基于相干探测的关联成像雷达系统及其成像方法

1.本发明涉及压缩感知激光关联成像雷达系统，特别是一种基于相干探测的关联成像雷达系统及其成像方法。


背景技术：

2.激光关联成像技术是本世纪初兴起的一种新型的激光成像技术。它将具有时空涨落的光场分为两部分，其中一部分用具有空间分辨率的探测器记录该时空涨落的强度分布，是为参考光路；另一部分成像到目标表面并利用无空间分辨率的探测器接收该回波信号，是为物光路。利用参考光路与物光路的涨落关联性质，并结合压缩感知算法，即可得到基于压缩感知的关联重构目标图像。然而此技术中物光路回波信号一般很弱且采用的探测技术为直接强度探测。对脉冲激光信号而言，直接强度探测技术的最小可探测功率最低可达10-9
w。
3.光学相干探测技术是上世纪90年代才兴起的新型相干探测技术。它将一束振幅或者相位调制的连续窄线宽光信号分为两部分：一部分留在本地作为本地振荡光信号，另一部分发射到目标上并得到较弱的目标回波信号。光功率强且相干性极好的本振光信号与弱回波信号干涉，得到本振光信号与回波光信号的差频信号。通过鉴别差频信号频率即可得到目标的灰度和距离信息。需要指出的是，相较于直接强度探测技术，光学相干探测技术具有高达几个数量级的探测灵敏度优势。此外该技术具有相位探测能力，能够将目标与平台之间相对运动引起的多普勒频移保留并记录下来。因此，该技术还能实现对目标的运动或振动维信息的提取。
4.激光关联成像雷达是近10年内才提出的机理与之前的激光成像雷达本质不同的新型激光成像雷达。由于其机理存在于压缩感知理论相结合的可能，基于压缩感知的激光关联成像雷达在2012年由中科院上海光机所的韩申生小组提出并首次得到外场试验验证。之后，该小组相继验证了基于压缩感知的激光关联成像雷达的高信息提取效率及超分辨能力。因此，基于压缩感知的激光关联成像雷达受到越来越多的关注。尽管如此，该型激光关联成像雷达的探测系统仍基于直接强度探测，存在探测灵敏度不够高，没有相位探测的能力。对于运动目标，虽能根据后处理算法得到目标的重构图像，然而该方法只能针对匀速运动目标。对于变速目标，该方法极易失效。此外，该系统还在抗背景噪声能力弱，处理数据量大的缺点。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提出了一种基于相干探测的关联成像雷达系统，以实现低峰值功率、高测距分辨率、高抗噪性、高灵敏度的目标空间三维及运动或振动维共四维的目标信息提取，且能够实现距离与多普勒速度的天然解耦。
6.啁啾调制光源出射宽带啁啾调制信号光，经光纤分束器后分为两部分。一部分留在本地作为本地振荡光信号；另一部分作为信号光经光纤放大器、准直器后轰击旋转毛玻
璃，在毛玻璃后的短焦场镜上产生赝热光场。该赝热光场经空间光分束器分为两部分，一部分由参考成像镜成像到ccd上，并由ccd记录该光场的强度分布；另一部分由光学发射镜成像到目标表面，经目标后返回的信号光由光学接收系统接收并耦合进接收光纤。本地振荡光信号和接收光纤将回波光信号一起导入集成2*4 90
°
平衡探测器，在集成2*4 90
°
平衡探测器中发生光学桥接及去斜混频过程并输出两路正交的低频电信号，该低频电信号的频率为本地振荡光信号与回波光信号的差频，振幅与本地振荡光信号和回波光信号的振幅成正比。再经滤波系统滤除低频电信号的带外噪声，即可得到较为纯净的低频电信号。模数转换器件将该低频电信号转换为数字信号并由主控制器存储。ccd记录的对应参考光场强度分布也由主控制器存储。多次测量后即可得到多个低频电信号和对应的参考光场强度分布。对于静止目标，将低频电信号快速傅里叶变换得到频谱峰及对应的强度，频谱峰位置即表示距离信息，频谱强度即为对应的探测信号强度。如为运动或振动目标，则采用短时傅里叶变换处理该低频电信号。该信号的频谱会表现出距离谱与运动或振动谱。对于距离谱，谱的中心位置即可表示目标在一次测量中的平均位置，探测信号强度即可为距离谱区间内的所有谱强度之和；对于运动或振动谱，可由此计算目标的运动或振动速度，谱的瞬时位置即为目标的速度信息，谱区间内的强度之和即为探测信号强度。可分别根据距离谱与运动或振动谱的探测信号强度及参考光场，结合压缩感知算法得到目标的三维图像。
7.本发明的一种典型系统构成包括：啁啾调制光源系统、光纤分束系统、光纤放大系统、准直系统、空间调制系统、空间分光系统、参考光路系统、光学发射系统、光学接收系统、后处理系统、时钟系统及主控制和采集系统。
8.所述的啁啾调制光源系统，用于产生宽带调制的窄线宽调制光信号。
9.所述的光纤分束系统，用于将调制的光信号分为本地振荡光信号及调制光信号。
10.所述的光纤放大系统，用于将调制光信号放大，以达到远距离探测的光功率要求。
11.所述的准直系统，用于将光纤输出的调制光信号准直并输出尺寸合适的光斑到空间调制系统。
12.所述的空间调制系统，用于将调制光信号的光场横向空间调制，以实现光场的空间涨落要求，并在其中的短焦场镜上形成散斑场。
13.所述的空间分光系统，用于将空间调制系统后的光场分为两部分，一部分到参考光路系统，另一部分到光学发射系统。
14.所述的参考光路系统，用于将空间调制系统调制后的光场记录，以供重构目标图像。
15.所述的发射光学系统，用于将空间调制系统调制后的光场以较小像差发射到目标表面。
16.所述的接收光学系统，用于将目标面返回的信号光汇聚并耦合到接收光纤中。
17.所述的后处理系统，用于将返回光信号与本地振荡光信号混频输出两路正交的iq低频电信号。在该过程中噪声信号被很大程度滤除，且回波光信号的振幅、相位信息均被记录。即目标的灰度信息及运动或振动信息均被记录。
18.所述的时钟系统，用于产生同步控制信号，以使啁啾调制光源、参考ccd、模拟数字转换系统同步控制。
19.所述的主控制和采集系统，用于控制时钟系统，存储参考ccd光场信息，采集并存
储iq低频电信号，重构输出目标图像及运动或振动信息。
20.本发明的技术效果：
21.1，对目标的三维空间图像数据及一维运动或振动数据进行恢复。在互不相关的散斑场下进行压缩感知重构，利用目标本身的稀疏先验信息，实现对目标的高信息提取甚至超分辨提取。该系统将原本需要高采集带宽才能实现的高测距分辨率转换到调制的宽带光信号，从而在采集阶段由低带宽采集即可实现高的测距分辨率。
22.2，由于采用了相干探测，能够实现对光场的相位信息瞬时提取。目标的运动或振动信息以相位变化的形式得以在该系统中保留。根据该相位的变化形式，可以在短时傅里叶变换的变化频谱谱中，根据目标的运动或振动特性，可实现对目标的频谱识别。此外，由于相干探测的高灵敏及抗噪性，该系统还具有较弱信号探测能力以及强的鲁棒性。
23.3，接收光学系统中，接收光纤放置于光学聚光镜的傅里叶面上，单个接收光纤即可实现目标的全部信息采集。通过单个集成2*4 90
°
平衡探测器即可实现较好的成像质量。
附图说明
24.图1为本发明相干探测关联成像雷达系统实施例1的结构框图。
25.图中标记如下：
26.1-啁啾调制光源 2-光纤分束系统 3-光纤放大系统 4-准直系统 5-空间调制系统 6-空间分光器件 7-参考光路系统 8-发射光学系统 9-接收光学系统 10-后处理系统 11-时钟系统 12-主控制器
27.①‑
短焦场镜表面
ꢀ②‑
参考ccd表面
ꢀ③‑
目标面
ꢀ④‑
聚光镜傅里叶面
具体实施方式
28.下面结合图1来说明本基于相干探测的压缩感知激光关联成像雷达系统是如何得到物体的三维表面图像及运动或振动信息的。如图1所示，该系统的构成包括啁啾调制光源系统1、光纤分束系统2、光纤放大系统3，准直系统4、空间调制系统5、空间分光系统6、参考光路系统7、发射光学系统8、接收光学系统9、后处理系统10、时钟系统11、以及主控制及采集系统12。短焦场镜表面
①
与参考ccd表面
②
关于参考成像镜共轭，短焦场镜表面
①
同时也与目标面
③
关于发射光学系统共轭。接收光学系统9中接收光纤位于聚光镜的傅里叶面
④
。
29.啁啾调制光源系统1出射连续窄线宽的宽带调制啁啾光信号，该光信号经光纤分束系统2分为两部分，一部分留在本地作为本地振荡光信号lo并注入后处理系统10；另一部分作为调制光信号经光纤放大系统3后，有准直系统4出射到自由空间并轰击空间调制系统5，并于空间调制系统中的短焦场镜面
①
上形成时空涨落的赝热散斑场。该散斑场经空间分光系统6后分为两部分，一部分由参考光路系统成像到其中的参考ccd表面
②
并记录其光强分布另一部分经发射光学系统8成像到目标表面
③
。接收光学系统9中激光镜将目标面
③
的回波接收，并有接收光纤接收并注入后处理系统10。在后处理系统10中，本地振荡光信号lo和回波光信号sig发生光学桥接及混频过程，经滤波后输出两路正交的iq低频电信号。iq两路信号被主控制及采集系统12转换为数字信号并存储为i1、q1。与此同时，主控制及采集系统12将参考ccd记录的光强分布存储。经m次测量后，得到参考测量数据和iq
两路信号数据{ii}和{qi}，其中i为测量次数，且i＝1,2,...,m。
30.接下来在主控制及采集系统12中根据参考测量数据和iq两路信号数据完成探测信号提取、速度或振动信息提取和目标空间三维信息重建过程。首先将iq两路信号复数相加，得到复数信号ci＝ii jqi。对ci作短时傅里叶变换，可观察得到目标的频谱主要分为两部分：运动或振动谱及距离谱。如果目标为匀速运动，那么距离谱中会得到目标的距离和速度耦合的频谱窄峰，运动或振动谱中也会得到频谱窄峰；如果目标是非匀速运动，那么可观察到距离谱经运动或振动展宽了的距离谱频谱区间，运动或振动谱中会出现随时间变化的频谱曲线。根据运动或振动谱频谱位置，即可由下式计算出目标的瞬时运动或振动速度v：
[0031][0032]
其中λ为光波中心波长，fd为对应的瞬时频谱位置。将在单次测量时间内的瞬时频谱位置对应的频谱相加，即可得到单次测量时运动或振动谱对应的探测信号强度对于距离谱区间，目标距离可依据对应时刻的瞬时运动或振动谱位置fd由下式解算：
[0033][0034]
其中c为光速，t为啁啾调制时长，b为啁啾调制带宽，fr为目标对应瞬时频谱位置且fr＝f
r d-fd，f
r d
为fd对应的瞬时距离谱峰位置。同运动或振动谱一样，将单次测量时间内对应的距离谱上的频谱强度雷达节课得到对应的探测信号强度
[0035]
此外，将参考测量数据拉伸成一列，并使之具有以下形式其中n＝p
×
q。在图像解算时，利用基于压缩感知的关联重构算法，重构目标图像。
[0036]
对于运动或振动谱及距离谱对应的目标图像，可由下式重构：
[0037][0038]
表示物体在运动或振动谱线d上对应的空间图像信息。
[0039]
对于距离谱对应的目标图像，可由下式重构：
[0040]
[0041]
表示物体在距离谱线d上对应的空间图像信息。
[0042]
这样就实现了从运动或振动谱和目标距离谱上分别解算目标空间三维信息，并提取目标的运动或振动维信息。