一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量装置与方法

1.本发明属于逆合成孔径激光雷达成像技术领域，具体涉及一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量装置与方法。


背景技术：

2.逆合成孔径激光雷达(invers synthetic aperture lidar,isal)是远距离目标成像与探测识别的有力技术手段，其基本原理与微波合成孔径成像技术类似，理论上系统分辨率与成像距离无关，距离向利用大带宽调制信号提高分辨率，方位向利用脉冲相干累积探测目标运动多普勒场实现超分辨成像，因此在目标探测与识别，海洋观测和地质勘探等领域具有广泛的应用。
3.目标与系统的相对运动是isal成像的基本条件，但同时目标运动和振动也会引入运动误差，不加补偿将严重影响成像效果。在原理上，目标运动参量主要影响回波信号的包络结构，从而影响脉冲间的相位分布，导致信号无法聚焦。在合成孔径成像技术发展初期，就有大量关于运动误差补偿的研究工作，彼时还主要在微波波段应用。c.c.chen等将目标的运动过程分解为径向平动和轴向转动两个部分，研究了微波逆合成孔径雷达(isar)成像系统目标运动误差的补偿方法(chen c c,andrews h c.target-motion-induced radar imaging[j].aerospace&electronic systems ieee transactions on,1980,aes-16(1):2-14.)。得益于相干激光器的发展，合成孔径技术逐渐被应用于光学波段，由此在相同条件下，isal可以获取更高方位向分辨率，且由于光信号的载波频率更高，使得系统可以测量更大范围的多普勒场，当分辨率需求相同时，光学isal成像所需要的时间也更短。合成孔径技术应用于光学波段诸多性能得到提升的同时，也加大了运动参量测量的难度，原因在于其载波提高了大约3个数量级，对运动误差更加敏感，同时要求运动误差测量精度更高。目前isal成像目标运动误差测量方法大多基于isar框架，通过估计目标运动参量确定运动误差成分，因此运动误差的补偿精度由运动参量估计精度决定。理论上速度参量分辨率与脉冲数和脉冲时间宽度的乘积成正比，因此脉冲数和脉冲时间宽度越大，速度分辨率越好，同时存在的问题是，脉冲数越多误差累积越大，脉冲时间宽度越大，在相同调制带宽和调频率条件下，脉冲重频越小，导致方位向分辨能力变差。在实际应用场景中，不同类型目标的运动参量在准确测量之前是未知的，且动态范围较大。由于isal速度分辨率较高且成像累积时间更短，在脉冲接收时间内低速目标运动参量引入的包络倾斜可能未超过一个距离门，便无法通过信号包络平移量计算运动参量，从而导致对齐算法失效，若通过增大脉冲时间宽度来提高速度分辨率，使得包络倾斜量超过一个距离门提高运动参量估计精度，又会降低信号重频。因此，传统参数单一的信号调制模式在保证系统成像性能的基础上难以精确测量目标的各类运动参量。


技术实现要素：

[0004]
本发明要解决的技术问题是：针对传统参数单一的信号调制模式难以在保证系统
成像性能的基础上精确测量目标的各类运动参量的问题，提供了一种基于混合调制信号的逆合成孔径激光雷达成像目标运动误差测量装置和方法，通过多参数信号调制模式，在同一次信号调制过程中设置多种调制参数，形成具有多种特性的组合信号，在保证成像系统性能的基础上，提高可精确估计运动参量的动态范围；结合启发式优化方法搜索最大包络相关度值，提高了计算效率和估计精度。
[0005]
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
[0006]
一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量装置，所述装置包括：信号源、控制计算机、波形发生器、调制器、信号分发器、信号发射系统、信号接收系统、耦合器、探测器、信号采集系统、信号处理系统和信号监测系统；其中，
[0007]
所述信号源产生主动探测的载波，经过传输通道传递至所述调制器；
[0008]
所述控制计算机、波形发生器和调制器组成多参数信号调制系统，所述控制计算机输出提前设计好的调制波形加载至波形发生器，波形发生器产生调制电压信号加载到调制器以将信号源所传递的载波信号调制为所需要的形式；
[0009]
调制好的信号将被分为三部分，其一传输至信号监测系统，由信号监测系统实时测量调制后的信号，并与调制波形对比确保调制无误；其二作为探测信号由信号发射系统发出至目标；其三作为本振信号与信号接收系统接收到的信号经过耦合器a平衡后在信号探测器b混频并转化为电信号传输至信号采集系统，信号采集系统将混频后的电信号转化为数字信号并记录，最后在信号处理系统通过计算获取目标信息。
[0010]
进一步的，所述调制波形由应用需求决定，主要包含波形参数，所述波形参数为带宽、调频率和/或时间宽度，在一次调制过程中所述波形参数根据需求提前设计。
[0011]
进一步的，所述信号源为连续激光信号，波长由需求确定；所述混频为外差探测信号处理的一种方式，由探测器b完成。
[0012]
进一步的，所述信号监测系统能完整记录调制后信号的波形数据，并与调制波形对比无差别后确保调制无误且采集到的数据是可用的。
[0013]
进一步的，所述信号采集系统满足最大调制波形带宽要求，可不失真记录目标信号。
[0014]
本发明还提供了一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量方法，其特征在于，所述方法包括：
[0015]
步骤1)：信号采集系统将目标信号完整记录，由信号处理系统将不同波形参数的信号分类整理，不同类别的信号用于计算不同运动参量；
[0016]
步骤2)：处理分类后的数据：针对不同类别的数据，将每个信号脉冲的数据作为一列，并将每个信号数据列在行的方向排列组合形成二维数据矩阵；
[0017]
步骤3)：分别计算处理每个二维数据矩阵：建立一个运动参量估计模型，该模型以信号相关性为评价指标，搜索评价指标最优时的运动参量，并输出为待采信值；
[0018]
其中，对每一个类别的数据计算处理后均可以获取得到一个评价指标值和一个运动参量值，若目标运动参量在每一种调制波形信号可测量的范围内，则不同类别数据处理得到的计算结果相对误差小于0.1％，此时可直接采信这些相同或相近的计算结果，若不同时间宽度调制信号的计算结果相对误差大于5％，则采信时间宽度最大调制波形的计算结果。
[0019]
进一步的，步骤1)中，所述不同波形参数的信号分类整理为通过寻找信号波形上升沿将信号分段切割，并以调制波形序列规律为依据依次将分段切割后的信号分类。
[0020]
进一步的，所述步骤3)中，采用启发式优化方法搜索评价指标最优时的运动参量，所述启发式优化方法为高效求解最优化问题的方法。
[0021]
进一步的，所述启发式优化方法包含但不限于粒子群算法或遗传算法。
[0022]
进一步的，所述运动参量包含目标速度、加速度、角速度、振动特征和/或微动特征。
[0023]
其中，所述运动参量估计模型的表达式为：
[0024][0025]
其中，αi表示第i类信号需要估计的运动参量，si(fr,ta；αi)是补偿后的信号表达式，m和n分别表示二维数据矩阵的脉冲采样点数和脉冲数。fr为m方向的频率坐标，ta为n方向的时间坐标。
[0026]
所述补偿后的信号表达式的计算方法为：
[0027][0028]
其中，si(tr,ta)为待补偿的信号数据，hi(αi)为待测运动参量组成的表达式：
[0029][0030]
其中，c为光速，k
r,i
为第i类数据对应的信号调制斜率，k代表第k个运动参量。
[0031]
即为测量得到的第i类数据对应的运动参量。f代表傅里叶变换，f-1
代表傅里叶逆变换
[0032]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0033]
(1)本发明通过设置多种调制波形，可提高运动误差测量的动态范围，在保证成像质量对波形参数的要求前提下，充分利用信号调制空间实现多种运动参量精确测量。
[0034]
(2)本发明结合启发式优化方法求解误差估计模型，可减小计算量，提高模型参数的估计精度。
附图说明
[0035]
图1为本发明装置的组成及原理示意图；
[0036]
图2为调制带宽为5ghz，调频率为5
×
10
14
hz/s和5
×
10
13
hz/s的待调制波形；
[0037]
图3为数据处理流程示意图。
具体实施方式
[0038]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0039]
如图1所示，一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量装置，包括：信号源1、控制计算机2a、波形发生器2b、调制器2c、信号分发器3、信号发射系统4、信号接收系统5、耦合
器6a、探测器6b、信号采集系统7、信号处理系统8、信号监测系统9；其中，
[0040]
控制计算机2a、波形发生器2b和调制器2c组成多参数信号调制系统2，信号源1产生载波光信号输入到调制器2c，待调制波形根据需求提前设计，以图2为调制带宽5ghz，调频率分别为5
×
10
14
hz/s和5
×
10
13
hz/s的待调制线性调频波形为例，波形个数根据实际需求确定，该波形由控制计算机2a产生并加载到波形发生器2b，波形发生器2b将该波形转换为电信号加载到调制器2c，将信号源1输入的载波光信号调制为图2示例；图2表示在本实施例中，具有两种带宽相同但调制斜率不同的信号，其中f
min
调制的起始频率，f
max
为调制最终频率，b＝f
max-f
min
为调制带宽，t1和t2分别为调制时间宽度。
[0041]
调制后的信号由信号分发器3分为三个部分，其一作为信号监测系统9的输入，以此实时监控调制信号质量；其二作为探测信号传输到信号发射系统4；其三作为本振信号传输到耦合器6a；信号发射系统4和信号接收系统5具备目标跟踪功能，接收信号传输至耦合器6a，与本振信号完成平衡分配再传输至探测器6b进行外差探测，探测器将光信号转换为电信号传输至信号采集系统7，将电信号转换并记录为数字信号，由信号处理系统8处理和计算。
[0042]
数据分类处理流程以图3为例，搜索信号上升沿以此判断每段信号的初始位置，根据调制波形的分布规律和搜索得到的每段信号初始位置将信号分类，再将各类别每段信号作为二维数据矩阵的一维，多段信号拼接形成另一维。
[0043]
为分析方便，设置目标运动速度参量分别为10m/s和200m/s，得到二维数据矩阵si(tr,ta)，在得到数据处理结果之前，目标运动参量是未知的，每组数据搜索过程均以零为初始值，得到待估计参量的表达式hi(αi)，并计算得到补偿后的二维信号表达式：
[0044][0045]
由此可以得到待估计模型的表达式为：
[0046][0047]
本实施例利用粒子群算法模拟了优化估计过程，目标速度为200m/s时，调频率为5
×
10
14
hz/s和5
×
10
13
hz/s的优化结果分别为199.37m/s和199.57m/s，利用包络相关平移方法计算结果为186.68m/s；目标速度为10m/s时，调频率为5
×
10
14
hz/s和5
×
10
13
hz/s的优化结果分别为7.83m/s和9.46m/s，利用包络平移方法计算结果为5.92m/s。若只有单一调频率5
×
10
14
hz/s，速度为10m/s时估计精度较低，混合调频率5
×
10
13
hz/s的调制信号后，利用这部分信号做参数估计，估计精度明显提升，且调频率为5
×
10
14
hz/s的信号也能保证系统的成像性能。根据示例结果，相较于单一的调制信号，混合调制的信号对较小速度参量估计精度更高，提高了运动误差测量的动态范围。
[0048]
通过实施例的结果可以发现，本发明能提高运动误差测量动态范围，对运动参量的估计精度高，且计算效率高。
[0049]
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
[0050]
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量装置，其特征在于，所述装置包括：信号源(1)、控制计算机(2a)、波形发生器(2b)、调制器(2c)、信号分发器(3)、信号发射系统(4)、信号接收系统(5)、耦合器(6a)、探测器(6b)、信号采集系统(7)、信号处理系统(8)和信号监测系统(9)；其中，所述信号源(1)产生主动探测的载波，经过传输通道传递至所述调制器(2c)；所述控制计算机(2a)、波形发生器(2b)和调制器(2c)组成多参数信号调制系统(2)，所述控制计算机(2a)输出提前设计好的调制波形加载至波形发生器(2b)，波形发生器(2b)产生调制电压信号加载到调制器(2c)以将信号源(1)所传递的载波信号调制为所需要的形式；调制好的信号将被分为三部分，其一传输至信号监测系统(9)，由信号监测系统(9)实时测量调制后的信号，并与调制波形对比确保调制无误；其二作为探测信号由信号发射系统(4)发出至目标；其三作为本振信号与信号接收系统(5)接收到的信号经过耦合器(6a)平衡后在信号探测器(6b)混频并转化为电信号传输至信号采集系统(7)，信号采集系统(7)将混频后的电信号转化为数字信号并记录，最后在信号处理系统(8)通过计算获取目标信息。2.根据权利要求1所述的一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量装置，其特征在于，所述调制波形由应用需求决定，主要包含波形参数，所述波形参数为带宽、调频率和/或时间宽度，在一次调制过程中所述波形参数根据需求提前设计。3.根据权利要求1所述的一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量装置，其特征在于，所述信号源(1)为连续激光信号，波长由需求确定；所述混频为外差探测信号处理的一种方式，由探测器(6b)完成。4.根据权利要求1所述的一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量装置，其特征在于，所述信号监测系统(9)能完整记录调制后信号的波形数据，并与调制波形对比无差别后确保调制无误且采集到的数据是可用的。5.根据权利要求1所述的一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量装置，其特征在于：所述信号采集系统(7)满足最大调制波形带宽要求，可不失真记录目标信号。6.一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量方法，其特征在于，所述方法包括：步骤1)：信号采集系统(7)将目标信号完整记录，由信号处理系统(8)将不同波形参数的信号分类整理，不同类别的信号用于计算不同运动参量；步骤2)：处理分类后的数据：针对不同类别的数据，将每个信号脉冲的数据作为一列，并将每个信号数据列在行的方向排列组合形成二维数据矩阵；步骤3)：分别计算处理每个二维数据矩阵：建立一个运动参量估计模型，该模型以信号相关性为评价指标，搜索评价指标最优时的运动参量，并输出为待采信值；其中，对每一个类别的数据计算处理后均可以获取得到一个评价指标值和一个运动参量值，若目标运动参量在每一种调制波形信号可测量的范围内，则不同类别数据处理得到的计算结果相对误差小于0.1％，此时可直接采信这些相同或相近的计算结果，若不同时间宽度调制信号的计算结果相对误差大于5％，则采信时间宽度最大调制波形的计算结果。7.根据权利要求6所述的一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量方法，其特征在于：步骤1)中，所述不同波形参数的信号分类整理为通过寻找信号波形上升沿将信号分段切割，并以调制波形序列规律为依据依次将分段切割后的信号分类。
8.根据权利要求6所述的一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量方法，其特征在于：所述步骤3)中，采用启发式优化方法搜索评价指标最优时的运动参量，所述启发式优化方法为高效求解最优化问题的方法。9.根据权利要求8所述的一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量方法，其特征在于：所述启发式优化方法包含但不限于粒子群算法或遗传算法。10.根据权利要求6所述的一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量方法，其特征在于：所述运动参量包含目标速度、加速度、角速度、振动特征和/或微动特征。

技术总结
本发明公开了一种逆合成孔径激光雷达目标运动误差测量装置与方法，该装置包括：信号源，控制计算机，波形发生器，调制器，信号分发器，信号发射系统，信号接收系，耦合器，探测器，信号处理系统，信号监测系统。其中，信号调制包含多种参数调制形式，组合多种调制信号作为信号源测量目标运动参量。本发明公开的测量装置和方法可以在保证系统成像性能的基础上提高系统运动误差测量的动态范围和精度，不需要额外提供运动参量测量设备。本发明利用包络相似性作为优化过程的评价指标，能有效减小测量误差；同时结合启发式优化方法求解误差模型，提高计算效率和估计精度，为逆合成孔径激光雷达高精度成像误差补偿提供了有利条件。高精度成像误差补偿提供了有利条件。高精度成像误差补偿提供了有利条件。


技术研发人员：晋凯 李建 李玉堂 宋岸鹏 徐晨
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：2023.08.08
技术公布日：2023/10/15