CN109444846A - 相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法 - Google Patents

相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，涉及相干激光雷达技术领域。该方法包括：对与本振混频并经光电转换后的目标回波信号进行采样；对数字信号进行傅里叶变换；对数字信号进行匹配滤波；对数字信号进行幅频特性校正；对数字信号频谱进行逆傅里叶变换获得时域波形。本发明可以改善孔径渡越导致的相干激光雷达大口径衍射光学系统的距离向高分辨率成像结果的散焦状况，为大口径衍射光学系统在相干激光雷达中的应用创造了条件。

Description

相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法
技术领域
本发明涉及相干激光雷达领域，特别涉及一种相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法。
背景技术
衍射光学系统可用于相干激光雷达，通过衍射器件(如菲涅尔透镜阵列和二元光学器件)引入较大的移相量实现波前控制，以减小焦距并实现系统的轻量化(刘丽萍，王骐，李绮.用二元光学器件简化相干激光雷达天线系统的光学设计[J].中国激光，2002，29(s1)：251-253)。
如说明书附图1所示，在经过衍射器件移相后，从衍射主镜不同位置到达焦点处的目标回波信号的相位相同，从而实现目标回波信号在空间上的聚焦。
当相干激光雷达发射宽带信号时，将形成距离向高分辨率。此时，由于衍射器件仅改变了目标回波信号的相位，未对其包络进行时移，所以从衍射主镜不同位置到达焦点的目标回波信号同相相加时存在包络错位，当包络错位大于半个距离分辨单元时，即会导致同相相加后的目标回波信号在距离向散焦。该问题被称为相干激光雷达大口径衍射光学系统的孔径渡越问题，与微波相控阵天线的孔径渡越问题类似。
微波相控阵天线能够对每个阵元接收的目标回波信号分别进行采样，再在数字域进行处理，所以其孔径渡越问题容易解决，目前已有相关解决方案(仇光锋，朱力.宽带相控阵雷达孔径渡越现象研究[J].中国电子科学研究院学报，2010，5(4)：354-359)。但是，相干激光雷达大口径衍射光学系统的孔径渡越问题目前尚没有有效的解决方案。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供了一种相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本发明的一方面，提供一种相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，包括：
步骤S1：对与本振混频并经光电转换后的目标回波信号进行采样；
步骤S2：对采样得到的数字信号进行傅里叶变换，获得其频谱；
步骤S3：构造匹配滤波器的频率响应函数，并对步骤S2得到的数字信号进行匹配滤波；
步骤S4：构造幅频特性校正函数，并对步骤S3得到的数字信号进行幅频特性校正；
步骤S5：对步骤S4得到的数字信号频谱进行逆傅里叶变换获得时域波形。
在进一步的实施方案中，所述匹配滤波器的频率响应函数根据衍射光学系统的模型参数和参考点目标的回波信号构造得到。
在进一步的实施方案中，所述匹配滤波器的频率响应函数是所述参考点目标的回波信号频谱的共轭。
在进一步的实施方案中，所述幅频特性校正函数由参考点目标的回波信号的幅频特性构造得到。
在进一步的实施方案中，所述参考点目标为激光波束中心线上的远场点目标或通过设置合作目标作为所述参考点目标。
在进一步的实施方案中，所述参考点目标存在系统误差，且所述系统误差通过定标进行校正。
在进一步的实施方案中，所述补偿方法将相干激光雷达的波束划分为多个子波束分别进行孔径渡越补偿。
在进一步的实施方案中，所述将相干激光雷达的波束划分为多个子波束分别进行孔径渡越补偿为通过对距离向成像结果进行分段来划分子波束。
(三)有益效果
本发明提供的相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，通过对数字信号进行傅里叶变换、匹配滤波、幅频特性校正，以及逆傅里叶变换等步骤进行孔径渡越补偿。此方法可以改善孔径渡越导致的相干激光雷达大口径衍射光学系统的距离向高分辨率成像结果的散焦状况，为大口径衍射光学系统在相干激光雷达中的应用创造了条件，可用于基于大口径衍射光学系统的合成孔径激光雷达成像和逆合成孔径激光雷达成像。
附图说明
图1为聚焦状态下衍射主镜和焦距的几何关系；
图2(a)、图2(b)分别为本发明实施例的存在和不存在孔径渡越时，从衍射主镜不同位置入射到焦点的目标回波信号的脉压结果图；
图3(a)、图3(b)分别为本发明实施例的存在和不存在孔径渡越时在焦点处相干累加后的目标回波信号的脉压结果图；
图4(a)为本发明实施例的目标回波信号的幅频特性图；图4(b)为本发明实施例的目标回波信号的相频特性图；
图5(a)为本发明实施例的匹配滤波函数的幅频特性图；图5(b)为本发明实施例的匹配滤波函数的相频特性图；
图6(a)、图6(b)分别为本发明实施例的匹配滤波后的目标回波信号的幅频特性图和相频特性图；图6(c)为本发明实施例的匹配滤波后的目标回波信号的时域波形图；
图7(a)、图7(b)、图7(c)分别为本发明实施例的幅频特性校正后的目标回波信号的幅频特性图、相频特性图和时域波形图；
图8为本发明实施例的合成孔径激光雷达的几何观测模型图；
图9(a)、图9(b)、图9(c)分别为本发明实施例的孔径渡越补偿后的位于波束下沿、中心、上沿的目标回波信号的时域波形图(用位于波束中心的点目标作为参考统一补偿)；
图10(a)、图10(b)、图10(c)分别为本发明实施例的孔径渡越补偿后的位于波束下沿、中心、上沿的目标回波信号的时域波形图(距离向分段补偿)；
图11为本发明实施例的方法流程图。
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。
在本发明的一个实施例中，提供了一种相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，如图11所示包括：
步骤S1：对与本振混频并经光电转换后的目标回波信号进行采样；
步骤S2：对采样得到的数字信号进行傅里叶变换，获得其频谱；
步骤S3：构造匹配滤波器的频率响应函数，并对步骤S2得到的数字信号进行匹配滤波；
步骤S4：构造幅频特性校正函数，并对步骤S3得到的数字信号进行幅频特性校正；
步骤S5：对步骤S4得到的数字信号频谱进行逆傅里叶变换获得时域波形。
其中，在步骤S1中，先将所述目标回波信号与本振信号进行混频，并经光电转换，然后对光电转换得到的电信号进行采样得到数字信号。所述电信号可表明，同一目标的回波信号，经衍射主镜不同位置入射到焦点后，虽然相位相同，但是包络错位。包络错位的长度定义其为孔径渡越长度，当孔径渡越长度大于半个距离分辨单元时，孔径渡越将导致点目标的距离向成像结果散焦。
其中，在步骤S3中，根据所述参考点目标的回波信号频谱进行构造匹配滤波器，并对步骤S2得到的数字信号进行匹配滤波。经过匹配滤波之后，目标回波信号频谱的高阶相位会被消除，但是由于幅频特性仍会存在一定的调制。优选的，所述匹配滤波器的频率响应函数根据衍射光学系统的模型参数和参考点目标的回波信号构造得到，为参考点目标的回波信号频谱的共轭。
其中，在步骤S4中，构造幅频特性校正函数，并对步骤S3得到的数字信号进行幅频特性校正。优选的，所述幅频特性校正函数由参考点目标的回波信号的幅频特性构造得到。由于经过匹配滤过之后的数字信号仍会存在一定的调制，所以需要进一步校正，经过校正后的信号，在发射信号带宽对应的频带内，幅频特性的调制将被消除。
其中，在步骤S5中，对步骤S4得到的数字信号频谱进行逆傅里叶变换获得时域波形，从而实现孔径渡越补偿。
在本实施例中，所述参考点目标为激光波束中心线上的远场点目标或通过设置合作目标作为所述参考点目标。其中，参考点目标为激光波束中心线上的远场点目标，其回波信号表达式可依据观测几何和衍射光学系统的模型参数给出，但是在实际应用中，考虑到系统误差，可通过设置合作目标作为参考点目标，在大信噪比条件下，通过定标对系统误差进行校正。
在本实施例中，所述补偿方法将相干激光雷达的波束划分为多个子波束分别进行孔径渡越补偿。若相干激光雷达的波束较宽，应将宽波束划分为多个子波束分别进行孔径渡越补偿，其可转换为距离向分段进行孔径渡越补偿。
下面结合本发明的示例性实施例进行进一步说明，以使发明目的表达更加清晰、技术方案展现更加完整、技术效果提现更加明显。
首先对相干激光雷达大口径衍射光学系统的孔径渡越现象进行描述，假定雷达发射的宽带信号为线性调频激光信号。
如图1所示，假定在用于接收信号的衍射主镜的远场轴线上有一个点目标，其到衍射主镜中心的距离为Rref，若发射光学系统等效相位中心到该点目标的距离也为Rref，那么到达衍射主镜端面上P点的目标回波信号可表示为：
其中，t为时间；Tp为脉冲宽度；fc为发射信号的中心频率；Kr为发射信号的调频率。
假定P点与衍射主镜中心的间隔为n.d，d为衍射光学器件的间隔，为使从衍射主镜端面不同位置到达焦点的目标回波信号同相，P点的衍射器件会对回波信号等效插入相移量：
其中，
经P点到达主镜焦点的回波信号为：
经衍射主镜端面不同位置到焦点的目标回波信号会相干累积，并与本振信号混频后光电转换为电信号，该电信号可表示为：
其中，N为衍射主镜上衍射光学器件的个数。(4)式表明，同一目标的回波信号，经衍射主镜不同位置入射到焦点后，虽然相位相同，但是包络错位。孔径渡越长度即包络错位的大小为RF(n)的变化范围。当孔径渡越长度大于半个距离分辨单元时，孔径渡越将导致点目标的距离向成像结果散焦。
下面给出大口径衍射光学系统的孔径渡越现象仿真结果，设定衍射主镜口径10m，焦距20m，线性调频激光信号的距离分辨率0.1m。
为直观表示，假定可以对从衍射主镜不同位置入射到焦点的目标回波信号进行采样并脉冲压缩，如图2(a)所述给出的脉压结果，显然，从衍射主镜不同位置入射到焦点的回波信号的包络存在0.6m的错位，远大于半个距离分辨单元即存在孔径渡越。如图3(a)所示给出了在焦点处相干累加之后的目标回波信号的脉压结果，显然，距离向成像结果严重散焦。作为对比，图2(b)和图3(b)给出了不存在孔径渡越情况下的仿真结果。
下面给出孔径渡越补偿方法，首先依据(4)式构造匹配滤波器，其频率响应为：
H3(f)＝FT{s3(t)} (5)
其中，FT{}表征傅里叶变换。
经过匹配滤波后的时域信号为：
s4(t)＝IFT{FT[s3(t)]·H3(f)} (6)
其中，IFT{}表征逆傅里叶变换。
如图4(a)所示为目标回波信号的幅频特性图，显然目标回波信号的幅频特性存在一定调制；如图4(b)所示为目标回波信号的相频特性图，目标回波信号频谱存在相位不同。如图5(a)和图5(b)所示分别为匹配滤波器的幅频特性图和相频特性图，其根据衍射光学系统的模型参数和参考点目标的回波信号构造，匹配滤波器的频率响应函数是参考点目标的回波信号频谱的共轭。如图6(a)、图6(b)和图6(c)所示分别为经过匹配滤波后的目标回波信号的幅频特性图、相频特性图以及时域波形图。可以看出，经过构造的匹配滤波器进行匹配滤波之后，目标回波信号频谱的高阶相位被消除，但是由于幅频特性仍然存在一定的调制，所以脉冲压缩结果并不是理想的sinc波形。
下面基于H3(f)对匹配滤波后的目标回波信号的幅频特性进行校正：
其中，所述幅频特性校正函数即(7)式由参考点目标的回波信号的幅频特性构造得到。
结合(4)式、(6)式和(7)式可以看出，经过校正后，在发射信号带宽对应的频带内，信号幅频特性的调制被消除。校正后的回波信号的幅频特性图、相频特性图以及时域波形图如图7(a)、图7(b)和图7(c)所示。对比图3(a)与图7(c)可以看出，经过幅频特性校正，脉冲压缩结果已接近理想的sinc波形，与不存在孔径渡越时回波信号的脉冲压缩结果一致。
上述分析假定目标位于衍射主镜的轴线上，在此条件下，到达镜面不同位置的目标回波信号经过的距离近似相等，所以在孔径渡越补偿时仅需要考虑镜面不同位置到焦点的距离差即可。
若目标不在衍射主镜的轴线上，到达镜面不同位置的目标回波信号经过的距离不同，位于波束边缘的目标的回波信号到达镜面两端的距离差可表示为：
其中，Δθ为波束宽度。
若ΔR大于半个距离分辨单元，就不能采用位于衍射主镜轴线上的点目标作为参考，对波束内所有目标的回波信号进行统一的孔径渡越补偿，而应将波束分为若干子波束，用各子波束中心线上的点目标作为参考进行孔径渡越补偿，各子波束的波束宽度Δθk应满足：
各子波束对应的孔径渡越补偿过程与前面分析相同，仅需在公式推导过程中变更公式(1)。在推导第k个子波束的孔径渡越补偿函数时，公式(1)应变更为下式：
其中，θk为第k个子波束的波束中心线与原波束中心线的夹角，θ和h的定义如图8所示。
实际信号处理中不具备直接划分子波束的条件，而是通过距离向分段间接达到子波束划分的目的，第k个子波束对应的距离区间为：
若衍射主镜口径10m，波束宽度10mrad，距离分辨率0.1m，根据(11)式，需要划分3个子波束分别进行孔径渡越补偿。
分别在波束下沿、中心和上沿设置三个目标，用位于波束中心的目标构造参考函数进行孔径渡越补偿，如图9(a)、图9(b)、图9(c)所示分别为用位于波束中心的点目标作为参考统一孔径渡越补偿后的位于波束下沿、中心、上沿的目标回波信号的时域波形图，可以看出，位于波束下沿和波束上沿的目标旁瓣上升较多。图10(a)、图10(b)、图10(c)分别为本发明实施例的距离向分段孔径渡越补偿后的位于波束下沿、中心、上沿的目标回波信号的时域波形图，可以看出，三个点目标均得到了良好的聚焦。显然，距离向分段补偿的效果优于用位于波束中心的点目标作为参考统一补偿的效果。
通过上述对本发明的介绍以及示例性实施例的实验，本发明所提供的一种相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，通过对数字信号进行傅里叶变换、匹配滤波、幅频特性校正，以及逆傅里叶变换等步骤进行孔径渡越补偿，可以改善孔径渡越导致的相干激光雷达大口径衍射光学系统的距离向高分辨率成像结果的散焦状况，为大口径衍射光学系统在相干激光雷达中的应用创造了条件，可用于基于大口径衍射光学系统的合成孔径激光雷达成像和逆合成孔径激光雷达成像。此外，当相干激光雷达的波束较宽时，将宽波束划分为多个子波束分别进行孔径渡越补偿，将其转换为距离向分段进行孔径渡越补偿，补偿效果明显优于用位于波束中心的点目标作为参考统一孔径渡越补偿。
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 (8)

1.一种相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，其特征在于，包括：
步骤S1：对与本振混频并经光电转换后的目标回波信号进行采样；
步骤S2：对采样得到的数字信号进行傅里叶变换，获得其频谱；
步骤S3：构造匹配滤波器的频率响应函数，并对步骤S2得到的数字信号进行匹配滤波；
步骤S4：构造幅频特性校正函数，并对步骤S3得到的数字信号进行幅频特性校正；
步骤S5：对步骤S4得到的数字信号频谱进行逆傅里叶变换获得时域波形。
2.根据权利要求1所述的干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，其特征在于，所述匹配滤波器的频率响应函数根据衍射光学系统的模型参数和参考点目标的回波信号构造得到。
3.根据权利要求1或2所述的相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，其特征在于，所述匹配滤波器的频率响应函数是所述参考点目标的回波信号频谱的共轭。
4.根据权利要求1所述的相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，其特征在于，所述幅频特性校正函数由参考点目标的回波信号的幅频特性构造得到。
5.根据权利要求2或4所述的相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，其特征在于，所述参考点目标为激光波束中心线上的远场点目标或通过设置合作目标作为所述参考点目标。
6.根据权利要求5所述的相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，其特征在于，所述参考点目标存在系统误差，且所述系统误差通过定标进行校正。
7.根据权利要求5所述的相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，其特征在于，所述补偿方法将相干激光雷达的波束划分为多个子波束分别进行孔径渡越补偿。
8.根据权利要求5所述的相干激光雷达大口径衍射光学系统孔径渡越补偿方法，其特征在于，所述将相干激光雷达的波束划分为多个子波束分别进行孔径渡越补偿为通过对距离向成像结果进行分段来划分子波束。
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