專利名稱：非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)及其聚束模式成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑激光成像雷達(dá)，特別是一種非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)及其聚束模式成像方法，本發(fā)明基于計(jì)算機(jī)層析的投影成像的原理，提供了三種工作模式即傳統(tǒng)的聚束模式，逆聚束模式和成像聚束模式，包括了兩種傳感成像方式即距離分辨成像和多普勒頻移成像，即能夠?qū)嵤┢矫婺繕?biāo)的二維成像也可以實(shí)施三維物體的距離分辯、三維或深度壓縮二維層析成像或深度壓縮的二維多普勒頻移成像，本發(fā)明大大降低了信號(hào)收集和數(shù)據(jù)處理的技術(shù)難度，提供了豐富的操作性，開闊了合成孔徑激光成像雷達(dá)的應(yīng)用范圍。

背景技術(shù)：
合成孔徑激光成像雷達(dá)(SAIL)的原理來(lái)自于微波合成孔徑雷達(dá)，是能夠在遠(yuǎn)距離獲得厘米量級(jí)分辨率的唯一的光學(xué)成像觀察手段參見(1)J.Ricklin，M.Dierking，S.Fuhrer，B.Schumm，and D.Tomlison.Synthetic aperture ladar for tacticalimaging，DARPA Strategic Technology Office.(2)M.Bashkansky，R.L.Lucke，F(xiàn).Funk，L.J.Rickard，and J.Reintjes.Two-dimensional synthetic aperture imaging in the opticaldomain，Optics Letters，27(22)，1983-1985(2002).(3)S.M.Beck，J.R.Buck，W.F.Buell，R.P.Dickinson，D.A.Kozlowski，N.J.Marechal，and T.J.Wright.Synthetic-apertureimaging ladarlaboratory demonstration and signal processing，Applied Optics，44(35)，7621～7629(2005).(4)周煜，許楠，欒竹，閆愛民，王利娟，孫建鋒，劉立人，尺度縮小合成孔徑激光雷達(dá)的二維成像實(shí)驗(yàn)，光學(xué)學(xué)報(bào)，29(7)，2030-2032(2009)。合成孔徑激光成像雷達(dá)在距離向的聚焦成像采用啁啾激光外差接收解斜方法，在方位向的聚焦成像采用孔徑合成的方法即空間二次項(xiàng)相位匹配濾波方法，因此合成孔徑激光成像雷達(dá)屬于空間一時(shí)間全相干處理，在信號(hào)的收集和處理的時(shí)間域參見(2)M.Bashkansky，R.L.Lucke，F(xiàn).Funk，L.J.Rickard，and J.Reintjes.Two-dimensionalsynthetic aperture imaging in the optical domain，Optics Letters，27(22)，1983-1985(2002).(5)R.L.Lucke，M.Bashkansky，J.Reintjes，and E.Funk，Synthetic aperture ladar(SAL)fundamental theory，design equations for a satellite system，and laboratorydemonstration[R]，Naval Research Laboratory Report NRL/FR/7218-02-10，051(2002)中和空間域參見(6)Liren Liu，Optical Antenna of Telescope for Synthetic ApertureLadar，Proc.SPIE，7094，7094F1～F13，(2008).(7)Liren Liu，Antenna Aperture andImaging Resolution of Synthetic Aperture Imaging Ladar，Proc.SPIE，7468B，74680R1-R13，(2009)中都提出了非常嚴(yán)格的要求，同時(shí)涉及光頻信號(hào)的振幅、偏振、頻率、時(shí)間相位和空間相位，實(shí)施上有很高的技術(shù)難度。
微波合成孔徑雷達(dá)是無(wú)線電頻率下的相干處理成像雷達(dá)，聚束模式是主要工作模式之一，聚束模式本質(zhì)上涉及激光雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。微波合成孔徑雷達(dá)聚束模式可以采用計(jì)算機(jī)層析成像的體系和算法進(jìn)行完整描述參見(8)C.V.Jakowatz，Jr.，D.E.Wahl，P.H.Eichel，D.C.Ghiglia，and P.A.Thompson，Spotlight-Mode Synthetic Aperture RadarA Signal Processing Appoach，BostonKluwerAcademic Publishers，1996，同樣在合成孔徑激光成像雷達(dá)中也存在聚束模式參見(9)劉立人，合成孔徑激光成像雷達(dá)(IV)統(tǒng)一工作模式和二維數(shù)據(jù)收集方程，光學(xué)學(xué)報(bào)，29(1)，1-6，2009。但是計(jì)算機(jī)層析方法在醫(yī)療成像的初始應(yīng)用中是采用X射線光強(qiáng)進(jìn)行非相干處理，不涉及射線的相位問(wèn)題。因此計(jì)算機(jī)層析方法也適用于非相干處理。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)及其聚束模式成像方法，本發(fā)明方法的原理是基于計(jì)算機(jī)層析的投影成像，提出了三種工作模式即傳統(tǒng)的聚束模式，逆聚束模式和成像聚束模式，包括了兩種傳感成像方式即距離分辨成像和多普勒頻移成像，能夠?qū)嵤┢矫婺繕?biāo)的二維成像也可以實(shí)施三維物體的距離分辯、三維或深度壓縮二維層析成像或深度壓縮的二維多普勒頻移成像，大大降低了信號(hào)收集和數(shù)據(jù)處理的技術(shù)難度，提供了豐富的操作性，開闊了合成孔徑激光成像雷達(dá)的應(yīng)用范圍。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 一種非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)，包括合成孔徑激光成像雷達(dá)、光學(xué)足跡和被測(cè)目標(biāo)的目標(biāo)平面，所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)主要由激光頭、光學(xué)掃描器和圖像處理器三部分組成，其特點(diǎn)在于所述的被測(cè)目標(biāo)與所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)必須具有側(cè)視觀察的相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的具體運(yùn)動(dòng)情況選擇所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)相應(yīng)的工作模式和激光頭結(jié)構(gòu)，所述的激光頭，包括激光發(fā)射機(jī)，光電接收機(jī)和光學(xué)天線，其作用是進(jìn)行被測(cè)目標(biāo)的距離分辨測(cè)量或者目標(biāo)的多普勒頻移分辨測(cè)量，獲得距離數(shù)據(jù)；所述的光學(xué)掃描器，用于對(duì)被測(cè)目標(biāo)的精密跟蹤；所述的圖像處理器用于從所獲得距離數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)圖像重構(gòu)。
一種非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的聚束模式成像的方法，特點(diǎn)在于其成像的方式包括二維目標(biāo)的距離分辨成像、二維目標(biāo)多普勒頻移分辨成像、三維目標(biāo)距離分辨成像或三維目標(biāo)的多普勒頻移二維壓縮成像，包括下列步驟 ①根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)選定成像的聚束模式和相應(yīng)的非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的激光頭結(jié)構(gòu)； ②采用非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)在與被測(cè)目標(biāo)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量和收集目標(biāo)回波的距離分辨信息或者多普勒頻移分辨信息； ③利用所述的圖像處理器，即計(jì)算機(jī)進(jìn)行被測(cè)目標(biāo)圖像重構(gòu)，主要的算法包括正交投影的坐標(biāo)變換預(yù)處理算法，或從獲取數(shù)據(jù)重構(gòu)目標(biāo)圖像的層析解調(diào)算法。
其中的激光頭可以采用四種具體結(jié)構(gòu)第一種結(jié)構(gòu)用于距離分辨，采用脈沖激光發(fā)射和回波光強(qiáng)度直接探測(cè)并且進(jìn)行目標(biāo)延時(shí)的時(shí)間測(cè)量實(shí)現(xiàn)距離分辨；第二種結(jié)構(gòu)也用于距離分辨，采用脈沖激光發(fā)射和回波的光學(xué)外差接收并且進(jìn)行目標(biāo)延時(shí)的時(shí)間測(cè)量實(shí)現(xiàn)距離分辨；第三種結(jié)構(gòu)也用于距離分辨，采用脈沖啁啾激光發(fā)射和回波光學(xué)外差接收并且進(jìn)行解斜解調(diào)實(shí)現(xiàn)距離分辨；第四種結(jié)構(gòu)用于多普勒頻移分辨，采用單頻連續(xù)激光發(fā)射和回波的光學(xué)外差接收并且進(jìn)行頻率解調(diào)實(shí)現(xiàn)多普勒頻移距離分辨。上述距離分辨用的三種結(jié)構(gòu)中，第一種結(jié)構(gòu)即脈沖激光發(fā)射和回波光強(qiáng)度直接探測(cè)方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，但是距離分辨率受激光脈沖寬度和光電系統(tǒng)的帶寬限制。第二種結(jié)構(gòu)即脈沖激光發(fā)射和回波的光學(xué)外差接收方式相對(duì)上述第一種結(jié)構(gòu)可以提高接收靈敏度，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，接收視場(chǎng)比較小。第三種結(jié)構(gòu)即脈沖啁啾激光發(fā)射和回波光學(xué)外差接收方式具有最高的距離分辨率和接收靈敏度，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)最復(fù)雜，接收視場(chǎng)比較小。應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的總體使用要求進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇激光頭的結(jié)構(gòu)。
光學(xué)足跡2是光學(xué)頭的激光照明光斑和接收視場(chǎng)共同作用的目標(biāo)面可成像面積。本發(fā)明的聚束模式非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的成像關(guān)鍵是激光雷達(dá)與目標(biāo)必須具有側(cè)視觀察的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，這種轉(zhuǎn)動(dòng)可以由激光成像雷達(dá)與目標(biāo)作相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，也可以由目標(biāo)本身的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生。因此，本發(fā)明的聚束模式非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)具有三種工作模式 (1)傳統(tǒng)聚束模式，即合成孔徑激光成像雷達(dá)作直線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中光學(xué)足跡恒定地指準(zhǔn)在被測(cè)目標(biāo)平面內(nèi)所關(guān)注的成像區(qū)域，這時(shí)在激光雷達(dá)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中該靜止目標(biāo)相對(duì)于激光雷達(dá)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
(2)逆聚束模式，被測(cè)目標(biāo)作直線運(yùn)動(dòng)而雷達(dá)作跟蹤，使得光學(xué)足跡恒定地指準(zhǔn)目標(biāo)，這時(shí)在目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中該靜止激光雷達(dá)相對(duì)于目標(biāo)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)。
(3)層析聚束模式，雷達(dá)與被測(cè)目標(biāo)相對(duì)不平動(dòng)，被測(cè)目標(biāo)在光學(xué)足趾中只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工作模式的選擇，應(yīng)當(dāng)視具體的總體應(yīng)用要求而制定。
為了分析說(shuō)明先定義坐標(biāo)系統(tǒng)光學(xué)足跡2的中心與雷達(dá)運(yùn)動(dòng)中心位置的連線稱為聚束中心線，聚束中心線與目標(biāo)平面3的交點(diǎn)定義為成像系統(tǒng)的坐標(biāo)原點(diǎn)，通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)并且垂直于聚束中心線的平面定義為主平面，通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)并且垂直于目標(biāo)平面與主平面交線的垂線稱為目標(biāo)面旋轉(zhuǎn)軸。定義目標(biāo)平面3與主平面的傾斜角為

目標(biāo)平面3環(huán)繞目標(biāo)面旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角為θ。目標(biāo)平面3上的坐標(biāo)系記作(x″，y″)，主平面的坐標(biāo)系記作(x，y)，在目標(biāo)面內(nèi)設(shè)定一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系(α，β)，其順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)γ角。目標(biāo)面原點(diǎn)與雷達(dá)運(yùn)動(dòng)中心位置的距離為Z，對(duì)于層析聚束模式θ角即為目標(biāo)自旋角，對(duì)于傳統(tǒng)聚束模式和逆聚束模式有
其中X為合成孔徑激光成像雷達(dá)或者目標(biāo)的移動(dòng)距離。
本發(fā)明的成像方法中均包含了兩部分實(shí)施過(guò)程，在第一過(guò)程中采用非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)在激光雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量和收集目標(biāo)回波的距離分辨信息或者多普勒頻移分辨信息，在第二過(guò)程中采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行目標(biāo)圖像重構(gòu)，主要的算法包括進(jìn)行正交投影的坐標(biāo)變換預(yù)處理算法和從獲取數(shù)據(jù)重構(gòu)目標(biāo)圖像的層析解調(diào)算法。
本發(fā)明的以下部分以成像的方式，即二維目標(biāo)的距離分辨成像，二維目標(biāo)多普勒頻移分辨成像，三維目標(biāo)距離分辨成像和三維目標(biāo)的多普勒頻移二維壓縮成像，來(lái)闡述本發(fā)明的原理和方法。
1.二維目標(biāo)的距離分辨成像 這時(shí)設(shè)定目標(biāo)為平面物體，可以采用上述的傳統(tǒng)聚束模式，逆聚束模式或者層析聚束模式。光學(xué)頭可以采用上述的第一種結(jié)構(gòu)即脈沖激光發(fā)射和回波光強(qiáng)度直接探測(cè)方式、第二種結(jié)構(gòu)即脈沖激光發(fā)射和回波光學(xué)外差接收或者第三種結(jié)構(gòu)即脈沖啁啾激光發(fā)射和回波光學(xué)外差接收方式。
在這些安排下，首先對(duì)于不同的非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角下進(jìn)行距離測(cè)量的距離數(shù)據(jù)收集，該距離定義為目標(biāo)面上目標(biāo)點(diǎn)所產(chǎn)生的相對(duì)于主平面的距離。事實(shí)上，在某一個(gè)θ角下的目標(biāo)面上一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)(x″，y″)所產(chǎn)生的相對(duì)于主平面的距離(z)應(yīng)當(dāng)為
對(duì)于非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)所獲得的一維距離數(shù)據(jù)，然后采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，即實(shí)現(xiàn)投影軸定位。設(shè)定相對(duì)于目標(biāo)面坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)后的新坐標(biāo)系統(tǒng)為(α，β)，對(duì)于激光雷達(dá)和目標(biāo)在θ采樣角下采用如下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角γ，即
這時(shí)投影距離等位線將平行于α軸，而目標(biāo)點(diǎn)(x″，y″)對(duì)于主平面的距離在β軸上的投影位置變?yōu)?
設(shè)目標(biāo)函數(shù)為p(x″，y″)，如前所述為光強(qiáng)或者場(chǎng)強(qiáng)振幅分布，則沿距離等位線α方向上的距離分辨的圖像函數(shù)在β軸上投影的積分為一維函數(shù)，應(yīng)當(dāng)為 pRR(β:γ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα。(5) 這是在不同采樣角下激光雷達(dá)數(shù)據(jù)收集和坐標(biāo)變換后產(chǎn)生的目標(biāo)的有關(guān)距離數(shù)據(jù)，所有采樣角下的一維距離數(shù)據(jù)集成為激光雷達(dá)的目標(biāo)二維距離收集數(shù)據(jù)。
下一步過(guò)程是從目標(biāo)回波的二維距離收集數(shù)據(jù)中重構(gòu)出目標(biāo)二維圖像，這時(shí)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像處理。計(jì)算機(jī)采用的最標(biāo)準(zhǔn)的層析解調(diào)方法是反向投影算法和雷登-傅立葉變換，其它方法還包括濾波反向投影算法，匹配濾波算法，Hough變換算法，等等。
反向投影算法進(jìn)行目標(biāo)像重構(gòu)的層析計(jì)算公式為 其中γi為第i次投影的等效坐標(biāo)系轉(zhuǎn)角，Δγ是兩次投影的角差，i是投影次數(shù)。公式表明從激光雷達(dá)獲得的二維數(shù)據(jù)PRR可以計(jì)算出目標(biāo)的二維圖像gB。
雷登-傅立葉變換方法基于投影-切片原理，即一個(gè)投影的傅立葉變換是該物體二維傅立葉變換的一個(gè)切片。因此對(duì)于目標(biāo)作二維傅立葉變換，有
對(duì)于投影作一維傅立葉變換
則根據(jù)投影-切片理論，即有 F(fxcosγ，fysinγ)＝P(fβ:γ))。
(7c) 因此不同角度測(cè)量的投影所產(chǎn)生的傅立葉變換是通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)上不同直線上的數(shù)值分布。所以一系列的投影將產(chǎn)生圖像的近似二維傅立葉變換，重構(gòu)像可以進(jìn)一步采用逆傅立葉變換產(chǎn)生，其中有可能還需要采取插值或和極坐標(biāo)-直角坐標(biāo)變換處理。
為了降低反向投影算法在重建中的條紋效應(yīng)，提供較好的圖像質(zhì)量，也可以使用濾波反向投影算法，即在反向投影之前先采用適當(dāng)?shù)念A(yù)修正。
上述幾種重構(gòu)算法所得到的像可以進(jìn)一步采用閾值處理等等的圖像處理方法。
2.二維目標(biāo)多普勒頻移分辨成像 這時(shí)設(shè)定目標(biāo)為平面物體并且具有自轉(zhuǎn)，非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)采用層析聚束模式。光學(xué)頭可以采用上述的第四種結(jié)構(gòu)即采用單頻連續(xù)激光發(fā)射和回波的光學(xué)外差接收并且進(jìn)行頻率解調(diào)。假定目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角速度為ω。
在這些安排下，首先對(duì)于不同的非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角下進(jìn)行多普勒頻移測(cè)量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的多普勒頻移數(shù)據(jù)收集，該多普勒頻移定義為目標(biāo)面上目標(biāo)點(diǎn)所產(chǎn)生的相對(duì)于激光雷達(dá)的多普勒頻移。事實(shí)上，在某一個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角(θ)下的目標(biāo)面上一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)(x″，y″)所產(chǎn)生的合成孔徑激光成像雷達(dá)觀察方向上的激光光頻的多普勒頻移應(yīng)當(dāng)為
對(duì)于非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)所獲得的一維多普勒頻移數(shù)據(jù)，然后采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，即實(shí)現(xiàn)投影軸定位。設(shè)定相對(duì)于目標(biāo)面坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)后的新坐標(biāo)系統(tǒng)為(α，β)，對(duì)于激光雷達(dá)和目標(biāo)在θ采樣角下采用如下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角γ，即
這時(shí)投影多普勒頻移等位線將平行于α軸，而目標(biāo)點(diǎn)(x″，y″)對(duì)于主平面的多普勒頻移在β軸上的投影位置應(yīng)當(dāng)變?yōu)?
設(shè)目標(biāo)函數(shù)為p(x″，y″)為場(chǎng)強(qiáng)振幅分布。則沿多普勒頻移等位線α方向上的多普勒分辨的圖像函數(shù)在β軸上投影的積分應(yīng)當(dāng)為一維函數(shù) pDS(β:γ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα。
(11) 這是在不同采樣角下激光雷達(dá)數(shù)據(jù)收集和坐標(biāo)變換后產(chǎn)生的目標(biāo)的多普勒頻移有關(guān)數(shù)據(jù)，所有采樣角下的一維多普勒頻移數(shù)據(jù)集成為激光雷達(dá)的目標(biāo)多普勒頻移二維收集數(shù)據(jù)。
下一步過(guò)程是從目標(biāo)回波的二維多普勒頻移收集數(shù)據(jù)中重構(gòu)出與多普勒頻移有關(guān)的目標(biāo)二維圖像，這時(shí)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像處理。
使用反向投影算法，目標(biāo)多普勒頻移像的計(jì)算公式為 其中γi為第i次投影的等效坐標(biāo)系轉(zhuǎn)角，Δγ是兩次投影的角差，i是投影次數(shù)。公式表明從激光雷達(dá)獲得的二維多普勒頻移數(shù)據(jù)PDS可以計(jì)算出目標(biāo)的二維多普勒頻移圖像gB。
同樣，解調(diào)也可以采用濾波反向投影，雷登-傅立葉變換，匹配濾波算法，Hough變換，等等其它算法。重構(gòu)算法所得到的像也可以進(jìn)一步采用閾值處理等等的圖像處理方法。
3.三維目標(biāo)距離分辨成像 三維目標(biāo)成像的基本原理是基于上述的距離分辯的二維成像，可以把三維物體沿聚束中心軸并且平行目標(biāo)面(x″，y″)作多剖面分解，然后同時(shí)對(duì)于各個(gè)剖面作非相干處理的距離分辯聚束模式成像，最后再合成出三維圖像。
這時(shí)設(shè)定目標(biāo)為三維物體，可以采用傳統(tǒng)聚束模式，逆聚束模式或者層析聚束模式。光學(xué)頭可以采用第一種結(jié)構(gòu)即脈沖激光發(fā)射和回波光強(qiáng)度直接探測(cè)方式，第二種結(jié)構(gòu)即脈沖激光發(fā)射和回波光學(xué)外差接收或者第三種結(jié)構(gòu)即脈沖啁啾激光發(fā)射和回波光學(xué)外差接收方式。
采用上述的二維目標(biāo)的距離分辨成像過(guò)程中的距離數(shù)據(jù)和坐標(biāo)變換方法，可以得到第n個(gè)距離剖面的θ(γ)角的目標(biāo)距離在β(n)軸上的投影應(yīng)當(dāng)為 pRR(β(n):γ)＝∫gn(α(n)cosγ+β(n)sinγ，-α(n)sinγ+β(n)cosγ)dα(n)。(13) 采用計(jì)算機(jī)使用反向投影算法采用如下計(jì)算公式可以得到第n個(gè)距離剖面的目標(biāo)像為 同樣也可以采用濾波反向投影，雷登-傅立葉變換等等算法，以及閾值等圖像處理算法。
得到了所有的距離剖面的目標(biāo)二維像，則可以采用計(jì)算機(jī)層析合成出物體三維像gBRR，計(jì)算公式如下 其中ΔZ″為沿中心軸的距離剖面結(jié)構(gòu)。
事實(shí)上為了得到三維成像，其距離剖面的間隔必須足夠小。如物體在y″方向?qū)挾葹長(zhǎng)y，則為了保證距離剖面的投影的積分在距離(時(shí)間)上不重疊，要求距離間隔滿足條件
如果三維成像所用的距離剖面的間隔遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到上述條件，將產(chǎn)生三維目標(biāo)在深度方向壓縮的距離分辯的二維像，具體操作時(shí)則不需進(jìn)行分層收集收集。
4.三維目標(biāo)的多普勒頻移二維壓縮成像 這時(shí)設(shè)定目標(biāo)為三維物體并且具有自轉(zhuǎn)，非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)采用層析聚束模式。光學(xué)頭可以采用上述的第四種結(jié)構(gòu)即采用單頻連續(xù)激光發(fā)射和回波的光學(xué)外差接收并且進(jìn)行頻率解調(diào)。假定目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角速度為ω。
由于是三維目標(biāo)，原理上可以把三維物體沿聚束中心軸并且平行目標(biāo)面(x″，y″)作多剖面分解，然后同時(shí)對(duì)于各個(gè)剖面作非相干處理的多普勒頻移分辯的層析聚束模式成像，最后再合成出目標(biāo)的三維多普勒頻移有關(guān)的圖像。但是可以證明在兩個(gè)剖面之間的多普勒頻移間隔近似為零，因此所有剖面的多普勒目標(biāo)像不可能在剖面方向上分辯出，所以僅可能求得在深度方向上壓縮的三維目標(biāo)的多普勒頻移二維像。
因此采用二維目標(biāo)多普勒頻移分辨成像中的同樣方法和算法對(duì)于三維目標(biāo)可以得到在深度方向上壓縮的多普勒頻移二維像。
首先對(duì)于不同的非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角下進(jìn)行多普勒頻移測(cè)量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的多普勒頻移數(shù)據(jù)收集，該多普勒頻移定義為目標(biāo)面上目標(biāo)點(diǎn)所產(chǎn)生的相對(duì)于激光雷達(dá)的多普勒頻移。事實(shí)上，在某一個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角(θ)下的目標(biāo)基底面上一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)(x″，y″)所產(chǎn)生的合成孔徑激光成像雷達(dá)觀察方向上的激光光頻的多普勒頻移應(yīng)當(dāng)為
對(duì)于非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)所獲得的一維多普勒頻移數(shù)據(jù)，然后采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，即實(shí)現(xiàn)投影軸定位。設(shè)定相對(duì)于目標(biāo)基底面坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)后的新坐標(biāo)系統(tǒng)為(α，β)，對(duì)于激光雷達(dá)和目標(biāo)在θ采樣角下采用如下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角γ，即
這時(shí)投影多普勒頻移等位線將平行于α軸，而目標(biāo)點(diǎn)(x″，y″)對(duì)于主平面的多普勒頻移在β軸上的投影位置應(yīng)當(dāng)變?yōu)?
設(shè)以基底為參考的目標(biāo)函數(shù)為p(x″，y″)場(chǎng)強(qiáng)振幅分布。則沿多普勒頻移等位線α方向上的多普勒分辨的圖像函數(shù)在β軸上投影的積分應(yīng)當(dāng)為一維函數(shù) pDS(β:γ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα。(20) 這是在不同采樣角下激光雷達(dá)數(shù)據(jù)收集和坐標(biāo)變換后產(chǎn)生的目標(biāo)的多普勒頻移有關(guān)數(shù)據(jù)，所有采樣角下的一維多普勒頻移數(shù)據(jù)集成為激光雷達(dá)的目標(biāo)多普勒頻移二維收集數(shù)據(jù)。
下一步過(guò)程是從目標(biāo)回波的二維多普勒頻移收集數(shù)據(jù)中重構(gòu)出與多普勒頻移有關(guān)的目標(biāo)的深度壓縮二維多普勒頻移圖像，這時(shí)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像處理。
使用反向投影算法，目標(biāo)多普勒頻移像的計(jì)算公式為 其中γi為第i次投影的等效坐標(biāo)系轉(zhuǎn)角，Δγ是兩次投影的角差，i是投影次數(shù)。公式表明從激光雷達(dá)獲得的二維多普勒頻移數(shù)據(jù)PDS可以計(jì)算出目標(biāo)的深度方向壓縮二維多普勒頻移圖像gB。
同樣，解調(diào)也可以采用濾波反向投影，雷登-傅立葉變換，匹配濾波算法，Hough變換，等等其它算法。重構(gòu)算法所得到的像也可以進(jìn)一步采用閾值處理等等的圖像處理方法。
距離分辯成像的成像分辨率 激光測(cè)距采用脈沖激光發(fā)射和強(qiáng)度直接探測(cè)方式時(shí)，激光脈沖寬度為Δτ，考慮到觸發(fā)光脈沖誤差則距離分辯全寬度為Δz＝cΔτ。采用啁啾激光發(fā)射和外差解斜解調(diào)方式時(shí)，啁啾帶寬為B，則距離分辯全寬度為
由此，測(cè)距誤差產(chǎn)生的投影成像全寬度Δβ(θ)為
假定共有I個(gè)反投影成像，I個(gè)光強(qiáng)或振幅疊加的直徑即成為成像點(diǎn)最大值的直徑，即取I閾值后的像點(diǎn)直徑為
多普勒頻移分辯成像的成像分辨率 假定多普勒頻移的測(cè)量精度為

投影誤差全寬度Δβ(θ)即為
因此成像點(diǎn)最大值的直徑為 dI＝Δβ(θ＝0)＝ΔF。(23) 本發(fā)明的技術(shù)效果 1、本發(fā)明基于層析結(jié)構(gòu)體系和算法，提出了合成孔徑激光成像雷達(dá)的非相干處理的聚束模式，采用距離分辨或者多普勒頻移分辨的目標(biāo)側(cè)視投影的光強(qiáng)或者光場(chǎng)振幅信號(hào)的時(shí)間積分進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，再通過(guò)反向投影或雷登-傅立葉變換等等計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)成像重構(gòu)。
2、本發(fā)明有如下的明顯特點(diǎn)由于采用非相干處理，不需要考慮光頻的時(shí)間和空間相位特性，因此大大降低了實(shí)施技術(shù)難度，具有重要應(yīng)用價(jià)值。
3、本發(fā)明非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)提供了三種可能的工作模式，即傳統(tǒng)的聚束模式，逆聚束模式和成像聚束模式；包含了兩種傳感成像方式，即距離分辨成像和多普勒頻移成像；可以實(shí)施平面目標(biāo)的二維成像，也可以進(jìn)行三維物體的距離分辯三維和二維層析成像或者多普勒頻移分辯的深度方向壓縮的二維成像，應(yīng)當(dāng)注意對(duì)于一個(gè)三維目標(biāo)產(chǎn)生深度壓縮的二維距離分辯或二維多普勒頻移像是一個(gè)全新的概念。
4、本發(fā)明具有豐富的操作性，開闊了合成孔徑激光成像雷達(dá)的應(yīng)用范圍。應(yīng)當(dāng)注意，反射層析激光成像雷達(dá)也采用計(jì)算層析概念和算法參見(10)R.M.Marino，R.N.Capes，W.E.Keicher，S.R.Kulkarni，J.K.Parker，L.W.Swezey，J.R.Senning，M.F.Reiley and E.B.Craig，Tomographic image reconstruction from laser ladar reflectiveprojections，Proc.SPIE，999，248-268(1989)；(11)C.L.Matson and D.E.Mosley，Reflective tomography reconstruction of satellite features-field results，Applied Optics，40(14)，2290～2296(2001)，但是對(duì)被測(cè)物體的橫截面觀察得到的是物體的表面輪廓像，本發(fā)明是對(duì)于目標(biāo)的側(cè)視觀察得到的是目標(biāo)的平面像，因此成像方式根本不同。



圖1是本發(fā)明非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的原理圖。

具體實(shí)施例方式 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的原理圖。由圖可見，本發(fā)明非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)，包括合成孔徑激光成像雷達(dá)1、光學(xué)足跡2和被測(cè)目標(biāo)的目標(biāo)平面3，所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)1主要由激光頭、光學(xué)掃描器和圖像處理器三部分組成，其特征在于所述的被測(cè)目標(biāo)與所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)1必須具有側(cè)視觀察的相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的具體運(yùn)動(dòng)情況選擇所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)1相應(yīng)的工作模式和激光頭結(jié)構(gòu)，所述的激光頭，包括激光發(fā)射機(jī)，光電接收機(jī)和光學(xué)天線，其作用是進(jìn)行被測(cè)目標(biāo)的距離分辨測(cè)量或者目標(biāo)的多普勒頻移分辨測(cè)量，獲得距離數(shù)據(jù)；所述的光學(xué)掃描器，用于對(duì)被測(cè)目標(biāo)的精密跟蹤；所述的圖像處理器用于從所獲得距離數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)圖像重構(gòu)。
本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例是一種機(jī)載或者地面站非相干處理距離分辯逆聚束模式合成孔徑激光成像雷達(dá)，用于對(duì)低軌衛(wèi)星進(jìn)行高分辯觀察，要求作用距離約1000km，理論成像分辨率(直徑)～0.2m。
由于低軌衛(wèi)星為運(yùn)動(dòng)物體，本具體實(shí)施例采用逆聚束模式，即被測(cè)目標(biāo)作直線運(yùn)動(dòng)而激光雷達(dá)作光學(xué)精密跟蹤使得光學(xué)足跡恒定地指準(zhǔn)目標(biāo)。
本發(fā)明非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的總體技術(shù)方案設(shè)計(jì)為激光波長(zhǎng)λ＝1.55um，發(fā)射激光脈沖寬度0.5ns，接收處理電子學(xué)帶寬2GHz，發(fā)射光學(xué)天線口徑50mm×50mm，衍射極限設(shè)計(jì)即得到目標(biāo)照明寬度為62m×62m，其遠(yuǎn)大于衛(wèi)星尺寸，接收光學(xué)主鏡口徑為1m×1m，焦距f＝10m，接收視場(chǎng)光欄0.62mm×0.62mm。
本非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的用于距離分辨成像的技術(shù)設(shè)計(jì)為衛(wèi)星目標(biāo)傾斜角45°，目標(biāo)光學(xué)跟蹤總角度30°，跟蹤角間隔平均為0.25°，采樣數(shù)120，激光脈沖重復(fù)頻率約2pps。在這些設(shè)計(jì)下，因此理論上成像分辨率直徑

達(dá)到0.21m。
數(shù)據(jù)收集和圖像處理的原理和方法如下 首先采用激光雷達(dá)在目標(biāo)跟蹤狀態(tài)下進(jìn)行不同角度(θ)的目標(biāo)距離數(shù)據(jù)采集。其中目標(biāo)面上一點(diǎn)(x″，y″)所產(chǎn)生的相對(duì)于主平面的距離，事實(shí)上應(yīng)當(dāng)為
對(duì)于每一個(gè)跟蹤角度(θ)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)系(α，β)的角度變換
使得距離分辨數(shù)據(jù)投影到β軸上，即目標(biāo)面點(diǎn)(x″，y″)在的β軸上的投影位置事實(shí)上應(yīng)當(dāng)為
目標(biāo)的光強(qiáng)函數(shù)為p(x″，y″)，則沿距離等位線α方向上的距離分辨的圖像函數(shù)在β軸上投影的積分為一維函數(shù)，應(yīng)當(dāng)為 pRR(β:γ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα。
這是收集信號(hào)和坐標(biāo)變換數(shù)據(jù)的理想值，實(shí)際值為p′RR(β:γ)。
采用反向投影算法進(jìn)行層析解調(diào)，目標(biāo)像的層析計(jì)算公式為 在上述考慮中，由于跟蹤角間隔平均為Δθ＝0.25°，因此坐標(biāo)變換角間隔平均為Δγ＝0.35°。
權(quán)利要求
1.一種非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)，包括合成孔徑激光成像雷達(dá)(1)、光學(xué)足跡(2)和被測(cè)目標(biāo)的目標(biāo)平面(3)，所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)(1)主要由激光頭、光學(xué)掃描器和圖像處理器三部分組成，其特征在于所述的被測(cè)目標(biāo)與所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)(1)必須具有側(cè)視觀察的相對(duì)的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，并根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的具體運(yùn)動(dòng)情況選擇所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)(1)相應(yīng)的工作模式和激光頭結(jié)構(gòu)，所述的激光頭，包括激光發(fā)射機(jī)，光電接收機(jī)和光學(xué)天線，其作用是進(jìn)行被測(cè)目標(biāo)的距離分辨測(cè)量或者目標(biāo)的多普勒頻移分辨測(cè)量，獲得距離數(shù)據(jù)；所述的光學(xué)掃描器，用于對(duì)被測(cè)目標(biāo)的精密跟蹤；所述的圖像處理器用于從所獲得距離數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)圖像重構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚束模式非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)，其特征在于所述的激光頭具有四種具體結(jié)構(gòu)第一種結(jié)構(gòu)用于距離分辨，采用脈沖激光發(fā)射和回波光強(qiáng)度直接探測(cè)并且進(jìn)行目標(biāo)延時(shí)的時(shí)間測(cè)量實(shí)現(xiàn)距離分辨的激光頭；第二種結(jié)構(gòu)用于距離分辨，采用脈沖激光發(fā)射和回波的光學(xué)外差接收并且進(jìn)行目標(biāo)延時(shí)的時(shí)間測(cè)量實(shí)現(xiàn)距離分辨激光頭；第三種結(jié)構(gòu)用于距離分辨，采用脈沖啁啾激光發(fā)射和回波光學(xué)外差接收并且進(jìn)行解斜解調(diào)實(shí)現(xiàn)距離分辨激光頭；第四種結(jié)構(gòu)用于多普勒頻移分辨，采用單頻連續(xù)激光發(fā)射和回波的光學(xué)外差接收并且進(jìn)行頻率解調(diào)實(shí)現(xiàn)多普勒頻移距離分辨激光頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聚束模式非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)，其特征在于所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)(1)分為三種工作模式
1)傳統(tǒng)聚束模式，即合成孔徑激光成像雷達(dá)作直線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中光學(xué)足跡恒定地指準(zhǔn)在被測(cè)目標(biāo)平面內(nèi)所關(guān)注的成像區(qū)域，這時(shí)在合成孔徑激光成像雷達(dá)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中該靜止目標(biāo)相對(duì)于合成孔徑激光成像雷達(dá)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)；
2)逆聚束模式，被測(cè)目標(biāo)作直線運(yùn)動(dòng)而雷達(dá)作跟蹤，使得光學(xué)足跡恒定地指準(zhǔn)被測(cè)目標(biāo)，這時(shí)在被測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中該靜止合成孔徑激光成像雷達(dá)相對(duì)于被測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)；
3)層析聚束模式，合成孔徑激光成像雷達(dá)與被測(cè)目標(biāo)相對(duì)靜止，被測(cè)目標(biāo)在光學(xué)足趾中只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
4.一種非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的聚束模式成像的方法，特征在于其成像的方式包括二維目標(biāo)的距離分辨成像、二維目標(biāo)多普勒頻移分辨成像、三維目標(biāo)距離分辨成像或三維目標(biāo)的多普勒頻移二維壓縮成像，包括下列步驟
①根據(jù)被測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)選定成像的聚束模式和相應(yīng)的非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的激光頭結(jié)構(gòu)；
②采用非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)在與被測(cè)目標(biāo)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)量和收集目標(biāo)回波的距離分辨信息或者多普勒頻移分辨信息；
③利用所述的圖像處理器，即計(jì)算機(jī)進(jìn)行被測(cè)目標(biāo)圖像重構(gòu)，主要的算法包括正交投影的坐標(biāo)變換預(yù)處理算法，或從獲取數(shù)據(jù)重構(gòu)目標(biāo)圖像的層析解調(diào)算法。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聚束模式成像的方法，其特征在于所述的成像的方式為二維被測(cè)目標(biāo)的距離分辨成像，具體步驟如下
①被測(cè)目標(biāo)為平面物體，采用所述的傳統(tǒng)聚束模式、逆聚束模式或者層析聚束模式，所述的激光頭采用所述的第一種結(jié)構(gòu)即脈沖激光發(fā)射和回波光強(qiáng)度直接探測(cè)方式、第二種結(jié)構(gòu)即脈沖激光發(fā)射和回波光學(xué)外差接收、或者第三種結(jié)構(gòu)即脈沖啁啾激光發(fā)射和回波光學(xué)外差接收方式；
②對(duì)于不同的非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)與被測(cè)目標(biāo)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角下進(jìn)行距離測(cè)量的距離數(shù)據(jù)收集，該距離定義為目標(biāo)面上目標(biāo)點(diǎn)所產(chǎn)生的相對(duì)于主平面的距離。事實(shí)上，在某一個(gè)θ角下的目標(biāo)面上一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)(x″，y″)所產(chǎn)生的相對(duì)于主平面的距離(z)應(yīng)當(dāng)為
對(duì)于非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)所獲得的一維距離數(shù)據(jù)，然后采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，即實(shí)現(xiàn)投影軸定位設(shè)定相對(duì)于目標(biāo)面坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)后的新坐標(biāo)系統(tǒng)為(α，β)，對(duì)于非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)和被測(cè)目標(biāo)在θ采樣角下采用如下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角γ，即
這時(shí)投影距離等位線將平行于α軸，而目標(biāo)點(diǎn)(x″，y″)對(duì)于主平面的距離在β軸上的投影位置變?yōu)?br> 設(shè)目標(biāo)函數(shù)為p(x″，y″)為光強(qiáng)或者場(chǎng)強(qiáng)振幅分布，則沿距離等位線α方向上的距離分辨的圖像函數(shù)在β軸上投影的積分為一維函數(shù)為
pRR(βγ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα
這是在不同采樣角下非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)數(shù)據(jù)收集和坐標(biāo)變換后產(chǎn)生的目標(biāo)的有關(guān)距離數(shù)據(jù)，所有采樣角下的一維距離數(shù)據(jù)集成為非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的被測(cè)目標(biāo)二維距離收集數(shù)據(jù)；
③從被測(cè)目標(biāo)回波的二維距離收集數(shù)據(jù)中重構(gòu)出目標(biāo)二維圖像，這時(shí)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像處理計(jì)算機(jī)采用最標(biāo)準(zhǔn)的層析解調(diào)方法是反向投影算法或雷登-傅立葉變換方法，所述的反向投影算法進(jìn)行目標(biāo)像重構(gòu)的層析計(jì)算公式為
其中γi為第i次投影的等效坐標(biāo)系轉(zhuǎn)角，Δγ是兩次投影的角差，i是投影次數(shù)，公式表明從非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)獲得的二維數(shù)據(jù)PRR可以計(jì)算出目標(biāo)的二維圖像gB；
所述的雷登-傅立葉變換方法基于投影-切片原理，即一個(gè)投影的傅立葉變換是該物體二維傅立葉變換的一個(gè)切片，因此對(duì)于被測(cè)目標(biāo)作二維傅立葉變換，有
對(duì)于投影作一維傅立葉變換
則根據(jù)投影-切片理論，即有F(fxcosγ，fysinγ)＝P(fβγ))，
一系列的投影將產(chǎn)生圖像的近似二維傅立葉變換，重構(gòu)像可以進(jìn)一步采用逆傅立葉變換產(chǎn)生，其中必要時(shí)還需要采取插值或和極坐標(biāo)-直角坐標(biāo)變換處理。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聚束模式成像的方法，其特征在于所述的成像的方式為二維目標(biāo)多普勒頻移分辨成像，具體步驟如下
①被測(cè)目標(biāo)為平面物體并具有自轉(zhuǎn)，非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)采用層析聚束模式，激光頭采用上述的第四種結(jié)構(gòu)即采用單頻連續(xù)激光發(fā)射和回波的光學(xué)外差接收并且進(jìn)行頻率解調(diào)，假定目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角速度為ω；
②對(duì)于不同的非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)與被測(cè)目標(biāo)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角下進(jìn)行多普勒頻移測(cè)量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的多普勒頻移數(shù)據(jù)收集，該多普勒頻移定義為目標(biāo)面上目標(biāo)點(diǎn)所產(chǎn)生的相對(duì)于非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的多普勒頻移，事實(shí)上，在某一個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角(θ)下的目標(biāo)面上一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)(x″，y″)所產(chǎn)生的合成孔徑激光成像雷達(dá)觀察方向上的激光光頻的多普勒頻移應(yīng)當(dāng)為
對(duì)于非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)所獲得的一維多普勒頻移數(shù)據(jù)，然后采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，即實(shí)現(xiàn)投影軸定位，設(shè)定相對(duì)于目標(biāo)面坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)后的新坐標(biāo)系統(tǒng)為(α，β)，對(duì)于激光雷達(dá)和目標(biāo)在θ采樣角下采用如下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角γ，即
這時(shí)投影多普勒頻移等位線將平行于α軸，而目標(biāo)點(diǎn)(x″，y″)對(duì)于主平面的多普勒頻移在β軸上的投影位置為
設(shè)目標(biāo)函數(shù)為p(x″，y″)為場(chǎng)強(qiáng)振幅分布，則沿多普勒頻移等位線α方向上的多普勒分辨的圖像函數(shù)在β軸上投影的積分為一維函數(shù)
pDS(βγ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα
這是在不同采樣角下非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)數(shù)據(jù)收集和坐標(biāo)變換后產(chǎn)生的目標(biāo)的多普勒頻移有關(guān)數(shù)據(jù)，所有采樣角下的一維多普勒頻移數(shù)據(jù)集成為非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的被測(cè)目標(biāo)多普勒頻移二維收集數(shù)據(jù)；
③從所述的被測(cè)目標(biāo)回波的二維多普勒頻移收集數(shù)據(jù)中重構(gòu)出與多普勒頻移有關(guān)的目標(biāo)二維圖像，這時(shí)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像處理，數(shù)據(jù)和圖像處理方法采用反向投影算法，目標(biāo)多普勒頻移圖像的計(jì)算公式為
其中γi為第i次投影的等效坐標(biāo)系轉(zhuǎn)角，Δγ是兩次投影的角差，i是投影次數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的聚束模式成像的方法，其特征在于所述的計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像處理方法還有濾波反向投影方法，雷登-傅立葉變換，匹配濾波算法，或Hough變換方法。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聚束模式成像的方法，其特征在于所述的成像的方式為三維目標(biāo)距離分辨成像，具體步驟如下
①被測(cè)目標(biāo)為三維物體，采用傳統(tǒng)聚束模式，逆聚束模式或者層析聚束模式，所述的激光頭采用第一種結(jié)構(gòu)即脈沖激光發(fā)射和回波光強(qiáng)度直接探測(cè)方式，第二種結(jié)構(gòu)即脈沖激光發(fā)射和回波光學(xué)外差接收，或者第三種結(jié)構(gòu)即脈沖啁啾激光發(fā)射和回波光學(xué)外差接收方式；
②采用所述的二維目標(biāo)的距離分辨成像過(guò)程中的距離數(shù)據(jù)和坐標(biāo)變換方法，得到第n個(gè)距離剖面的θ(γ)角的目標(biāo)距離在β(n)軸上的投影為
pRR(β(n)γ)＝∫gn(α(n)cosγ+β(n)sinγ，-α(n)sinγ+β(n)cosγ)dα(n)，但為了得到三維成像，其距離剖面的間隔必須滿足下列條件
即物體在y″方向?qū)挾葹長(zhǎng)y，以保證距離剖面的投影的積分在距離(時(shí)間)上不重疊
③采用計(jì)算機(jī)使用反向投影算法采用如下計(jì)算公式可以得到第n個(gè)距離剖面的目標(biāo)像為
④得到了所有的距離剖面的目標(biāo)二維像，采用計(jì)算機(jī)層析合成出物體三維像gBRR，計(jì)算公式如下
其中ΔZ″為沿中心軸的距離剖面結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的聚束模式成像的方法，其特征在于所述的成像的方式為三維目標(biāo)的多普勒頻移二維壓縮成像，具體步驟如下
①設(shè)定被測(cè)目標(biāo)為三維物體并且具有自轉(zhuǎn)，非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)采用層析聚束模式，激光頭采用第四種結(jié)構(gòu)即采用單頻連續(xù)激光發(fā)射和回波的光學(xué)外差接收并且進(jìn)行頻率解調(diào)，假定被測(cè)目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)角速度為ω；
②對(duì)于不同的非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)與被測(cè)目標(biāo)的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角下進(jìn)行多普勒頻移測(cè)量，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的多普勒頻移數(shù)據(jù)收集，該多普勒頻移定義為目標(biāo)面上目標(biāo)點(diǎn)所產(chǎn)生的相對(duì)于激光雷達(dá)的多普勒頻移，在某一個(gè)目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角(θ)下的目標(biāo)基底面上一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)(x″，y″)所產(chǎn)生的合成孔徑激光成像雷達(dá)觀察方向上的激光光頻的多普勒頻移為
對(duì)于非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)所獲得的一維多普勒頻移數(shù)據(jù)，然后采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的變換，即實(shí)現(xiàn)投影軸定位相對(duì)于目標(biāo)基底面坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)后的新坐標(biāo)系統(tǒng)為(α，β)，對(duì)于激光雷達(dá)和目標(biāo)在θ采樣角下采用如下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角γ，即
這時(shí)投影多普勒頻移等位線將平行于α軸，而目標(biāo)點(diǎn)(x″，y″)對(duì)于主平面的多普勒頻移在β軸上的投影位置應(yīng)當(dāng)變?yōu)?br> 設(shè)以基底為參考的目標(biāo)函數(shù)為p(x″，y″)場(chǎng)強(qiáng)振幅分布，則沿多普勒頻移等位線α方向上的多普勒分辨的圖像函數(shù)在β軸上投影的積分為一維函數(shù)
pDS(βγ)＝∫p(αcosγ+βsinγ，-αsinγ+βcosγ)dα
這是在不同采樣角下非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)數(shù)據(jù)收集和坐標(biāo)變換后產(chǎn)生的目標(biāo)的多普勒頻移有關(guān)數(shù)據(jù)，所有采樣角下的一維多普勒頻移數(shù)據(jù)集成為激光雷達(dá)的目標(biāo)多普勒頻移二維收集數(shù)據(jù)；
③從被測(cè)目標(biāo)回波的二維多普勒頻移收集數(shù)據(jù)中重構(gòu)出與多普勒頻移有關(guān)的目標(biāo)的深度壓縮二維多普勒頻移圖像，這時(shí)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖像解調(diào)處理，數(shù)據(jù)和圖像解調(diào)處理采用反向投影算法，目標(biāo)多普勒頻移像的計(jì)算公式為
其中γi為第i次投影的等效坐標(biāo)系轉(zhuǎn)角，Δγ是兩次投影的角差，i是投影次數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的聚束模式成像的方法，其特征在于所述的解調(diào)方法還有濾波反向投影，雷登-傅立葉變換，匹配濾波算法，Hough變換算法。
全文摘要
一種非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)及其聚束模式成像方法，非相干合成孔徑激光成像雷達(dá)的構(gòu)成依次是合成孔徑激光成像雷達(dá)，光學(xué)足跡和目標(biāo)平面。合成孔徑激光成像雷達(dá)主要由激光頭、光學(xué)掃描器和圖像處理器三部分組成，本發(fā)明方法的原理是基于計(jì)算機(jī)層析的投影成像原理，提供了三種工作模式即傳統(tǒng)的聚束模式，逆聚束模式和成像聚束模式，和兩種傳感成像方式即距離分辨成像和多普勒頻移成像，本發(fā)明大大降低了信號(hào)收集和數(shù)據(jù)處理的技術(shù)難度，提供了豐富的操作性，開闊了合成孔徑激光成像雷達(dá)的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)G01S13/90GK101694525SQ20091019747
公開日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月21日
發(fā)明者劉立人 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所