CN113050118B - 单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法及装置 - Google Patents

单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法及装置 Download PDF

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CN113050118B CN202110596746.3A CN202110596746A CN113050118B CN 113050118 B CN113050118 B CN 113050118B CN 202110596746 A CN202110596746 A CN 202110596746A CN 113050118 B CN113050118 B CN 113050118B
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Abstract

本发明公开了一种单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法及装置，是基于数字微镜器件的单臂激光外差关联成像。本发明利用数字微镜器件可以加载多种空间调制花样，可以将优化后的空间花样调制光场。相比于毛玻璃上固定的复指数花样，优化后的空间花样可以实现更高对比度，更高采样效率；将脉冲压缩技术运用到基于后端调制的单臂激光关联成像中，使得系统能够以的采样速率实现高的测距精度，同时提高了单脉冲能量，增强了系统对环境的鲁棒性，而且抗噪性高。

Description

单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法及装置
技术领域
本发明涉及外差探测的关联成像领域，更具体的说，本发明涉及一种单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制装置。
背景技术
当今社会，越来越多的应用需求、越来越高的技术要求催生了一系列行业。遥感探测、自动驾驶、定点区域安防、侦察监视等领域需求的提升促进了远距离高分辨成像技术的发展。主动与被动成像探测技术是当今成像技术的两个分支。被动式成像依托环境辐射或者目标自身辐射成像，常可进行远距离成像，但受限于环境噪声和目标辐射强度，常不具有全天时特性。主动成像探测技术利用主动照明的电磁辐射，可对远距离目标进行全天时成像，常成为全天时观测的唯一手段。基于主动成像技术发展的成像雷达技术和成像激光雷达技术是当今的主流发展方向。激光成像雷达因激光波长较雷达波长小５个数量级左右，具有更高的分辨率与更小的发散角而受到越来越多重视。激光成像雷达又分为传统激光成像雷达与激光关联成像雷达。传统激光雷达是可以认为是基于点到点成像，激光关联成像雷达则是一种面到点的成像雷达。理论上，激光关联成像雷达对于自然目标场景具有高的采样效率，尤其是对于目标稀疏度高的场景，能以远低于奈奎斯特采样精确恢复目标。此外，激光关联成像雷达还具有高的接收灵敏度与一定的抵抗大气湍流的能力。因此激光关联成像雷达技术的发展越来越受到重视。
2012年中科院上海光学精密机械研究所成功研制首台远距离激光关联成像雷达，并在城市复杂场景下对0.9km处目标实现了优于0.05mrad高分辨率成像。激光关联成像雷达的发展才真正从室内走向了外场，从室内走向了室外，由此发展出了一系列激光关联成像雷达。然而这些激光雷达的均基于窄脉冲发射-直接强度探测技术。受制于激光单脉冲能量的限制，窄脉冲激光雷达存在测距分辨率与单脉冲能量限制。因此，发展出了基于脉冲压缩的长脉冲激光外差关联成像雷达与相干探测激光关联成像雷达。
需要指出的是，单臂关联成像技术没有大数据量的参考光路，可以进行快速发射而受到重视。单臂关联成像目前主要有基于数字微镜器件（DMD）、空间光调制器（SLM）、毛玻璃的三种空间光调制方案。基于DMD、SLM的方案数据量小，尤其基于DMD的方案可实现22Khz的采样速率，而更受关注。DMD与SLM的损伤阈值相较于毛玻璃而言相差太多，而远距离探测需要发射高能量的脉冲，因此单臂激光关联成像雷达中常采用的基于毛玻璃的空间光调制方案。然而毛玻璃却存在发散角大，激光能量利用率低的问题。因此，基于毛玻璃的空间光调制方案虽然在实际采用，却仍有很大不足。
发明内容
本发明的目的在于解决现有上述的问题，提供了一种单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法及装置。
为实现以上目的，本发明的技术方案是一种单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.1、构建光路，预先生成空间调制花样，并将其加载到数字微镜器件上；
1.2、设置测量所需的啁啾信号参数；
1.3、打开连续光纤激光器和工控机，控制啁啾信号源和数字微镜器件工作，测量、采集关联运算所需的差频信号；
1.4、 工控机对采集的信号处理，将工控机采集的测量信号进行快速傅里叶变换并找到频谱峰对应位置与强度并存储；
1.5、 将测量得到的频谱强度与预先加载的空间调制花样进行关联运算，得到位置图像；
1.6、根据目标距离将不同位置距离上的空间二维图像堆叠成三维图像。
可选的，所述的啁啾信号参数包括啁啾信号的脉冲时长
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE001
、起振频率
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
、调制宽度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE003
。
可选的，所述的啁啾调制信号具有如下形式：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE005
是到达电光调制的平均光强，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
为调制速率且
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE008
为时间，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE009
为随时间变化的光强。
可选的，所述的测量、采集关联运算所需的差频信号具体为：连续光纤激光器出光，啁啾信号源输出信号，数字微镜器件开始翻转，工控机开始采集差频电信号数据。
可选的，所述的信号处理具体为：将工控机采集的第
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE010
次测量信号
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE011
进行快速傅里叶变换并找到频谱峰对应位置
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE012
与强度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE013
并存储。
可选的，所述的信号处理公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE015
表示本地振荡的啁啾电信号，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE016
为sinc函数，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE017
为调制深度，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE018
为虚数单位符号，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE019
为本振光和信号光相位差，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE020
表示进入减法混频器的光电流信号，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE021
表示滤波函数，强度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
。
可选的，所述的将测量得到的频谱强度与预先加载的空间调制花样进行关联运算，得到位置图像为：对于频谱位置
Figure 754666DEST_PATH_IMAGE012
处，将测量得到的多个频谱强度
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE023
与数字微镜器件上预先加载的空间调制花样A进行关联运算得到频谱位置
Figure 232658DEST_PATH_IMAGE012
处的重构图像
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
。
可选的，所述的将测量得到的频谱强度与预先加载的空间调制花样进行关联运算，得到位置图像的公式如下：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE026
表示系综平均。
可选的，所述的根据目标距离将各位置距离上的空间二维图像堆叠成三维图像具体为：重建目标不同
Figure 871450DEST_PATH_IMAGE012
对应的距离信息
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE027
，其中
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE028
为光速，根据目标距离将不同距离上的空间二维图像堆叠成三维图像。
一种单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制装置，包括连续光纤激光器、电光调制器、啁啾信号源、准直发射系统、接收望远镜、数字微镜器件、聚光镜、高速光电探测器、放大器、减法混频器、带通滤波器和工控机，所述的啁啾信号源分别与数字微镜器件和工控机连接，所述的数字微镜器件与工控机连接，所述的带通滤波器分别与减法混频器和工控机连接，所述的放大器与减法混频器连接，所述的高速光电探测器与放大器连接，所述的数字微镜器件通过接收望远镜接收信号，所述的数字微镜器件调制的光场通过聚光镜汇聚聚光到高速光电探测器上，工控机将需要准备好的空间调制花样加载到数字微镜器件上，工控机通过控制线控制啁啾信号源产生啁啾电信号和同步门控信号；啁啾电信号分别驱动电光调制器和减法混频器；同步门控信号分别控制工控机上的采集卡和数字微镜器件进行数据采集和镜面翻转，保证在单次测量时间内采集到的差频电信号来完全来自同一散斑花样，且保证自镜面开始翻转和翻转结束过程都在采集；啁啾电信号和同步门控信号始终保持同步。
本发明具有以下有益效果：基于数字微镜器件的单臂激光外差关联成像后端调制的装置与方法，实现了高发射功率场景下的空间光快速调制，并且系统结构简单，能量利用率高；利用数字微镜器件可以加载多种空间调制花样，可以将优化后的空间花样调制光场。相比于毛玻璃上固定的复指数花样，优化后的空间花样可以实现更高对比度，更高采样效率；将脉冲压缩技术运用到基于后端调制的单臂激光关联成像中，使得系统能够实现高的测距精度，同时提高了单脉冲能量，增强了系统对环境的鲁棒性，实现了基于数字微镜器件的单臂关联成像方案，降低了系统复杂度，同时利用外差探测的方式，可在低采样速率时实现高测距分辨率与增强抗背景噪声的能力。
附图说明
图1是本发明方法的一种流程示意图；
图2是本发明装置的一种结构示意图。
1、连续光纤激光器；2、电光调制器 ；3、啁啾信号源； 4、准直发射系统；5、接收望远镜；6、数字微镜器件；7、聚光镜； 8-高速光电探测器；9、放大器；10、减法混频器；11、带通滤波器 ；12、工控机。
具体实施方式
下面结合具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的说明：
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合
实施例：一种单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法，包括以下步骤（见附图1）：
步骤1、构建光路，预先生成空间调制花样，并将其加载到数字微镜器件上。
步骤2、设置测量所需的啁啾信号参数，该参数具体包括：啁啾信号的脉冲时长
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE029
、起振频率
Figure 892758DEST_PATH_IMAGE002
、调制宽度
Figure DEST_PATH_IMAGE030
等。使啁啾调制信号具有如下形式：
Figure 566184DEST_PATH_IMAGE004
其中
Figure 919805DEST_PATH_IMAGE005
是到达电光调制的平均光强，
Figure 717997DEST_PATH_IMAGE006
为调制速率且
Figure 448056DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure 904486DEST_PATH_IMAGE008
为时间，
Figure 429009DEST_PATH_IMAGE009
为随时间变化的光强。
步骤3、打开连续光纤激光器和工控机，控制啁啾信号源和DMD或SML工作，多次测量、采集关联运算所需的差频信号，具体是：连续光纤激光器出光，啁啾信号源输出信号，数字微镜器件开始翻转，工控机开始采集差频电信号数据。
步骤4、数据处理：工控机对采集的信号处理，实现复数信号与频谱对齐，具体是：
将工控机采集的第
Figure DEST_PATH_IMAGE031
次测量信号
Figure 42393DEST_PATH_IMAGE011
进行快速傅里叶变换并找到频谱峰对应位置
Figure 513825DEST_PATH_IMAGE012
与强度
Figure DEST_PATH_IMAGE032
并存储，公式如下：
Figure 896265DEST_PATH_IMAGE014
，
其中
Figure 358733DEST_PATH_IMAGE015
表示本地振荡的啁啾电信号，
Figure 131517DEST_PATH_IMAGE017
为调制深度，
Figure 937799DEST_PATH_IMAGE018
为虚数单位符号，
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为本振光和信号光相位差，
Figure 378007DEST_PATH_IMAGE020
表示进入减法混频器的光电流信号，
Figure 244332DEST_PATH_IMAGE021
表示滤波函数，强度
Figure 504412DEST_PATH_IMAGE022
。
步骤5）将测量得到的频谱强度与预先加载的空间调制花样进行关联运算，得到位置图像，根据目标距离将各位置距离上的空间二维图像堆叠成三维图像，具体如下：
对于频谱位置
Figure 114385DEST_PATH_IMAGE012
处，将测量得到的多个频谱强度
Figure 642056DEST_PATH_IMAGE023
与DMD或SML上预先加载的空间调制花样A进行关联运算得到频谱位置
Figure 944861DEST_PATH_IMAGE012
处的重构图像
Figure DEST_PATH_IMAGE034
，公式如下：
Figure 957817DEST_PATH_IMAGE025
其中
Figure 371480DEST_PATH_IMAGE026
表示系综平均。
步骤6）根据
Figure 51861DEST_PATH_IMAGE012
计算目标距离，并将不同
Figure 525567DEST_PATH_IMAGE012
处得到的空间二维图像组合成三维图像，具体位置：重建目标不同
Figure 996125DEST_PATH_IMAGE012
对应的距离信息
Figure 947901DEST_PATH_IMAGE027
，根据目标距离将不同距离上的空间二维图像堆叠成三维图像。
一种单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制装置（见附图2），包括沿光路依次放置的连续光纤激光器1、电光调制器2、啁啾信号源3、准直发射系统4、目标、接收望远镜5、数字微镜器件6、聚光镜7、高速光电探测器8、放大器9、减法混频器10、带通滤波器11、工控机12。
首先搭建好装置系统，工控机12通过数据线
Figure DEST_PATH_IMAGE035
将需要准备好的空间调制花样加载到数字微镜器件6上，数字微镜器件可以采用DMD空间光调制器或SLM空间光调制器，工控机12通过控制线
Figure DEST_PATH_IMAGE036
控制啁啾信号源3产生啁啾电信号和同步门控信号；啁啾电信号通过电缆线
Figure DEST_PATH_IMAGE037
和电缆线
Figure DEST_PATH_IMAGE038
分别驱动电光调制器2和减法混频器10；同步门控信号
Figure DEST_PATH_IMAGE039
和
Figure DEST_PATH_IMAGE040
分别控制工控机12上的采集卡和数字微镜器件6进行数据采集和镜面翻转，保证在单次测量时间内采集到的差频电信号来完全来自同一散斑花样，且保证自镜面开始翻转和翻转结束过程都在采集。啁啾电信号和同步门控信号始终保持同步；连续光纤激光器1出射连续激光，经电光调制器2后，连续激光上已经加载了啁啾幅度波形，准直发射系统4将连续激光辐照到目标上；经目标后，连续光信号被接收望远镜5接收并缩束至合适大小；加载有空间调制花样的数字微镜器件6在横向上调制连续光；聚光镜7将调制后的光场汇聚到无空间分辨率的高速光电探测器8上。高速光电探测器8输出光电流信号并经放大器9放大输出到减法混频器10；在减法混频器10中，啁啾电信号与放大后的光电流信号混频并输出差频电信号，差频电信号经带通滤波器11滤除噪声后由工控机12上的采集卡采集并存储；多次测量，获取一定数量的差频电信号数据。
数据处理阶段，首先将测量获取的单个差频电信号作快速傅里叶变换获取频谱峰位置与强度信息并记录；再将测量得到的多个差频电信号作快速傅里叶变换，将对应频谱峰位置的强度作为一组关联成像的Y信号；将每组Y信号分别与数字微镜器件上预先加载的空间调制花样进行关联运算即可得到目标图像。
利用电光调制器强度调制后，将时域频率啁啾电信号调制到光信号上，并将其准直发射到目标；接收望远镜组将经目标返回的光接收并缩束至合适大小，数字微镜器件将该接收光空间调制后由聚光镜汇聚该光信号，无空间分辨率的高速光电探测器探测并将该光信号转换为光电流信号，外差减法混频器将本地的时域频率啁啾电信号与光电流信号混频并输出差频电信号，经带通滤波器滤除噪声后，采集卡采集该差频电信号并存储；将多个不同空间调制花样的差频信号都存储完成后，利用傅里叶变换方法提取出包含待测目标距离与回波强度信息的频谱，将多次测量得到的频谱强度与空间调制花样做关联运算，即可重建出目标成像，这样就实现了目标的距离信息与空间信息的三维信息提取。
利用DMD的后端高速空间光调制远距离单臂激光关联成像雷达，提高单臂激光关联成像系统的能量利用率和降低系统的复杂度及数据处理量，基于后端调制的基于数字微镜器件的单臂激光外差关联成像装置与方法，实现了高发射功率场景下的空间光快速调制，并且系统结构简单，能量利用率高；利用数字微镜器件可以加载多种空间调制花样，可以将优化后的空间花样调制光场；相比于毛玻璃上固定的复指数花样，优化后的空间花样可以实现更高对比度，更高采样效率；将脉冲压缩技术运用到基于后端调制的单臂激光关联成像中，使得系统能够以的采样速率实现高的测距精度，同时提高了单脉冲能量，增强了系统对环境的鲁棒性，实现了基于DMD的单臂关联成像方案，降低了系统复杂度，同时利用外差探测的方式，可在低采样速率时实现高测距分辨率与增强抗背景噪声的能力。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制装置，其特征是，包括连续光纤激光器、电光调制器、啁啾信号源、准直发射系统、接收望远镜、数字微镜器件、聚光镜、高速光电探测器、放大器、减法混频器、带通滤波器和工控机，所述的啁啾信号源分别与数字微镜器件和工控机连接，所述的数字微镜器件与工控机连接，所述的带通滤波器分别与减法混频器和工控机连接，所述的放大器与减法混频器连接，所述的高速光电探测器与放大器连接，所述的数字微镜器件通过接收望远镜接收信号，所述的数字微镜器件调制的光场通过聚光镜汇聚聚光到高速光电探测器上，工控机将需要准备好的空间调制花样加载到数字微镜器件上，工控机通过控制线控制啁啾信号源产生啁啾电信号和同步门控信号；啁啾电信号分别驱动电光调制器和减法混频器；同步门控信号分别控制工控机上的采集卡和数字微镜器件进行数据采集和镜面翻转，保证在单次测量时间内采集到的差频电信号来完全来自同一散斑花样，且保证自镜面开始翻转和翻转结束过程都在采集；啁啾电信号和同步门控信号始终保持同步。
2.一种单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1.1、利用权利要求1所述的装置构建光路，预先生成空间调制花样，并将其加载到数字微镜器件上；
1.2、设置测量所需的啁啾信号参数；
1.3、打开连续光纤激光器和工控机，控制啁啾信号源和数字微镜器件工作，测量、采集关联运算所需的差频信号；
1.4、工控机对采集的信号处理，将工控机采集的测量信号进行快速傅里叶变换并找到频谱峰对应位置与强度并存储；
1.5、将测量得到的频谱强度与预先加载的空间调制花样进行关联运算，得到位置图像；
1.6、根据目标距离将不同位置距离上的空间二维图像堆叠成三维图像。
3.根据权利要求2所述的单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法，其特征是，所述的啁啾信号参数包括啁啾信号的脉冲时长
Figure DEST_PATH_IMAGE001
、起振频率
Figure DEST_PATH_IMAGE002
、调制宽度
Figure DEST_PATH_IMAGE003
。
4.根据权利要求3所述的单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法，其特征是，所述的啁啾信号具有如下形式：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE005
是到达电光调制的平均光强，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为调制速率且
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
为时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为随时间变化的光强。
5.根据权利要求2所述的单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法，其特征是，所述的测量、采集关联运算所需的差频信号具体为：连续光纤激光器出光，啁啾信号源输出信号，数字微镜器件开始翻转，工控机开始采集差频电信号数据。
6.根据权利要求2所述的单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法，其特征是，所述的信号处理具体为：将工控机采集的第
Figure DEST_PATH_IMAGE010
次测量信号
Figure DEST_PATH_IMAGE011
进行快速傅里叶变换并找到频谱峰对应位置
Figure DEST_PATH_IMAGE012
与强度
Figure DEST_PATH_IMAGE013
并存储。
7.根据权利要求6所述的单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法，其特征是，所述的信号处理公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE015
表示本地振荡的啁啾电信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为sinc函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为调制深度，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为虚数单位符号，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为本振光和信号光相位差，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示进入减法混频器的光电流信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
表示滤波函数，强度
Figure DEST_PATH_IMAGE022
。
8.根据权利要求2所述的单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法，其特征是，所述的将测量得到的频谱强度与预先加载的空间调制花样进行关联运算，得到位置图像为：对于频谱位置
Figure DEST_PATH_IMAGE023
处，将测量得到的多个频谱强度
Figure DEST_PATH_IMAGE024
与数字微镜器件上预先加载的空间调制花样A进行关联运算得到频谱位置
Figure 302715DEST_PATH_IMAGE023
处的重构图像
Figure DEST_PATH_IMAGE025
。
9.根据权利要求8所述的单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法，其特征是，所述的将测量得到的频谱强度与预先加载的空间调制花样进行关联运算，得到位置图像的公式如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE026
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE027
表示系综平均。
10.根据权利要求2所述的单臂激光外差关联成像雷达空间后端调制方法，其特征是，所述的根据目标距离将不同位置距离上的空间二维图像堆叠成三维图像具体为：重建目标不同
Figure 610069DEST_PATH_IMAGE023
对应的距离信息
Figure DEST_PATH_IMAGE028
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为光速，T为啁啾信号的脉冲时长，B为调制宽度，根据目标距离将不同距离上的空间二维图像堆叠成三维图像。
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