一种基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法技术

本发明专利技术是一种基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，包括步骤：对相干体制激光雷达的线性调频信号的相位进行量化得到激光雷达波形；依据激光雷达波形生成激光相位调制信号，一方面，获取延时的激光相位调制信号，另一方面，放大并发射激光相位调制信号；对接收的目标回波信号与延时的激光相位调制信号进行去调相处理，生成正交解调回波信号；利用模数转换器采集、记录正交解调回波数据；对正交解调回波数据进行相位误差估计和校正，得到相位误差校正后的回波信号；对相位误差校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换，得到目标的距离向脉冲压缩信号，用于在大幅度降低模数转换器采样率的条件下实现相干体制激光雷达高距离分辨率成像。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术是，包括步骤：对相干体制激光雷达的线性调频信号的相位进行量化得到激光雷达波形；依据激光雷达波形生成激光相位调制信号，一方面，获取延时的激光相位调制信号，另一方面，放大并发射激光相位调制信号；对接收的目标回波信号与延时的激光相位调制信号进行去调相处理，生成正交解调回波信号；利用模数转换器采集、记录正交解调回波数据；对正交解调回波数据进行相位误差估计和校正，得到相位误差校正后的回波信号；对相位误差校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换，得到目标的距离向脉冲压缩信号，用于在大幅度降低模数转换器采样率的条件下实现相干体制激光雷达高距离分辨率成像。【专利说明】
本专利技术属于相干体制激光雷达
，特别是一种相干体制激光雷达波形设计及其信号处理方法，具体涉及的相干体制激光雷达包括合成孔径激光雷达(SyntheticAperture Ladar, SAL)、相干体制三维成像激光雷达、相干体制多普勒测风雷达。
技术介绍
随着激光光源信号相干性的提高，相干体制的激光雷达技术已经得到了快速发展。其激光雷达的种类和主要的应用方向包括:合成孔径激光雷达由于其采用相干体制，代表着激光雷达的发展方向，无论对技术推动和实际应用均具有重要的研究价值；高分辨率成像技术研究(成像转角很小的主动激光成像，在原理上可和可见光图像融合)；基础测绘(高空三维激光雷达距离向采用脉冲压缩，顺轨向采用合成孔径成像体制，提高空间探测分辨率。脉冲压缩技术有助于实现远距离时的高距离分辨率探测，并平衡峰值功率和平均功率的矛盾)；大气风场测量(目前的激光多普勒测风雷达距离向可改为脉冲压缩体制)。激光雷达成像系统和光学成像系统一样，其空间分辨率都受天线孔径的限制。对于一定载频的激光和一定大小的天线孔径，方位分辨率会随着距离的增加而下降。因此，要实现远距离时的高分辨率成像需要很大的天线孔径。但是，在实际系统中很多因素限制了天线孔径的增加，因此限制了方位分辨率的提高。`作为相干激光雷达的典型例子，合成孔径激光雷达由于采用合成孔径的原理，方位分辨率不随距离的增加而下降，因此能获得更高的方位分辨率，在超高分辨率观测
有广阔的发展前景。目前其研究已经得到了广泛的关注，并取得了明显的研究进展。合成孔径激光雷达为形成高分辨率图像需要形成宽带信号。宽带信号的形式主要包括宽带频率调制信号和宽带相位调制信号，目前微波合成孔径雷达(SAR，SyntheticAperture Radar)主要使用了宽带频率调制信号，并采用了成熟的成像处理技术，实现的图像分辨率已达到厘米量级。在激光波段，由于实现频率调制的声光器件的限制，目前短时间内(μ s级)能够实现的调频信号带宽较小，达不到厘米级分辨率对应的带宽要求，现阶段只能考虑使用在激光数字通信技术支持下发展出的高速宽带激光相位调制器形成宽带激光相位调制信号。国内对相干体制激光雷达已展开了一些研究，积极开展了合成孔径激光成像技术研究工作，目前已获得毫米级成像结果。但依旧存在以下问题:主要工作停留在室内桌面试验状态；为产生大的距离向带宽，采用了类似SAR频率步进的技术方案，用慢时间获取信号带宽；为形成方位向带宽的空间步进也很慢，由此产生长达数十分钟的数据获取时间，无法满足实际中要在短时间内生成大带宽信号的应用要求。另外，在该条件下对运动误差的测量提出了过高的要求，没有考虑到航空激光SAR合成孔径成像时间在毫秒量级的特点；桌面系统的分辨率在毫米量级，和航空应用需求的5-lOcm分辨率相差甚远。国外有关相干体制激光雷达成像的工作开展相对较早，取得了一定的研究成果。2006年美国雷声公司和诺斯罗普.格鲁门公司先后报导和演示了机载合成孔径激光雷达成像实验。2011年美国洛克希德-马丁公司独立完成了合成孔径激光成像雷达演示样机的机载实验，其机载样机系统对距离1.6km的地面目标实现了幅宽lm，方位向分辨率3.3cm的成像。事实上，美国洛克希德-马丁公司的机载实验系统就是使用了相位编码信号并有效结合了微波SAR的成像处理技术。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题要解决的技术问题主要包括以下几点:1.解决相干体制激光雷达高分辨率要求的宽带信号产生问题和发射信号的高峰值功率问题；2.解决宽带信号的高速采样率问题；3.解决回波信号在存在相位误差情况下脉冲压缩性能降低的问题；鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供。(二)技术方案为解决上述问题，本专利技术提出了，其包括:步骤S1:对相干体制激光雷达的线性调频信号的相位进行量化，得到激光雷达波形；步骤S2:依据激光雷达波形，生成激光相位调制信号，一方面，将激光相位调制信号延时，得到延时的激光相位调制信号，另一方面，将激光相位调制信号进行放大，并由相干体制激光雷达发射放大的激光相位调制信号；步骤S3:将相干体制激光雷达接收的目标回波信号与延时的激光相位调制信号进行去调相处理，生成正交解调回波信号；步骤S4:利用模数转换器采集正交解调回波信号，并由数据记录器记录正交解调回波数据；步骤S5:对记录的正交解调回波数据进行相位误差估计和相位误差校正，得到相位误差校正后的回波信号；步骤S6:对相位误差校正后的回波信号进行距离向傅里叶变换，得到目标的距离向脉冲压缩信号。(三)有益效果1.本专利技术设计了一种相干体制激光雷达波形，用高速宽带激光相位调制器生成宽带激光相位调制信号，实现了高距离分辨率要求的宽带信号，该信号适用于周期相位调制的连续波形式，降低了发射信号的峰值功率；2.本专利技术设计了去调相接收方式，降低了信号带宽，使用低采样率AD转换器完成数据采集，使系统得以简化；3.本专利技术提出了相位误差校正方法，保证了回波信号的脉冲压缩性能。【专利附图】【附图说明】图1为本专利技术基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法的流程图；图2为本专利技术中激光雷达波形的相位示意图；图3为本专利技术中激光雷达波形的脉冲压缩性能示意图；图4为本专利技术中相干体制激光雷达去调相接收的具体实现示意图；图5为本专利技术中激光雷达回波信号经去调相接收后的脉冲压缩结果示意图；图6为本专利技术中相干体制激光雷达相位误差校正的去调相接收的具体实现示意图；图7a为本专利技术中含相位误差的LFM连续相位调制信号回波(或者经过耦合并延时的激光发射信号)经去调相接收的脉冲压缩结果示意图；图7b为估计出的信号相位误差示意图；图7c为对含相位误差的LFM连续相位调制信号回波(或者经过耦合并延时的激光发射信号)经去调相接收后进行相位误差校正的脉冲压缩结果示意图。【具体实施方式】为使本专利技术的目的、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，对本专利技术作进一步的详细说明。图1示出了本专利技术中基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法的流程图，如图所示，该处理流程包括:步骤S1:对相干体制激光雷达的线性调频(LFM)信号的相位进行量化，得到激光雷达波形；步骤S2:依据激光雷达波形，生成激光相位调制信号，一方面，将激光相位调制信号延时，得到延时的激光相位调制信号，另一方面，将激光相位调制信号进行放大，并由相干体制激光雷达发射放大的激光相位调制信号；步骤S3:将相干体制激光雷达接收的目标回波信号与延时的激光相位调制信号进行去调相处理，生成正交解调回波信号；步骤S4:利用模本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李道京，杜剑波，马萌，
申请(专利权)人：中国科学院电子学研究所，
类型：发明
国别省市：