CN110632597B - 微波光子逆合成孔径雷达成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微波光子逆合成孔径雷达成像方法。本发明方法用中频线性调频信号对单频光载波进行调制，生成调制光信号，然后将所述调制光信号转换为电信号后通过发射天线向目标发射；将所述调制光信号的分束信号分为偏振态相同的两路正交信号；然后分别以这两路正交信号为参考，分别对接收天线所接收的反射信号进行光域去啁啾处理、光电转换，得到两路携带目标信息的去啁啾探测信号；最后基于这两路去啁啾探测信号进行目标的雷达图像重建。本发明还公开了一种微波光子逆合成孔径雷达成像装置。相比现有技术，本发明可低成本、高适应性地实现微波光子雷达回波信号的复信号处理，进而提升雷达成像效果。
Description
技术领域
本发明涉及逆合成孔径雷达(ISAR)成像技术领域，尤其涉及一种微波光子逆合成孔径雷达成像方法及装置。
背景技术
逆合成孔径雷达成像是一种基于先进的信号处理算法而非大孔径天线的运动目标识别技术。在空中交通管制、车辆防撞和快速安全检查等应用中，高分辨率的实时ISAR成像是非常需要的。为了实现这一目标，ISAR首先要发射具有大瞬时带宽的微波信号，然后在接收机中快速处理接收到的回波。然而，通过直接数字合成器(DDS)直接产生常用于高分辨率ISAR的线性调频(LFM)信号，其频率被限制在吉赫兹(GHz)量级，因此使用传统的电子技术很难获得高成像分辨率。为了突破瞬时带宽限制，一种方法是在ISAR系统中应用高载频。例如，Y.Qing等人使用了一种载频为321GHz，瞬时带宽为10GHz的信号做太赫兹ISAR成像，其距离分辨率约为1.5cm。然而，由于需要多次变频、滤波和放大的操作，使得系统复杂度大大增加，引起了信号质量和成像性能严重恶化。此外，由于发射功率小，大气对太赫兹波段的吸收大，特别是在极端天气条件下，太赫兹波段的雷达探测范围有限。另一种方法是，为了实现实时成像，在接收机中应用了去啁啾技术，但该技术仍然存在带宽和电子信号处理的性能限制，特别是当采用非常大的瞬时带宽时。
微波光子技术已经被提出用于产生和处理高频和宽带射频信号，这为克服现代雷达的带宽限制提供了解决方案。例如，可以方便地利用光子方法实现带宽超过10GHz的LFM信号生成。微波光子频率变换器可以在几十GHz的频率范围内工作。微波光子技术在全数字相干雷达中具有广阔的应用前景。然而，采样接收机中的信号处理带宽只有几十兆赫(MHz)，限制了工作带宽。为了充分利用微波光子技术在宽带雷达中的应用，潘时龙课题组提出了《基于微波光子技术的实时高分辨雷达成像，上海航天》[潘时龙，张方正，叶星炜，高彬栋，郭清水.基于微波光子技术的实时高分辨雷达成像[J].上海航天,2018,35(06):46-53.]，该系统利用光子四倍频产生宽带调频信号，将接收到的雷达回波解啁啾为基于光子混频的低频信号，对去噪后的低频信号进行采样和处理，实现了二维分辨率优于2cm×2cm，成像速率高达100帧/s的逆合成孔径雷达成像。
目前的微波光子雷达大多采用单通道接收处理，只能提取相位的实部信息，其傅里叶变换的结果在频域中产生重叠，造成距离向模糊。故有必要在雷达接收端进行光域I/Q处理，即在光域同时获得回波信号的同相分量与正交分量信息，从而在处理时可以将实信号变为复信号处理。对于微波光子雷达而言，传统的微波信号正交处理方法在对宽带信号进行正交处理十分困难。张方正课题组提出了《基于微波光子I/Q去斜接收的宽带线性调频雷达成像系统》[杨悦，叶星炜，张方正，潘时龙.基于微波光子I/Q去斜接收的宽带线性调频雷达成像系统[J].雷达学报,2019,8(2):58-65.]，利用偏分复用-双驱动马赫曾德尔调制器，将回波信号同时输入到两个不同偏振态的调制器上，并通过调节对应调制器的偏置电压在两偏振态之间引入90°相位差，从而实现微波光子I/Q去斜接收。使用了K波段，瞬时带宽为8G的信号做ISAR成像，有效解决镜频干扰引起的距离向模糊。但是该方案存在如下几点问题。首先，由于系统中的90°相移是通过调节不同偏振态上调制器的偏置电压得到的，对调制信号的幅度和相位极其敏感。而接收到的回波信号是宽带信号(8GHz带宽)，微波功分器对宽度信号的幅度和相位的响应不平坦，导致I,Q两支路存在幅度、相位(延时)误差，镜频抑制比下降，引起探测模糊，需要增加光衰减器、光延时线进行补偿。其次，该方案利用正交的偏振态完成I/Q去斜接收，考虑到光在光纤中传输时，其偏振态对压力、扭转、应变都十分敏感。信号光的偏振态很难保证稳定，一旦链路中光信号的偏振态发生改变，则需要重新调整偏振控制器控制I/Q支路的输出分量。第三，该雷达方案的去斜模块必须使用偏分复用-双驱动马赫曾德尔调制器和相应的偏振控制装置，增加了系统的成本和复杂程度，且较难移植到其他微波光子雷达系统中。
因此，有必要研究一种结构简单，实现成本低廉，且适用于各类不同结构微波光子雷达的光域I/Q接收技术，从而使得微波光子ISAR雷达技术具有更好的实用性和可推广性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种微波光子逆合成孔径雷达成像方法，可低成本、高适应性地实现微波光子雷达回波信号的复信号处理。
本发明具体采用以下技术方案解决上述技术问题：
一种微波光子逆合成孔径雷达成像方法，用中频线性调频信号对单频光载波进行调制，生成调制光信号，然后将所述调制光信号转换为电信号后通过发射天线向目标发射；将所述调制光信号的分束信号分为偏振态相同的两路正交信号；然后分别以这两路正交信号为参考，分别对接收天线所接收的反射信号进行光域去啁啾处理、光电转换，得到两路携带目标信息的去啁啾探测信号；最后基于这两路去啁啾探测信号进行目标的雷达图像重建。
优选地，使用90°光桥将所述调制光信号的分束信号分为偏振态相同的两路正交信号。
优选地，使用距离-多普勒算法进行目标的雷达图像重建。
进一步地，还包括对重建雷达图像进行以下的增强处理：先对重建雷达图像进行平滑处理，然后对平滑处理后的图像进行形态学闭操作。
优选地，所述形态学闭操作使用以下结构元素：
根据相同发明思路还可以得到以下技术方案：
一种微波光子逆合成孔径雷达成像装置，包括：
光电调制模块，用于用中频线性调频信号对单频光载波进行调制，生成调制光信号；
光电探测器，用于对将所述调制光信号转换为电信号；
发射天线，用于将所述电信号向目标发射；
正交信号产生模块，用于将所述调制光信号的分束信号分为偏振态相同的两路正交信号；
接收天线，用于接收目标的反射信号；
两个去啁啾模块，用于分别以这两路正交信号为参考，分别对接收天线所接收的反射信号进行光域去啁啾处理；
两个低频光电探测器，用于分别对两个去啁啾模块的输出信号进行光电转换，得到两路携带目标信息的去啁啾探测信号；
图像重建模块，用于基于这两路去啁啾探测信号进行目标的雷达图像重建。
优选地，所述正交信号产生模块为90°光桥。
优选地，图像重建模块使用距离-多普勒算法进行目标的雷达图像重建。
进一步地，还包括用于对重建雷达图像进行以下增强处理的图像增强模块：先对重建雷达图像进行平滑处理，然后对平滑处理后的图像进行形态学闭操作。
优选地，所述形态学闭操作使用以下结构元素：
相比现有技术，本发明技术方案具有以下有益效果：
本发明技术方案在保留了现有微波光子雷达技术所具有的大带宽、抗干扰等优势的同时，通过简单的结构实现了微波光子ISAR雷达回波信号的正交通道(IQ)接收，从而可将回波信号转换为复数形式，以消除频域混叠，进而获得良好的雷达成像效果。
本发明技术方案不需要使用复杂的偏振调制方式，一方面避免了偏振调制所带来的一系列问题，提高了成像质量；另一方面降低了系统实现成本。
本发明通过简单的图像强化处理进一步提高了雷达成像效果。
附图说明
图1为现有微波光子雷达的基本结构和原理示意图；
图2为本发明微波光子逆合成孔径雷达成像装置的基本结构示意图；
图3为光桥与电桥的幅相响应对比；
图4为本发明微波光子逆合成孔径雷达成像装置一个具体实施例的结构示意图；
图5为传统ISAR匹配滤波流程示意图；
图6为传统ISAR解线调频脉冲压缩处理算法流程示意图；
图7为本发明具体实施例的成像算法流程示意图；
图8为R-D算法的原理示意图；
图9为本发明成像算法与传统R-D算法的成像效果对比。
具体实施方式
针对现有微波光子雷达技术的不足，本发明的思路是将微波光子雷达的参考光信号先分为偏振态相同的两路正交信号，然后分别以这两路正交信号为参考，分别对反射信号进行光域去啁啾处理，从而可低成本、高适应性地实现微波光子雷达回波信号的复信号处理。
本发明微波光子逆合成孔径雷达成像方法具体如下：用中频线性调频信号对单频光载波进行调制，生成调制光信号，然后将所述调制光信号转换为电信号后通过发射天线向目标发射；将所述调制光信号的分束信号分为偏振态相同的两路正交信号；然后分别以这两路正交信号为参考，分别对接收天线所接收的反射信号进行光域去啁啾处理、光电转换，得到两路携带目标信息的去啁啾探测信号；最后基于这两路去啁啾探测信号进行目标的雷达图像重建。
为了便于公众理解，下面结合附图并通过具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明：
现有微波光子雷达的基本结构如图1所示，在发射端，将激光源输出的单频信号光通过光电调制模块，将中频线性调频信号(LFM)调制到光载波上，生成只保留部分边带的线性调频的调制光信号，然后对调制光信号进行光电转换后得到变频或者倍频的线性调频信号，通过发射天线将其发射出去。在接收端，接收天线接收目标的反射信号，以调制光信号的分束信号作为参考，通过去啁啾模块对接收天线所接收的反射信号进行光域去啁啾处理；随后对所得到去啁啾后的信号进行光电探测实现光电转换；图像重建模块(图中未示出)对所述去啁啾探测信号进行处理，并根据所得到的信息进行雷达图像重建。
上述微波光子雷达只进行单通道接收，对于单通道接收的雷达，只能获得回波信号相位的实部，其傅里叶变换的结果在整个频域上会产生混叠，无法分辨物体，为了避免这种情况有必要进行正交通道(IQ)接收，将回波信号转换为复数形式。故本发明的微波光子ISAR雷达采用图2所示结构。
如图2所示，本发明提出的微波光子逆合成孔径雷达成像装置，包括：
光电调制模块，用于用中频线性调频信号对单频光载波进行调制，生成调制光信号；
光电探测器，用于对将所述调制光信号转换为电信号；
发射天线，用于将所述电信号向目标发射；
正交信号产生模块，用于将所述调制光信号的分束信号分为偏振态相同的两路正交信号；
接收天线，用于接收目标的反射信号；
两个去啁啾模块，用于分别以这两路正交信号为参考，分别对接收天线所接收的反射信号进行光域去啁啾处理；
两个低频光电探测器，用于分别对两个去啁啾模块的输出信号进行光电转换，得到两路携带目标信息的去啁啾探测信号；
图像重建模块(图中未示出)，用于基于这两路去啁啾探测信号进行目标的雷达图像重建。
图2结构雷达与普通微波光子雷达不同点在于，通过正交信号产生模块将调制光信号的分束信号分为偏振态相同的两路正交的参考调制光信号，一路是I，另一路是Q；在接收端，分别以这两路正交信号为参考，分别对接收天线所接收的反射信号进行光域去啁啾处理、光电转换，得到两路携带目标信息的去啁啾探测信号；最后基于这两路去啁啾探测信号进行目标的雷达图像重建。
其中，光电调制模块可采用现有微波光子雷达所采用的各种具体结构，例如载波抑制双边带调制、载波抑制单边带调制，或仅保留高阶边带的调制方式等。
去啁啾模块也可采用现有微波光子雷达所采用的各种光域去啁啾方案，例如利用微波光子混频技术实现宽带雷达回波去斜处理，将接收到的微波信号通过相位调制器对信号光进行调制，或者通过强度调制器如(马赫曾德尔调制器MZM、双驱动马赫曾德尔调制器DMZM、双平行马赫曾德尔调制器DPMZM、偏分复用双平行马赫曾德尔调制器DP-QPSK)，再通过光电探测器进行光电转换，即可得到去啁啾后的微波信号)等。
正交信号产生模块优选采用90°光桥实现。光桥又称光学混波器、光学桥接器(optical hybrid)。目前光桥的种类很多，最普遍的是3dB耦合型光学桥接器。通过输入线偏振信号光和圆偏振本振光，经过3dB耦合器后产生90度相位差。最后可以输出0度、90度、180度、270度的四束相干光。图3给出了光桥和电桥的幅相响应对比，左边为光桥的幅相响应，右图为电桥的幅相响应。光桥带宽大于6THz，幅度波动约为0.1dB，相位波动约为1°。相比于光桥，电桥带宽只有30GHz，幅度波动为1.5dB，相位波动为7°。显然，光桥各项性能远远优于电桥，对于带宽几十吉赫兹的尺度，幅度和相位响应会更加平坦，幅度和相位的波动可以忽略不计，可以在微波光子链路中实现大带宽的线性调频信号正交信号的产生，无需进行进一步的精细功率与延时控制。
图4显示了本发明微波光子逆合成孔径雷达成像装置的一个具体实施例。如图4所示，在发射端，通过双平行马赫曾德尔调制器(DPMZM)将中频线性调频信号LFM调制到激光源输出的单频光载波上，生成只保留正2阶和负2阶边带的线性调频的调制光信号。中频线性调频信号的瞬时频率可以表示为：
fLFM(t)＝f0+kt(0≤t≤T) (1)
其中f0为起始频率，T为中频线性调频信号的时宽，k为其啁啾率。线性调频的调制光信号的频率可以表示为：
EDPMZM(t)∝J2(m)cos[2π(fLD-2f0-2kt)t]+J2(m)cos[2π(fLD+2f0+2kt)t] (2)
其中fLD是光载波所对应的频率，J2(m)为二阶贝塞尔函数的系数。
然后对调制光信号进行光电转换后即可得到四倍频的线性调频信号，最后通过发射天线发射出去。与此同时，从调制光信号分出一束，通过90°光桥将其分为两路正交的调制光信号作为光域去啁啾的参考信号，一路是I，另一路是Q，可以分别表示为：
EI(t)∝J2(m)cos[2π(fLD-2f0-2kt)t]+J2(m)cos[2π(fLD+2f0+2kt)t] (3)
EQ(t)∝j×J2(m)cos[2π(fLD-2f0-2kt)t]+j×J2(m)cos[2π(fLD+2f0+2kt)t] (4)
在接收端，接收天线接收目标的反射信号；两个去啁啾模块分别基于所述两路参考的调制光信号，对接收天线所接收的反射信号分别进行光域去啁啾处理，并对所得到信号进行光电探测实现光电转换，得到两路携带目标信息的去啁啾探测信号，可以分别表示为：
EIout(t)∝J1(m')cos[2π(fLD+2f0+2kt)t]+J1(m')cos[2π(fLD+2f0+2kt+4kΔτ)t] (5)
EQout(t)∝j×J1(m')cos[2π(fLD+2f0+2kt)t]+j×J1(m')cos[2π(fLD+2f0+2kt+4kΔτ)t] (6)
图像重建模块基于这两路去啁啾探测信号，即可通过现有的或将有的各种雷达图像重建算法进行目标的雷达图像重建。传统ISAR成像算法针对电域雷达，一般采用对回波数据进行距离向和方位向压缩的方式得到二维图像。传统ISAR成像算法脉冲压缩有两种处理方式：一种是匹配滤波法，如图5所示，从时域上，匹配滤波可以通过卷积运算实现，但卷积处理的运算量较大，在信号系统处理中，时域的卷积相当于频域相乘或相除，故可以在频域上实现匹配滤波，但在微波光子雷达信号处理中，由于信号带宽大、中心频率高，傅里叶变换的运算量大，不适用于微波光子成像信号处理。第二种为解线调频脉冲压缩处理技术，如图6所示，又称为去啁啾处理方法或宽带压缩法，宽带压缩方法采用的本地信号为线性调频信号，脉宽比发射信号稍大，调频率与发射信号相同。将本地信号与回波信号做共轭相乘处理，得到两个信号的相位差，从相位差中可以反映出信号的频率差，对相乘后的信号做FFT变换，就可以获得目标的距离像。但是因为微波光子信号带宽大、中心频率高，本地信号和回波信号难以直接数字接收，因此微波光子雷达要在硬件上通过去啁啾模块实现光域去啁啾处理，去啁啾后的回波信号即可采用传统的成像算法进行处理。
本实施例中图像重建模块的处理过程具体如下：
数据采样和重组：
光电探测实现了信号从光域到电域的转换，并实现了去啁啾处理，对于单个脉冲，经过正交支路的光电探测的结果可以统一表示为：
其中，A为散射点反射强度，Tp为发射脉宽，k为调频斜率，Δτ为回波延时。φ0为初相误差RVP，由φ0＝π·(2f0Δτ-4k(Δτ2-τ1 2))决定(τ1为参考信号的延时)。
将采集到的离散数据s(n)补偿RVP一项，此时得到的s'(n)已经完成解宽带线性调频过程。随后在时域上对信号进行分割，将s'(n)重组为M×N维矩阵s'(n)MN。(M为每个回波脉冲的离散采样点数，N为回波脉冲数，二者均为整数)。其中M由采集卡采样率和发射脉宽决定，N的取值由公式近似决定：N≈θ/ωdeg·Tp(θ为物体成像角度范围，ωdeg为成像物体的转速)。当N取值过小时，累计时间过短，物体转角过小，方位向无法分辨；当N取值过大时，累积时间过长，物体转角过大，聚焦效果下降。
本实施例中雷达成像采用经典的距离-多普勒算法(R-D算法)，R-D算法的基本过程如图8所示，先对数据重组后的信号s'(n)MN加窗，展宽主瓣抑制旁瓣；加窗后的信号进行二维FFT，完成的距离向和方位向压缩，得到图像I(x,y)；距离向的分辨率ρR＝c/2B(B为信号带宽，c为光速)，方位向分辨率ρa＝c/2Δθ(Δθ为目标在相干时间内的总转角)。
R-D算法成像结果由较强的散射点构成，在实际雷达探测过程中，只有理想的单点散射是不存在的，物体往往由一系列反射强弱不等的散射点组成。对成像物体而言，易丢失整体中的弱散射点的部分信息。而对于微波光子雷达而言，其带宽大，成像分辨率高，该情况将更加明显。为解决这一问题，本发明进一步采用一种图像增强的方式对弱散射点的部分进行补偿，增强成像效果，具体为：先对重建雷达图像进行平滑处理，然后对平滑处理后的图像进行形态学闭操作。
设R-D算法所得图像为I(x,y)，首先对I(x,y)进行平滑处理，得到平滑图像F(x,y)，本实施例中的平滑处理采用均值滤波实现，当然也可采用其它平滑处理方式。首先将输入图像I(x,y)用均值滤波模板w1进行均值滤波，得到平滑后的图像F(x,y)。例如可定义2×2均值滤波模板w1：
平滑后的图像F(x,y)降低了一部分噪声分量，同时将较强的散射能量平滑到较弱的散射点中。对平滑后的图像F(x,y)再进行形态学闭操作。结构元素B对集合A的闭操作定义为：
(用B对A进行膨胀，然后用B对此结果进行腐蚀)。闭操作使轮廓线更光滑，消除强弱散射点中小的间断和空洞，并填补轮廓线中的断裂。在此实施例中，闭操作所使用的结构元素w2定义为：
采用上述实施方法对雷达图像进行增强后，可以对原图像中弱散射点进行增强，提高成像质量。
图9显示了对雷达图像增强前后的效果对比，左图为基于R-D算法的ISAR成像图，对正在旋转的风扇进行成像。通过本发明提供的方法对其进行成像图进行增强处理，得到成像效果明显提升的输出图像见右图，四片扇叶清晰可见，其视觉效果良好。同时通过计算，本发明方法输出图像的熵值高于原图像的熵值，说明图像质量得到提高。
Claims (10)
1.一种微波光子逆合成孔径雷达成像方法，其特征在于，用中频线性调频信号对单频光载波进行调制，生成调制光信号，然后将所述调制光信号转换为电信号后通过发射天线向目标发射；将所述调制光信号的分束信号分为偏振态相同的两路正交信号；然后分别以这两路正交信号为参考，分别对接收天线所接收的反射信号进行光域去啁啾处理、光电转换，得到两路携带目标信息的去啁啾探测信号；最后基于这两路去啁啾探测信号进行目标的雷达图像重建。
2.如权利要求1所述微波光子逆合成孔径雷达成像方法，其特征在于，使用90°光桥将所述调制光信号的分束信号分为偏振态相同的两路正交信号。
3.如权利要求1所述微波光子逆合成孔径雷达成像方法，其特征在于，使用距离-多普勒算法进行目标的雷达图像重建。
4.如权利要求1～3任一项所述微波光子逆合成孔径雷达成像方法，其特征在于，还包括对重建雷达图像进行以下的增强处理：先对重建雷达图像进行平滑处理，然后对平滑处理后的图像进行形态学闭操作。
5.如权利要求4所述微波光子逆合成孔径雷达成像方法，其特征在于，所述形态学闭操作使用以下结构元素：
6.一种微波光子逆合成孔径雷达成像装置，其特征在于，包括：
光电调制模块，用于用中频线性调频信号对单频光载波进行调制，生成调制光信号；
光电探测器，用于对将所述调制光信号转换为电信号；
发射天线，用于将所述电信号向目标发射；
正交信号产生模块，用于将所述调制光信号的分束信号分为偏振态相同的两路正交信号；
接收天线，用于接收目标的反射信号；
两个去啁啾模块，用于分别以这两路正交信号为参考，分别对接收天线所接收的反射信号进行光域去啁啾处理；
两个低频光电探测器，用于分别对两个去啁啾模块的输出信号进行光电转换，得到两路携带目标信息的去啁啾探测信号；
图像重建模块，用于基于这两路去啁啾探测信号进行目标的雷达图像重建。
7.如权利要求6所述微波光子逆合成孔径雷达成像装置，其特征在于，所述正交信号产生模块为90°光桥。
8.如权利要求6所述微波光子逆合成孔径雷达成像装置，其特征在于，图像重建模块使用距离-多普勒算法进行目标的雷达图像重建。
9.如权利要求6～8任一项所述微波光子逆合成孔径雷达成像装置，其特征在于，还包括用于对重建雷达图像进行以下增强处理的图像增强模块：先对重建雷达图像进行平滑处理，然后对平滑处理后的图像进行形态学闭操作。
10.如权利要求9所述微波光子逆合成孔径雷达成像装置，其特征在于，所述形态学闭操作使用以下结构元素：
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