一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法
一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，具体涉及一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理方 法。本发明可用于高分辨率宽测绘带合成孔径激光雷达成像。
【背景技术】
[0002] 高分辨率对地观测要求的分辨率较高，观测距离较远，测绘带宽较大，并且朝着多 种传感器相互协同工作的方向发展，合成孔径激光雷达（Synthetic Aperture Ladar, SAL) 和微波合成孔径雷达（Synthetic Aperture Ladar, SAR)有着很好的优势互补特性。对大 范围地域可以采用SAR进行普查，然后对于感兴趣的目标设施，可以采用SAL进行更高分辨 率的观测，SAL是对目前高分辨率对地观测手段的一个必要的补充手段。
[0003] 采用SAL技术可以在远距离实现比目前SAR的分辨率提高至少一个数量级的高分 辨率观测。与传统合成孔径雷达相比，合成孔径成像激光雷达的工作波长更短，其可以得到 比合成孔径雷达分辨率高得多得图像（分辨率几十微米到几毫米）。
[0004] SAL技术的研宄已经被列入到国家高分辨率对地观测的发展规划当中，西安电子 科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室在研宄中发现单发单收的SAL在高分辨率模 式下，其测绘带宽受到极大的限制。国外对SAL技术的研宄已经进行了单发单收SAL的机 载飞行试验，在一公里作用距离时其测绘带宽只有2米，因此，单发单收SAL窄测绘带宽的 性质，严重制约了 SAL技术的实用化。
[0005] 如何解决距离向测绘带和方位向分辨率的矛盾，实现高分辨率宽测绘带SAL成 像，是今后SAL研宄的核心问题。
【发明内容】
[0006] 针对上述缺点，本发明的目的在于提出一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理 方法，对多发多收回波多普勒信号作解模糊处理，得到无模糊的多普勒频谱用于后期成像。
[0007] 本发明可以有效的解决方位向高分辨率与距离向宽测绘带的矛盾，实现高分辨率 宽测绘带SAL成像。
[0008] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
[0009] 一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，所述多发多收合成孔径激光雷达 具有N个阵元，所述多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法包括以下步骤：
[0010] 步骤1，N个阵元分别接收目标回波信号，每个阵元对所述目标回波信号做剩余视 频相位补偿处理和形式简化处理，得到形式简化处理后的目标回波信号；其中，所述阵元为 多发多收阵元；
[0011] 步骤2,所述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立叶变 换，得到混迭后的目标回波多普勒信号；
[0012] 步骤3,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，对所述观测向 量做解模糊处理，得到无模糊的目标回波多普勒信号向量；
[0013] 步骤4,对所述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；
[0014] 步骤5,对所述完整的无模糊的目标回波多普勒信号做成像处理，得到合成孔径激 光雷达图像。
[0015] 本发明的特点和进一步的改进为：
[0016] (1)步骤1具体包括以下子步骤：
[0017] (la)确定第i个阵元接收到的目标回波信号Si(t，T)，
[0019] 其中，i = 1，2,…，N，N为阵元的数目，t为快时间，t为慢时间，RMf为中心作用 距离，Gu表示第k个阵元发射、第i个阵元接收到的目标回波的增益，R ip表示第i个阵元 到目标的距离，Rkp表示第k个阵元到目标的距离，Y为调频率；
[0020] (lb)对第i个阵元接收到的目标回波信号Si(t，T)做剩余视频相位补偿处理，得 到剩余视频相位补偿处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号Si' (t，T )，
[0022] 其中，c为光速，f。为载波频率；
[0023] (lc)对所述剩余视频相位补偿处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号 S/ (t，T)进行形式简化处理，得到形式简化处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号 Si" (t， T )，
[0025] 其中，
，v是平台运行的方位 向速度，a为相邻两个阵元的间隔，xp为目标的距离向位置，rp为中心偏离距离；
[0026] (Id)依次取i = 1，2,…，N，重复步骤（lb)和（lc)，得到形式简化处理后的N个 阵元的目标回波信号S/ (t，T)，…，SN" (t，T)。
[0027] 进一步的，
[0028] 在子步骤（la)中，第i个阵元到目标的距离Rip具体为：
[0030] 其中，i彡1，N为收发阵元数目，v是平台运行的方位向速度。
[0031] 在子步骤（la)中，第k个阵元到目标的距离Rkp具体为：
[0033] 其中，k彡N，N为收发阵元数目，v是平台运行的方位向速度。
[0034] (2)步骤2具体包括以下子步骤：
[0035] (2a)对形式简化处理后的第i个阵元的目标回波信号S/ (t，t )做方位向傅立 叶变换，得到第i个阵元的目标回波多普勒信号Si (t，fa)，
[0037] 其中，i=1>2,…，N，圪为多普勒频率，
，PRF为脉冲重复频 率；
[0038] (2b)将所述第i个阵元的目标回波多普勒信号Si (t，fa)表示为：
[0039] =ki(fa)S0(t,fa)
[0042] (2c)对所述第i个阵元的目标回波多普勒信号Si(t，fa)产生混迭，得到第i个阵 元混迭后的目标回波多普勒信号S/ (t，fa)，
[0044] 其中，模糊分量q的取值范围为q = -M，-M+1，…，M_1，M ;
[0045] (2d)依次取i=1，2,…，N，得到N个阵元混迭后的目标回波多普勒信号 S/ (t，fa)，...，SN，（t，fa)〇
[0046] (3)步骤3具体包括以下子步骤：
[0047] (3a)由所述N个阵元的混迭后的目标回波多普勒信号S/ (t，fa)，…， SN' (t，fa)，构建观测向量X(tu fa)，
[0049] 其中，^是快时间t中的某一时刻，1 = 1，2,…，L，L为快时间离散序列的长度， (? )T表示矩阵转置操作；
[0050] (3b)根据Capon波束形成原理，确定目标回波信号在多普勒频率fa处的自适应最 优权矢量w opt (fa (q))，
[0052] 其中，R(fa)为多普勒频率fa处的目标回波信号的统计协方差矩阵，v(f a(q))为多 普勒频率fa处的第q个模糊分量的导向矢量，（?）表示矩阵求逆操作，（?） H表示矩阵共 轭转置操作；
[0053] (3c)根据自适应最优权矢量w_(fa(q))对观测向量X(t u fa)加权，得到多普勒频 率4处无模糊的目标回波多普勒信号向量S DBF(t，fa)。
[0054] 进一步的，
[0055] 所述多普勒频率4处无模糊的目标回波多普勒信号向量SDBF(t，f a)为：
[0056] SDBF(t,fa) = [S0(t,-M*PRF+fa),......S0 (t, _M ? PRF+fa) ]T
[0057] 其中
[0058] 本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，该发明成 果将拓展SAL成像的概念和内涵，为未来针对典型应用的高分辨率宽测绘带系统的提出和 研制提供理论和方法基础。
【附图说明】
[0059] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0060] 图1为本发明实施例提供的基本流程示意图；
[0061] 图2为方位向多发多收合成孔径激光雷达体制示意图；
[0062]图3为多发多收SAL体制的多普勒频谱示意图，横坐标为多普勒频率，单位为赫兹 (Hz)，纵坐标为幅度；
[0063]图4为单发单收SAL体制的9个点目标成像的等高线示意图，横坐标为方位单元， 纵坐标为距离单元；
[0064]图5为单发单收SAL体制的9个点目标成像的方位脉压剖面示意图，横坐标为方 位向距离，单位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝（dB);
[0065] 图6为多发多收SAL体制的9个点目标成像的等高线示意图，横坐标为方位单元， 纵坐标为距离单元；
[0066] 图7为方位向多发多收SAL体制的9个点目标成像的方位脉压剖面示意图，横坐 标为方位向距离，单位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝（dB);
[0067] 图8为图6中中间位置的点目标成像放大后的示意图，横坐标为方位单元，纵坐标 为距离单元；
[0068] 图9为图6中中间位置的点目标方位脉压剖面示意图，横坐标为方位向距离，单位 为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝（dB);
[0069] 图10为图6中中间位置的点目标距离脉压剖面示意图，横坐标为方位向距离，单 位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝（dB)。
【具体实施方式】
[0070] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进 行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0071] 参照图1，本发明的具体实现包括如下步骤：
[0072] 步骤1，N个阵元分别接收目标回波信号，每个阵元对所述目标回波信号做剩余视 频相位补偿处理和形式简化处理，得到形式简化处理后的目标回波信号。
[0073] 其中，所述阵元为多发多收阵元。
[0074] N个阵元为方位向均匀分布的阵元，N个阵元发射激光线性调频信号，采用解线性 调频（dechirping)的方式接收目标回波信号，首先对目标回波信号做剩余视频相位补偿 处理，然后再对做剩余视频相位补偿处理后的目标回波信号做形式简化处理，得到形式简 化处理后的N个阵元的目标回波信号5/ (t，T)，…，SN" (t，T)。
[0075] 步骤1的具体子步骤为：
[0076] (la)确定第i个阵元接收到的目标回波信号Sjt，t)为：
[0078] 其中，c为光速，f。为载波频率，i = 1，2,…，N，N为阵元数目，t为快时间，t为 慢时间，RMf为中心作用距离，G u表示第k个发射阵元发射、第i个接收阵元接收回波的增 益，Rip表示第i个接收阵元到点目标的距离，R kp表示第k个发射单元到点目标的距离，Y 为调频率。
[0079] 参照图2,凸透镜的焦距为f，在凸透镜焦平面，有N个阵元沿航迹方向排列（为了 阐述简明，图中只画了 3个阵元），相邻两个阵元的间隔为a，将中间的阵元置于坐标（0, 0) 处。阵元发射激光线性调频信号，调频率为Y，设地面上的点目标位置为P (xp，RMf+rp)，其 中，\为点目标距离向位置，r 5为中心偏离距离，采用dechirping接收方式接收回波信号， 则第i个阵元接收到的目标回波信号Sjt，t)为：
[0081] 上式⑴中，c为光速，f。为载波频率，t为快时间，t为慢时间，RMf为中心作用 距离，Gu表示第k个阵元发射、第i个阵元接收到的目标回波的增益，R ip表示第i个阵元 到目标的距离，Rkp表示第k个阵元到目标的距离，
[0082] 其中，
[0084] 上式⑵中i彡l，k彡N，N为阵元的数目，v是平台运行的方位向速度，a为相邻 两个阵元的间隔。
[0085] 第i个阵元接收到的目标回波信号Sjt，t)中有3个指数项，第一个指数项
表示目标回波信号的距离信息，第二个指数 项
表示目标回波信号的方位多普勒信息，第三个指数项
表示目标回波信号经过dechirping方式接收到的剩余视频 相位。
[0086] (lb)对第i个阵元接收到的目标回波信号Si(t，t)做剩余视频相位补偿处理，得 到剩余视频相位补偿处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号S/ (t，t )为：
[0088] 其中，c为光速，f。为载波频率；
[0089] (lc)对剩余视频相位补偿处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号 S/ (t，t)进行形式简化处理，得到形式简化处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号 S/'（t，T )为：
[0091] 其中，
，v是平台运行的方位 向速度，a为相邻两个阵元的间隔，xp为目标的距离向位置，rp为中心偏离距离。
[0092] 多发多收SAL的作用距离远远大于收发孔径的长度，即满足：
[0094]因此，多发多收SAL的作用距离满足如下关系：
[0096]上式（5)中：
[0098]因此对上式（3)进行形式简化处理，得到形式简化处理后的第i个多发多收阵元 接收到的目标回波信号3/ (t，T):
[0100] (Id)对i进行遍历，重复步骤（lb)和（lc)，得到形式简化处理后的N个多发多收 阵元的目标回波信号S/ (t，T)，…，SN" (t，T)。
[0101] 步骤2,所述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立叶变 换，得到混迭后的目标回波多普勒信号。
[0102] 步骤2具体包括如下子步骤：
[0103] (2a)对形式简化处理后的第i个阵元的目标回波信号做方位向傅立叶变换，得到 第i个阵元的目标回波多普勒信号。
[0104] 利用驻定相位定理对形式简化处理后的第i个阵元的目标回波信号5/ (t，t) 做方位向傅立叶变换，得到第i个阵元的目标回波多普勒信号Si (t，fa)为：
[0106] 其中，i = 1，2,…，N，fas多普勒频率，
，PRF为脉冲重复频率。
[0107] (2b)将第i个阵元的目标回波多普勒信号Si(t，fa)表示为：
[0108] Si(t，fa) = AjfJSoa，^ (9)
[0109]其中，
[0112] (2c)对第i个阵元的目标回波多普勒信号Si(t，fa)产生混迭，得到第i个阵元混 迭后的目标回波多普勒信号S/ (t，fa)为：
[0114] 其中，模糊分量q的取值范围q = -M，-M+1，…，M-l，M，模糊分量的数目为2XM+1。
[0115] 参照图3给出的多发多收SAL的多普勒频谱示意图。根据图2可以知道，多发多 收阵元不是严格工作在正侧视模式，其中，中间位置的多发多收阵元工作在正侧视模式，前 面的多发多收阵元工作在后斜视模式，后面的多发多收阵元工作在前斜视模式，因此多发 多收SAL的回波多普勒频带要比单发单收系统的多普勒频带宽。我们使用较小的脉冲重复 频率保证获得较大的测绘带宽，因此，对于整个多普勒带宽来说是欠采样的，而欠采样处理 会使整个多普勒频带混迭。第i个阵元的目标回波多普勒信号Si(t，f a)产生混迭后，得到 第i个阵元混迭后的目标回波多普勒信号为：
[0117] 其中，模糊分量q的取值范围q = -M，-M+1，…，M-l，M，模糊分量的数目为2 XM+1。
[0118] (2d)对i遍历，得到N个阵元混迭后的目标回波多普勒信号S/ (t，fa)，…， SN' (t，fa)。
[0119] 步骤3,由各个阵元的混迭后的目标回波多普勒信号构成观测向量，对所述观测向 量做解模糊处理，得到无模糊的目标回波多普勒信号向量。
[0120] 步骤3的具体子步骤为：
[0121] (3a)对N个阵元混迭后的目标回波多普勒信号S/ (t，fa)，…，SN' (t，fa)，构 建观测向量xa^f；):
[0123] 根据步骤2得到所有阵元混迭后的目标回波多普勒信号S/ (t，fa)，…， S/ (14)，构建出观测向量父(七1，4):
[0125] 其中，&是快时间t中的某一时刻，1 = 1，2,…，L，L为快时间离散序列的长度。 (?)T表示矩阵转置操作。
[0126] (3b)根据Capon波束形成原理，确定目标回波信号在多普勒频率4处的自适应最 优权矢量w opt(fa(q))为：
[0128] 根据Capon波束形成原理，多普勒频率匕处的自适应最优权矢量w(fa)满足如下 条件：
[0130]上式（14)中v(fa(q))为多普勒频率fa处的第q个模糊分量的导向矢量。
[0132]R(fa)为多普勒频率fa处的回波信号的统计协方差矩阵，由于噪声不可知，统计协 方差矩阵可以利用样本协方差矩阵估计，
[0134] 上式中（?）H表示矩阵共轭转置操作，（?） #表示信号取共轭操作。
[0135] 根据式（15)得到多普勒频率匕处的自适应最优权矢量W[jpt(f a(q))为：
[0137] 上式中（? r1表示矩阵求逆操作。
[0138] (3c)根据自适应最优权矢量w_(fa(q))对观测向量X(tu fa)加权，得到多普勒频 率fa处无模糊的目标回波信号向量S DBF(t，fa)为：
[0139] SDBF(t,fa) = [S0(t,-M*PRF+fa),......S0(t,-M*PRF+fa)]T
[0140] 利用步骤（313)得到的自适应最优权矢量《_(4&))对观测向量乂& 1，4)加权，得 到多普勒频率fa处的无模糊信号向量SDBF(t，f a):
[0141] SDBF(t,fa) = [S0(t,-M*PRF+fa),......S0(t, -M ? PRF+fa)]T (18)
[0142] 上式中，
[0144] 其中，模糊分量q的取值范围q = -M，-M+l，…，M-l，M，模糊分量的数目为2XM+1。
[0145] 步骤4,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
[0146] 对无模糊的目标回波多普勒信号向量SDBF(t，f a)中各个元素Sjt，p*PRF+fa)按照 模糊分量q的数值大小进行排列，并做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 SUnAmb(t，fa')。
[0147] 参照图3,将无模糊的目标回波多普勒信号按照方位频率顺序排列，拼接成一个完 整的无模糊信号SUnAmb(t，f a')为：
[0150] 步骤5,对完整的无模糊的目标回波多普勒信号做成像处理，得到合成孔径激光雷 达SAL图像。
[0151] 其具体子步骤为：
[0152] (5a)引入方位向匹配函数：
[0155] 方位向匹配后的目标回波多普勒信号S^ha^fV)为：
[0157] (5b)令
，A(fa)在fa' =0处的泰勒级数展开近 似为：
[0159]因此式（23)可以近似为：
[0161] (5c)将方位向匹配后的近似目标回波多普勒信号Smatc;h' (kf，）作方位向逆 傅里叶变换和距离向傅立叶变换，得到SAL图像Si(f；，t)为：
[0163] 上式中，A为包络，f；为距离向频率，
> fs为采样频率，Tp为脉宽，B a 为多普勒带宽。
[0164] 至此，本发明的多发多收合成孔径激光雷达成像完成。
[0165] 以下通过仿真进一步说明本发明实现合成孔径激光雷达成像的有效性。
[0166] 1、仿真条件
[0167] 为了方便起见，我们采用了三发三收的模式，仿真参数如表1所示。
[0168] 表1三发三收SAL系统仿真参数
[0169]
[0170] 如果要实现方位向1. 5mm分辨率的SAL图像，要求最小的脉冲重复频率为：
[0172] 而实际发射信号的PRF为10kHz，我们采用将三个收发单元的数据相干合成一个 全分辨率SAL图像。
[0173] 2、仿真内容
[0174] 采用三个收发阵元进行三发三收，三个阵元的位置为：(_a，0)，（0, 0)，（a，0)，a为 收发阵元间隔，对地面上的9个点目标仿真。图4为单发单收SAL体制的9个点目标成像 的等高线图，横坐标为方位单元，纵坐标为距离单元。图5为单发单收SAL体制的9个点目 标成像的方位脉压剖面图，横坐标为方位向距离，单位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位 为分贝（dB)。图6为多发多收SAL体制的9个点目标成像的等高线图，横坐标为方位单元， 纵坐标为距离单元。图7为方位向SAL体制的9个点目标成像的方位脉压剖面图，横坐标 为方位向距离，单位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝（dB)。图8为图6中中间 位置的点目标成像放大图，横坐标为方位单元，纵坐标为距离单元。图9为图6中中间位置 的点目标方位脉压剖面图，横坐标为方位向距离，单位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位 为分贝（dB)。图10为图6中中间位置的点目标距离脉压剖面图，横坐标为方位向距离，单 位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝（dB)。
[0175] 3、仿真结果分析
[0176] 单发单收SAL体制的脉冲重复频率PRF约为多普勒带宽的三分之一，方位向多普 勒重叠三次，从图4和图5可以看出多普勒模糊在二维成像图中表现为将一个目标点分散 成三个点，除了在正确的方位位置上出现目标，还会在这个方位位置的左右两侧各出现一 个虚假目标。方位向多发多收SAL体制利用方位向上的3个收发单元的回波数据合成大带 宽无模糊数据成像，可以消除多普勒模糊，通过图6和图7可以清楚的看出频带合成后的图 像，只在正确的方位位置出现目标点，虚假目标已经被消除。
[0177] 选取9点中的中间点目标分析单个目标图像方位分辨率和压缩效果。根据图8可 以看出单个目标成像得到较好的十字成像。三发三收SAL体制利用方位向的三个收发单 元将方位向波束宽度扩大了三倍，通过频带合成获得大带宽无模糊数据，方位向分辨率提 高约三倍。通过图9和图10可以看到方位脉压和距离脉压的峰值旁瓣比分别为-13. 24dB 和-13. 27dB，距离压缩和方位压缩效果良好。单发单收SAL系统的方位向分辨率为
，经过三发三收SAL体制解模糊和频带合成后得到的方位向分辨率约 为P am= 0? 0012m，比单发单收SAL系统提高了约3倍。
[0178] 以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵 盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，所述多发多收合成孔径激光雷达具 有N个阵元，其特征在于，所述多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法包括以下步骤： 步骤1，N个阵元分别接收目标回波信号，每个阵元对所述目标回波信号做剩余视频相 位补偿处理和形式简化处理，得到形式简化处理后的目标回波信号；其中，所述阵元为多发 多收阵元； 步骤2,所述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立叶变换，得 到混迭后的目标回波多普勒信号； 步骤3,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，对所述观测向量做 解模糊处理，得到无模糊的目标回波多普勒信号向量； 步骤4,对所述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； 步骤5,对所述完整的无模糊的目标回波多普勒信号做成像处理，得到合成孔径激光雷 达图像。2. 根据权利要求1所述的多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，其特征在于，步 骤1具体包括以下子步骤： (la) 确定第i个阵元接收到的目标回波信号Si (t，τ)，其中，i = 1，2, . . .，N，N为阵元的数目，t为快时间，τ为慢时间，RMf为中心作用距 离，Gi,k表示第k个阵元发射、第i个阵元接收到的目标回波的增益，R ip表示第i个阵元到 目标的距离，Rkp表示第k个阵元到目标的距离，γ为调频率； (lb) 对第i个阵元接收到的目标回波信号Si (t，τ )做剩余视频相位补偿处理，得到剩 余视频相位补偿处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号Si' (t，τ )，其中，c为光速，f。为载波频率； (lc) 对所述剩余视频相位补偿处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号Si' (t， τ )进行形式简化处理，得到形式简化处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号Si" (t， ·〇，其中，，V是平台运行的方位向速 度，a为相邻两个阵元的间隔，Xp为目标的距离向位置，rp为中心偏离距离； (Id)依次取i = 1，2，...，N，重复步骤（Ib)和（Ic)，得到形式简化处理后的N个阵元 的目标回波信号3/ (t，〇，...，SN〃（t，〇。3. 根据权利要求2所述的多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，其特征在于，在 子步骤（Ia)中，第i个阵元到目标的距离Rip具体为：其中，i多1，N为收发阵元数目，V是平台运行的方位向速度。4. 根据权利要求2所述的多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，其特征在于，在 子步骤（Ia)中，第k个阵元到目标的距离Rkp具体为：其中，k < N，N为收发阵元数目，V是平台运行的方位向速度。5. 根据权利要求1所述的多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，其特征在于，步 骤2具体包括以下子步骤： (2a)对形式简化处理后的第i个阵元的目标回波信号Si" (t，τ )做方位向傅立叶变 换，得到第i个阵元的目标回波多普勒信号Si (t，fa)，其中，i = 1，2, . . .，N，匕为多普勒频率，PRF为脉冲重复频率； (2b)将所述第i个阵元的目标回波多普勒信号Si (t，fa)表示为： Si (t, fa) = Ai(fa)S0(t, fa) 其中，(2c)对所述第i个阵元的目标回波多普勒信号Si (t，fa)产生混迭，得到第i个阵元混 迭后的目标回波多普勒信号Si' (t，fa)，其中，模糊分量q的取值范围为q = -M，-M+1，. . .，M-l，M ; (2d)依次取i = 1，2, ...，N，得到N个阵元混迭后的目标回波多普勒信号S1' (t， fa)，· · ·，Sn' (t, fa) 〇6. 根据权利要求1所述的多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，其特征在于，步 骤3具体包括以下子步骤： (3a)由所述N个阵元的混迭后的目标回波多普勒信号S1' (t，fa)，...，SN' (t，f a)， 构建观测向量X(tp fa)，其中，&是快时间t中的某一时刻，I = 1，2,. . .，L，L为快时间离散序列的长度，（·）τ表示矩阵转置操作； (3b)根据Capon波束形成原理，确定目标回波信号在多普勒频率fa处的自适应最优权 矢量 Wopt (fa (q))，其中，R(fa)为多普勒频率fa处的目标回波信号的统计协方差矩阵，v(fa(q))为多普勒 频率fa处的第q个模糊分量的导向矢量，（·）4表示矩阵求逆操作，（·）η表示矩阵共轭转 置操作； (3c)根据自适应最优权矢量Wtjpt (fa(q))对观测向量XUpfa)加权，得到多普勒频率fa处无模糊的目标回波多普勒信号向量SDBF(t，fa)。7. 根据权利要求6所述的多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，其特征在于，所 述多普勒频率匕处无模糊的目标回波多普勒信号向量Sdbf(t，fa)为： SDBF(t，fa) = [SQ(t，-M · PRF+fa)，......SQ(t，-M · PRF+fa)]T 其中，
【专利摘要】本发明提供一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，能够有效的解决方位向高分辨率与距离向宽测绘带的矛盾，实现高分辨率宽测绘带SAL成像。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立叶变换；对由N个阵元的混迭后的目标回波多普勒信号构成的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。
【IPC分类】G01S17/89, G01S7/48
【公开号】CN104898107
【申请号】CN201510337542
【发明人】唐禹, 秦宝, 汪路锋, 邢孟道
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，具体涉及一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理方 法。本发明可用于高分辨率宽测绘带合成孔径激光雷达成像。
【背景技术】
[0002] 高分辨率对地观测要求的分辨率较高，观测距离较远，测绘带宽较大，并且朝着多 种传感器相互协同工作的方向发展，合成孔径激光雷达（Synthetic Aperture Ladar, SAL) 和微波合成孔径雷达（Synthetic Aperture Ladar, SAR)有着很好的优势互补特性。对大 范围地域可以采用SAR进行普查，然后对于感兴趣的目标设施，可以采用SAL进行更高分辨 率的观测，SAL是对目前高分辨率对地观测手段的一个必要的补充手段。
[0003] 采用SAL技术可以在远距离实现比目前SAR的分辨率提高至少一个数量级的高分 辨率观测。与传统合成孔径雷达相比，合成孔径成像激光雷达的工作波长更短，其可以得到 比合成孔径雷达分辨率高得多得图像（分辨率几十微米到几毫米）。
[0004] SAL技术的研宄已经被列入到国家高分辨率对地观测的发展规划当中，西安电子 科技大学雷达信号处理国防科技重点实验室在研宄中发现单发单收的SAL在高分辨率模 式下，其测绘带宽受到极大的限制。国外对SAL技术的研宄已经进行了单发单收SAL的机 载飞行试验，在一公里作用距离时其测绘带宽只有2米，因此，单发单收SAL窄测绘带宽的 性质，严重制约了 SAL技术的实用化。
[0005] 如何解决距离向测绘带和方位向分辨率的矛盾，实现高分辨率宽测绘带SAL成 像，是今后SAL研宄的核心问题。
【发明内容】
[0006] 针对上述缺点，本发明的目的在于提出一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理 方法，对多发多收回波多普勒信号作解模糊处理，得到无模糊的多普勒频谱用于后期成像。
[0007] 本发明可以有效的解决方位向高分辨率与距离向宽测绘带的矛盾，实现高分辨率 宽测绘带SAL成像。
[0008] 为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
[0009] 一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，所述多发多收合成孔径激光雷达 具有N个阵元，所述多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法包括以下步骤：
[0010] 步骤1，N个阵元分别接收目标回波信号，每个阵元对所述目标回波信号做剩余视 频相位补偿处理和形式简化处理，得到形式简化处理后的目标回波信号；其中，所述阵元为 多发多收阵元；
[0011] 步骤2,所述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立叶变 换，得到混迭后的目标回波多普勒信号；
[0012] 步骤3,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，对所述观测向 量做解模糊处理，得到无模糊的目标回波多普勒信号向量；
[0013] 步骤4,对所述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；
[0014] 步骤5,对所述完整的无模糊的目标回波多普勒信号做成像处理，得到合成孔径激 光雷达图像。
[0015] 本发明的特点和进一步的改进为：
[0016] (1)步骤1具体包括以下子步骤：
[0017] (la)确定第i个阵元接收到的目标回波信号Si(t，T)，
[0019] 其中，i = 1，2,…，N，N为阵元的数目，t为快时间，t为慢时间，RMf为中心作用 距离，Gu表示第k个阵元发射、第i个阵元接收到的目标回波的增益，R ip表示第i个阵元 到目标的距离，Rkp表示第k个阵元到目标的距离，Y为调频率；
[0020] (lb)对第i个阵元接收到的目标回波信号Si(t，T)做剩余视频相位补偿处理，得 到剩余视频相位补偿处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号Si' (t，T )，
[0022] 其中，c为光速，f。为载波频率；
[0023] (lc)对所述剩余视频相位补偿处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号 S/ (t，T)进行形式简化处理，得到形式简化处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号 Si" (t， T )，
[0025] 其中，
，v是平台运行的方位 向速度，a为相邻两个阵元的间隔，xp为目标的距离向位置，rp为中心偏离距离；
[0026] (Id)依次取i = 1，2,…，N，重复步骤（lb)和（lc)，得到形式简化处理后的N个 阵元的目标回波信号S/ (t，T)，…，SN" (t，T)。
[0027] 进一步的，
[0028] 在子步骤（la)中，第i个阵元到目标的距离Rip具体为：
[0030] 其中，i彡1，N为收发阵元数目，v是平台运行的方位向速度。
[0031] 在子步骤（la)中，第k个阵元到目标的距离Rkp具体为：
[0033] 其中，k彡N，N为收发阵元数目，v是平台运行的方位向速度。
[0034] (2)步骤2具体包括以下子步骤：
[0035] (2a)对形式简化处理后的第i个阵元的目标回波信号S/ (t，t )做方位向傅立 叶变换，得到第i个阵元的目标回波多普勒信号Si (t，fa)，
[0037] 其中，i=1>2,…，N，圪为多普勒频率，
，PRF为脉冲重复频 率；
[0038] (2b)将所述第i个阵元的目标回波多普勒信号Si (t，fa)表示为：
[0039] =ki(fa)S0(t,fa)
[0042] (2c)对所述第i个阵元的目标回波多普勒信号Si(t，fa)产生混迭，得到第i个阵 元混迭后的目标回波多普勒信号S/ (t，fa)，
[0044] 其中，模糊分量q的取值范围为q = -M，-M+1，…，M_1，M ;
[0045] (2d)依次取i=1，2,…，N，得到N个阵元混迭后的目标回波多普勒信号 S/ (t，fa)，...，SN，（t，fa)〇
[0046] (3)步骤3具体包括以下子步骤：
[0047] (3a)由所述N个阵元的混迭后的目标回波多普勒信号S/ (t，fa)，…， SN' (t，fa)，构建观测向量X(tu fa)，
[0049] 其中，^是快时间t中的某一时刻，1 = 1，2,…，L，L为快时间离散序列的长度， (? )T表示矩阵转置操作；
[0050] (3b)根据Capon波束形成原理，确定目标回波信号在多普勒频率fa处的自适应最 优权矢量w opt (fa (q))，
[0052] 其中，R(fa)为多普勒频率fa处的目标回波信号的统计协方差矩阵，v(f a(q))为多 普勒频率fa处的第q个模糊分量的导向矢量，（?）表示矩阵求逆操作，（?） H表示矩阵共 轭转置操作；
[0053] (3c)根据自适应最优权矢量w_(fa(q))对观测向量X(t u fa)加权，得到多普勒频 率4处无模糊的目标回波多普勒信号向量S DBF(t，fa)。
[0054] 进一步的，
[0055] 所述多普勒频率4处无模糊的目标回波多普勒信号向量SDBF(t，f a)为：
[0056] SDBF(t,fa) = [S0(t,-M*PRF+fa),......S0 (t, _M ? PRF+fa) ]T
[0057] 其中
[0058] 本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，该发明成 果将拓展SAL成像的概念和内涵，为未来针对典型应用的高分辨率宽测绘带系统的提出和 研制提供理论和方法基础。
【附图说明】
[0059] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0060] 图1为本发明实施例提供的基本流程示意图；
[0061] 图2为方位向多发多收合成孔径激光雷达体制示意图；
[0062]图3为多发多收SAL体制的多普勒频谱示意图，横坐标为多普勒频率，单位为赫兹 (Hz)，纵坐标为幅度；
[0063]图4为单发单收SAL体制的9个点目标成像的等高线示意图，横坐标为方位单元， 纵坐标为距离单元；
[0064]图5为单发单收SAL体制的9个点目标成像的方位脉压剖面示意图，横坐标为方 位向距离，单位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝（dB);
[0065] 图6为多发多收SAL体制的9个点目标成像的等高线示意图，横坐标为方位单元， 纵坐标为距离单元；
[0066] 图7为方位向多发多收SAL体制的9个点目标成像的方位脉压剖面示意图，横坐 标为方位向距离，单位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝（dB);
[0067] 图8为图6中中间位置的点目标成像放大后的示意图，横坐标为方位单元，纵坐标 为距离单元；
[0068] 图9为图6中中间位置的点目标方位脉压剖面示意图，横坐标为方位向距离，单位 为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝（dB);
[0069] 图10为图6中中间位置的点目标距离脉压剖面示意图，横坐标为方位向距离，单 位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝（dB)。
【具体实施方式】
[0070] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进 行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范围。
[0071] 参照图1，本发明的具体实现包括如下步骤：
[0072] 步骤1，N个阵元分别接收目标回波信号，每个阵元对所述目标回波信号做剩余视 频相位补偿处理和形式简化处理，得到形式简化处理后的目标回波信号。
[0073] 其中，所述阵元为多发多收阵元。
[0074] N个阵元为方位向均匀分布的阵元，N个阵元发射激光线性调频信号，采用解线性 调频（dechirping)的方式接收目标回波信号，首先对目标回波信号做剩余视频相位补偿 处理，然后再对做剩余视频相位补偿处理后的目标回波信号做形式简化处理，得到形式简 化处理后的N个阵元的目标回波信号5/ (t，T)，…，SN" (t，T)。
[0075] 步骤1的具体子步骤为：
[0076] (la)确定第i个阵元接收到的目标回波信号Sjt，t)为：
[0078] 其中，c为光速，f。为载波频率，i = 1，2,…，N，N为阵元数目，t为快时间，t为 慢时间，RMf为中心作用距离，G u表示第k个发射阵元发射、第i个接收阵元接收回波的增 益，Rip表示第i个接收阵元到点目标的距离，R kp表示第k个发射单元到点目标的距离，Y 为调频率。
[0079] 参照图2,凸透镜的焦距为f，在凸透镜焦平面，有N个阵元沿航迹方向排列（为了 阐述简明，图中只画了 3个阵元），相邻两个阵元的间隔为a，将中间的阵元置于坐标（0, 0) 处。阵元发射激光线性调频信号，调频率为Y，设地面上的点目标位置为P (xp，RMf+rp)，其 中，\为点目标距离向位置，r 5为中心偏离距离，采用dechirping接收方式接收回波信号， 则第i个阵元接收到的目标回波信号Sjt，t)为：
[0081] 上式⑴中，c为光速，f。为载波频率，t为快时间，t为慢时间，RMf为中心作用 距离，Gu表示第k个阵元发射、第i个阵元接收到的目标回波的增益，R ip表示第i个阵元 到目标的距离，Rkp表示第k个阵元到目标的距离，
[0082] 其中，
[0084] 上式⑵中i彡l，k彡N，N为阵元的数目，v是平台运行的方位向速度，a为相邻 两个阵元的间隔。
[0085] 第i个阵元接收到的目标回波信号Sjt，t)中有3个指数项，第一个指数项
表示目标回波信号的距离信息，第二个指数 项
表示目标回波信号的方位多普勒信息，第三个指数项
表示目标回波信号经过dechirping方式接收到的剩余视频 相位。
[0086] (lb)对第i个阵元接收到的目标回波信号Si(t，t)做剩余视频相位补偿处理，得 到剩余视频相位补偿处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号S/ (t，t )为：
[0088] 其中，c为光速，f。为载波频率；
[0089] (lc)对剩余视频相位补偿处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号 S/ (t，t)进行形式简化处理，得到形式简化处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号 S/'（t，T )为：
[0091] 其中，
，v是平台运行的方位 向速度，a为相邻两个阵元的间隔，xp为目标的距离向位置，rp为中心偏离距离。
[0092] 多发多收SAL的作用距离远远大于收发孔径的长度，即满足：
[0094]因此，多发多收SAL的作用距离满足如下关系：
[0096]上式（5)中：
[0098]因此对上式（3)进行形式简化处理，得到形式简化处理后的第i个多发多收阵元 接收到的目标回波信号3/ (t，T):
[0100] (Id)对i进行遍历，重复步骤（lb)和（lc)，得到形式简化处理后的N个多发多收 阵元的目标回波信号S/ (t，T)，…，SN" (t，T)。
[0101] 步骤2,所述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立叶变 换，得到混迭后的目标回波多普勒信号。
[0102] 步骤2具体包括如下子步骤：
[0103] (2a)对形式简化处理后的第i个阵元的目标回波信号做方位向傅立叶变换，得到 第i个阵元的目标回波多普勒信号。
[0104] 利用驻定相位定理对形式简化处理后的第i个阵元的目标回波信号5/ (t，t) 做方位向傅立叶变换，得到第i个阵元的目标回波多普勒信号Si (t，fa)为：
[0106] 其中，i = 1，2,…，N，fas多普勒频率，
，PRF为脉冲重复频率。
[0107] (2b)将第i个阵元的目标回波多普勒信号Si(t，fa)表示为：
[0108] Si(t，fa) = AjfJSoa，^ (9)
[0109]其中，
[0112] (2c)对第i个阵元的目标回波多普勒信号Si(t，fa)产生混迭，得到第i个阵元混 迭后的目标回波多普勒信号S/ (t，fa)为：
[0114] 其中，模糊分量q的取值范围q = -M，-M+1，…，M-l，M，模糊分量的数目为2XM+1。
[0115] 参照图3给出的多发多收SAL的多普勒频谱示意图。根据图2可以知道，多发多 收阵元不是严格工作在正侧视模式，其中，中间位置的多发多收阵元工作在正侧视模式，前 面的多发多收阵元工作在后斜视模式，后面的多发多收阵元工作在前斜视模式，因此多发 多收SAL的回波多普勒频带要比单发单收系统的多普勒频带宽。我们使用较小的脉冲重复 频率保证获得较大的测绘带宽，因此，对于整个多普勒带宽来说是欠采样的，而欠采样处理 会使整个多普勒频带混迭。第i个阵元的目标回波多普勒信号Si(t，f a)产生混迭后，得到 第i个阵元混迭后的目标回波多普勒信号为：
[0117] 其中，模糊分量q的取值范围q = -M，-M+1，…，M-l，M，模糊分量的数目为2 XM+1。
[0118] (2d)对i遍历，得到N个阵元混迭后的目标回波多普勒信号S/ (t，fa)，…， SN' (t，fa)。
[0119] 步骤3,由各个阵元的混迭后的目标回波多普勒信号构成观测向量，对所述观测向 量做解模糊处理，得到无模糊的目标回波多普勒信号向量。
[0120] 步骤3的具体子步骤为：
[0121] (3a)对N个阵元混迭后的目标回波多普勒信号S/ (t，fa)，…，SN' (t，fa)，构 建观测向量xa^f；):
[0123] 根据步骤2得到所有阵元混迭后的目标回波多普勒信号S/ (t，fa)，…， S/ (14)，构建出观测向量父(七1，4):
[0125] 其中，&是快时间t中的某一时刻，1 = 1，2,…，L，L为快时间离散序列的长度。 (?)T表示矩阵转置操作。
[0126] (3b)根据Capon波束形成原理，确定目标回波信号在多普勒频率4处的自适应最 优权矢量w opt(fa(q))为：
[0128] 根据Capon波束形成原理，多普勒频率匕处的自适应最优权矢量w(fa)满足如下 条件：
[0130]上式（14)中v(fa(q))为多普勒频率fa处的第q个模糊分量的导向矢量。
[0132]R(fa)为多普勒频率fa处的回波信号的统计协方差矩阵，由于噪声不可知，统计协 方差矩阵可以利用样本协方差矩阵估计，
[0134] 上式中（?）H表示矩阵共轭转置操作，（?） #表示信号取共轭操作。
[0135] 根据式（15)得到多普勒频率匕处的自适应最优权矢量W[jpt(f a(q))为：
[0137] 上式中（? r1表示矩阵求逆操作。
[0138] (3c)根据自适应最优权矢量w_(fa(q))对观测向量X(tu fa)加权，得到多普勒频 率fa处无模糊的目标回波信号向量S DBF(t，fa)为：
[0139] SDBF(t,fa) = [S0(t,-M*PRF+fa),......S0(t,-M*PRF+fa)]T
[0140] 利用步骤（313)得到的自适应最优权矢量《_(4&))对观测向量乂& 1，4)加权，得 到多普勒频率fa处的无模糊信号向量SDBF(t，f a):
[0141] SDBF(t,fa) = [S0(t,-M*PRF+fa),......S0(t, -M ? PRF+fa)]T (18)
[0142] 上式中，
[0144] 其中，模糊分量q的取值范围q = -M，-M+l，…，M-l，M，模糊分量的数目为2XM+1。
[0145] 步骤4,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
[0146] 对无模糊的目标回波多普勒信号向量SDBF(t，f a)中各个元素Sjt，p*PRF+fa)按照 模糊分量q的数值大小进行排列，并做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 SUnAmb(t，fa')。
[0147] 参照图3,将无模糊的目标回波多普勒信号按照方位频率顺序排列，拼接成一个完 整的无模糊信号SUnAmb(t，f a')为：
[0150] 步骤5,对完整的无模糊的目标回波多普勒信号做成像处理，得到合成孔径激光雷 达SAL图像。
[0151] 其具体子步骤为：
[0152] (5a)引入方位向匹配函数：
[0155] 方位向匹配后的目标回波多普勒信号S^ha^fV)为：
[0157] (5b)令
，A(fa)在fa' =0处的泰勒级数展开近 似为：
[0159]因此式（23)可以近似为：
[0161] (5c)将方位向匹配后的近似目标回波多普勒信号Smatc;h' (kf，）作方位向逆 傅里叶变换和距离向傅立叶变换，得到SAL图像Si(f；，t)为：
[0163] 上式中，A为包络，f；为距离向频率，
> fs为采样频率，Tp为脉宽，B a 为多普勒带宽。
[0164] 至此，本发明的多发多收合成孔径激光雷达成像完成。
[0165] 以下通过仿真进一步说明本发明实现合成孔径激光雷达成像的有效性。
[0166] 1、仿真条件
[0167] 为了方便起见，我们采用了三发三收的模式，仿真参数如表1所示。
[0168] 表1三发三收SAL系统仿真参数
[0169]
[0170] 如果要实现方位向1. 5mm分辨率的SAL图像，要求最小的脉冲重复频率为：
[0172] 而实际发射信号的PRF为10kHz，我们采用将三个收发单元的数据相干合成一个 全分辨率SAL图像。
[0173] 2、仿真内容
[0174] 采用三个收发阵元进行三发三收，三个阵元的位置为：(_a，0)，（0, 0)，（a，0)，a为 收发阵元间隔，对地面上的9个点目标仿真。图4为单发单收SAL体制的9个点目标成像 的等高线图，横坐标为方位单元，纵坐标为距离单元。图5为单发单收SAL体制的9个点目 标成像的方位脉压剖面图，横坐标为方位向距离，单位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位 为分贝（dB)。图6为多发多收SAL体制的9个点目标成像的等高线图，横坐标为方位单元， 纵坐标为距离单元。图7为方位向SAL体制的9个点目标成像的方位脉压剖面图，横坐标 为方位向距离，单位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝（dB)。图8为图6中中间 位置的点目标成像放大图，横坐标为方位单元，纵坐标为距离单元。图9为图6中中间位置 的点目标方位脉压剖面图，横坐标为方位向距离，单位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位 为分贝（dB)。图10为图6中中间位置的点目标距离脉压剖面图，横坐标为方位向距离，单 位为米（m)，纵坐标为归一化幅度，单位为分贝（dB)。
[0175] 3、仿真结果分析
[0176] 单发单收SAL体制的脉冲重复频率PRF约为多普勒带宽的三分之一，方位向多普 勒重叠三次，从图4和图5可以看出多普勒模糊在二维成像图中表现为将一个目标点分散 成三个点，除了在正确的方位位置上出现目标，还会在这个方位位置的左右两侧各出现一 个虚假目标。方位向多发多收SAL体制利用方位向上的3个收发单元的回波数据合成大带 宽无模糊数据成像，可以消除多普勒模糊，通过图6和图7可以清楚的看出频带合成后的图 像，只在正确的方位位置出现目标点，虚假目标已经被消除。
[0177] 选取9点中的中间点目标分析单个目标图像方位分辨率和压缩效果。根据图8可 以看出单个目标成像得到较好的十字成像。三发三收SAL体制利用方位向的三个收发单 元将方位向波束宽度扩大了三倍，通过频带合成获得大带宽无模糊数据，方位向分辨率提 高约三倍。通过图9和图10可以看到方位脉压和距离脉压的峰值旁瓣比分别为-13. 24dB 和-13. 27dB，距离压缩和方位压缩效果良好。单发单收SAL系统的方位向分辨率为
，经过三发三收SAL体制解模糊和频带合成后得到的方位向分辨率约 为P am= 0? 0012m，比单发单收SAL系统提高了约3倍。
[0178] 以上所述，仅为本发明的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此，任何 熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵 盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
【主权项】
1. 一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，所述多发多收合成孔径激光雷达具 有N个阵元，其特征在于，所述多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法包括以下步骤： 步骤1，N个阵元分别接收目标回波信号，每个阵元对所述目标回波信号做剩余视频相 位补偿处理和形式简化处理，得到形式简化处理后的目标回波信号；其中，所述阵元为多发 多收阵元； 步骤2,所述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立叶变换，得 到混迭后的目标回波多普勒信号； 步骤3,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，对所述观测向量做 解模糊处理，得到无模糊的目标回波多普勒信号向量； 步骤4,对所述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； 步骤5,对所述完整的无模糊的目标回波多普勒信号做成像处理，得到合成孔径激光雷 达图像。2. 根据权利要求1所述的多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，其特征在于，步 骤1具体包括以下子步骤： (la) 确定第i个阵元接收到的目标回波信号Si (t，τ)，其中，i = 1，2, . . .，N，N为阵元的数目，t为快时间，τ为慢时间，RMf为中心作用距 离，Gi,k表示第k个阵元发射、第i个阵元接收到的目标回波的增益，R ip表示第i个阵元到 目标的距离，Rkp表示第k个阵元到目标的距离，γ为调频率； (lb) 对第i个阵元接收到的目标回波信号Si (t，τ )做剩余视频相位补偿处理，得到剩 余视频相位补偿处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号Si' (t，τ )，其中，c为光速，f。为载波频率； (lc) 对所述剩余视频相位补偿处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号Si' (t， τ )进行形式简化处理，得到形式简化处理后的第i个阵元接收到的目标回波信号Si" (t， ·〇，其中，，V是平台运行的方位向速 度，a为相邻两个阵元的间隔，Xp为目标的距离向位置，rp为中心偏离距离； (Id)依次取i = 1，2，...，N，重复步骤（Ib)和（Ic)，得到形式简化处理后的N个阵元 的目标回波信号3/ (t，〇，...，SN〃（t，〇。3. 根据权利要求2所述的多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，其特征在于，在 子步骤（Ia)中，第i个阵元到目标的距离Rip具体为：其中，i多1，N为收发阵元数目，V是平台运行的方位向速度。4. 根据权利要求2所述的多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，其特征在于，在 子步骤（Ia)中，第k个阵元到目标的距离Rkp具体为：其中，k < N，N为收发阵元数目，V是平台运行的方位向速度。5. 根据权利要求1所述的多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，其特征在于，步 骤2具体包括以下子步骤： (2a)对形式简化处理后的第i个阵元的目标回波信号Si" (t，τ )做方位向傅立叶变 换，得到第i个阵元的目标回波多普勒信号Si (t，fa)，其中，i = 1，2, . . .，N，匕为多普勒频率，PRF为脉冲重复频率； (2b)将所述第i个阵元的目标回波多普勒信号Si (t，fa)表示为： Si (t, fa) = Ai(fa)S0(t, fa) 其中，(2c)对所述第i个阵元的目标回波多普勒信号Si (t，fa)产生混迭，得到第i个阵元混 迭后的目标回波多普勒信号Si' (t，fa)，其中，模糊分量q的取值范围为q = -M，-M+1，. . .，M-l，M ; (2d)依次取i = 1，2, ...，N，得到N个阵元混迭后的目标回波多普勒信号S1' (t， fa)，· · ·，Sn' (t, fa) 〇6. 根据权利要求1所述的多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，其特征在于，步 骤3具体包括以下子步骤： (3a)由所述N个阵元的混迭后的目标回波多普勒信号S1' (t，fa)，...，SN' (t，f a)， 构建观测向量X(tp fa)，其中，&是快时间t中的某一时刻，I = 1，2,. . .，L，L为快时间离散序列的长度，（·）τ表示矩阵转置操作； (3b)根据Capon波束形成原理，确定目标回波信号在多普勒频率fa处的自适应最优权 矢量 Wopt (fa (q))，其中，R(fa)为多普勒频率fa处的目标回波信号的统计协方差矩阵，v(fa(q))为多普勒 频率fa处的第q个模糊分量的导向矢量，（·）4表示矩阵求逆操作，（·）η表示矩阵共轭转 置操作； (3c)根据自适应最优权矢量Wtjpt (fa(q))对观测向量XUpfa)加权，得到多普勒频率fa处无模糊的目标回波多普勒信号向量SDBF(t，fa)。7. 根据权利要求6所述的多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，其特征在于，所 述多普勒频率匕处无模糊的目标回波多普勒信号向量Sdbf(t，fa)为： SDBF(t，fa) = [SQ(t，-M · PRF+fa)，......SQ(t，-M · PRF+fa)]T 其中，
【专利摘要】本发明提供一种多发多收合成孔径激光雷达信号处理方法，能够有效的解决方位向高分辨率与距离向宽测绘带的矛盾，实现高分辨率宽测绘带SAL成像。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立叶变换；对由N个阵元的混迭后的目标回波多普勒信号构成的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。
【IPC分类】G01S17/89, G01S7/48
【公开号】CN104898107
【申请号】CN201510337542
【发明人】唐禹, 秦宝, 汪路锋, 邢孟道
【申请人】西安电子科技大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日
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