CN112987025B - 一种基于合成孔径的激光成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于合成孔径的激光成像装置及成像方法，激光成像装置至少包括可调谐激光模块和反馈控制模块，所述可调谐激光模块产生的线性调频信号光通过分光器分别进入用于输出探测信号光和接收回波光束的目标通道、公共通道和参考通道以产生差频信号；所述反馈控制模块配置为：通过移相器在时域上对所述差频信号产生波长位移的方式获取表征所述差频信号时频变化的时频信号；基于所述时频信号实时生成表征所述线性调频信号光的线性度的相位差值；基于所述相位差值实时驱动所述可调谐激光模块调谐使得所述相位差值保持恒定以避免距离向失真。

Description

一种基于合成孔径的激光成像装置及成像方法

本发明是申请号为201910787399.5，申请日为2019年8月23日，申请类型为发明，申请名称为一种合成孔径激光雷达系统的分案申请。

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种合成孔径激光雷达系统。

背景技术

激光雷达是一种高灵敏度雷达，它分辨率高、隐蔽性好、体积小、重量轻抗干扰能力强、多多路径效应不敏感，能探测隐身飞机、潜艇、生化战剂等。但激光雷达波束窄，不适用于大面积搜索，并且受大气和气象影响大，难以搜索和捕获目标，而且其空间分辨率受光学孔径限制，并随着距离的增加而下降。因此一种新体制激光雷达—合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Laser Radar,SAL)应运而生。

SAL的工作原理与合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)类似，只是发射的信号不同，它在方位向通过合成孔径原理来实现高分辨率。SAL图像的分辨率也分为方位向分辨率和距离向分辨率。根据合成孔径原理，其方位向分辨率由方位向合成孔径长度决定，理论上可推导方位分辨率为天线方位孔径长度的一半，而距离向分辨率由雷达发射的激光信号带宽决定，即距离向分辨率为光速和激光信号带宽的比值。由此可知：第一，因SAL的方位向分辨率等于实际天线孔径的一半，而激光雷达的天线孔径远远小于微波雷达的天线孔径，因此，SAL可得到比微波合成孔径雷达更高的方位分辨率；第二，分辨率和波长与目标所在的位置无关，通过合成孔径处理，激光雷达大大提高了方位分辨率，减小了对目标环境的依赖性，能够形成清晰度较高的图像，从而实现高性能、远距离的探测。

例如，公开号为CN104898107B的中国专利文献公开了一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法。该方法包括如下步骤：N个阵元分别接收目标回波信号，每个阵元对目标回波信号做剩余视频相位补偿处理和形式简化处理：每个阵元对所述形式简化处理后的目标回波信号做方位向傅里叶变换；对由N个阵元的混迭后的目标回波多普勒信号构成观测向量做解模糊处理，对无模糊的目标回波多普勒信号向量的各个元素按照模糊分量的数值大小进行排列，采用多普勒频谱拼接得到完整的无模糊的目标回波多普勒信号，从而得到合成孔径激光雷达图像。该发明提出的多发多收SAL体制可以有效解决传统单发单收SAL体制中存在的距离向宽测绘带和方位向高分辨率的矛盾问题，实现高分辨率宽测绘带SAL成像。但是，该专利提供的方法没有考虑到大气湍流以及卫星平台的振动带来的相位变化。由于SAL的工作频率很高，因此SAL在成像过程中对于大气环境中的湍流效应非常敏感。大气湍流引起的折射率的起伏以及大气密度的涨落会导致光束的波前发生失真，从而影响光束的强度和相干性，最终导致SAL方位向的分辨率降低。而且对于SAL系统采用激光作为载波，载波波长短于微波3～4个量级，对平台振动更加敏感。以机载或星载平台为例的运动平台按照一步一停模式分析，在一个步长内平台振动带来的光程变化将大于激光波长，因此平台振动带来的非理想光程变化会导致回波信号的相位发生变化影响SAL系统的成像分辨率。

例如，公开号为CN106371102A的中国专利文献公开了一种基于自适应光学的逆合成孔径激光雷达信号接收系统，包括激光信号发射子系统、接收望远镜、目标波前探测器、目标跟踪传感器、信号接收系统、倾斜控制系统、像差控制系统等：目标跟踪传感器获取目标相对光轴的倾斜信息，并通过倾斜控制系统实现对倾斜的实时补偿；目标波前探测器测量大气湍流、光学器件误差带来的光学像差，并通过像差控制系统实时补偿。该专利利用自适应光学技术实时补偿光束波前像差，保证了接收信号的信噪比。但是，虽然该专利考虑了大气湍流以及光学期间带来的相位误差，却没有考虑到激光光源的非线性失真导致SAL距离向的参数失真，对后期的合成孔径激光雷达的图像处理造成影响。

目前大部分的SAL均使用的是线性调频激光作为发射源，而线性调频激的线性度直接决定了SAL距离向分辨率的好坏。为了补偿调频激光的线性度，SAL系统大多是通过对参考信道的数据进行分析，在后期对SAL的距离向的相位误差加以补偿。

例如，公开号为CN108020824A的中国专利文献公开了一种基于本振数字延时的合成孔径激光雷达信号相干性保持方法，该方法包括：设置参考通道进行本振信号自外差探测并提取本振信号的差分相位；依据差分相位对本振信号瞬时频率进行估计；对瞬时频率积分处理获取本振信号的相位估计结果；将相位估计结果在数字域延时后对目标回波进行相位补偿。该专利基于本振数字延时实现了SAL信号相干性的保持，大幅度提高了SAL成像的方向向以及横向分辨率。由于采用了本振信号自外差探测，有效估计出了本振信号频率不稳引入的相位，并将相位估计结果在数字域延时后对目标回波信号进行相位补偿，其延时长度可任意调整，因此该方法可使SAL实现对远距离目标的方位/横向高分辨率成像，也适用于对远距离运动目标成像。但是，该专利提供的方法通过匹配参考通道来获得差分相位，因此需要提前知道相关目标通道的时延，而在实际应用中，目标通道时延是个未知量，所以匹配参考通道有很大的局限性。

例如，公开号为CN101493521B的中国专利文献公开了一种合成孔径激光雷达非线性啁啾的匹配滤波方法和装置，该方法是在目标通道之外再设置一个参考通道，对参考通道外差接收信号相位差中的二次高阶项的频域变换结果进行修正，使得频域信号的指数二次项与目标通道频域信号中的指数二次项形成指数共轭对，再将修正后的参考通道频域信号与目标通道的频域信号作卷积运算，其中指数二次项相乘后为脉冲函数，从而克服了激光光源非线性啁啾的影响。该专利通过的方法能够克服激光光源的非线性啁啾带来的相位误差，提高了合成孔径激光雷达成像的距离向分辨率。但是，匹配参考通道是在后期算法阶段才对非线性啁啾进行补偿，不是实时的补偿方法，不适用像SAL这样对信号源的线性度需要实时补偿的系统。

例如，公开号为CN204789997U的中国专利文献公开了一种改进的合成孔径激光雷达系统。它包括可调谐激光器、发射天线组件、目标通道、参考通道和计算机：发射天线组件由第一分光器、光纤环形器和发射天线构成，目标通道由第二分光器、第一光纤耦合器、第一外差平衡接收器、第一A/D转换器构成，参加通道由第三分光器、光纤延迟线圈、第二光纤耦合器、第二外差平衡接收器、第二A/D转换器构成；在可调谐激光器与第一分光器之间连接有带通滤波器，第一A/D转换器、第二A/D转换器与计算机电连接。该专利文献在现有参考通道结构的基础上，利用参考通道信号来补偿可调谐激光器输出的线性调频信号的非线性，从而提高了合成孔径激光雷达的距离向成像分辨率，而且在可调谐激光器与发射天线组件之间增加了光学带宽滤波器，因此能够对可调谐激光器输出的线性调频信号的起始波长进行波长定标，从而提高了合成孔径激光雷达的方位向的成像分辨率。但是，该专利提供的改进系统同样没有对可调谐的激光源的非线性度进行实时监测和补偿，而且，在方位向上光学带宽滤波器对大气湍流以及平台振动引起的相位误差作用有限，无法大幅度的提高方位向的成像分辨率。

综上，有必要对现有技术进行改进，提供一种不仅能够对调频的激光源的非线性度进行实时监测和补偿，还能够对大气湍流以及卫星平台的振动带来的非理想光程进行补偿以实现距离向和方位向的高分辨率成像的合成孔径激光雷达系统。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种合成孔径激光雷达系统，本发明通过目标通道、公共通道和参考通道生成差频信号来补偿可调谐激光模块中产生的非线性失真，并通过反馈控制模块实时监测和补偿非线性失真导致的距离向的相位误差以实现距离向的高分辨率成像；而且，本发明通过相位补偿模块建立大气湍流和平台振动带来的相位误差模型对低频相位误差进行补偿，并基于补偿后的回波光束通过迭代的方式逐渐逼近高频相位误差进行补偿以实现方位向的高分辨成像。

根据一个优选实施方式，所述合成孔径激光雷达系统至少包括设置在飞行载具平台上的可调谐激光模块。所述系统还包括反馈控制模块、成像模块以及相位补偿模块。所述可调谐激光模块产生的线性调频信号光通过分光器分别进入用于输出探测信号光和接收回波光束的目标通道、公共通道和参考通道以产生差频信号。所述反馈控制模块基于所述差频信号通过移相器生成所述差频信号的时频信号。所述反馈控制模块基于所述时频信号实时生成表征所述线性调频信号光的线性度的相位差值。所述反馈控制模块基于所述相位差值实时驱动所述可调谐激光模块调谐使得所述相位差值保持恒定以避免距离向失真。在所述成像模块基于所述反馈控制模块驱动所述可调谐激光模块后生成的差频信号成像的过程中，所述相位补偿模块通过迭代的方式逐渐逼近所述差频信号中的残余相位以进行补偿从而避免方位向失真。

根据一个优选实施方式，所述公共通道设置有第一延迟器以使得所述线性调频信号光通过所述公共通道产生第一拍频信号光。所述参考通道设置有第二延迟器以使得所述线性调频信号光通过所述公共通道产生第二拍频信号光。在所述目标通道没有接收到回波光束的情况下，所述线性调频信号光通过目标通道后与所述第一拍频信号光在第一光电探测器上生成第一外差信号。所述线性调频信号光通过所述公共通道后与所述第二拍频信号光在第二光电探测器生成第二外差信号。所述第一外差信号与所述第二外差信号通过混频器进行差频以消除所述公共通道的色散和噪声以及所述目标通道与所述参考通道的共模噪声生成包含所述可调谐激光模块的调频非线性失真引入的差频项的第一差频信号。所述第一差频信号的差频频率基于所述第一延迟器和第二延迟器确定。

根据一个优选实施方式，在所述目标通道接收到回波光束的情况下，所述回波光束与所述第一拍频信号光在第一光电探测器上生成第三外差信号。所述第三外差信号与所述第二外差信号通过混频器进行差频后生成包含可调谐激光模块以及外界变化导致的调频非线性失真引入的差频项和残余相位项的第二差频信号。所述第二差频信号的差频频率基于所述第一延迟器、第二延迟器以及所述回波光束的时延确定。

根据一个优选实施方式，在所述控制反馈模块接收到包含第一差频信号或第二差频信号的差频信号的情况下，所述反馈控制模块基于相位锁定器判断所述差频信号是否包含所述回波光束的时延以区分所述第一差频信号和所述第二差频信号。在确定所述差频信号只包含所述第一差频信号且所述第一差频信号的频率能够基于所述第一延迟器和第二延迟器确定的情况下，所述控制反馈模块的参考信号生成器基于第一差频信号的频率生成与所述时频信号频率相同的参考线性调频信号。所述反馈控制模块的相位锁定器基于所述参考线性调频信号与所述时频信号生成表征所述线性调频信号光的线性度的相位差值。

根据一个优选实施方式，在确定所述差频信号包含第二差频信号且所述第二差频信号中的所述回波光束的时延未知的情况下，所述控制反馈模块的目标通道匹配器基于所述回波光束与所述第一拍频信号光的时延差生成第三外差信号的时延差。所述目标通道匹配器基于所述第三外差信号与所述第二外差信号的时延差的比值构造锐化函数。所述目标通道匹配器在先验信息给出的所述时延差的比值的范围内搜寻使得锐化函数为最大值时的最优时延差比值。所述目标通道匹配器基于最优时延差比值确定所述第二差频信号的频率并通过所述参考信号生成器生成参考线性调频信号。

根据一个优选实施方式，所述成像模块被配置为基于所述反馈控制模块驱动所述可调谐激光模块后生成的差频信号生成基带信号进行成像。第一数字信号处理器对所述基带信号进行方位向频域处理生成距离向多普勒域信号。相位方程生成器基于所述基带信号生成相位补余函数并对所述距离向多普勒域信号进行校正。第二数字信号处理器基于相位补余函数校正后的所述距离向多普勒信号进行距离向的频域处理以得到距离方位向的二维多普勒域信号。距离徒动校正滤波器对该距离方位向的二维多普勒域信号进行距离徒动补偿。第三数字信号处理器基于距离徒动补偿后的距离方位向的二维多普勒域信号进行距离向解卷积。方位向匹配滤波器基于解卷积后的二维多普勒域信号进行相位校正。第四数字信号滤波器对该相位校正后的多普勒域信号进行方位向的解卷积后输出图像。

根据一个优选实施方式，所述相位补偿模块包括第一相位补偿组件和第二相位补偿组件。在所述第三数字信号处理器基于距离徒动补偿后的距离方位向的二维多普勒域信号进行距离向解卷积后生成离散化的回波信号的情况下，所述第一相位补偿组件：基于所述离散化的回波信号对所有相邻离散单元内的回波信号的初始相位差求平均值以获得所述离散化的回波信号的初始相位估计值；基于所述初始相位估计值通过构建相位误差模型生成相位误差；基于所述相位误差共轭与所述离散化的回波信号相乘的方式补偿相位误差，以及对补偿后的离散化的回波信号的噪声功率进行检测。

根据一个优选实施方式，在所述离散化的回波信号经过所述第一相位补偿组件补偿后，所述第二相位补偿组件：基于补偿后的离散化的回波信号在每个距离单元内选取复振幅最大的点，并通过循环移位的方式使得复振幅最大的点位于每个距离单元内的中心；基于移位后的回波信号在距离单元内进行加窗处理以提高回波信号的信噪比，并对相邻窗口内的回波信号进行差分处理以消除初始相位；基于消除初始相位后的回波信号对多普勒频率和/或初始相位误差进行迭代估计以获取相位误差；基于获取的相位误差的共轭与所述回波信号相乘的方式补偿相位误差。

本发明还公开了一种合成孔径激光雷达成像方法，该方法包括：使用设置在飞行载具平台上的可调谐激光模块、反馈控制模块、成像模块以及相位补偿模块进行成像。所述可调谐激光模块产生的线性调频信号光通过分光器分别进入用于输出探测信号光和接收回波光束的目标通道、公共通道和参考通道以产生差频信号。所述反馈控制模块基于所述差频信号通过移相器生成所述差频信号的时频信号。所述反馈控制模块基于所述时频信号实时生成表征所述线性调频信号光的线性度的相位差值。所述反馈控制模块基于所述相位差值实时驱动所述可调谐激光模块调谐使得所述相位差值保持恒定以避免所述差频信号距离向失真。在所述成像模块基于相位差值保持恒定的差频信号成像的过程中，所述相位补偿模块通过迭代的方式逐渐逼近所述差频信号中的残余相位以进行补偿，从而避免所述差频信号方位向失真。

根据一个优选实施方式，所述成像模块基于所述反馈控制模块驱动所述可调谐激光模块后生成的差频信号生成基带信号进行成像。第一数字信号处理器对所述基带信号进行方位向频域处理生成距离向多普勒域信号。相位方程生成器基于所述基带信号生成相位补余函数并对所述距离向多普勒域信号进行校正。第二数字信号处理器基于相位补余函数校正后的所述距离向多普勒信号进行距离向的频域处理以得到距离方位向的二维多普勒域信号。距离徒动校正滤波器对该距离方位向的二维多普勒域信号进行距离徒动补偿。第三数字信号处理器基于距离徒动补偿后的距离方位向的二维多普勒域信号进行距离向解卷积。方位向匹配滤波器基于解卷积后的二维多普勒域信号进行相位校正。第四数字信号滤波器对该相位校正后的多普勒域信号进行方位向的解卷积后输出图像。

本发明的有益技术效果包括以下一项或多项：

1、由于通过匹配参考通道进行非线性失真的补偿是在成像阶段进行的，并不是实时的补偿方队，对SAL这种需要实时补偿的系统不适用，而本发明通过移相器210能够得到差频信号的相位和频率随时间变化的关系，使得反馈控制模块200能够实时监测和补偿可调谐激光模块100中产生的非线性失真，从而实现距离向的高分辨率成像；

2、由于在目标通道上采用发射脉冲重复信号的方式通过发射准直镜发射信号光，因此目标通道在接收回波光束之前，第一光电探测器可以接收到线性调频信号光通过目标通道后的发射信号光，因此通过第一差频信号能够直接得到由可调频激光模块本身的非线性失真导致的非线性差频项，从而可以基于第一差频信号来补偿可调谐激光模块100中产生的非线性失真；

3、在目标通道接收到回波光束的情况下，第二差频信号的差频频率不仅包括回波光束的时延引起的频率项，还包括发射准直镜、接收准直镜等外界变化件带来的非线性失真外，本发明通过第一差频信号和第二差频信号能够对可调谐激光模块100以及发射准直镜、接收准直镜等外界变化引入的非线性失真进行补偿；

4、在回波光束的时延未知的情况下，反馈控制模块能够通过目标通道匹配器获得最优时延差比值以实现对可调谐激光模块的非线性补偿；

5、本发明通过第一相位补偿组件能够对回波信号中的低频相位误差进行估计和补偿，并为第二相位补偿组件提高初始条件，提高第二相位补偿组件相位补偿的精度，而且本发明通过第二相位补偿组件能够在不需要建立回波信号的误差模型实现高频相位误差估计，并利用多个距离单元上的相位误差的相干信息进行误差的逐渐逼近以提高相位误差估计结果的精度，实现了方位向相位误差的高精度补偿，从而提高了方位向成像的分辨。

附图说明

图1是本发明的一种优选合成孔径激光雷达系统的模块示意图。

附图标记列表

100：可调谐激光模块 200：反馈控制模块

300：成像模块 400：相位补偿模块

110：分光器 120：目标通道

131：第一延迟器 141：第二延迟器

130：公共通道 140：参考通道

150：第一光电探测器 160：第二光电探测器

170：混频器 210：移相器

220：相位锁定器 230：目标通道匹配器

240：参考信号生成器 310：第一数字信号处理器

320：相位方程生成器 330：第二数字信号处理器

340：距离徒动校正滤波器 350：第三数字信号处理器

360：方位向匹配滤波器 370：第四数字信号滤波器

410：第一相位补偿组件 420：第二相位补偿组件

具体实施方式

下面结合附图1进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，若出现“第一”、“第二”等术语，其仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，若出现术语“多个”，其含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1

本实施例公开了一种合成孔径激光雷达系统，至少包括设置在飞行载具平台上的可调谐激光模块100。系统还包括反馈控制模块200、成像模块300以及相位补偿模块400。可调谐激光模块100产生的线性调频信号光通过分光器110分别进入用于输出探测信号光和接收回波光束的目标通道120、公共通道130和参考通道140以产生差频信号。反馈控制模块200基于差频信号通过移相器210生成差频信号的时频信号。反馈控制模块200基于时频信号实时生成表征线性调频信号光的线性度的相位差值。反馈控制模块200基于相位差值实时驱动可调谐激光模块100调谐使得相位差值保持恒定以避免距离向失真。在成像模块300基于反馈控制模块200驱动所述可调谐激光模块100后生成的差频信号成像的过程中，相位补偿模块400通过迭代的方式逐渐逼近差频信号中的残余相位以进行补偿从而避免方位向失真。优选地，飞行载具平台可以是航空器、航天器和导弹。航空器可以是气球、飞艇和飞机等。航天器可以是人造地球卫星、载人飞船、空间探测器和航天飞机等。优选地，可调谐激光模块100包括激光器、透镜、全息光栅以及调频组件。激光器能够产生激光信号。激光器的中心波长可以在紫外线波段或可见光波段或红外光波段。激光器发射的光束经过透镜准直后被全息光栅衍射，衍射后的光束经过调频反射镜发射，被全息光栅二次衍射，并被耦合回激光器中，可以得到更窄的激光器线宽以提高光源质量。优选地，全息光栅固定角度不动，调频反射镜可以旋转，从而提供基于角度的波长选择，实现可调谐激光模块的波长可调节。通过该方式，激光器中的光束经历两次光栅衍射，可以得到更窄的激光器线宽，从而使得相干长度较大，能够利用外差探测获得观测目标的频率、相位等信息。

优选地，可调谐激光模块100的调频组件能够对激光光束进行线性调频并产生线性调频信号。调频组件至少包括调频反射镜、压电陶瓷以及直流马达。调频反射镜用于对激光器发射的光束进行线性调频的调频发射镜与压电陶瓷连接。压电陶瓷的谐振频率高，但位移量小，因此压电陶瓷的调频速度更宽，但是只能达到毫米级别的距离向分辨率，可以进行微量级别的调频。可调谐激光模块100可以使用直流马达开环运行进行激光光源的线性调频以产生线性调频信号光。优选地，直流马达开环运行进行激光光源的线性调频会产生非线性调频。进行非线性调频时回波光束的信号频谱会展宽，这会造成距离向参数的不准确，从而影响SAL距离向获得高分辨率图像。同时非线性调频还会使中频信号的信噪比和响应度降低，因此必须对线性调频光源进行非线性校正。优选地，可调谐激光模块100基于反馈控制模块200的信号使用压电陶瓷对激光光源的线性调频进行反馈控制，补偿可调谐激光模块100调频过程中产生的非线性误差。

优选地，可调谐激光模块100输出的线性调频信号光首先进入光隔离器。光隔离器保证不会有后向反射光返回激光器造成损伤。优选地，因为光的偏振态改变会影响参考通道差频信号的相位，所以光信号先经过偏振控制器。偏振控制器是三旋转桨式控制器，使其输出线偏振光。随后该线偏振光进入分光器110。分光器110将大部分的线性调频信号光耦合进入目标通道120。剩余的线性调频信号光耦合分别耦合进入公共通道130和参考通道140。目标通道120内的线性调频信号光基于脉冲压缩技术以发射脉冲重复信号的方式通过发射准直镜发射信号光。发射信号光经目标反射后的回波光束进入接收准直镜，并通过光纤环形器进入第一光电探测器150。光纤环形器的非互易性能够分离正反方向传输的光信号。通过采用该方式，在目标通道120上能够分离发射出的信号光和接收的回波光束，避免第一光电探测器150上混杂有发射信号光，从而影响反馈控制模块200对可调谐激光模块100的非线性补偿。

优选地，反馈控制模块200中的移相器210可以为90°移相器。90°移相器对差频信号做相移变换，即对正频率产生的相移，对负频率产生/>的相移，也就是在时域中对差频信号产生四分之一个波长的位移。优选地，差频信号经过模数转换器采样后通过移相器210生成时频信号，从而得到差频信号的瞬时相位和频率值，并且保留了信号的时间信息，得到了差频信号的时频变化值。本发明采用此方式至少能够实现的有益技术效果是：由于通过公共通道130和参考通道140构成的匹配参考通道进行非线性失真的补偿是在成像阶段进行的，并不是实时的补偿方队，对SAL这种需要实时补偿的系统不适用；而本发明通过移相器210能够得到差频信号的相位和频率随时间变化的关系，从而反馈控制模块200能够实时监测和补偿可调谐激光模块100中产生的非线性失真，从而实现距离向的高分辨率成像。

根据一个优选实施方式，公共通道130设置有第一延迟器131以使得线性调频信号光通过公共通道130产生第一拍频信号光。参考通道140设置有第二延迟器141以使得线性调频信号光通过公共通道130产生第二拍频信号光。在目标通道120没有接收到回波光束的情况下，线性调频信号光通过目标通道120后与第一拍频信号光在第一光电探测器150上生成第一外差信号。线性调频信号光通过公共通道130后与第二拍频信号光在第二光电探测器160生成第二外差信号。第一外差信号与第二外差信号通过混频器170进行差频以消除公共通道130的色散和噪声以及目标通道130与参考通道140的共模噪声生成包含可调谐激光模块100的调频非线性失真引入的差频项的第一差频信号。第一差频信号的差频频率基于第一延迟器131和第二延迟器141确定。优选地，第一延迟器131以及第二延迟器141可以是光纤延迟线。由于光在光纤中传输时还会产生色散，而色散会导致参考通道的中频信号不能完全反映调频率变化。除此之外在光传输过程中产生的噪声，为了消除色散误差和噪声的影响，如图1所示，采用公共通道130和参考通道140构成的匹配参考通道来对可调谐激光模块100的非线性失真进行补偿。优选地，在目标通道120有接收到回波光束的情况下，目标通道120只有线性调频光，因此第一差频信号的差频频率能够通过第一延迟器131和第二延迟器141确定。优选地，由于在目标通道120上采用发射脉冲重复信号的方式通过发射准直镜发射信号光，因此目标通道120在接收回波光束之前，第一光电探测器150可以接收到线性调频信号光通过目标通道120后的发射信号光。通过该方式，能够直接得到由可调频激光模块100本身的非线性失真导致的非线性调频信号，从而可以基于第一差频信号来补偿可调谐激光模块100中产生的非线性失真。

优选地，反馈控制模块200中的参考信号生成器240可以直接通过第一延迟器131和第二延迟器141来生成与第一差频信号的频率相同的参考线性调频信号。本发明采用此方式至少能够实现的有益技术效果是：由于公共通道130的存在，第一差频信号中所有来自公共通道130的色散干扰和噪声被消除，来自目标通道120和参考通道140的共模噪声也被抑制掉，只余下调频线性度变化引起的差频值，为反馈控制模块200对可调谐激光模块100的非线性失真进行补偿提供条件。

根据一个优选实施方式，在目标通道120接收到回波光束的情况下，回波光束与第一拍频信号光在第一光电探测器150上生成第三外差信号。第三外差信号与第二外差信号通过混频器170进行差频后生成包含可调谐激光模块100以及外界变化导致的调频非线性失真引入的差频项和残余相位项的第二差频信号。第二差频信号的差频频率基于第一延迟器131、第二延迟器141以及回波光束的时延确定。优选地，在目标通道120接收到回波光束的情况下，第二差频信号的差频频率包括回波光束的时延引起的频率项。第二差频信号的差频项还包括外界变化导致的调频非线性失真引入的频率项。优选地，外界变化包括目标通道120中将发射准直镜、接收准直镜等器件带来的非线性失真。优选地，通过第一差频信号和第二差频信号能够对可调谐激光模块100以及发射准直镜、接收准直镜等外界变化引入的非线性失真进行补偿。

根据一个优选实施方式，在反馈控制模块200接收到包含第一差频信号或第二差频信号的差频信号的情况下，反馈控制模块200基于相位锁定器220判断差频信号是否包含回波光束的时延以区分第一差频信号和第二差频信号。在确定差频信号只包含第一差频信号且第一差频信号的频率能够基于第一延迟器131和第二延迟器141确定的情况下，控制反馈模块200的参考信号生成器240基于第一差频信号的频率生成与时频信号频率相同的参考线性调频信号。反馈控制模块200的相位锁定器220基于参考线性调频信号与时频信号生成表征线性调频信号光的线性度的相位差值。优选地，由于第二差频信号的差频频率包括回波光束的时延引起的频率项，因此第一差频信号和第二差频信号的差频频率以及相位不同，从而第一差频信号和第二差频信号通过相位锁定器220输出的相位差值也是不同的。由于第二差频信号不仅包括调频非线性失真引入的差频项还包括残余相位项，导致相位锁定器220输出的相位差值不是常数，因此，反馈控制模块200基于相位锁定器220输出的相位差值是否为常数来区分第一差频信号和第二差频信号。优选地，相位锁定器220可以是锁相环。参考信号生成器240可以是数字频率合成器。参考信号生成器240生成的参考线性调频信号可以是与差频信号的频率相同的正弦信号差频信号和参考线性调频信号输入锁相环后输出的是两个信号的相位差值。优选地，反馈控制模块200还包括数据处理器。数据处理器可以是可编程逻辑器件、中央处理器、数字处理芯片等。优选地，数据处理器基于相位锁定器220得到的相位差值进行分析并将生成的反馈信号传输至可调谐激光模块100。例如可调谐激光模块100的线性度很好，相位锁定器220输出的相位差值变化基本是一个常数。如果这个差值变化很大就需要反馈给数据处理器，此时数据处理器产生一个电压补偿信号去驱动压电陶瓷来对激光光源的线性调频进行补偿，直至相位差值继续保持恒定。本发明采用此方式至少能够实现的有益技术效果是：实际上可调谐激光模块100的非线性失真以及发射准直镜、接收准直镜等外界变化引起的非线性失真是一直存在的，而反馈控制模块200会不断产生补偿信号使得第一外差信号和/或第三外差信号的相位同第二外差信号保持一致，这就能够保证可调谐激光模块100的线性度达在工作时间内保持理想的状态。

根据一个优选实施方式，在确定差频信号包含第二差频信号且第二差频信号中的回波光束的时延未知的情况下，控制反馈模块200的目标通道匹配器230基于回波光束与第一拍频信号光的时延差生成第三外差信号的时延差。目标通道匹配器230基于第三外差信号与第二外差信号的时延差的比值构造锐化函数。目标通道匹配器230在先验信息给出的时延差的比值的范围内搜寻使得锐化函数为最大值时的最优时延差比值。目标通道匹配器230基于最优时延差比值确定第二差频信号的频率并通过参考信号生成器240生成参考线性调频信号。优选地，由于回波光束的时延一般是未知的，因此第二差频信号的差频频率也是未知的。优选地，先验信息可以是通过地面目标的大致位置以及飞行载具的位置而估算出回波光束的时延范围。本发明采用此方式至少能够实现的有益技术效果是：在回波光束的时延未知的情况下，反馈控制模块200能够通过目标通道匹配器230获得最优时延差比值以实现对可调谐激光模块100的非线性补偿。

根据一个优选实施方式，成像模块300被配置为基于反馈控制模块200驱动可调谐激光模块100后生成的差频信号生成基带信号进行成像。第一数字信号处理器310对基带信号进行方位向频域处理生成距离向多普勒域信号。相位方程生成器320基于基带信号生成相位补余函数并对距离向多普勒域信号进行校正。第二数字信号处理器330基于相位补余函数校正后的距离向多普勒信号进行距离向的频域处理以得到距离方位向的二维多普勒域信号。距离徒动校正滤波器340对该距离方位向的二维多普勒域信号进行距离徒动补偿。第三数字信号处理器350基于距离徒动补偿后的距离方位向的二维多普勒域信号进行距离向解卷积。方位向匹配滤波器360基于解卷积后的二维多普勒域信号进行相位校正。第四数字信号滤波器370对该相位校正后的多普勒域信号进行方位向的解卷积后输出图像。优选地，第一数字信号处理器310对基带信号进行方位向快速傅里叶变换。优选地，合成孔径激光雷达需要方位向的相对运动来进行成像，但是相对运动导致的瞬时斜距的变化会导致不同的斜距回波位于不同的距离门，这样在进行方位向解卷积时回波光束的数据无法对齐，即距离徒动。优选地，相位方程生成器320基于基带信号引入一个频率偏移从而生成相位补余函数。通过该方式，距离向多普勒域信号与相位补余函数相乘从而将所有距离徙动曲线在频域补偿成相同的形状，使得不同距离上目标的距离徙动轨迹与参考斜距处相同。

优选地，第二数字信号处理器330基于相位补余函数校正后的距离向多普勒信号进行距离向的快速傅里叶变换。优选地，距离徒动校正滤波器340基于相位方程生成器320的频率偏移生成相应的相位函数从而完成距离徒动的补偿。优选地，第三数字信号处理器350通过距离向的逆傅里叶变换完成解卷积。优选地，方位向匹配滤波器360对相位方程生成器320引入的频率偏移造成的方位向的相位偏移进行相位校正。优选地，第四数字信号滤波器370通过方位向的逆傅里叶变换完成解卷积。

根据一个优选实施方式，相位补偿模块400包括第一相位补偿组件410和第二相位补偿组件420。在第三数字信号处理器350基于距离徒动补偿后的距离方位向的二维多普勒域信号进行距离向解卷积后生成离散化的回波信号的情况下，第一相位补偿组件410：基于离散化的回波信号对所有相邻离散单元内的回波信号的初始相位差求平均值以获得离散化的回波信号的初始相位估计值；基于初始相位估计值通过构建相位误差模型生成相位误差；基于相位误差共轭与离散化的回波信号相乘的方式补偿相位误差，以及对补偿后的离散化的回波信号的噪声功率进行检测。优选地，第一相位补偿组件410中相位误差模型至少包括大气湍流模型和平台振动模型。大气湍流模型可以是现有技术中的采用相位屏近似的方法建立的大气湍流数值模型。平台振动模型主要包括线振动模型和角振动模型。优选地，线振动模型中出纸航线上的线振动会影响孔径相位中心的位置，影响方位向的成像。优选地，方位向的角振动会导致成对的回波出现，从而在图像中引入了相应的虚假目标。第一相位补偿组件410基于大气湍流模型和平台振动模型引入相应的虚拟相位误差和初始相位估计值生成相位误差。优选地，当回波信号的噪声功率小于成像需要的阈值时，重新生成于初始相位估计值并重新进行补偿直至满足噪声功率的阈值。优选地，噪声功率的阈值与系统需要的时间复杂度有关。当噪声功率阈值较低时，需要对较多的离散化的回波信号进行补偿。当噪声功率阈值较高时，需要对较少的离散化的回波信号进行补偿。本发明采用此方式至少能够实现的有益技术效果是：本发明通过第一相位补偿组件410能够对回波信号中的低频相位误差进行估计和补偿，并为第二相位补偿组件420提高初始条件，提高第二相位补偿组件420相位补偿的精度。

根据一个优选实施方式，在离散化的回波信号经过第一相位补偿组件410补偿后，第二相位补偿组件420：基于补偿后的离散化的回波信号在每个距离单元内选取复振幅最大的点，并通过循环移位的方式使得复振幅最大的点位于每个距离单元内的中心；基于移位后的回波信号在距离单元内进行加窗处理以提高回波信号的信噪比，并对相邻窗口内的回波信号进行差分处理以消除初始相位；基于消除初始相位后的回波信号对多普勒频率和/或初始相位误差进行迭代估计以获取相位误差；基于获取的相位误差的共轭与回波信号相乘的方式补偿相位误差。优选地，通过在每个距离单元内选取复振幅最大的点以使得第二相位补偿组件420能够准确的进行误差估计。本发明采用此方式至少能够实现的有益技术效果是：本发明通过第二相位补偿组件410能够不需要建立回波信号的误差模型实现高频相位误差估计，并且第二相位补偿组件410利用多个距离单元上的相位误差的相干信息进行误差的逐渐逼近，提高了估计结果的精度，实现了方位向相位误差的高精度补偿，从而提高了方位向成像的分辨率。

实施例2

本实施例可以是对实施例1的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

本发明还公开了一种合成孔径激光雷达成像方法，该方法包括：使用设置在飞行载具平台上的可调谐激光模块100、反馈控制模块200、成像模块300以及相位补偿模块400进行成像。可调谐激光模块100产生的线性调频信号光通过分光器110分别进入用于输出探测信号光和接收回波光束的目标通道120、公共通道130和参考通道140以产生差频信号。反馈控制模块200基于差频信号通过移相器210生成差频信号的时频信号。反馈控制模块200基于时频信号实时生成表征线性调频信号光的线性度的相位差值。反馈控制模块200基于相位差值实时驱动可调谐激光模块100调谐使得相位差值保持恒定以避免差频信号距离向失真。在成像模块300基于相位差值保持恒定的差频信号成像的过程中，相位补偿模块400通过迭代的方式逐渐逼近差频信号中的残余相位以进行补偿，从而避免差频信号方位向失真。

根据一个优选实施方式，成像模块300基于反馈控制模块200驱动可调谐激光模块100后生成的差频信号生成基带信号进行成像。第一数字信号处理器310对基带信号进行方位向频域处理生成距离向多普勒域信号。相位方程生成器320基于基带信号生成相位补余函数并对距离向多普勒域信号进行校正。第二数字信号处理器330基于相位补余函数校正后的距离向多普勒信号进行距离向的频域处理以得到距离方位向的二维多普勒域信号。距离徒动校正滤波器340对该距离方位向的二维多普勒域信号进行距离徒动补偿。第三数字信号处理器350基于距离徒动补偿后的距离方位向的二维多普勒域信号进行距离向解卷积。方位向匹配滤波器360基于解卷积后的二维多普勒域信号进行相位校正。第四数字信号滤波器370对该相位校正后的多普勒域信号进行方位向的解卷积后输出图像。

如本文所用的词语“模块”描述任一种硬件、软件或软硬件组合，其能够执行与“模块”相关联的功能。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于合成孔径的激光成像装置，至少包括可调谐激光模块(100)和反馈控制模块(200)，其特征在于，

所述可调谐激光模块(100)产生的线性调频信号光通过分光器(110)分别进入用于输出探测信号光和接收回波光束的目标通道(120)、公共通道(130)和参考通道(140)以产生差频信号；

所述反馈控制模块(200)配置为：

通过移相器(210)在时域上对所述差频信号产生波长位移的方式获取表征所述差频信号时频变化的时频信号；

基于所述时频信号实时生成表征所述线性调频信号光的线性度的相位差值；

基于所述相位差值实时驱动所述可调谐激光模块(100)调谐使得所述相位差值保持恒定以避免距离向失真。

2.根据权利要求1所述的激光成像装置，其特征在于，所述可调谐激光模块(100)输出的线性调频信号光进入光隔离器；

所述光隔离器输出的光信号经过偏振控制器生成线偏振光；

所述线偏振光进入所述分光器(110)，其中，

所述目标通道(120)内的线性调频信号光基于脉冲压缩技术以发射脉冲重复信号的方式通过发射准直镜发射信号光，发射信号光经目标反射后的回波光束进入接收准直镜并通过光纤环形器进入第一光电探测器(150)，其中，

所述光纤环形器的非互易性能够分离正反方向传输的光信号。

3.根据权利要求1所述的激光成像装置，其特征在于，所述公共通道(130)设置有第一延迟器(131)以使得所述线性调频信号光通过所述公共通道(130)产生第一拍频信号光，所述参考通道(140)设置有第二延迟器(141)以使得所述线性调频信号光通过所述公共通道(130)产生第二拍频信号光。

4.根据权利要求3所述的激光成像装置，其特征在于，在所述目标通道(120)没有接收到回波光束的情况下，所述线性调频信号光通过目标通道(120)后与所述第一拍频信号光在第一光电探测器(150)上生成第一外差信号，所述线性调频信号光通过所述公共通道(130)后与所述第二拍频信号光在第二光电探测器(160)生成第二外差信号，并且所述第一外差信号与所述第二外差信号通过混频器(170)进行差频以消除所述公共通道(130)的色散和噪声以及所述目标通道(120)与所述参考通道(140)的共模噪声生成包含所述可调谐激光模块(100)的调频非线性失真引入的差频项的第一差频信号，其中，

所述第一差频信号的差频频率基于所述第一延迟器(131)和第二延迟器(141)确定。

5.根据权利要求4所述的激光成像装置，其特征在于，在所述目标通道(120)接收到回波光束的情况下，所述回波光束与所述第一拍频信号光在第一光电探测器(150)上生成第三外差信号，并且所述第三外差信号与所述第二外差信号通过混频器(170)进行差频后生成包含可调谐激光模块(100)以及外界变化导致的调频非线性失真引入的差频项和残余相位项的第二差频信号，其中，

所述第二差频信号的差频频率基于所述第一延迟器(131)、第二延迟器(141)以及所述回波光束的时延确定。

6.根据权利要求5所述的激光成像装置，其特征在于，在所述反馈控制模块(200)接收到包含第一差频信号或第二差频信号的差频信号的情况下，所述反馈控制模块(200)基于相位锁定器(220)判断所述差频信号是否包含所述回波光束的时延以区分所述第一差频信号和所述第二差频信号。

7.根据权利要求6所述的激光成像装置，其特征在于，在确定所述差频信号只包含第一差频信号且所述第一差频信号的频率能够基于第一延迟器(131)和第二延迟器(141)确定的情况下，所述反馈控制模块(200)的参考信号生成器(240)基于第一差频信号的频率生成与所述时频信号频率相同的参考线性调频信号，并且所述反馈控制模块(200)的相位锁定器(220)基于所述参考线性调频信号与所述时频信号生成表征所述线性调频信号光的线性度的相位差值。

8.根据权利要求4所述的激光成像装置，其特征在于，在确定所述差频信号包含第二差频信号且所述第二差频信号中的回波光束的时延未知的情况下，所述反馈控制模块(200)的目标通道匹配器(230)基于所述回波光束与所述第一拍频信号光的时延差生成第三外差信号的时延差，并基于所述第三外差信号与所述第二外差信号的时延差的比值构造锐化函数，在先验信息给出的所述时延差的比值的范围内搜寻使得锐化函数为最大值时的最优时延差比值，

所述目标通道匹配器(230)基于最优时延差比值确定所述第二差频信号的频率并通过所述参考信号生成器(240)生成参考线性调频信号。

9.根据前述权利要求任一所述的激光成像装置，其特征在于，所述激光成像装置还包括成像模块(300)和相位补偿模块(400)，其中，

在所述成像模块(300)基于所述反馈控制模块(200)驱动所述可调谐激光模块(100)后生成的差频信号成像的过程中，所述相位补偿模块(400)通过迭代的方式逐渐逼近所述差频信号中的残余相位以进行补偿从而避免方位向失真。

10.一种基于合成孔径的激光成像方法，其特征在于，所述方法包括：

将可调谐激光模块(100)产生的线性调频信号光通过分光器(110)分别进入用于输出探测信号光和接收回波光束的目标通道(120)、公共通道(130)和参考通道(140)以产生差频信号；

在时域上对所述差频信号产生波长位移的方式获取表征所述差频信号时频变化的时频信号；

基于所述时频信号实时生成表征所述线性调频信号光的线性度的相位差值；

基于所述相位差值实时驱动所述可调谐激光模块(100)调谐使得所述相位差值保持恒定以避免距离向失真。