[发明专利]THz级大带宽激光合成孔径雷达成像系统的数据处理方法

说明书

技术领域

本专利涉及激光雷达成像技术，具体指一种用于成像的THz级大带宽激光成像系统的数据处理方法。 

背景技术

合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)是一种主动式的成像雷达，工作在微波波段，可全天时、全天候，目前SAR已经得到成熟应用。在SAR发展的同时，激光器也迅速发展，实孔径激光雷达的空间分辨率受到发射孔径的衍射极限的限制。因而将微波段合成孔径技术移植到光学波段，以获得更高分辨率的图像，激光合成孔径雷达(Synthetic Aperture Ladar，简称SAL)就应运而生。原理同SAR，都是在距离向上通过发射大时宽-带宽积的线性调频信号，对目标回波进行脉冲压缩得到距离向的高分辨率，理论上距离向分辨率ρ_r＝c/2B(c为光速，B为线性调频信号带宽)；方位向上基于合成孔径原理，利用平台与目标之间的相对运动，模拟孔径阵列，合成出一个大的孔径，在一个合成孔径时间内，收集记录平台不同位置处携带相位信息的目标回波信号，用数据处理的方法实现方位向聚焦，获得方位向的高分辨率，理论上方位向分辨率ρ_a＝D_T/2(D_T为系统真实孔径长度)。 

根据雷达探测体制，激光合成孔径雷达包括正/斜侧视条带SAL、扫描SAL、聚束式SAL等，而扫描式和聚束式在成像过程中波束的视线方向需要调整，实现起来难度较大，因此本系统采用条带式。正侧视条带模式激光合成孔径激光雷达是指雷达沿直线作匀速运动，运动中发射光束的瞄准线(LOS)与雷达航 迹垂直，对平行于雷达运动方向的条带区域成像的激光合成孔径雷达。 

信号理论指出，大时宽与带宽的发射信号，必须使用复杂的调制波形。常用的有三种形式：线性调频、非线性调频和相位编码调制。由于线性调频信号(LFM信号，即啁啾信号)易于产生、便于处理、对多普勒频移不敏感，所以其应用最广。微波雷达已经有了成功的应用，同理，借鉴微波雷达，激光雷达也出现了一些新体制，包括线性调频连续波(LFMCW)激光雷达、伪随机码调相激光雷达以及啁啾信号调幅激光雷达等。LFM信号的产生有声光调制、电光调制、波长线性调谐(以下简称线性调谐)等方法。声光和电光调制由于体制及器件缘故，其调制带宽一般在几百MHz作用，难以实现更大带宽的调制；而采用线性调谐半导体激光器的波长线性调节方式可轻易地实现几十nm的调制，对应带宽为THz量级，理论分辨率可达亚毫米级甚至更小。故SAL系统首选线性调谐半导体激光器作为发射信号源。因为该激光器是通过调节波长来实现调频率，波长的线性变化，频率 (c是光速)，则频率必然不是线性变化，故激光发射脉冲存在较大的非线性调频误差，仅仿照传统微波SAR的系统及采用常规脉冲压缩方法取得的分辨率为米级，与理论值相差甚远，不能实现此体制下的高分辨率成像。因此必须利用特定的系统，结合有效的数据处理方法，才能使该体制的SAL实现高分辨率成像。 

无论系统采用何种形式的载波，无论采用何种调制方式，获得大带宽的信号是最终的目标，采用线性调谐半导体激光器可以取得的带宽最大，调谐范围可达几十～到几百nm，本专利只选择了1550～1560nm之间(对应带宽为1.24THz)进行线性调谐，目的是降低系统的采样率压力。目前市场已有多种型号的此类可调谐激光器，调谐速度有20nm/s，100nm/s，2000nm/s不等，本专利的系统中采用20nm/s的调谐速度。因此在增大采样率以满足成像距离要求的情况下， 此系统的带宽还可继续增大，对应距离分辨率会继续增大。本专利在于构建了特殊的成像系统，凭借特定的数据处理方法，解决了这种线性调谐方式的目标通道中存在的非线性调频相位误差，完成了距离向和方位向的二维聚焦，使得这种THz级大带宽激光脉冲得以实现高分辨率激光合成孔径雷达成像。 

发明内容