一種多發多收合成孔徑激光雷達系統及其體制設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于通信技術領域，更進一步涉及雷達數字信號處理技術領域中的多發多 收合成孔徑激光雷達系統及其體制設計方法。本發明可以用于高分辨率寬測繪帶合成孔徑 激光雷達成像。
【背景技術】
[0002] 高分辨率對地觀測要求分辨率較高，觀測距離較遠，測繪帶寬較大，并且朝著多種 傳感器相互協同工作的方向發展，合成孔徑激光雷達（Synthetic Aperture Ladar (SAL)和 微波合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Ladar(SAR)有著很好的優勢互補特性。對大范 圍地域可以采用SAR進行普查，但對于感興趣的目標設施，可以采用SAL進行更高分辨率的 觀測，SAL是對目前高分辨率對地觀測手段的一個必要的補充手段。采用SAL技術可以實 現在遠距離比目前SAR的分辨率提高至少一個數量級的高分辨率觀測。與傳統合成孔徑雷 達相比，由于合成孔徑成像激光雷達的工作波長較短，其可以得到比合成孔徑雷達分辨率 高得多得圖像（分辨率幾十微米到幾毫米）。
[0003] SAL技術的研宄已經被列入到國家高分辨率對地觀測的發展規劃當中，西安電子 科技大學雷達信號處理國防科技重點實驗室在研宄中發現單發單收的SAL在高分辨率體 制下，其測繪帶寬受到極大的限制。國外對SAL系統的研宄已經進行了單發單收SAL的機 載飛行試驗，其測繪帶寬在一公里作用距離時只有2米，單發單收SAL窄測繪帶寬的性質， 嚴重制約了 SAL系統的實用化。如何解決距離向測繪帶和方位向分辨率的矛盾實現高分辨 率寬測繪帶SAL，是今后SAL研宄的核心問題。
【發明內容】
[0004] 針對上述缺點，本發明的目的在于提出一種多發多收合成孔徑雷達系統及其體制 設計方法，實現高分辨率寬測繪帶的測量要求。
[0005] 為了實現寬測繪帶，本發明技術方案使用較低的脈沖重復頻率，從方位向上看，整 個回波信號是欠采樣的，通過增加方位向實際接收的通道，也就是采用多發多收的體制來 緩解系統測繪帶寬和分辨率之間的矛盾。
[0006] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案予以實現。
[0007] 技術方案一：
[0008] -種多發多收合成孔徑激光雷達系統，所述多發多收合成孔徑激光雷達系統至少 包括：
[0009] 一個凸透鏡，以及多個陣元，所述多個陣元在所述凸透鏡的焦平面上沿方位向均 勻放置，且所述陣元為多發多收陣元。
[0010] 本發明技術方案一的特點和進一步的改進為：
[0011] (1)當在所述凸透鏡的焦平面上沿方位向均勻放置N個陣元時，所述多發多收合 成孔徑激光雷達系統的方位向波束寬度A 0 ^為
，其中，d為各個陣元方位向長 度，f為凸透鏡的焦距。
[0012] (2)所述多發多收合成孔徑激光雷達系統的方位向分辨率P "為
，其 中，A為激光的波長。
[0013] 技術方案二：
[0014] 一種多發多收合成孔徑激光雷達系統的體制設計，包括以下步驟：
[0015] 步驟1，在運動的載機上，設置一個凸透鏡，并在所述凸透鏡的焦平面上沿方位向 均勻放置多個陣元，所述陣元為多發多收陣元；
[0016] 步驟2,所述多個陣元分別發射探測信號，并接收經過所述凸透鏡折射的目標回波 信號；
[0017] 步驟3,根據所述多個陣元接收到目標回波信號，確定合成孔徑激光雷達圖像。
[0018] 本發明技術方案二的特點和進一步的改進為：
[0019] (1)步驟2具體包括如下子步驟：
[0020] (2a)多個陣元分別發射探測信號，所述探測信號的波束中心通過所述凸透鏡的光 心；
[0021] (2b)所述探測信號經過所述凸透鏡的折射到達目標；
[0022] (2c)所述探測信號經所述目標反射形成目標回波信號；
[0023] (2d)所述目標回波信號經過所述凸透鏡的折射被多個陣元接收。
[0024] (2)所述探測信號為線性調頻信號。
[0025] 本發明提出的多發多收合成孔徑雷達系統及其體制設計方法可以有效解決傳統 單發單收SAL體制中存在的距離向寬測繪帶和方位向高分辨率的矛盾問題，實現高分辨率 寬測繪帶SAL成像，該發明成果將拓展SAL成像的概念和內涵，為未來針對典型應用的高分 辨率寬測繪帶系統的提出和研制提供理論和方法基礎。
【附圖說明】
[0026] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0027] 圖1為本發明實施例提供的一種多發多收合成孔徑激光雷達系統的體制設計方 法流程示意圖；
[0028] 圖2為本發明實施例提供的方位向多發多收SAL模型示意圖；
[0029] 圖3為本發明實施例提供的單發單收SAL方位向波束示意圖；
[0030] 圖4為本發明實施例提供的多發多收SAL方位向波束示意圖；
[0031] 圖5為本發明實施例提供的多發多收SAL多普勒頻譜示意圖，橫坐標為多普勒頻 率fa (單位為赫茲（Hz)，縱坐標為幅度；
[0032] 圖6為本發明實施例提供的多發多收SAL數據合成示意圖；
[0033]圖7為本發明實施例提供的單發單收SAL體制的9個點目標成像的等高線圖，橫 坐標為方位單元，縱坐標為距離單元；
[0034]圖8為本發明實施例提供的單發單收SAL體制的9個點目標成像的方位脈壓剖面 圖，橫坐標為方位向距離，單位為米（m)，縱坐標為歸一化幅度，單位為分貝（dB);
[0035] 圖9為本發明實施例提供的多發多收SAL體制的9個點目標成像的等高線圖，橫 坐標為方位單元，縱坐標為距離單元；
[0036] 圖10為本發明實施例提供的多發多收SAL體制的9個點目標成像的方位脈壓剖 面圖，橫坐標為方位向距離，單位為米（m)，縱坐標為歸一化幅度，單位為分貝（dB);
[0037] 圖11為圖7中中間位置的點目標成像放大圖，橫坐標為方位單元，縱坐標為距離 單元；
[0038] 圖12為圖7中中間位置的點目標方位脈壓剖面圖，橫坐標為方位向距離，單位為 米（m)，縱坐標為歸一化幅度，單位為分貝（dB);
[0039] 圖13為圖7中中間位置的點目標距離脈壓剖面圖，橫坐標為距離向距離，單位為 米（m)，縱坐標為歸一化幅度，單位為分貝（dB)。
【具體實施方式】
[0040] 下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完 整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于 本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他 實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0041] 本發明實施例提供一種多發多收合成孔徑激光雷達系統，所述多發多收合成孔徑 激光雷達系統至少包括：一個凸透鏡，以及多個陣元，所述多個陣元在所述凸透鏡的焦平面 上沿方位向均勻放置，且所述陣元為多發多收陣元。
[0042] 當在所述凸透鏡的焦平面上沿方位向均勻放置N個陣元時，所述多發多收合成孔 徑激光雷達系統的方位向波束寬度為
，其中，d為陣元方位向長度，f為凸透 鏡的焦距。
[0043] 所述多發多收合成孔徑激光雷達系統的方位向分辨率為
，其中， 入為激光的波長。
[0044] 參照圖1，本發明具體的設計方法的流程如下：
[0045] 步驟1，在運動的載機上，設置一個凸透鏡，并在凸透鏡的焦平面上沿方位向均勻 放置N個陣元。
[0046] 所述陣元為多發多收陣元。
[0047] 參照圖2,圖2為方位向多發多收SAL模型示意圖。X軸表征方位向運動距離，Y軸 表征零多普勒線校準后的地距，Z軸表征陣元高度。0為坐標原點，0'為星下點。沿X軸方 向，分別放置3個陣元，Q、（： 2和(：3分別為3個多發多收陣元的中心，Cp (：2和(：3位于X軸 上，其中C2位于坐標原點0處。A為凸透鏡的光心。v為多發多收陣元的運動速度，方向為 X軸方向。P為地面上的點目標，P'為P點在零多普勒面00' P'上的投影點。橢圓區域 為波束覆蓋區。MP'為地面法線。a為第二個多發多收陣元（CJ的入射角，0為第三個 多發多收陣元（C2)的斜視角。
[0048] 其中，凸透鏡的焦距為f，在凸透鏡的焦平面上，沿航向（方位向）均勻放置N個多 發多收陣元，多發多收陣元的方位向長度為d。
[0049] 參照圖3所示單發單收SAL方位向波束示意圖。v是單發單收陣元沿方位向的運 動速度，d是單發單收陣元方位向的長度，f為凸透鏡的焦距，A 9 s為單發單收SAL的波束 散射角。P as是單發單收SAL系統的方位向分辨率，此時單發單收SAL系統的波束散射角 A 03可以由下式求得：
[0051] 在單發單收SAL系統中，方位向分辨率P as為：
[0053] A為激光的波長。
[0054] 此時單發單收SAL系統的脈沖重復頻率PRFj^要求為：
[0056] 其中，v是陣元沿方位向運動速度。
[0057] 在單發單收體制下，要提高方位向分辨率P as，勢必要減小透鏡的焦距f，也就是 減小透鏡的尺寸，并且提高系統的脈沖重復頻率PRFS。減小透鏡的尺寸會減少單發單收SAL 系統接收的回波能量，也就是減小圖像的信噪比，而增大脈沖重復頻率會使測繪帶寬變小。 而本發明技術方案采用的方位向多發多收的方式可以在不增加脈沖重復頻率的條件下提 高多發多收SAL系統方位向的分辨率。
[0058] 參照圖4所示多發多收SAL系統方位向波束示意圖。v是多發多收陣元沿方位向 的運動速度，