[发明专利]激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器

摘要

本发明公开的激光成像雷达目标回波信号模拟方法及模拟器，属于光电信息技术领域。本发明激光脉冲接收装装置把同步激光脉冲转换为同步信号和初始激光脉冲；根据目标轨迹数据生成控制指令，在同步信号触发下生成一系列延时差值相同的步进延时信号，分别代表一系列等延时面；激光脉冲延时空间重构装置把步进延时信号在空间上分配到各自的等延时平面上，形成空间二维延时信号阵列；投影光学系统把二维延时信号投影到被试激光雷达接收镜头的入瞳处，实现回波信号模拟。本发明能够解决现有目标回波信号模拟技术方案中不同工作波长不能通用、光学回波通道数量少、距离分辨率差、存在不定延时等问题，主要应用于激光成像雷达制导武器半实物仿真系统。

主权项

1.激光成像雷达目标回波信号模拟方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤一：建立激光雷达探测场景的数字三维模型，生成激光回波信号延时矩阵；以视点和激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点形成轴线，定义为Z坐标轴，视点位于坐标原点(0,0,0)，激光雷达接收光学系统的最远面视场的中心点位于(0,0,Dmax)，其中Dmax表示激光雷达最远探测距离，激光雷达接收光学系统的最远面视场的含义是指在激光雷达最远探测距离上，由激光雷达接收光学系统的角视场决定的矩形区域；激光雷达接收光学系统的角视场为α×β，其中α为X方向角视场，β为Y方向角视场，则激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向和Y方向的宽度分别为：激光雷达接收光学系统的最远面视场的四个顶点坐标分别为：P1：P2：P3：P4：激光雷达探测器的阵列规模为A列B行(A×B)，把激光雷达接收光学系统的最远面视场在X方向等分为A‑1份，在Y方向上等分为B‑1份，则在激光雷达接收光学系统的最远面视场所在的平面上由面视场边线和分割线共形成A×B个格点，称为视场采样点；分别以视点为起点，A×B个视场采样点为终点，建立A×B条线段，称为距离采样线段；当所建立的激光雷达探测场景的数字三维模型位于由视点和激光雷达接收光学系统的最远面视场的四个顶点P1～P4所确定的四棱锥空间区域内时，部分距离采样线段与激光雷达探测场景的数字三维模型将有至少一个交点，提取距视点最近的交点的空间坐标(xi,j,yi,j,zi,j)，其中i,j为整数，并有i∈[1,A]，j∈[1,B]，根据公式(2)计算该交点对应的探测距离：部分距离采样线段与激光雷达探测场景的数字三维模型无交点，则对应的探测距离一律设置为最远探测距离Dmax；得到所有距离采样线段对应的探测距离矩阵后，根据公式(3)计算对应的回波信号延时；c为光速(3)得到整个激光雷达探测场景的激光回波信号延时矩阵；步骤一中所述的激光回波信号延时矩阵共有A列B行，共A×B个元素，每个元素表示一个激光回波信号相对于激光雷达发射激光脉冲的延时；步骤二：对步骤一生成的激光回波信号延时矩阵进行分解，得到延时切片数据；提取延时矩阵中的最小值，称为基础延时t0；以基础延时t0为起点，每隔固定延时增量(Δt)对激光回波信号延时矩阵进行切片，共做N次切片，即在激光回波信号延时矩阵中分别提取出延时值等于：Tn＝t0+(n‑1)Δt，n＝1,2,…,N  (4)的点的矩阵坐标，称为对应于延时切片T_n的延时关联点坐标，记为i∈[1,A]，j∈[1,B]，即激光回波信号延时矩阵的第i列第j行的延时值为T_n；对应于延时切片T_n的延时关联点个数最少为0个，最多为A×B个；步骤三：根据步骤二生成的基础延时t0对初始激光脉冲进行基础延时，通过光纤长度的不同组合实现对初始激光脉冲进行基础延时，得到基础延时激光脉冲；步骤四：根据步骤二生成的延时切片数据，对步骤三得到的基础延时激光脉冲进行分束，共分成N束，令每束子激光脉冲通过不同长度的光纤从而引入不同的延时，相邻子激光脉冲的延时差值依次递增固定延时Δt，得到以基础延时t0为起点，每隔固定延时时间Δt的一系列延时切片激光脉冲Tn＝t0+(n‑1)Δt，n＝1,2,…,N；步骤五：把步骤四得到的一系列延时切片激光脉冲T_n＝t₀+(n‑1)Δt，n＝1,2,…,N在空间上展宽为N条线激光脉冲，分别照亮空间光调制器的N行像元(H₁,H₂,…,H_N)，则空间光调制器的每一行受到光照的时刻是不同的，因此空间光调制器的每一行对应一个延时切片，对应关系为：再把空间光调制器M列像元L₁,L₂,…,L_M发出的光分别收集到M根光纤中，每根光纤对应一路激光回波信号通道，因此空间光调制器的每一列对应一路激光回波信号，对应关系为：根据步骤二中得到的对应于延时切片T_n的若干延时关联点坐标i∈[1,A]，j∈[1,B]，把空间光调制器第m列第n行的像元状态设置为开态，m,n,T_n,i,j之间有如下换算关系：步骤五中所述的空间光调制器的阵列规模为M列N行，共M×N个像元，对于阵列规模为A×B的激光回波信号延时矩阵，有M＝A×B；当空间光调制器的像元状态为开态时，光能够通过空间光调制器，当空间光调制器的像元状态为关态时，光不能通过空间光调制器；由于空间光调制器的每一行对应一个延时切片，每一列对应一路激光回波信号，因此当阵列坐标为(m,n)，m∈[1,M],n∈[1,N]的像元的状态为开态时，延时为T_n＝t₀+(n‑1)Δt的延时切片激光脉冲就进入了i∈[1,A]，j∈[1,B]对应的R_m激光回波通道；每一个延时切片对应若干个延时关联点，因此每一个延时切片能够对应多个激光回波，但每个延时关联点只能位于一个延时切片上，因此每个激光回波只能对应一个延时切片，因此空间光调制器每一列上只能有一个像元为开态，每一行上处于开态的像元数量依据该行代表的延时切片关联点个数，允许是多个；对于一帧激光回波信号延时矩阵，空间光调制器所有M×N个像元中只能有M个像元导通；步骤六：通过线‑面转换的光纤传像束实现M路空间一维线阵激光回波到A×B路空间二维面阵激光回波的空间变换；光纤传像束的线阵输入端第m(m∈[1,M])路激光回波通道与光纤传像束面阵输出端阵列坐标为(i,j)(i∈[1,A],j∈[1,B])的激光回波通道之间按公式m＝i+A(j‑1)一一对应；步骤七：通过投影光学系统把步骤六所述的光纤传像束的面阵输出端面投影到激光雷达接收光学系统的入瞳处，完成二维激光回波信号的投送，实现以延时空间重构方法为基础的激光成像雷达目标回波信号的模拟；步骤七中所述的延时空间重构方法通过步骤三至步骤六实现。