[发明专利]一种基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法

说明书

技术领域

本发明属于相干体制激光雷达技术领域，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(Synthetic Aperture 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。

背景技术

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，在超高分辨率观测技术领域有广阔的发展前景。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，Synthetic Aperture 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(μs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5-10cm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1m，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。

发明内容

(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，本发明的目的是提供一种基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明提出了一种基于相干体制激光雷达波形的信号处理方法，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；