機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)相位調(diào)制信號(hào)性能分析和成像處理

杜劍波 李道京 馬 萌③

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(微波成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

③(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)相位調(diào)制信號(hào)性能分析和成像處理

杜劍波*①②③李道京①②馬 萌①②③

①(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

②(微波成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

③(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

該文將相位調(diào)制信號(hào)用于機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)，分析了3種相位調(diào)制信號(hào)的性能，研究了相位調(diào)制信號(hào)的收發(fā)方式和成像處理方法。針對(duì)機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)觀測幅寬較小的特點(diǎn)，對(duì)基于線性調(diào)頻信號(hào)的相位調(diào)制信號(hào)，提出采用“去調(diào)相”接收方式，以大幅度降低寬帶信號(hào)的AD采樣率。對(duì)3種相位調(diào)制信號(hào)所做的成像仿真結(jié)果表明了該方法的有效性。

激光雷達(dá)；合成孔徑；相位調(diào)制信號(hào)；激光成像

1 引言

合成孔徑激光雷達(dá)(Synthetic Aperture Ladar, SAL)由于采用合成孔徑的原理，分辨率不隨著距離的增加而下降，因此能獲得更高的分辨率，在超高分辨率觀測技術(shù)領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。目前其研究已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注，并取得了明顯的研究進(jìn)展[1－5]。

合成孔徑激光雷達(dá)為形成高分辨率圖像需要形成寬帶信號(hào)。寬帶信號(hào)的形式主要包括寬帶頻率調(diào)制和寬帶相位調(diào)制信號(hào)，目前微波合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)主要使用了寬帶頻率調(diào)制信號(hào)，并采用了成熟的成像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)的圖像分辨率已達(dá)到厘米量級(jí)。在激光波段，由于實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制的聲光器件的限制，目前能夠?qū)崿F(xiàn)的調(diào)頻信號(hào)帶寬較小，達(dá)不到機(jī)載SAL厘米級(jí)分辨率對(duì)應(yīng)的帶寬要求，現(xiàn)階段只能考慮使用在激光數(shù)字通信技術(shù)支持下發(fā)展出的高速寬帶激光相位調(diào)制器形成寬帶相位調(diào)制信號(hào)。事實(shí)上，美國洛克希德-馬丁公司的機(jī)載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就是使用了相位編碼信號(hào)并有效結(jié)合了微波SAR的成像處理技術(shù)[6]。

文獻(xiàn)[7]分析了機(jī)載SAL關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方案，本文是文獻(xiàn)[7]工作的繼續(xù)，將相位調(diào)制信號(hào)用于機(jī)載SAL，分析了3種相位調(diào)制信號(hào)的性能，研究了相位調(diào)制信號(hào)的收發(fā)方式和成像處理方法，并給出了仿真分析結(jié)果。

2 相位調(diào)制信號(hào)的性能分析

本文使用的相位調(diào)制信號(hào)主要包括3種：二相編碼信號(hào)，多相編碼信號(hào)和文獻(xiàn)[7]提出的基于線性調(diào)頻信號(hào)的相位調(diào)制信號(hào)。

2.1 二相編碼信號(hào)

對(duì)于二相編碼信號(hào)，子脈沖相位可以在兩個(gè)狀態(tài)值之間變化?，F(xiàn)將二相編碼信號(hào)設(shè)為x(t)，子脈沖設(shè)為τ為子脈沖的寬度，N為二相編碼信號(hào)中子脈沖的個(gè)數(shù)，?n取為0或π。

M序列偽隨機(jī)編碼信號(hào)為二相編碼信號(hào)的典型代表，M序列是由級(jí)聯(lián)線性移位反饋寄存器輸出產(chǎn)生，其產(chǎn)生電路較為容易實(shí)現(xiàn)[8]，在實(shí)際中應(yīng)用較多。對(duì)于級(jí)數(shù)為m的線性移位反饋寄存器，其產(chǎn)生的M序列碼長為 =2m1

N- 。對(duì)M序列二相編碼信號(hào)，可由匹配濾波器實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮并改善峰值信噪比。M序列經(jīng)過脈沖壓縮后，匹配濾波的輸出中央處出現(xiàn)峰值，但其旁瓣不具有明顯的衰減性，同時(shí)存在多普勒敏感問題，這也是二相編碼信號(hào)普遍存在的不足。

對(duì)子脈沖寬度為0.33 ns，碼長為1023的M序列，其脈沖壓縮結(jié)果如圖1所示，其遠(yuǎn)區(qū)副瓣較高，最大值為其多普勒容限為dmax1.48f= MHz。對(duì)于多普勒頻移超過多普勒容限的情況，需要考慮在匹配濾波器中引入校正后的參考函數(shù)[9]。

2.2 多相編碼信號(hào)

相對(duì)于二相編碼信號(hào)存在的多普勒容限較小，以及脈沖壓縮后旁瓣衰落較慢等不足，多相編碼信號(hào)在擴(kuò)展多普勒容限和降低旁瓣方面有一定程度的改善。較為典型的多相編碼信號(hào)有Frank碼，P1, P2, P3, P4碼等，本文主要分析Frank碼的性能。設(shè)2維矩陣

其中L是信號(hào)子脈沖相位量化的位數(shù)；將該矩陣的各行首尾依次連接即得碼長為2L的Frank碼的子脈沖相位序列[10]。

對(duì)于子脈沖寬度為 0.33 ns, =4,8,16,32L

的Frank碼，其脈沖壓縮結(jié)果如圖 3所示。從 Frank碼的脈沖壓縮結(jié)果可以看出，隨著碼長的增加，F(xiàn)rank碼的脈沖壓縮旁瓣幅度逐漸降低；較二相編碼信號(hào)而言，同碼長的Frank碼的脈沖壓縮旁瓣在遠(yuǎn)區(qū)衰落較快。從圖中可以清楚地看到，當(dāng)L=32時(shí)，碼長為1024的Frank碼經(jīng)過脈沖壓縮后，其遠(yuǎn)區(qū)旁瓣優(yōu)于-40 dB。

2.3 基于線性調(diào)頻信號(hào)的相位調(diào)制信號(hào)

圖1 碼長為1023的M序列脈沖壓縮結(jié)果Fig. 1 Pulse compression result of M sequence with code length of 1023

寬帶LFM信號(hào)具有良好的脈沖壓縮性能，采用頻率調(diào)制方式在微波 SAR系統(tǒng)中已獲得了廣泛的應(yīng)用。在機(jī)載SAL中，由于實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制的聲光器件的限制，目前能夠?qū)崿F(xiàn)的信號(hào)帶寬較小，達(dá)不到機(jī)載SAL厘米級(jí)分辨率對(duì)應(yīng)的帶寬要求，現(xiàn)階段只能考慮使用在激光通信技術(shù)支持下發(fā)展出的高速寬帶激光相位調(diào)制器形成寬帶信號(hào)。

圖2 Frank碼子脈沖相位序列Fig. 2 Sub-pulse phase sequence of Frank code

圖3 Frank碼的脈沖壓縮結(jié)果Fig. 3 Pulse compression result of Frank code

用調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生器輸出的和LFM信號(hào)相位相對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)作為激光相位調(diào)制器的輸入，在激光基頻上調(diào)制產(chǎn)生出激光寬帶調(diào)相信號(hào)，將該激光寬帶調(diào)相信號(hào)定義為基于線性調(diào)頻(LFM)信號(hào)的相位調(diào)制信號(hào)，簡稱為LFM相位調(diào)制信號(hào)。本文主要分析了2,4,8,16值LFM相位調(diào)制信號(hào)的性能。對(duì)于2值量化情況下的LFM相位調(diào)制信號(hào)，其相位為量化編碼后的2值信號(hào)，將其稱之為LFM2PSK相位調(diào)制信號(hào)。增大量化的位數(shù)，則依次可得 LFM4PSK, LFM8PSK, LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)。設(shè)該信號(hào)的脈沖寬度為0.34 μs，帶寬為3 GHz，采樣率為6 GHz, LFM2PSK, LFM4PSK, LFM8PSK, FM16PSK相位調(diào)制信號(hào)波形如圖4所示。

圖4 LFM2PSK, LFM4PSK, LFM8PSK, LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)Fig. 4 LFM2PSK, LFM4PSK, LFM8PSK, LFM16PSK phase-modulated signal

圖5為LFM2PSK, LFM4PSK, LFM8PSK, LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)的脈沖壓縮結(jié)果，顯然其遠(yuǎn)區(qū)副瓣較小。隨著量化位數(shù)的增加，相位調(diào)制信號(hào)的脈沖壓縮結(jié)果越來越逼近理想 LFM 信號(hào)的脈沖壓縮結(jié)果。對(duì)LFM8PSK, LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)，其脈沖壓縮后的峰值旁瓣比分別為，積分旁瓣比分別為 10.53 dB,10.18 --dB，已基本滿足成像要求。

當(dāng)激光相位調(diào)制器具有連續(xù)相位調(diào)制能力時(shí)，其產(chǎn)生的LFM相位調(diào)制信號(hào)為連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)。研究量化編碼的LFM相位調(diào)制信號(hào)的意義，一是其可以降低對(duì)調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生器(由高速D/A形成)的要求，二是其可以模擬激光相位調(diào)制器非線性輸入輸出關(guān)系帶來的問題。一方面，LFM相位調(diào)制信號(hào)量化位數(shù)越少，對(duì)D/A位數(shù)的要求也就越低，量化編碼的LFM相位調(diào)制信號(hào)對(duì)D/A位數(shù)的要求顯然要低于連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)。另一方面，即使激光相位調(diào)制器具有連續(xù)相位調(diào)制能力，也會(huì)因?yàn)槠浞蔷€性輸入輸出關(guān)系而使調(diào)制出的 LFM 相位調(diào)制信號(hào)可能具有跳變的相位變化，因此，量化編碼的LFM相位調(diào)制信號(hào)可認(rèn)為是連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)在考慮了實(shí)際調(diào)相器非線性情況下的一種近似的信號(hào)模型，對(duì)該信號(hào)的分析有助于對(duì)其實(shí)際應(yīng)用性能的評(píng)價(jià)。

3 相位調(diào)制信號(hào)的收發(fā)和處理

文獻(xiàn)[7]給出了機(jī)載SAL系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案框圖，基于相位調(diào)制信號(hào)，本文給出的機(jī)載SAL相位調(diào)制信號(hào)發(fā)射、接收和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖6所示。當(dāng)發(fā)射信號(hào)采用脈沖體制時(shí)，激光光源的信號(hào)經(jīng)過相位調(diào)制后，經(jīng)脈沖選通放大后發(fā)射出去；接收到的回波信號(hào)經(jīng)和激光光源本振信號(hào)相干探測 IQ正交解調(diào)后，送至AD采樣后在數(shù)據(jù)記錄器中存儲(chǔ)。

針對(duì)機(jī)載SAL具有成像幅寬窄(約1 m)的特點(diǎn)[7]，本文利用類似于微波SAR對(duì)線性調(diào)頻信號(hào)采用的“去調(diào)頻”接收處理方式[12,13]，對(duì)于LFM相位調(diào)制信號(hào)考慮對(duì)激光相位調(diào)制器輸出信號(hào)作延時(shí)，并將其作為本振信號(hào)，對(duì)激光回波信號(hào)實(shí)施相干探測IQ正交解調(diào)，實(shí)現(xiàn)“去調(diào)相”接收，以大幅度降低寬帶信號(hào)的AD采樣率。

對(duì)于LFM相位調(diào)制信號(hào)采用“去調(diào)相”接收方式解調(diào)后，盡管其信號(hào)相位有纏繞現(xiàn)象，但解纏后其變化情況和線性調(diào)頻信號(hào)的“去調(diào)頻”接收情況相同，在原理上可通過距離向的傅里葉變換實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮。采用“去調(diào)相”接收方式可使系統(tǒng)信號(hào)收發(fā)方案大為簡化，與之對(duì)應(yīng)的信號(hào)關(guān)系如圖6中的虛線部分所示。

圖6 機(jī)載SAL相位調(diào)制信號(hào)發(fā)射、接收和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖Fig. 6 Transmitting, receiving and data collection system scheme of airborne SAL phase-modulated signal

圖5 LFM2PSK, LFM4PSK, LFM8PSK, LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)的脈沖壓縮結(jié)果Fig. 5 Pulse compression result of LFM2PSK, LFM4PSK, LFM8PSK, LFM16PSK phase-modulated signal

當(dāng)激光器收發(fā)采用兩個(gè)孔徑，根據(jù)激光信號(hào)收發(fā)隔離度高的特點(diǎn)，采用“去調(diào)相”接收方式，機(jī)載SAL也可使LFM相位調(diào)制信號(hào)工作在寬脈沖或連續(xù)波模式，降低系統(tǒng)的峰值功率。由于使用連續(xù)波發(fā)射信號(hào)可避免激光信號(hào)脈沖調(diào)制帶來的頻率調(diào)制問題，因此LFM相位調(diào)制信號(hào)的連續(xù)波模式很值得關(guān)注。

以理想的基于 LFM 信號(hào)連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)和LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)為例進(jìn)行仿真分析。設(shè)信號(hào)脈寬為10 μs，帶寬為3 GHz, AD采樣率為500 MHz，當(dāng)回波信號(hào)和激光相位調(diào)制器的延時(shí)信號(hào)時(shí)差為0.1 μs(對(duì)應(yīng)距離向場景尺寸為15 m)時(shí)，經(jīng)過“去調(diào)相”接收和基于距離向傅里葉變換的脈沖壓縮的結(jié)果如圖7所示。和理想的基于LFM信號(hào)連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)相比，在脈沖壓縮過程中，LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)由于量化編碼而產(chǎn)生了新的副瓣，但在延時(shí)信號(hào)時(shí)差為0.1 μs的情況下，其副瓣的分布區(qū)離目標(biāo)場景中心較遠(yuǎn)，且其電平較低，適用于機(jī)載SAL成像幅寬較窄的使用場合。

圖7 理想連續(xù)相位調(diào)制信號(hào)和LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)“去調(diào)相”后的脈沖壓縮結(jié)果Fig. 7 Pulse compression result of ideal continuous phase-modulated signal and LFM16PSK phase-modulated signal after phase-dechirping receiving

4 相位調(diào)制信號(hào)的成像仿真分析

本文仿真分析工作中，成像處理采用了距離徙動(dòng)算法又稱ωK算法[14]，機(jī)載SAL的系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)場景參數(shù)設(shè)置如表1所示，分別對(duì)窄脈沖M序列二相編碼信號(hào)，16PSK Frank碼信號(hào)和LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了成像仿真，同時(shí)對(duì)LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)增加了寬脈沖“去調(diào)相”接收方式下的成像仿真，相位調(diào)制信號(hào)的種類和參數(shù)設(shè)置如表2所示。

圖8，圖9，圖10分別為M序列二相編碼信號(hào)，16PSK Frank碼信號(hào)，LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)的成像結(jié)果，圖11為LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)在寬脈沖“去調(diào)相”接收方式下的成像結(jié)果，顯示圖像的歸一化幅度動(dòng)態(tài)范圍為30 dB。

從成像仿真結(jié)果看，在窄脈沖條件下，M序列二相編碼信號(hào)和16PSK Frank碼信號(hào)的距離向副瓣區(qū)離目標(biāo)場景中心較遠(yuǎn)，LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)的成像效果和理想的LFM信號(hào)成像結(jié)果相近，距離向副瓣集中在目標(biāo)場景中心；在寬脈沖條件下，“去調(diào)相”接收方式下的 LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)成像與窄脈沖條件下的LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)的成像效果相近。經(jīng)過插值后的距離向和方位向剖面分析，圖像分辨率和理論值相符。

表1 機(jī)載SAL的系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)場景參數(shù)設(shè)置Tab. 1 Parameters setting of airborne SAL system and target scene

表2 相位調(diào)制信號(hào)的種類和參數(shù)Tab. 2 Classes and parameters of phase-modulated signal

圖8 碼長為1023的M序列成像結(jié)果(8倍插值后)Fig. 8 Imaging result of M sequence with code length of 1023 (8 multiple interpolation)

圖10 LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)成像結(jié)果(8倍插值后)Fig. 10 Imaging result of LFM16PSK phase-modulated signal (8 multiple interpolation)

圖9 碼長為256的Frank碼成像結(jié)果(8倍插值后) Fig. 9 Imaging result of Frank code with code length of 256 (8 multiple interpolation)

圖11 LFM16PSK相位調(diào)制信號(hào)“去調(diào)相”接收成像結(jié)果(8倍插值后) Fig. 11 Imaging result of LFM16PSK phase-modulated signal after phase-dechirping receiving (8 multiple interpolation)

5 結(jié)束語

本文將相位調(diào)制信號(hào)用于機(jī)載SAL，分析了3種相位調(diào)制信號(hào)的性能，研究了相位調(diào)制信號(hào)的收發(fā)方式和成像處理方法。研究表明，這3種相位調(diào)制信號(hào)都可以滿足機(jī)載SAL的使用要求。

對(duì)寬脈沖LFM相位調(diào)制信號(hào)，由于采用“去調(diào)相”接收方式可以大幅度降低寬帶信號(hào)的AD采樣率和發(fā)射峰值功率，并減少系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)難度，該信號(hào)波形將作為機(jī)載SAL的主選波形。本文的研究工作對(duì)實(shí)際機(jī)載SAL的研制工作具有重要的參考價(jià)值。

雖然本文在理論上對(duì)機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)相位調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了性能分析，但考慮到實(shí)際機(jī)載SAL的技術(shù)實(shí)現(xiàn)環(huán)節(jié)復(fù)雜，分析激光信號(hào)存在的相位誤差，并實(shí)施校正以滿足成像要求，值得在下一步工作中深入研究。

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杜劍波(1991-)，男，安徽滁州人，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所在讀碩博連讀生，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

E-mail: jianbodu1991@163.com

李道京(1964-)，男，陜西西安人，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)和雷達(dá)信號(hào)處理。

E-mail: lidj@mail.ie.ac.cn

馬 萌(1989-)，男，河南周口人，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所在讀碩博連讀生，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理。

E-mail: mameng_ee@163.com

Performance Analysis and Image Processing of Phase-modulated Signal on Airborne Synthetic Aperture Ladar

Du Jian-bo①②③Li Dao-jing①②Ma Meng①②③

①(Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)
②(Science and Technology on Microwave Imaging Laboratory, Beijing 100190, China)
③(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

In this study, the performance of three phase-modulated signals used in airborne Synthetic Aperture Ladar (SAL) is investigated. The transmitting and receiving modes and imaging processing methods for these signals are studied. Considering that the swath of the airborne SAL is very narrow, in order to reduce the AD sampling rate of the wideband signal, a “phase-dechirping” receiving mode is proposed for the phase-modulated signal based on the Linear Frequency Modulation (LFM) signal. The imaging simulation results for these three phase-modulated signals validate the effectiveness of the proposed method.

Ladar; Synthetic aperture; Phase-modulated signal; Laser imaging

中國分類號(hào)：TN958.98

A

2095-283X(2014)01-0111-08

10.3724/SP.J.1300.2014.13094

2013-10-15收到，2014-01-10改回；2014-01-16網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版國家自然科學(xué)基金(61271422)資助課題

*通信作者： 杜劍波 jianbodu1991@163.com