基于逆合成孔徑成像激光雷達(dá)的自旋小目標(biāo)成像系統(tǒng)*

劉智超，楊進(jìn)華

（1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春130000；2.長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，長春130000）

基于逆合成孔徑成像激光雷達(dá)的自旋小目標(biāo)成像系統(tǒng)*

劉智超1，2，楊進(jìn)華1

（1.長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春130000；2.長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院，長春130000）

為了獲得毫米級自旋小目標(biāo)的清晰成像，采用逆合成孔徑成像激光雷達(dá)技術(shù)設(shè)計(jì)了基于距離向數(shù)據(jù)與方位向數(shù)據(jù)相融合的圖像重建系統(tǒng)。系統(tǒng)采用大帶寬、窄線寬光纖激光器配合調(diào)制器實(shí)現(xiàn)激光脈沖的線性調(diào)頻，利用光外差原理對回波信號進(jìn)行采集處理。結(jié)合自旋目標(biāo)的運(yùn)動特性，給出了含有自旋分量的回波信號函數(shù)方程，并將該分量引入傳統(tǒng)的R-D算法中實(shí)現(xiàn)了對自旋目標(biāo)的ISAIL二維圖像的重建。實(shí)驗(yàn)采用毫米級鋁條構(gòu)成被測小目標(biāo)，通過步進(jìn)電機(jī)及帶傾角的轉(zhuǎn)臺完成運(yùn)動及自旋模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，當(dāng)目標(biāo)固定時(shí)，可通過回波能量數(shù)據(jù)獲得一維距離向圖像，與被測目標(biāo)的4個(gè)特征點(diǎn)位置一致。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動時(shí)，通過數(shù)據(jù)壓縮并代入自旋參量，最后通過R-D算法可以獲得可識別的ISAIL二維圖像，驗(yàn)證了系統(tǒng)符合自旋小目標(biāo)成像的設(shè)計(jì)要求。

逆合成孔徑成像激光雷達(dá)，圖像重建，自旋運(yùn)動，小目標(biāo)

0 引言

為了實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)距離小目標(biāo)毫米級的成像，激光雷達(dá)與合成孔徑技術(shù)相結(jié)合的方法應(yīng)運(yùn)而生，這是從理論上完全可實(shí)現(xiàn)毫米級探測的技術(shù)手段［1］。激光雷達(dá)具有能量高、穿透力強(qiáng)（中外波段）、準(zhǔn)直性好的特點(diǎn)，即使在遠(yuǎn)距離也可以在距離向上獲取極高的分辨率，從而為獲取高精度圖像提供有效數(shù)據(jù)信息。合成孔徑技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在不同位置上獲取更多的探測數(shù)據(jù)，而不同位置上的探測數(shù)據(jù)通過處理算法可以反演被測區(qū)域的二維信息。而逆合成孔徑技術(shù)［2-5］是通過光源及探測器位置固定，對被測目標(biāo)聚焦跟蹤實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)等的二維成像［6］。

國內(nèi)外對合成孔徑激光雷達(dá)的研究越來越受到重視，其對航空航天的重要性不言而喻。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室［7］最早采用CO2激光器與紅外探測器相結(jié)合，完成了紅外波段的數(shù)據(jù)合成。1994年，美國林肯實(shí)驗(yàn)室［8］成功開發(fā)了固體激光合成孔徑雷達(dá)實(shí)驗(yàn)裝置，采用1.06 um的Nd：YAG激光器，通過外差干涉的方式實(shí)現(xiàn)了合成孔徑探測。日本電信部通信研究實(shí)驗(yàn)室［9］于1998年也采用CO2激光器驗(yàn)證了合成孔徑激光雷達(dá)完成二維成像的可行性，還完成了一個(gè)一維合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)，對一位數(shù)據(jù)進(jìn)行合成計(jì)算。美國國家航空航天局［10］在2005年研制開發(fā)了全球第1臺掃描式二維合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)，并對漫散射目標(biāo)成功成像，探測精度可達(dá)100 um以上。2010年，Casey J.Pellizzari等［11］人采用逆合成孔徑激光雷達(dá)技術(shù)對在地球同步軌道上的衛(wèi)星進(jìn)行成像，并通過建立數(shù)學(xué)模型，提出二維傅里葉變換濾波算法等手段提高了系統(tǒng)的信噪比［12］。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，大多科研院校的研究還主要集中在基本理論論證及基本原理驗(yàn)證階段。本文的主要研究內(nèi)容也是基于實(shí)驗(yàn)室平臺完成的，研究方向主要針對小目標(biāo)，例如空間垃圾、特殊重要目標(biāo)的識別等。采用轉(zhuǎn)臺模型模擬目標(biāo)的飛行及自旋過程，再通過分析重建圖像方法及推導(dǎo)回波信號表達(dá)式的基礎(chǔ)上，完成了對簡單目標(biāo)的二維ISAIL圖像重建。

1 逆合成孔徑成像激光雷達(dá)系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)由發(fā)射模塊、接收模塊和處理模塊組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)射模塊由CPU控制聲光調(diào)制器將窄帶寬激光調(diào)制成脈沖光，再利用電光調(diào)制器獲得大帶寬的線性調(diào)頻信號。該激光脈沖被分束器1分為兩束，一束為探測光源照射被測目標(biāo)（被測目標(biāo)是已知尺寸的金屬細(xì)鋁條，其放置在固定傾斜角度的勻速旋轉(zhuǎn)平臺上。），另一束為參考光。當(dāng)被測目標(biāo)的漫反射光被接收模塊的光學(xué)天線收集準(zhǔn)直后，與參考光相干，形成外差干涉信號，由光電探測器采集。最終，處理模塊將光電探測器獲取的相干信號進(jìn)行濾波、放大等處理，由R-D算法完成距離向數(shù)據(jù)與方位向數(shù)據(jù)的圖像融合，從而重建ISAIL二維圖像。ISAIL圖像是由外差信號獲取的，實(shí)際上是通過R-D算法對一維回波強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行二維重建，故圖像中不同維對應(yīng)的分辨率由不同求解方式所決定。對于距離向而言，其距離向分辨率ρr可表示為：

圖1 逆合成孔徑激光成像雷達(dá)系統(tǒng)示意圖

式中c為光速，B為激光信號的帶寬。由式（1）可知，要想獲得較清晰的圖像，必須提高調(diào)頻帶寬，經(jīng)計(jì)算可知，目標(biāo)細(xì)鋁條寬度為毫米級，則系統(tǒng)帶寬應(yīng)為15 GHz以上才能有效分辨。方位向的圖像分辨能力則取決于多普勒效應(yīng)，當(dāng)系統(tǒng)固定不動，被測物飛過被測區(qū)域時(shí)，可以表示為視場范圍內(nèi)視角變化的累加。當(dāng)被測物飛行軌跡為直線時(shí)，對激光信號的線性調(diào)頻就可以實(shí)現(xiàn)對多普勒變化的計(jì)算。假設(shè)飛行物基本保持勻速運(yùn)動，則多普勒為常數(shù)，通過傅氏變換對回波信號作相干處理完成脈沖壓縮可以有效地集中回波信號的能量，達(dá)到遠(yuǎn)距離探測的目的。由此可見，方位向分辨率ρa(bǔ)可表示為

2 自旋目標(biāo)的參數(shù)特性

自旋目標(biāo)的運(yùn)動過程如下頁圖2所示，s（n）表示被測目標(biāo)上散射點(diǎn)pi行進(jìn)的軌跡，R（n，p0）表示自旋目標(biāo)軸心點(diǎn)與系統(tǒng)的距離，R（n，pi）表示自旋目標(biāo)任意散射點(diǎn)pi與系統(tǒng)的距離。設(shè)線性調(diào)頻的激光脈沖信號為：

圖2 自旋目標(biāo)運(yùn)動示意圖

式中，fc為載頻，和n分別為快時(shí)間和慢時(shí)間（全時(shí)間t=+nT），β為調(diào)頻率。

則任意散射點(diǎn)pi對應(yīng)的回波可表示為：

式中，σ表示pi點(diǎn)上對應(yīng)的散射強(qiáng)度。

將R（n，pi）在軸心點(diǎn)作泰勒展開，而s（n）又可以看作是pi相對p0的運(yùn)動矢量。故當(dāng)目標(biāo)僅作水平運(yùn)動時(shí)，s（n）為常向量v；而當(dāng)目標(biāo)自旋時(shí)，s（n）=v+ ω，其中v為常向量，ω為自旋向量。則回波信號表達(dá)式可化簡為：

由此可知，該表達(dá)式中的3項(xiàng)依次是距離向、多普勒項(xiàng)及剩余時(shí)頻相位以及自旋分量。相比無自旋的固定軌跡飛行目標(biāo)而言，帶自旋的目標(biāo)多包含一個(gè)自旋相位量，即式（5）中的最后一項(xiàng)乘式。到此已經(jīng)通過計(jì)算推導(dǎo)獲得了自旋分量引入的相位變化量，只要將該項(xiàng)參數(shù)導(dǎo)入ISAIL圖像重建程序即可提高圖像重建質(zhì)量。

3 ISAIL圖像重建

3.1實(shí)驗(yàn)條件

系統(tǒng)采用OLW公司ES系列的1 550 nm光纖激光器作為光源，利用CETC公司TSGMN-5Q型聲光調(diào)制器和KG-PM1550型電光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)激光信號的線性調(diào)頻，調(diào)制帶寬為20 GHz。探測器選用美國Picometrix公司P-18A型PIN光電探測器。被測目標(biāo)為金屬鋁條（尺寸為13 mm×1 mm，平行放置，鋁條間距分別為1 mm、2 mm、3 mm，如下頁圖5（a）所示），該目標(biāo)被固定具有一定傾角的轉(zhuǎn)臺上，以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)勻速旋轉(zhuǎn)，從而模擬目標(biāo)的自旋運(yùn)動。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對被測目標(biāo)進(jìn)行距離向成像，通過距離向能量分布變化得到其回波數(shù)據(jù)的一維距離向圖像，如圖3所示。

圖3被測目標(biāo)的一維距離向圖像

圖3 中橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)，縱坐標(biāo)為振幅值歸一化系數(shù)，可以看出當(dāng)目標(biāo)固定不動時(shí)，由于到系統(tǒng)的距離不同而使其回波能量具有不同的分布效果，其反映了真實(shí)目標(biāo)的位置及距離信息。為了得到ISAIL二維圖像，需要對距離向數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，采用MATLAB仿真軟件完成距離向壓縮，壓縮結(jié)果如圖4所示。

圖4 被測目標(biāo)數(shù)據(jù)壓縮圖

3.3仿真重建

在對距離向數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)壓縮處理后，就可以與方位向數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理了，方位向數(shù)據(jù)的獲取由多普勒頻移計(jì)算獲得，其中，轉(zhuǎn)臺模型中的平動補(bǔ)償可采用包絡(luò)對齊以及初相校正的方法。最后將距離向數(shù)據(jù)與方位向數(shù)據(jù)相融合，利用R-D算法完成ISAIL二維圖像的重建，仿真效果如下頁圖5（b）所示，圖5（a）為目標(biāo)實(shí)物圖。

由仿真圖可見，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)的ISAIL二維圖像重構(gòu)，其尺寸、位置分布與真實(shí)目標(biāo)相近，實(shí)現(xiàn)了毫米級逆合成和孔徑激光雷達(dá)成像。仿真圖中，重建目標(biāo)的兩側(cè)信號較強(qiáng)，而中間較弱與原始目標(biāo)有一定差異，在改變被測目標(biāo)實(shí)際長度的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這種現(xiàn)象有所改善，造成此現(xiàn)象是因?yàn)橹亟▓D像算法的平動補(bǔ)償是基于原點(diǎn)范圍內(nèi)的重構(gòu)，所以當(dāng)目標(biāo)在x、y軸方向上尺寸不一致時(shí)會出現(xiàn)圖像回填效果不均勻的問題，可以在后續(xù)處理算法中改進(jìn)。

圖5 被測目標(biāo)ISAIL重建圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于逆合成孔徑成像激光雷達(dá)的自旋小目標(biāo)的成像系統(tǒng)。利用激光器及調(diào)制器獲得大帶寬的線性調(diào)頻范圍，從而實(shí)現(xiàn)ISAIL圖像重建過程中距離向的高分辨率，在采用數(shù)據(jù)壓縮、自旋參量引入、平動補(bǔ)償、R-D算法等完成距離向數(shù)據(jù)與方位向數(shù)據(jù)的融合，從而實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的ISAIL二維圖像重構(gòu)。實(shí)驗(yàn)獲得了被測小目標(biāo)的一維距離向圖像。在推導(dǎo)了自旋運(yùn)動引入的函數(shù)表達(dá)式的基礎(chǔ)上，利用MATLAB軟件完成了自旋目標(biāo)的ISAIL二維圖像的重建。

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Research on Imaging System for Small Spin Target Based on Inverse Synthetic Aperture Imaging Lidar

LIU Zhi-chao1，2，YANG Jin-hua1
（1.School of Optoelectronic Information，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130000，China；2.School of Optical and Electronical Information Changchun University of Science and Technology，Changchun 130000，China）

In order to obtain clear millimeter imaging of small spin target，using inverse synthetic aperture imaging laser radar technology，image reconstruction system is designed based on the integration of distance data and direction data.High bandwidth，narrow line-width fiber lasers and modulators are used in the system，to achieve linear frequency modulation for laser pulses.According to optical heterodyne principle echo signals is collected and processed.Combined with target motion characteristics of the spin，functional equation is given containing spin component of echo signal.The componentisintroducedintoaconventionalR-Dalgorithm，anddimensionalISAILimage reconstruction for spin target is realized.In the experiment，millimeter aluminum is measured as small target.Target is driven by a stepping motor on the inclined turntable，to simulate target motion and spin motion.Experimental results show that when the target fixed，one-dimensional distance image is obtained from the echo energy data，consistent with the four characteristic points measured target position.When the target movement，spin parameter is substituted and data compression was completed. Finally，identify the two-dimensional ISAIL image is obtained by R-D algorithm.The system design requirements of small spin target imaging are verified.

inverse synthetic aperture imaging laser radar（ISAIL），image reconstruction，spin motion，small target

TN958

A

1002-0640（2016）11-0026-04

2015-10-11

2015-11-20

國家自然科學(xué)基金（60637010）；吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究規(guī)劃基金資助項(xiàng)目

劉智超（1984-），男，山西太原人，博士，講師。研究方向：激光成像、機(jī)器視覺等。