B-1份，则在激光雷达接收光学系统的最远面视场所在的平面上由面视场边线和分割线共形成A×B个格点，称为视场采样点。分别以视点为起点，A×B个视场采样点为终点，建立A×B条线段，称为距离采样线段。当所建立的激光雷达探测场景的数字三维模型位于由视点和激光雷达接收光学系统的最远面视场的四个顶点P1～P4所确定的四棱锥空间区域内时，部分距离采样线段与激光雷达探测场景的数字三维模型将有至少一个交点，提取距视点最近的交点的空间坐标(x_i,j,y_i,j,z_i,j)，其中i,j为整数，并有i∈[1,A]，j∈[1,B]，根据公式(2)计算该交点对应的探测距离：

部分距离采样线段与激光雷达探测场景的数字三维模型无交点，则对应的探测距离一律设置为最远探测距离D_max。得到所有距离采样线段对应的探测距离矩阵后，根据公式(3)计算对应的回波信号延时。

c为光速(3)

得到整个激光雷达探测场景的激光回波信号延时矩阵。

步骤一中所述的激光回波信号延时矩阵共有A列B行，共A×B个元素，每个元素表示一个激光回波信号相对于激光雷达发射激光脉冲的延时。

作为优选，建立模拟激光雷达探测场景的数字三维模型优选3Dmax、Creator等三维建模工具实现，求取回波信号的延时矩阵优选开源三维引擎OpenSceneGraph实现。

步骤二：对步骤一生成的激光回波信号延时矩阵进行分解，得到延时切片数据。提取延时矩阵中的最小值，称为基础延时t₀。以基础延时t₀为起点，每隔固定延时增量(Δt)对激光回波信号延时矩阵进行切片，共做N次切片，即在激光回波信号延时矩阵中分别提取出延时值等于：

T_n＝t₀+(n-1)Δt，n＝1,2,···,N(4)

的点的矩阵坐标，称为对应于延时切片T_n的延时关联点坐标，记为i∈[1,A]，j∈[1,B]，即激光回波信号延时矩阵的第i列第j行的延时值为T_n。对应于延时切片T_n的延时关联点个数最少为0个，最多为A×B个。

步骤二中所述的延时切片数据包括一系列延时切片值T_n及对应于每个延时切片T_n的若干延时关联点坐标所述的固定延时增量Δt由所要模拟的激光雷达探测距离分辨率ΔD决定：

步骤一至步骤二为本发明公开的激光成像雷达目标回波信号模拟方法的数据生成方法。

步骤三：根据步骤二生成的基础延时t₀对初始激光脉冲进行基础延时，通过光纤长度的不同组合实现对初始激光脉冲进行基础延时，得到基础延时激光脉冲。

步骤四：根据步骤二生成的延时切片数据，对步骤三得到的基础延时激光脉冲进行分束，共分成N束，令每束子激光脉冲通过不同长度的光纤从而引入不同的延时，相邻子激光脉冲的延时差值依次递增固定延时Δt，得到以基础延时t₀为起点，每隔固定延时时间Δt的一系列延时切片激光脉冲T_n＝t₀+(n-1)Δt，n＝1,2,···,N。

步骤五：把步骤四得到的一系列延时切片激光脉冲T_n＝t₀+(n-1)Δt，n＝1,2,···,N在空间上展宽为N条线激光脉冲，分别照亮空间光调制器的N行像元(H₁,H₂,…,H_N)，则空间光调制器的每一行受到光照的时刻是不同的，因此空间光调制器的每一行对应一个延时切片，对应关系为： 再把空间光调制器M列像元L₁,L₂,…,L_M发出的光分别收集到M根光纤中，每根光纤对应一路激光回波信号通道，因此空间光调制器的每一列对应一路激光回波信号，对应关系为：根据步骤二中得到的对应于延时切片T_n的若干延时关联点坐标i∈[1,A]，j∈[1,B]，把空间光调制器第m列第n行的像元状态设置为开态，m,n,T_n,i,j之间有如下换算关系：

步骤五中所述的空间光调制器的阵列规模为M列N行，共M×N个像元，对于阵列规模为A×B的激光回波信号延时矩阵，有M＝A×B。当空间光调制器的像元状态为开态时，光能够通过空间光调制器，当空间光调制器的像元状态为关态时，光不能通过空间光调制器。由于空间光调制器的每一行对应一个延时切片，每一列对应一路激光回波信号，因此当阵列坐标为(m,n)，m∈[1,M],n∈[1,N]的像元的状态为开态时，延时为T_n＝t₀+(n-1)Δt的延时切片激光脉冲就进入了i∈[1,A]，j∈[1,B]对应的R_m激光回波通道。每一个延时切片对应若干个延时关联点，因此每一个延时切片能够对应多个激光回波，但每个延时关联点只能位于一个延时切片上，因此每个激光回波只能对应一个延时切片，因此空间光调制器每一列上只能有一个像元为开态，每一行上处于开态的像元数量依据该行代表的延时切片关联点个数，允许是多个。对于一帧激光回波信号延时矩阵，空间光调制器所有M×N个像元中只能有M个像元导通。

步骤六：通过线-面转换的光纤传像束实现M路空间一维线阵激光回波到A×B路空间二维面阵激光回波的空间变换。光纤传像束的线阵输入端第m(m∈[1,M])路激光回波通道与光纤传像束面阵输出端阵列坐标为(i,j)(i∈[1,A],j∈[1,B])的激光回波通道之间按公式m＝i+A(j-1)一一对应。

步骤七：通过投影光学系统把步骤六所述的光纤传像束的面阵输出端面投影到激光雷达接收光学系统的入瞳处，完成二维激光回波信号的投送。实现以延时空间重构方法为基础的激光成像雷达目标回波信号的模拟。

步骤七中所述的延时空间重构方法通过步骤三至步骤六实现。

还包括步骤八：将激光成像雷达目标回波信号模拟方法应用于成像激光雷达制导武器半实物仿真试验中，能够为激光成像雷达测试提供必需的目标和背景回波信号，提升激光回波场景模拟的阵列规模，提高回波信号延时的稳定性和距离分辨率。

本发明还公开用于实现所述的激光成像雷达目标回波信号模拟方法的激光成像雷达目标回波信号模拟器，包括激光脉冲接收装置、控制计算机、激光脉冲延时空间重构装置和投影光学系统。

激光脉冲接收装置用于把被试激光成像雷达发射的同步激光脉冲转换为同步电信号和初始激光脉冲，分别送入控制计算机和激光脉冲延时空间重构装置。所述的激光脉冲接收装置包括接收镜头、光分束器、光电转换器和光衰减器，接收镜头用于收集被试激光成像雷达发射的同步激光脉冲，光分束器用于把同步激光脉冲分为两束，光电转换器用于把同步激光脉冲转换为同步电信号，光衰减器用于把同步激光脉冲衰减到激光脉冲延时空间重构装置能够承受的强度，作为初始激光脉冲。

控制计算机包括数据生成模块和控制模块，所述的数据生成模块按照步骤一建立激光雷达探测场景的数字三维模型，生成激光回波信号延时矩阵，按照步骤二对激光回波信号延时矩阵进行分解，得到延时切片数据；所述的控制模块根据步骤二生成的基础延时生成基础延时控制指令，下发给数控光纤延时器，根据步骤二生成的延时切片数据生成二值图像，下发给空间光调制器。控制计算机在初始化时，把第一帧的基础延时控制指令和二值图像分别下发到数控光纤延时器和空间光调制器，此后每接收一个同步信号，等待t_w时间，然后把下一帧的控制指令发送到数控光纤延时器和空间光调制器。即在第k个同步信号到来之前，控制模块就已经通过光开关控制指令和二值图像把数控光纤延时器和空间光调制器的状态预置好，当第k个同步激光脉冲到来时，激光脉冲沿着规划好的空间路径进行传输，从而生成M路延时可控的激光回波信号。所述的等待时间t_w需大于激光雷达探测最远距离D_max对应的激光回波延时，即：

激光脉冲延时空间重构装置按照步骤三至步骤六所述的延时空间重构方法把初始激光脉冲转换为二维激光回波延时信号，送入投影镜头。所述的激光脉冲延时空间重构装置包括延时切片生成装置和延时切片分配装置。

所述的延时切片生成装置包括数控光纤延时器和光纤步进延时器。所述的数控光纤延时器按照步骤三对初始激光脉冲进行基础延时t₀，得到基础延时激光脉冲。所述的数控光纤延时器包括光开关、固定延时光纤和驱动系统，通过驱动系统接收控制计算机发送的基础延时控制指令数据，控制光开关的状态实现光纤长度的不同组合进而实现对激光脉冲进行基础延时，得到基础延时激光脉冲。所述的光纤步进延时器按照步骤四对基础延时激光脉冲进行分束和步进延时，得到一系列延时切片激光脉冲。所述的光纤步进延时器包括光分路器和步进延时光纤组，通过光分路器把基础延时激光脉冲分成N束，通过步进延时光纤组令每束子激光脉冲通过不同长度的光纤从而引入不同的延时，步进延时光纤组中相邻的步进延时光纤的长度相差固定长度Δd，Δd由公式(7)决定：

其中n_F表示光纤的折射率，相邻子激光脉冲的延时差值依次递增固定延时Δt，得到以基础延时t₀为起点，每隔固定延时时间Δt的一系列延时切片激光脉冲T_n＝t₀+(n-1)Δt，n＝1,2,···,N。

所述的延时切片分配装置包括行扩束光学系统、列压缩光学系统、空间光调制器和光纤传像束。所述的行扩束光学系统按照步骤五把步骤四得到的一系列延时切片激光脉冲T_n＝t₀+(n-1)Δt，(n＝1,2,···,N)在空间上展宽为N条线激光脉冲，分别照亮空间光调制器的N行像元(H₁,H₂,…,H_N)；所述的列压缩光学系统按照步骤五把空间光调制器M列像元L₁,L₂,…,L_M发出的光分别收集到M根光纤中，形成M路空间一维线阵激光回波通道；所述的空间光调制器阵列规模为M列N行，共M×N个像元，按照步骤五，根据步骤二生成的延时切片数据，设置每个像元的开关状态，实现把延时为T_n＝t₀+(n-1)Δt的延时切片激光脉冲导入延时关联点坐标i∈[1,A]，j∈[1,B]对应的R_m激光回波通道；所述的光纤传像束实现M路空间一维线阵激光回波到A×B路空间二维面阵激光回波的空间变换。光纤传像束的线阵输入端第m(1＜m＜M)路激光回波通道与光纤传像束面阵输出端位置坐标为(i,j)(i＝1,2,···,A,j＝1,2,···,B)的激光回波通道之间按公式m＝i+A(j-1)一一对应。

投影光学系统按照步骤七把步骤六所述的光纤传像束的面阵输出端面投影到激光雷达接收光学系统的入瞳处，完成二维激光回波信号的投送。实现以延时空间重构方法为基础的激光成像雷达目标回波信号的模拟。

有益效果：

1)本发明公开的一种激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器，装置内为多模光纤构成的全光通路，在光纤通光波段范围内都能使用，通用性好，可用于不同波长的激光成像雷达的测试。

2)本发明公开的一种激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器，通过延时空间重构方法，能够输出的光学回波通道数由空间光调制器的列数决定，由于空间光调制器可以实现大规模的阵列，远大于现有激光回波模拟技术所能实现的光学回波通道数，因而能够解决现有激光回波模拟技术光学回波通道数量少的问题。

3)本发明公开的一种激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器，采用光纤作为延时单元，让光在光纤中传输一定的长度实现延时，通过把光纤控制在很短的长度，能够使系统的延时分辨率较现有激光回波模拟技术的延时分辨率有很大提升，且由于光纤长度一经确定不会改变，因而可以使延时具有高稳定性和可重复性。

4)本发明公开的一种激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器，装置中无内置光源，从而能够消除光源响应时间不稳定引入的不定延时误差。

附图说明

图1为本发明公开的一种激光成像雷达目标回波信号模拟方法的流程图；

图2为本发明步骤一和步骤二数据生成方法的流程图；

图3为本发明实施例中建立的球体模型示意图；

图4为本发明实施例中生成激光回波信号延时矩阵过程的示意图；

图5为本发明实施例中根据激光回波信号延时矩阵绘制的三维点阵图；

图6为本发明实施例对激光回波信号延时矩阵进行分解的示意图；

图7为本发明实施例中的延时切片过程的原理示意图；

图8为本发明实施例的的系统组成框图；

图9为本发明实施例的硬件组成框图；

图10为本发明实施例中控制计算机工作时序示意图；

图11为本发明实施例中数控光纤延时器示意图；

图12为本发明实施例中数控光纤延时器生成基础延时的连通状态示意图；

图13为本发明实施例中光纤步进延时器示意图；

图14为本发明实施例中延时切片分配装置的示意图；

图15为本发明实施例中二值图像的示意图。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

本实施例公开的激光成像雷达回波信号模拟器针对的激光成像雷达的参数主要有：最远探测距离3km，探测距离分辨率0.3m，探测器阵列规模为100×100，接收光学系统角视场为3°×3°，重复频率100Hz。

如图1所示，本实施例公开的激光成像雷达目标回波信号模拟方法，包括如下步骤

步骤一：建立激光雷达探测场景的数字三维模型，生成激光回波信号延时矩阵。用三维建模软件3Dmax建立一半径为25m的球体模型(图3)，在开源三维引擎OpenSceneGraph(OSG)中以视点和激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点形成轴线，定义为Z坐标轴，视点位于坐标原点(0,0,0)，激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点位于(0,0,3000)。激光雷达接收光学系统的角视场为3°×3°，则激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向和Y方向的宽度分别为：

激光雷达接收光学系统的最远面视场的四个顶点坐标分别为：

P1：(-78.5,-78.5,3000)，

P2：(-78.5,78.5,3000)，

P3：(78.5,78.5,3000)，

P4：(78.5,-78.5,3000)。

激光雷达探测器的阵列规模为100×100，把激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向等分为99份，在Y方向上等分为99份，则在激光雷达接收光学系统的最远面视场所在的平面上由面视场边线和分割线共形成100×100个格点，称为视场采样点。如图4所示，在OSG中分别以视点为起点，100×100个视场采样点为终点，建立100×100条距离采样线段，载入所建立的球体模型，设置球心坐标为(0,0,1500)。则部分距离采样线段与球体模型有至少一个交点，提取距视点最近的交点的空间坐标(x_i,j,y_i,j,z_i,j)，其中i,j为整数，并有i∈[1,100]，j∈[1,100]，根据公式(2)计算该交点对应的探测距离：

部分距离采样线段与球体模型无交点，则其对应的探测距离一律设置为最远探测距离3000m，得到所有距离采样线段对应的探测距离矩阵后，根据公式(3)计算对应的激光回波回波信号延时矩阵。

c为光速(3)

得到整个激光雷达探测场景的激光回波信号延时矩阵。

步骤一中所述的激光回波信号延时矩阵共有100列100行，共100×100个元素，每个元素表示一个激光回波信号相对于激光雷达发射激光脉冲的延时，如图5所示，为根据激光回波信号延时矩阵绘制的三维点阵图，图中Z轴为延时轴，其延时上限只显示到10000ns，是为了较好的表现出球体模型的形状，实际上由于部分距离采样线段与球体模型无交点，其对应的探测距离为3000m，对应的延时值为20000ns。

步骤二：对步骤一生成的激光回波信号延时矩阵进行分解，得到延时切片数据。如图6所示，为对延时矩阵数据进行分解的过程，Z轴是时间轴，垂直于Z轴的每一个平面都是一个延时切片，每个延时切片上的所有点的Z坐标都相同，即延时时间相同，提取延时矩阵中的最小值，得到基础延时t₀＝9920ns。以基础延时t₀为起点，每隔固定延时增量(Δt＝2ΔD/c＝2ns)对激光回波信号延时矩阵进行切片，共做1000次切片，即在激光回波信号延时矩阵中分别提取出延时值等于：

T_n＝9920+2(n-1)ns，n＝1,2,···,1000(4)

点的矩阵坐标，称为对应于延时切片T_n的延时关联点坐标，记为i∈[1,100]，j∈[1,100]，即激光回波信号延时矩阵的第i列第j行的延时值为T_n。对应于延时切片T_n的延时关联点个数最少为0个，最多为10000个。

分析本实例中球体模型的延时矩阵的延时切片数据，得到：

(1)基础延时：9920ns

(2)最大延时：9994ns

(3)延时范围：74ns

在该激光回波信号延时矩阵的1000个延时切片中，带有延时关联点的延时切片有37个，从第9920ns到第9994ns，每隔2ns有一个延时切片，对应每一个延时切片都有若干延时关联点。如：最短延时9920ns对应16个延时关联点，最大延时9994ns对应8个延时关联点。

步骤三：根据步骤二生成的基础延时t₀＝9920ns对初始激光脉冲进行基础延时，通过光纤长度的不同组合实现对初始激光脉冲进行基础延时，得到基础延时激光脉冲。

步骤四：根据步骤二生成的延时切片数据，对步骤三得到的基础延时激光脉冲进行分束，共分成1000束，令每束子激光脉冲通过不同长度的光纤从而引入不同的延时，相邻子激光脉冲的延时差值依次递增固定延时(2ns)，得到以基础延时t₀＝9920ns为起点，每隔固定延时时间(2ns)的一系列延时切片激光脉冲T_n＝9920+2(n-1)，n＝1,2,···,1000。

步骤五：把步骤四得到的一系列延时切片激光脉冲T_n＝9920+2(n-1)，n＝1,2,···,1000在空间上展宽为1000条线激光脉冲，分别照亮空间光调制器的1000行像元(H₁,H₂,…,H₁₀₀₀)，则空间光调制器的每一行受到光照的时刻是不同的，因此空间光调制器的每一行对应一个延时切片，对应关系为： 再把空间光调制器10000列像元(L₁,L₂,…,L₁₀₀₀₀)发出的光分别收集到10000根光纤中，每根光纤对应一路激光回波信号通道，因此空间光调制器的每一列对应一路激光回波信号，对应关系为：根据步骤二中得到的对应于延时切片T_n的若干延时关联点坐标i∈[1,100]，j∈[1,100]，把空间光调制器第m列第n行的像元状态设置为开态，m,n,T_n,i,j之间有如下换算关系：

步骤五中所述的空间光调制器的阵列规模为10000列1000行，共10000×1000个像元，当空间光调制器的像元状态为开态时，光能够通过空间光调制器，当空间光调制器的像元状态为关态时，光不能通过空间光调制器。由于空间光调制器的每一行对应一个延时切片，每一列对应一路激光回波信号，因此当阵列坐标为(m,n)，m∈[1,10000],n∈[1,1000]的像元的状态为开态时，延时为T_n＝9920+2(n-1)的延时切片激光脉冲就进入了延时关联点坐标i∈[1,100]，j∈[1,100]对应的R_m激光回波通道。每一个延时切片对应若干个延时关联点，因此每一个延时切片可以对应多个激光回波，但每个延时关联点只能位于一个延时切片上，因此每个激光回波只能对应一个延时切片，因此空间光调制器每一列上只能有一个像元为开态，每一行上处于开态的像元数量依据该行代表的延时切片关联点个数，可以是多个。对于一帧激光回波信号延时矩阵，空间光调制器所有10000×1000个像元中只能有10000个像元导通。

步骤六：通过线-面转换的光纤传像束实现10000路空间一维线阵激光回波到100×100路空间二维面阵激光回波的空间变换。光纤传像束的线阵输入端第m(m∈[1,10000])路激光回波通道与光纤传像束面阵输出端阵列坐标为(i,j)(i∈[1,100],j∈[1,100])的激光回波通道之间按公式

m＝i+100(j-1)

一一对应。

步骤七：通过投影光学系统把步骤六所述的光纤传像束的面阵输出端面投影到激光雷达接收光学系统的入瞳处，完成二维激光回波信号的投送。实现以延时空间重构方法为基础的激光成像雷达目标回波信号的模拟。

步骤八：将激光成像雷达目标回波信号模拟方法应用于成像激光雷达制导武器半实物仿真试验中，能够为激光成像雷达测试提供必需的目标和背景回波信号，提升激光回波场景模拟的阵列规模，提高回波信号延时的稳定性和距离分辨率。

本发明实施例公开的用于实现所述的激光成像雷达目标回波信号模拟方法的激光成像雷达目标回波信号模拟器，包括激光脉冲接收装置、控制计算机、激光脉冲延时空间重构装置和投影光学系统，其系统组成框图如图8所示，对应系统组成框图的具体硬件组成框图如图9所示。

激光脉冲接收装置用于把被试激光成像雷达发射的同步激光脉冲转换为同步电信号和初始激光脉冲，分别送入控制计算机和激光脉冲延时空间重构装置。所述的激光脉冲接收装置包括接收镜头、光分束器、光电转换器和光衰减器，接收镜头用于收集被试激光成像雷达发射的同步激光脉冲，光分束器用于把同步激光脉冲分为两束，光电转换器用于把同步激光脉冲转换为同步电信号，光衰减器用于把同步激光脉冲衰减到激光脉冲延时空间重构装置能够承受的强度，作为初始激光脉冲。

控制计算机包括数据生成模块和控制模块，所述的数据生成模块按照步骤一建立激光雷达探测场景的数字三维模型，生成激光回波信号延时矩阵，按照步骤二对激光回波信号延时矩阵进行分解，得到延时切片数据；所述的控制模块根据步骤二生成的基础延时生成控制数控光纤延时器的基础延时控制指令，下发给数控光纤延时器，根据步骤二生成的延时切片数据生成控制空间光调制器像元状态的二值图像，下发给空间光调制器。控制计算机的工作时序如图10所示，在初始化时，把第一帧的基础延时控制指令和二值图像分别下发到数控光纤延时器和空间光调制器，此后每接收一个同步信号，等待t_w＝1ms时间，然后把下一帧的控制指令发送到数控光纤延时器和空间光调制器，其中

在第k个同步信号到来之前，控制模块就已经通过光开关控制指令和二值图像把数控光纤延时器和空间光调制器的状态预置好，当第k个同步激光脉冲到来时，激光脉冲沿着规划好的空间路径进行传输，从而生成10000路延时可控的激光回波信号。

激光脉冲延时空间重构装置按照步骤三至步骤六所述的延时空间重构方法把初始激光脉冲转换为二维激光回波延时信号，送入投影光学系统。所述的激光脉冲延时空间重构装置包括延时切片生成装置和延时切片分配装置。

所述的延时切片生成装置包括数控光纤延时器和光纤步进延时器。

所述的数控光纤延时器如图11所示，由2个1×2光开关，13个2×2光开关、14个固定延时单元组成和驱动系统组成。数控光纤延时器通过驱动系统接收控制计算机下发的基础延时控制指令，通过设置各光开关的状态使光脉冲通过不同长度的光纤组合来实现延时，用于对初始激光脉冲作基础延时，数控光纤延时器所能实现的延时分辨率为2ns，延时范围为0-16382ns，对应的距离分辨率为0.3m，距离模拟范围为0-2457.3m。对应步骤二中得到的基础延时

t₀＝9920＝2⁶+2⁷+2⁹+2¹⁰+2¹³ns

得到数控光纤延时器的连通方式如图12所示，其中光开关状态由控制计算机下发的基础延时控制指令设定。

所述的光纤步进延时器按照步骤四对基础延时激光脉冲进行分束和步进延时，得到一系列延时切片激光脉冲，如图13所示，为光纤步进延时器的工作示意图。所述的光纤步进延时器包括光分路器和步进延时光纤组，通过光分路器把基础延时激光脉冲分成1000束，通过步进延时光纤组令每束子激光脉冲通过不同长度的光纤从而引入不同的延时，所用的光纤折射率为n_F＝1.5，则步进延时光纤组中相邻的步进延时光纤的长度相差固定长度Δd＝2×0.3/1.5＝0.4，相邻子激光脉冲的延时差值依次递增固定延时(2ns)，得到以基础延时t₀＝9920ns为起点，每隔固定延时时间(2ns)的一系列延时切片激光脉冲T_n＝9920+2(n-1)，n＝1,2,···,1000。

所述的延时切片分配装置包括行扩束光学系统、列压缩光学系统、空间光调制器和光纤传像束，如图14所示。所述的行扩束光学系统按照步骤五把步骤四得到的一系列延时切片激光脉冲T_n＝9920+2(n-1)，n＝1,2,···,1000在空间上展宽为1000条线激光脉冲，分别照亮空间光调制器的1000行像元(H₁,H₂,…,H₁₀₀₀)；所述的列压缩光学系统按照步骤五把空间光调制器M列像元(L₁,L₂,…,L₁₀₀₀₀)发出的光分别收集到10000根光纤中，形成10000路空间一维线阵激光回波通道；所述的空间光调制器阵列规模为10000列1000行，按照步骤五，根据步骤二生成的延时切片数据，设置每个像元的开关状态，实现把延时为T_n＝9920+2(n-1)的延时切片激光脉冲导入延时关联点坐标i∈[1,100]，j∈[1,100]对应的R_m激光回波通道；所述的光纤传像束实现10000路空间一维线阵激光回波到100×100路空间二维面阵激光回波的空间变换。光纤传像束的线阵输入端第m(1＜m＜10000)路激光回波通道与光纤传像束面阵输出端位置坐标为(i,j)(i＝1,2,···,100,j＝1,2,···,100)的激光回波通道之间按公式

m＝i+100(j-1)

一一对应。

投影光学系统按照步骤七把步骤六所述的光纤传像束的面阵输出端面投影到激光雷达接收光学系统的入瞳处，完成二维激光回波信号的投送。实现以延时空间重构方法为基础的激光成像雷达目标回波信号的模拟。

显然，本领域的技术人员和研究人员可以对本发明的激光成像雷达目标回波信号模拟器装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.激光成像雷达目标回波信号模拟方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：建立激光雷达探测场景的数字三维模型，生成激光回波信号延时矩阵；以视点和激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点形成轴线，定义为Z坐标轴，视点位于坐标原点(0,0,0)，激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点位于(0,0,D_max)，其中D_max表示激光雷达最远探测距离，激光雷达接收光学系统的最远面视场的含义是指在激光雷达最远探测距离上，由激光雷达接收光学系统的角视场决定的矩形区域；激光雷达接收光学系统的角视场为α×β，其中α为X方向角视场，β为Y方向角视场，则激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向和Y方向的宽度分别为：

激光雷达接收光学系统的最远面视场的四个顶点坐标分别为：

P1：

P2：

P3：

P4：

激光雷达探测器的阵列规模为A列B行(A×B)，把激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向等分为A-1份，在Y方向上等分为B-1份，则在激光雷达接收光学系统的最远面视场所在的平面上由面视场边线和分割线共形成A×B个格点，称为视场采样点；分别以视点为起点，A×B个视场采样点为终点，建立A×B条线段，称为距离采样线段；当所建立的激光雷达探测场景的数字三维模型位于由视点和激光雷达接收光学系统的最远面视场的四个顶点P1～P4所确定的四棱锥空间区域内时，部分距离采样线段与激光雷达探测场景的数字三维模型将有至少一个交点，提取距视点最近的交点的空间坐标(x_i,j,y_i,j,z_i,j)，其中i,j为整数，并有i∈[1,A]，j∈[1,B]，根据公式(2)计算该交点对应的探测距离：

部分距离采样线段与激光雷达探测场景的数字三维模型无交点，则对应的探测距离一律设置为最远探测距离D_max；得到所有距离采样线段对应的探测距离矩阵后，根据公式(3)计算对应的回波信号延时；

c为光速(3)

得到整个激光雷达探测场景的激光回波信号延时矩阵；

步骤一中所述的激光回波信号延时矩阵共有A列B行，共A×B个元素，每个元素表示一个激光回波信号相对于激光雷达发射激光脉冲的延时；

步骤二：对步骤一生成的激光回波信号延时矩阵进行分解，得到延时切片数据；提取延时矩阵中的最小值，称为基础延时t₀；以基础延时t₀为起点，每隔固定延时增量(Δt)对激光回波信号延时矩阵进行切片，共做N次切片，即在激光回波信号延时矩阵中分别提取出延时值等于：

T_n＝t₀+(n-1)Δt，n＝1,2,…,N (4)

的点的矩阵坐标，称为对应于延时切片T_n的延时关联点坐标，记为i∈[1,A]，j∈[1,B]，即激光回波信号延时矩阵的第i列第j行的延时值为T_n；对应于延时切片T_n的延时关联点个数最少为0个，最多为A×B个；

步骤三：根据步骤二生成的基础延时t₀对初始激光脉冲进行基础延时，通过光纤长度的不同组合实现对初始激光脉冲进行基础延时，得到基础延时激光脉冲；

步骤四：根据步骤二生成的延时切片数据，对步骤三得到的基础延时激光脉冲进行分束，共分成N束，令每束子激光脉冲通过不同长度的光纤从而引入不同的延时，相邻子激光脉冲的延时差值依次递增固定延时Δt，得到以基础延时t₀为起点，每隔固定延时时间Δt的一系列延时切片激光脉冲T_n＝t₀+(n-1)Δt，n＝1,2,…,N；

步骤五：把步骤四得到的一系列延时切片激光脉冲T_n＝t₀+(n-1)Δt，n＝1,2,…,N在空间上展宽为N条线激光脉冲，分别照亮空间光调制器的N行像元(H₁,H₂,…,H_N)，则空间光调制器的每一行受到光照的时刻是不同的，因此空间光调制器的每一行对应一个延时切片，对应关系为： 再把空间光调制器M列像元L₁,L₂,…,L_M发出的光分别收集到M根光纤中，每根光纤对应一路激光回波信号通道，因此空间光调制器的每一列对应一路激光回波信号，对应关系为：根据步骤二中得到的对应于延时切片T_n的若干延时关联点坐标i∈[1,A]，j∈[1,B]，把空间光调制器第m列第n行的像元状态设置为开态，m,n,T_n,i,j之间有如下换算关系：

步骤五中所述的空间光调制器的阵列规模为M列N行，共M×N个像元，对于阵列规模为A×B的激光回波信号延时矩阵，有M＝A×B；当空间光调制器的像元状态为开态时，光能够通过空间光调制器，当空间光调制器的像元状态为关态时，光不能通过空间光调制器；由于空间光调制器的每一行对应一个延时切片，每一列对应一路激光回波信号，因此当阵列坐标为(m,n)，m∈[1,M],n∈[1,N]的像元的状态为开态时，延时为T_n＝t₀+(n-1)Δt的延时切片激光脉冲就进入了i∈[1,A]，j∈[1,B]对应的R_m激光回波通道；每一个延时切片对应若干个延时关联点，因此每一个延时切片能够对应多个激光回波，但每个延时关联点只能位于一个延时切片上，因此每个激光回波只能对应一个延时切片，因此空间光调制器每一列上只能有一个像元为开态，每一行上处于开态的像元数量依据该行代表的延时切片关联点个数，允许是多个；对于一帧激光回波信号延时矩阵，空间光调制器所有M×N个像元中只能有M个像元导通；

步骤六：通过线-面转换的光纤传像束实现M路空间一维线阵激光回波到A×B路空间二维面阵激光回波的空间变换；光纤传像束的线阵输入端第m(m∈[1,M])路激光回波通道与光纤传像束面阵输出端阵列坐标为(i,j)(i∈[1,A],j∈[1,B])的激光回波通道之间按公式m＝i+A(j-1)一一对应；

步骤七：通过投影光学系统把步骤六所述的光纤传像束的面阵输出端面投影到激光雷达接收光学系统的入瞳处，完成二维激光回波信号的投送，实现以延时空间重构方法为基础的激光成像雷达目标回波信号的模拟；

步骤七中所述的延时空间重构方法通过步骤三至步骤六实现。

2.如权利要求1所述的激光成像雷达目标回波信号模拟方法，其特征在于：还包括步骤八：将激光成像雷达目标回波信号模拟方法应用于成像激光雷达制导武器半实物仿真试验中，为激光成像雷达测试提供必需的目标和背景回波信号，提升激光回波场景模拟的阵列规模，提高回波信号延时的稳定性和距离分辨率。

3.如权利要求1所述的激光成像雷达目标回波信号模拟方法，其特征在于：数据的生成通过步骤一和步骤二实现，所生成的数据包括激光雷达探测场景的距离矩阵、激光回波信号的延时矩阵、基础延时和延时切片数据。

4.如权利要求1所述的激光成像雷达目标回波信号模拟方法，其特征在于：步骤二中所述的延时切片数据包括一系列延时切片值T_n及对应于每个延时切片T_n的若干延时关联点坐标所述的固定延时增量Δt由所要模拟的激光雷达探测距离分辨率ΔD决定：

5.实现如权利要求1、2、3或4所述的激光成像雷达目标回波信号模拟方法的激光成像雷达目标回波信号模拟器，其特征在于：包括激光脉冲接收装置、控制计算机、激光脉冲延时空间重构装置和投影光学系统；

激光脉冲接收装置用于把被试激光成像雷达发射的同步激光脉冲转换为同步电信号和初始激光脉冲，分别送入控制计算机和激光脉冲延时空间重构装置；所述的激光脉冲接收装置包括接收镜头、光分束器、光电转换器和光衰减器，接收镜头用于收集被试激光成像雷达发射的同步激光脉冲，光分束器用于把同步激光脉冲分为两束，光电转换器用于把同步激光脉冲转换为同步电信号，光衰减器用于把同步激光脉冲衰减到激光脉冲延时空间重构装置能够承受的强度，作为初始激光脉冲；

控制计算机包括数据生成模块和控制模块，所述的数据生成模块按照步骤一建立激光雷达探测场景的数字三维模型，生成激光回波信号延时矩阵，按照步骤二对激光回波信号延时矩阵进行分解，得到延时切片数据；所述的控制模块根据步骤二生成的基础延时生成基础延时控制指令，下发给数控光纤延时器，根据步骤二生成的延时切片数据生成二值图像，下发给空间光调制器；控制计算机在初始化时，把第一帧的基础延时控制指令和二值图像分别下发到数控光纤延时器和空间光调制器，此后每接收一个同步信号，等待t_w时间，然后把下一帧的控制指令发送到数控光纤延时器和空间光调制器；即在第k个同步信号到来之前，控制模块就已经通过光开关控制指令和二值图像把数控光纤延时器和空间光调制器的状态预置好，当第k个同步激光脉冲到来时，激光脉冲沿着规划好的空间路径进行传输，从而生成M路延时可控的激光回波信号；所述的等待时间t_w需大于激光雷达探测最远距离D_max对应的激光回波延时，即：

激光脉冲延时空间重构装置按照步骤三至步骤六所述的延时空间重构方法把初始激光脉冲转换为二维激光回波延时信号，送入投影镜头；所述的激光脉冲延时空间重构装置包括延时切片生成装置和延时切片分配装置；

所述的延时切片生成装置包括数控光纤延时器和光纤步进延时器；所述的数控光纤延时器按照步骤三对初始激光脉冲进行基础延时t₀，得到基础延时激光脉冲；所述的数控光纤延时器包括光开关、固定延时光纤和驱动系统，通过驱动系统接收控制计算机发送的基础延时控制指令数据，控制光开关的状态实现光纤长度的不同组合进而实现对激光脉冲进行基础延时，得到基础延时激光脉冲；所述的光纤步进延时器按照步骤四对基础延时激光脉冲进行分束和步进延时，得到一系列延时切片激光脉冲；所述的光纤步进延时器包括光分路器和步进延时光纤组，通过光分路器把基础延时激光脉冲分成N束，通过步进延时光纤组令每束子激光脉冲通过不同长度的光纤从而引入不同的延时，步进延时光纤组中相邻的步进延时光纤的长度相差固定长度Δd，Δd由公式(7)决定：

其中n_F表示光纤的折射率，相邻子激光脉冲的延时差值依次递增固定延时Δt，得到以基础延时t₀为起点，每隔固定延时时间Δt的一系列延时切片激光脉冲T_n＝t₀+(n-1)Δt，n＝1,2,…,N；

所述的延时切片分配装置包括行扩束光学系统、列压缩光学系统、空间光调制器和光纤传像束；所述的行扩束光学系统按照步骤五把步骤四得到的一系列延时切片激光脉冲T_n＝t₀+(n-1)Δt，(n＝1,2,…,N)在空间上展宽为N条线激光脉冲，分别照亮空间光调制器的N行像元(H₁,H₂,…,H_N)；所述的列压缩光学系统按照步骤五把空间光调制器M列像元L₁,L₂,…,L_M发出的光分别收集到M根光纤中，形成M路空间一维线阵激光回波通道；所述的空间光调制器阵列规模为M列N行，共M×N个像元；按照步骤五，根据步骤二生成的延时切片数据，设置每个像元的开关状态，实现把延时为T_n＝t₀+(n-1)Δt的延时切片激光脉冲导入延时关联点坐标i∈[1,A]，j∈[1,B]对应的R_m激光回波通道；所述的光纤传像束实现M路空间一维线阵激光回波到A×B路空间二维面阵激光回波的空间变换；光纤传像束的线阵输入端第m(1＜m＜M)路激光回波通道与光纤传像束面阵输出端位置坐标为(i,j)(i＝1,2,…,A,j＝1,2,…,B)的激光回波通道之间按公式m＝i+A(j-1)一一对应；

投影光学系统按照步骤七把步骤六所述的光纤传像束的面阵输出端面投影到激光雷达接收光学系统的入瞳处，完成二维激光回波信号的投送；实现以延时空间重构方法为基础的激光成像雷达目标回波信号的模拟。