CN110068833B - 一种合成孔径激光雷达成像方法、仪器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种合成孔径激光雷达成像方法、仪器及系统。所述方法包括：通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号；对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位；通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差；利用所述运动误差对所述至少两个光学望远镜接收的回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到至少两个方位向待压缩图像数据；对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，完成成像的方位向压缩处理。

Description

一种合成孔径激光雷达成像方法、仪器及系统

技术领域

本发明涉及一种合成孔径激光雷达成像方法、仪器及系统。

背景技术

合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Lidar，SAL)结合合成孔径技术和相干激光探测技术，具有多普勒频移大、指向精度高、测距精度高、合成孔径时间短的系列技术特点。合成孔径激光雷达解决了LiDAR系统网格密度、成像分辨率和探测能量的技术瓶颈问题。实现全新体制的、基于光波段的合成孔径雷达系统，突破了几何光学的衍射极限，使成像分辨率大大提高。激光信号方便实现大带宽调制，因此对提高距离向分辨率有利；雷达和目标间很小的相对运动可以实现很大的方位多普勒频移，因此可以实现很高的方位分辨。SAL技术将成为超远程厘米级分辨率成像的重要技术手段，在未来高分辨率探测领域发挥重要作用。

运动补偿问题是影响激光合成孔径成像的核心关键问题。SAL工作在短红外波段，波长在微米量级，亚波长量级的平台运动误差将影响SAL严重高分辨率成像。而以下传统两种运动补偿思路也难以解决亚微米量级的SAL运动误差补偿的难题：首先，基于运动测量传感器的运动补偿方法采用高精度的定位定姿系统(Position and Orientation System，POS)实现对平台振动的测量，在成像处理阶段进行运动误差补偿。然而目前最高精度的POS系统位置测量精度在厘米量级，远远难以达到SAL高分辨率成像的需求；其次，基于雷达回波数据的运动估计补偿方法，最为经典的为相位梯度自聚焦算法。该方法依赖目前区域存在一定强散射点，针对均匀无理想点目标的场景将难以实现图像的聚焦。并且由于激光波长极短，传统微波波段可忽略的运动误差会引起超过2π的相位误差，图像散焦十分严重，给相位梯度自聚焦算法带来巨大的挑战。

发明内容

本发明一方面提供了一种合成孔径激光雷达成像方法，所述方法包括：通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号；对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位；通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差；利用所述运动误差对所述至少两个光学望远镜接收的回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到至少两个方位向待压缩图像数据；对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，完成成像的方位向压缩处理。

可选地，所述对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位，包括：

在t_a时刻，两个回波信号的方位向相位分别为：

通过对所述至少两个回波信号的方位向相位进行相位差分，得到顺轨差分干涉相位：

其中λ是合成孔径激光雷达信号波长，R₁是第一个光学望远镜对应的雷达斜距，R₂是第二个光学望远镜对应的雷达斜距，ΔR_n是运动误差。

可选地，所述通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，包括：

通过下列公式获取斜距向速度误差v_r：

其中，λ是合成孔径激光雷达信号波长，

是顺轨差分干涉相位，Δt是合成孔径激光雷达的天线相位中心从一个位置运动到下一个位置所需的时间。

可选地，所述利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差，包括：

通过下列积分公式获取t_k时刻的运动误差ΔR(t_k)：

其中，v_r(t)是t时刻的斜距向速度误差。

可选地，所述对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，包括：

第k个光学望远镜去斜接收后的回波信号可表示成：

其中，t_a是方位慢时间，T是调频连续波调频时宽，K_a是线性调频信号调频率，f_ack是第k个光学望远镜的多普勒中心频率；

对各光学望远镜的回波信号进行方位傅里叶变换到多普勒域，各光学望远镜对应的子带信号可通过滤波器H_ak(f_a)实现方位全孔径条件下多普勒信号的合成：

其中，f_a为多普勒频率。

可选地，所述滤波器H_ak(f_a)表示为：

其中，B是子带的多普勒宽度。

本发明另一方面提供了一种合成孔径激光雷达成像仪器，所述仪器包括发射激光信号的设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜，以及用于接收回波信号的设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜。

可选地，所述至少两个光学望远镜为三个光学望远镜。

本发明再一方面提供了一种合成孔径激光雷达成像系统，所述系统包括：收发信号模块，用于通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号；差分干涉相位获取模块，用于对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位；运动误差获取模块，用于通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差；运动误差补偿处理模块，用于利用所述运动误差对所述至少两个光学望远镜接收的回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到至少两个方位向待压缩图像数据；成像处理模块，用于对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，完成成像的方位向压缩处理。

附图说明

图1是本发明实施例提供的合成孔径激光雷达成像方法的方法流程图；

图2是本发明实施例提供的合成孔径激光雷达仪器结构示意图；

图3是本发明实施例提供的合成孔径激光雷达仪器中光学望远镜结构示意图；

图4是本发明实施例提供的合成孔径激光雷达成像方法中干涉运动补偿示意图；

图5是本发明实施例提供的合成孔径激光雷达成像方法中多个光学望远镜的孔径综合原理图；

图6是本发明实施例提供的合成孔径激光雷达成像方法中多个光学望远镜的多普勒合成原理图；

图7为本发明实施例提供的合成孔径激光雷达成像系统的系统框图。

具体实施方式

以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。

本发明的一个实施例提供了一种合成孔径激光雷达成像方法，参见图1，所述方法包括步骤S1-S5的内容：

步骤S1：通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号。

参见图2和图3，用于发射激光信号和用于接收回波信号的光学望远镜均设置于合成孔径激光雷达上，并且用于发射激光信号的光学望远镜与用于接收回波信号的光学望远镜应不为同一个，因此在合成孔径激光雷达上应至少设置3个光学望远镜。以图3为例，可以看到该合成孔径激光雷达上设置了4个光学望远镜，位于图示位置最上部的即为用于发射激光信号的光学望远镜，位于图示位置下部的三个排成行的即为用于接收回波信号的光学望远镜，这4个光学望远镜在安装于合成孔径激光雷达上时应使3个用于接收回波信号的光学望远镜沿方位向排布，即沿合成孔径激光雷达的平台运动方向进行排布。从而形成一发多收的合成孔径激光雷达成像体制。

步骤S2：对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位。

包括：

在t_a时刻，两个回波信号的方位向相位分别为：

通过对所述至少两个回波信号的方位向相位进行相位差分，得到顺轨差分干涉相位：

其中λ是合成孔径激光雷达信号波长，R₁是第一个光学望远镜对应的雷达斜距，R₂是第二个光学望远镜对应的雷达斜距，ΔR_n是运动误差。

步骤S3：通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差。

干涉运动补偿示意图如图4所示。以用于接收回波信号的光学望远镜为2个为例，假设存在运动误差情况下，合成孔径激光雷达天线相位中心从t_k运动到t_k+Δt，对于目标点P顺轨方向两望远镜同时接收，利用顺轨两望远镜进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位为

而

与斜距向速度误差v_r的关系可表示为：

其中，λ是合成孔径激光雷达信号波长，

是顺轨差分干涉相位，Δt是合成孔径激光雷达的天线相位中心从一个位置运动到下一个位置所需的时间。

所述利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差，包括：

通过下列积分公式获取t_k时刻的运动误差ΔR(t_k)：

其中，v_r(t)是t时刻的斜距向速度误差。

步骤S4：利用所述运动误差对所述至少两个光学望远镜接收的回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到至少两个方位向待压缩图像数据。

该步骤中对回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到待压缩图像数据的过程为现有技术，此处不再进行详细赘述，本发明实施例可以利用现有技术中的任何一种可行的方式实现该过程。

步骤S5：对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，完成成像的方位向压缩处理。

所述对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，包括：

第k个光学望远镜去斜接收后的回波信号可表示成：

其中，t_a是方位慢时间，T是调频连续波调频时宽，K_a是线性调频信号调频率，f_ack是第k个光学望远镜的多普勒中心频率；j为复数的虚数单位；

对各光学望远镜的回波信号进行方位傅里叶变换到多普勒域，各光学望远镜对应的子带信号可通过滤波器H_ak(f_a)实现方位全孔径条件下多普勒信号的合成：

其中，f_a为多普勒频率。

所述滤波器H_ak(f_a)表示为：

其中，B是子带的多普勒宽度。

参见图5，图5以用于接收回波信号的光学望远镜为3个为例，在单镜头接收情况下，假设平台运动1/3合成孔径，多普勒带宽Bd。在3个金钩接收情况下，方位向通过三孔径(三个镜头)同时接收，由于三孔径对应不同的多普勒频率频段，因此在数据处理域通过多普勒相干合成与拼接，实现激光全合成孔径分辨，该多孔径多普勒合成的原理参见图6。

本发明的另一个实施例提供了一种合成孔径激光雷达成像仪器，参见图2，所述仪器包括发射激光信号的设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜，以及用于接收回波信号的设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜。其中，优选地，所述至少两个光学望远镜为三个光学望远镜。

参见图7，本发明实施例还提供一种合成孔径激光雷达成像系统，所述系统700包括：收发信号模块701，用于通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号；差分干涉相位获取模块702，用于对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位；运动误差获取模块703，用于通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差；运动误差补偿处理模块704，用于利用所述运动误差对所述至少两个光学望远镜接收的回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到至少两个方位向待压缩图像数据；成像处理模块705，用于对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，完成成像的方位向压缩处理。

根据本发明的实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意多个、或其中任意多个的至少部分功能可以在一个模块中实现。根据本发明实施例的模块、子模块、单元、子单元中的任意一个或多个可以被拆分成多个模块来实现。

综上所述，本发明实施例具有但不限于下列的有益效果：

(1)阵列孔径数字波束形成减少合成孔径时间降低运动补偿难度。针对激光合成孔径雷达成像中亚波长量级的运动补偿难题，采用方位多望远镜线阵接收，通过孔径综合实现多普勒带宽展宽，采用数字波束形成实现雷达方位波束等效锐化，提高方位分辨能力，可以使用相比更小的合成孔径时间实现全孔径成像的分辨率，降低SAL高分辨率运动补偿成像难度。

(2)方位多通道差分干涉提取运动误差。方位多望远镜同时接收目标回波，SAL系统具备顺轨干涉测量能力。平台运动误差可以看成目标相对于雷达的微弱的相对运动，原理上可利用顺轨干涉相位估计目标相对于平台的径向速度，积分可得雷达斜距误差，用于SAL高分辨率运动补偿成像。

本领域技术人员可以理解，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本发明的范围。

尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的多种改变。因此，本发明的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (5)

1.一种合成孔径激光雷达成像方法，其特征在于，所述方法包括：

通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号；

对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位；

通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差；

利用所述运动误差对所述至少两个光学望远镜接收的回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到至少两个方位向待压缩图像数据；

对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，完成成像的方位向压缩处理；

所述对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，包括：

第k个光学望远镜去斜接收后的回波信号可表示成：

其中，t_a是方位慢时间，T是调频连续波调频时宽，K_a是线性调频信号调频率，f_ack是第k个光学望远镜的多普勒中心频率；j为复数的虚数单位；

对各光学望远镜的回波信号进行方位傅里叶变换到多普勒域，各光学望远镜对应的子带信号可通过滤波器H_ak(f_a)实现方位全孔径条件下多普勒信号的合成：

其中，f_a为多普勒频率；

所述滤波器H_ak(f_a)表示为：

其中，B是子带的多普勒宽度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位，包括：

在t_a时刻，两个回波信号的方位向相位分别为：

通过对所述至少两个回波信号的方位向相位进行相位差分，得到顺轨差分干涉相位：

其中λ是合成孔径激光雷达信号波长，R₁是第一个光学望远镜对应的雷达斜距，R₂是第二个光学望远镜对应的雷达斜距，ΔR_n是运动误差。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，包括：

通过下列公式获取斜距向速度误差v_r：

其中，λ是合成孔径激光雷达信号波长，

是顺轨差分干涉相位，Δt是合成孔径激光雷达的天线相位中心从一个位置运动到下一个位置所需的时间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差，包括：

通过下列积分公式获取t_k时刻的运动误差ΔR(t_k)：

其中，v_r(t)是t时刻的斜距向速度误差。

5.一种合成孔径激光雷达成像系统，其特征在于，所述系统包括：

收发信号模块，用于通过设置于合成孔径激光雷达上的光学望远镜发射激光信号，并采用设置于所述合成孔径激光雷达上的沿方位向排布的至少两个光学望远镜同时接收回波信号；

差分干涉相位获取模块，用于对所述回波信号进行顺轨干涉处理，得到顺轨差分干涉相位；

运动误差获取模块，用于通过所述顺轨差分干涉相位获取斜距向速度误差，利用所述斜距向速度误差获取振动引起的运动误差；

运动误差补偿处理模块，用于利用所述运动误差对所述至少两个光学望远镜接收的回波信号分别进行运动误差补偿处理，得到至少两个方位向待压缩图像数据；

成像处理模块，用于对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，完成成像的方位向压缩处理；

所述对所述方位向待压缩图像数据进行多普勒信号相干合成，包括：

第k个光学望远镜去斜接收后的回波信号可表示成：

其中，t_a是方位慢时间，T是调频连续波调频时宽，K_a是线性调频信号调频率，f_ack是第k个光学望远镜的多普勒中心频率；j为复数的虚数单位；

对各光学望远镜的回波信号进行方位傅里叶变换到多普勒域，各光学望远镜对应的子带信号可通过滤波器H_ak(f_a)实现方位全孔径条件下多普勒信号的合成：

其中，f_a为多普勒频率；

所述滤波器H_ak(f_a)表示为：

其中，B是子带的多普勒宽度。

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