專利名稱：合成孔徑激光成像雷達激光啁啾非線性和頻克服方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑激光成像雷達，特別是一種合成孔徑激光成像雷達激光啁 啾非線性電子和頻克服方法。
背景技術(shù)：
合成孔徑激光成像雷達的原理取之于射頻領(lǐng)域的合成孔徑雷達原理，是能夠在 遠距離取得厘米量級分辨率的唯一的光學(xué)成像觀察手段，在距離方向合成孔徑激光 成像雷達采用啁啾即線性頻率調(diào)制的激光和外差光電接收獲得高分辨率成像，因此 激光啁啾的非線性將嚴重影響成像分辨率。
為了減弱或者克服激光啁啾非線性降低成像分辨率的影響，國外提出了兩種采 用附加模擬傳輸光學(xué)通道進行啁啾非線性相位誤差補償?shù)姆椒?br> 一種方法，參見M. Bashkansky， R. L. Lucke， R Funk， L. J. Rickard， and J. Reintjes, "Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain," Ojptfcs Z^"ers， Vol. 27， ppl983-1985 (2002)，是直接對目標回波接收時間信號進行處理，即將參考通道 的輸出對信號通道的信號進行二次差頻，使等效差頻大為降低，從而在采樣時間窗 口內(nèi)可以忽略啁啾的非線性。
另一種方法，參見S. M. Beck， J. R. Buck, W. F. Buell， R. P. Dickinson, D. A. Kozlowski， N. J. Marechal, and T. J. Wright, "Synthetic-aperture imaging ladar: laboratory demonstration and signal processing"々/ &V</ O[pft'cs， Vol. 44， No. 35, pp.7621-7629(2005)，是在信號的相位域中進行處理，即首先在參考通道中計算出相 位誤差，然后傳遞到信號通道，最終在信號通道中實現(xiàn)ff號的相位誤差的消除。
上述第一種方法的處理不需要直接求出相位誤差，因此相對第二種方法來說， 在體系和算法上是簡單的。
但是，上述兩種方法都需要增加一個參考光電子通道，其硬件包括一路本機振 蕩激光、 一路模擬一定距離傳輸?shù)墓饫w器件、光束分束器、光學(xué)橋接器和外差光電 探測器等，大大增加了合成孔徑激光成像雷達的復(fù)雜性
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種合成孔徑激光成像雷達 激光啁啾非線性和頻克服方法，該方法不需要模擬非線性啁啾傳輸?shù)墓鈱W(xué)參考通道， 硬件軟件簡單可靠。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下-
一種合成孔徑激光成像雷達激光啁啾非線性和頻克服方法，其特點是回波光 信號依次通過外差光電探測器、電子乘法器、高通濾波器后輸出電子信號，所述的 外差光電探測器帶有激光本機振蕩器，所述的電子乘法器帶有參考載頻發(fā)生器，所 述的參考載頻發(fā)生器(7)發(fā)生的載頻電子信號的載頻頻率為/,=/^，其中/為 線性啁啾，^為延遲，r, r5， ^為回波光信號的距離傳播延遲。
上述方法的具體實施是采用模擬電子學(xué)處理，參考載頻發(fā)生器產(chǎn)生模擬電子載 頻信號，并與外差光電探測器輸出的光電流通過模擬乘法器進行直接變頻，所述的 高通濾波器采用模擬電路。
上述方法的另一種具體實施是采用電子學(xué)數(shù)字處理，所述的外差光電探測器輸 出的光電流首先通過模數(shù)變換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后采用數(shù)字參考載頻進行數(shù)字 乘法處理，再進行數(shù)字高通濾波。
本發(fā)明的工作原理如下
激光本機振蕩器事實上不僅產(chǎn)生本機激光振蕩，而且是激光發(fā)射光源。本機激 光振蕩的時間相位變化可以表達為
<formula>formula see original document page 4</formula>(1)
其中第一項為激光本征頻率，第二項為激光啁啾項，即線性頻率掃描項，第三項 及以后各項為啁啾高次項，也就是需要克服的項。
假定目標為單個散射點，經(jīng)過距離傳播延遲r，的回波光信號為<formula>formula see original document page 4</formula>(2)
其中^為目標的相位歷程。
因此所述的外差光電探測器的輸出電流為
<formula>formula see original document page 4</formula>(3)其中^為殘余固定位相。
所述的參考載頻發(fā)生器發(fā)生的載頻電子信號為
^(0-Bcos(2《,)， (4)
其中載頻頻率厶可以用線性啁啾/和延遲r,等效地表達，即/,=/~。
所述的外差光電探測器的輸出電子信號G(O和參考載頻發(fā)生器發(fā)生的電子信號 ,v(o通過電子乘法器后輸出為
「. 廣
Ccos 2; /"(^ — z"r), + 2;r^"r/(卜r') +…+ ^
+
+ C"cos
其中和頻項為
(5)
/A0) = Ccos 2<(r, +、)/ + 2;2"^7"/0_乙)+ '" + &
(6)
上述式中A， B和C為常數(shù)。
由公式(3)可以得到外差信號中的二次項因子對一次項因子的非線性啁啾比為
(7)
由公式(6)可見本方法的第二次電子和頻后的二次項因子對一次項因子的非線性 啁啾比為
^^C"卜"。 (8) 所以，本方法的非線性啁啾比比本征定義的非線性啁啾比的提高比例因子為
當(dāng)^ [時，提高比例因子/^& 1。因此可以忽略啁啾的非線性二次項，當(dāng)然 也包括高階項。
此時，通過中心頻率為厶=/(:+^)的高通濾波器4后的最終電子輸出信號5
為
W) = Ccos(2;^"(r, +0, + % +PS)° (10)
只保留了啁啾線性項，克服了啁啾非線性項。
事實上，目標的回波由許多散射點的回波所組成，因此由公式(3)外差光電探測器的輸出電流應(yīng)為
「. 尸 、
"0 = 2^"cos 2成""2"Lr""卜r，") +…+ ^"+^s 。 (3,
它與所述的參考載頻發(fā)生器的載頻電子信號的和頻項為
n V 2 乂
通過高通濾波器4后的最終電子輸出信號5為
々")=ZC" cos(2^(、" + r》+ A." + A,")。 (10,
可見 一次和頻處理后，對于所有的目標散射點都只保留了啁啾線性項，克服了啁 啾非線性項。
具體實施上可以采用模擬電子學(xué)處理，也可以采用電子學(xué)數(shù)字處理。采用模擬 電子學(xué)處理時，參考載頻發(fā)生器產(chǎn)生模擬電子載頻信號，它與外差光電探測器輸出 的光電流通過模擬乘法器進行直接變頻，高通濾波器4采用模擬電路。采用數(shù)字電 子學(xué)處理時，外差光電探測器2輸出的光電流首先通過模數(shù)變換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，
然后采用數(shù)字參考載頻進行數(shù)字乘法處理，再進行數(shù)字高通濾波。
本發(fā)明的技術(shù)效果
本發(fā)明提出一種在信號通道中對于光電外差信號采用電子載頻進行和頻處理， 通過高頻濾波減弱和克服啁啾非線性的影響。本方法無需附加光電子參考通道，不 增加系統(tǒng)硬件的復(fù)雜性；由于和頻運算，無需計算出相位誤差，算法簡單可靠；由 于增大了距離線性項，可以提高成像分辨率。
本發(fā)明方法的特點是不需要模擬非線性啁啾傳輸?shù)墓鈱W(xué)參考通道，即可克服啁 啾非線性項，硬件軟件簡單可靠。


圖l是本發(fā)明方法的原理框圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖進一步詳細說明本發(fā)明
如圖1是本發(fā)明的方法實施例的原理框圖。由圖可見，本發(fā)明合成孔徑激光成 像雷達激光啁啾非線性和頻克服方法，是回波光信號1依次通過外差光電探測器2、
電子乘法器3、高通濾波器4后輸出電子信號5，其中外差光電探測器2帶有激光本 機振蕩器6，電子乘法器3帶有參考載頻發(fā)生器7，所述的參考載頻發(fā)生器(7)發(fā)生的載頻電子信號的載頻頻率為力=/;，其中/為線性啁啾，^為延遲，^ 〉>^， 、為回波光信號的距離傳播延遲。 具體設(shè)計如下
假設(shè)機載合成孔徑激光成像雷達的高度為15km，對地面觀察的成像距離為 50km，成像彌散園為20mm。設(shè)計激光雷達的光學(xué)接收和發(fā)射望遠鏡主鏡的口徑為 40mm，光束發(fā)散度和光學(xué)外差接收視場均為100prad，光斑直徑5m。脈沖雙程渡越 時間0.33ms。
望遠鏡與地面目標處于夫瑯和費衍射區(qū)域，接收過程中《=00，采用高斯光束
發(fā)射即F, =z，因此二次項相位為exp
V
義 z
，其最大相對相位差為
;rl(^)2，即72;r，屬于合理的匹配濾波范圍。這時一個光斑內(nèi)的采樣數(shù)取M*200。 合成孔徑激光成像雷達運動速度100m/s，目標一個光斑掃描時間0.05s，步進
~0.25ms，激光脈沖寬度100w。距離方向成像彌散園帶寬3 = ^7，即15G/Zz，啁啾
At/
速率/ = 1.5><1014/&"2，距離項快時間延遲的最大值控制在0.2ps以內(nèi)，距離向最 大差頻頻率為/max = 30Mfe 。
因此參考載頻發(fā)生器7發(fā)生的載頻電子信號的載頻頻率取值為乂 =300Mi/z， 非線性啁啾比的提高比例因子為尺蘭O.l，因此可以忽略啁啾的非線性二次項，也包 括高階項。
然后距離方向的聚焦像可以通過對 330^fffe線性相位調(diào)制項的傅立葉變換壓 縮取得。方位方向的聚焦像可以通過約72;r最大相對相位的二次相位項的匹配濾波 壓縮取得。
權(quán)利要求
1. 一種合成孔徑激光成像雷達激光啁啾非線性和頻克服方法，其特征在于回波光信號(1)依次通過外差光電探測器(2)、電子乘法器(3)和高通濾波器(4)后輸出電子信號(5)，其中外差光電探測器(2)帶有激光本機振蕩器(6)，電子乘法器(3)帶有參考載頻發(fā)生器(7)，所述的參考載頻發(fā)生器(7)發(fā)生的載頻電子信號的載頻頻率為<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>f</mi> <mi>r</mi></msub><mo>=</mo><mover> <mi>f</mi> <mo>&CenterDot;</mo></mover><msub> <mi>&tau;</mi> <mi>r</mi></msub><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2008100367744C00011.gif" wi="16" he="5" top= "66" left = "57" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/-->其中id="icf0002" file="S2008100367744C00012.gif" wi="2" he="4" top= "66" left = "90" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>為線性啁啾，τr為延遲，τr＞＞τs，τs為回波光信號的距離傳播延遲。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達激光啁啾非線性和頻克服方 法，其特征在于具體實施方法是采用模擬電子學(xué)處理，參考載頻發(fā)生器(7)產(chǎn)生模 擬電子載頻信號，并與外差光電探測器(2)輸出的光電流通過模擬乘法器(3)進 行直接變頻，所述的高通濾波器(4)采用模擬電路。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達激光啁啾非線性和頻克服方 法，其特征在于具體實施方法是采用電子學(xué)數(shù)字處理，所述的外差光電探測器(2) 輸出的光電流首先通過模數(shù)變換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，然后采用數(shù)字參考載頻進行數(shù) 字乘法處理，再進行數(shù)字高通濾波。
全文摘要
一種合成孔徑激光成像雷達激光啁啾非線性和頻克服方法，其特點是回波光信號依次通過外差光電探測器、電子乘法器、高通濾波器后輸出電子信號，其中外差光電探測器帶有激光本機振蕩器，電子乘法器帶有參考載頻發(fā)生器，所述的參考載頻發(fā)生器發(fā)生的載頻電子信號的載頻頻率為f_r＝fτ_r，其中f為線性啁啾，τ_r為延遲，τ_r＞＞τ_s，τ_s為回波光信號的距離傳播延遲。本發(fā)明是在合成孔徑激光成像雷達的信號通道中對于光電外差信號采用電子載頻再進行和頻處理，通過提高載頻比減弱和克服啁啾非線性的影響，從而保證距離方向的成像分辨率。本發(fā)明與傳統(tǒng)方法相比，特點是不需要模擬非線性啁啾傳輸?shù)墓鈱W(xué)參考通道，硬件軟件簡單可靠。
文檔編號G01S17/89GK101285886SQ20081003677
公開日2008年10月15日 申請日期2008年4月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月29日
發(fā)明者劉立人 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所