基于逆合成孔径成像激光雷达的自旋小目标成像系统*

刘智超，杨进华

（1.长春理工大学光电工程学院，长春130000；2.长春理工大学光电信息学院，长春130000）

基于逆合成孔径成像激光雷达的自旋小目标成像系统*

刘智超1，2，杨进华1

（1.长春理工大学光电工程学院，长春130000；2.长春理工大学光电信息学院，长春130000）

为了获得毫米级自旋小目标的清晰成像，采用逆合成孔径成像激光雷达技术设计了基于距离向数据与方位向数据相融合的图像重建系统。系统采用大带宽、窄线宽光纤激光器配合调制器实现激光脉冲的线性调频，利用光外差原理对回波信号进行采集处理。结合自旋目标的运动特性，给出了含有自旋分量的回波信号函数方程，并将该分量引入传统的R-D算法中实现了对自旋目标的ISAIL二维图像的重建。实验采用毫米级铝条构成被测小目标，通过步进电机及带倾角的转台完成运动及自旋模拟。实验结果显示，当目标固定时，可通过回波能量数据获得一维距离向图像，与被测目标的4个特征点位置一致。当目标运动时，通过数据压缩并代入自旋参量，最后通过R-D算法可以获得可识别的ISAIL二维图像，验证了系统符合自旋小目标成像的设计要求。

逆合成孔径成像激光雷达，图像重建，自旋运动，小目标

0 引言

为了实现对远距离小目标毫米级的成像，激光雷达与合成孔径技术相结合的方法应运而生，这是从理论上完全可实现毫米级探测的技术手段［1］。激光雷达具有能量高、穿透力强（中外波段）、准直性好的特点，即使在远距离也可以在距离向上获取极高的分辨率，从而为获取高精度图像提供有效数据信息。合成孔径技术实现了在不同位置上获取更多的探测数据，而不同位置上的探测数据通过处理算法可以反演被测区域的二维信息。而逆合成孔径技术［2-5］是通过光源及探测器位置固定，对被测目标聚焦跟踪实现对目标等的二维成像［6］。

国内外对合成孔径激光雷达的研究越来越受到重视，其对航空航天的重要性不言而喻。美国空军研究实验室［7］最早采用CO2激光器与红外探测器相结合，完成了红外波段的数据合成。1994年，美国林肯实验室［8］成功开发了固体激光合成孔径雷达实验装置，采用1.06 um的Nd：YAG激光器，通过外差干涉的方式实现了合成孔径探测。日本电信部通信研究实验室［9］于1998年也采用CO2激光器验证了合成孔径激光雷达完成二维成像的可行性，还完成了一个一维合成孔径激光雷达系统，对一位数据进行合成计算。美国国家航空航天局［10］在2005年研制开发了全球第1台扫描式二维合成孔径激光雷达系统，并对漫散射目标成功成像，探测精度可达100 um以上。2010年，Casey J.Pellizzari等［11］人采用逆合成孔径激光雷达技术对在地球同步轨道上的卫星进行成像，并通过建立数学模型，提出二维傅里叶变换滤波算法等手段提高了系统的信噪比［12］。国内在该领域的研究起步较晚，大多科研院校的研究还主要集中在基本理论论证及基本原理验证阶段。本文的主要研究内容也是基于实验室平台完成的，研究方向主要针对小目标，例如空间垃圾、特殊重要目标的识别等。采用转台模型模拟目标的飞行及自旋过程，再通过分析重建图像方法及推导回波信号表达式的基础上，完成了对简单目标的二维ISAIL图像重建。

1 逆合成孔径成像激光雷达系统

整个系统由发射模块、接收模块和处理模块组成，结构如图1所示。发射模块由CPU控制声光调制器将窄带宽激光调制成脉冲光，再利用电光调制器获得大带宽的线性调频信号。该激光脉冲被分束器1分为两束，一束为探测光源照射被测目标（被测目标是已知尺寸的金属细铝条，其放置在固定倾斜角度的匀速旋转平台上。），另一束为参考光。当被测目标的漫反射光被接收模块的光学天线收集准直后，与参考光相干，形成外差干涉信号，由光电探测器采集。最终，处理模块将光电探测器获取的相干信号进行滤波、放大等处理，由R-D算法完成距离向数据与方位向数据的图像融合，从而重建ISAIL二维图像。ISAIL图像是由外差信号获取的，实际上是通过R-D算法对一维回波强度数据进行二维重建，故图像中不同维对应的分辨率由不同求解方式所决定。对于距离向而言，其距离向分辨率ρr可表示为：

图1 逆合成孔径激光成像雷达系统示意图

式中c为光速，B为激光信号的带宽。由式（1）可知，要想获得较清晰的图像，必须提高调频带宽，经计算可知，目标细铝条宽度为毫米级，则系统带宽应为15 GHz以上才能有效分辨。方位向的图像分辨能力则取决于多普勒效应，当系统固定不动，被测物飞过被测区域时，可以表示为视场范围内视角变化的累加。当被测物飞行轨迹为直线时，对激光信号的线性调频就可以实现对多普勒变化的计算。假设飞行物基本保持匀速运动，则多普勒为常数，通过傅氏变换对回波信号作相干处理完成脉冲压缩可以有效地集中回波信号的能量，达到远距离探测的目的。由此可见，方位向分辨率ρa可表示为

2 自旋目标的参数特性

自旋目标的运动过程如下页图2所示，s（n）表示被测目标上散射点pi行进的轨迹，R（n，p0）表示自旋目标轴心点与系统的距离，R（n，pi）表示自旋目标任意散射点pi与系统的距离。设线性调频的激光脉冲信号为：

图2 自旋目标运动示意图

式中，fc为载频，和n分别为快时间和慢时间（全时间t=+nT），β为调频率。

则任意散射点pi对应的回波可表示为：

式中，σ表示pi点上对应的散射强度。

将R（n，pi）在轴心点作泰勒展开，而s（n）又可以看作是pi相对p0的运动矢量。故当目标仅作水平运动时，s（n）为常向量v；而当目标自旋时，s（n）=v+ ω，其中v为常向量，ω为自旋向量。则回波信号表达式可化简为：

由此可知，该表达式中的3项依次是距离向、多普勒项及剩余时频相位以及自旋分量。相比无自旋的固定轨迹飞行目标而言，带自旋的目标多包含一个自旋相位量，即式（5）中的最后一项乘式。到此已经通过计算推导获得了自旋分量引入的相位变化量，只要将该项参数导入ISAIL图像重建程序即可提高图像重建质量。

3 ISAIL图像重建

3.1实验条件

系统采用OLW公司ES系列的1 550 nm光纤激光器作为光源，利用CETC公司TSGMN-5Q型声光调制器和KG-PM1550型电光调制器实现激光信号的线性调频，调制带宽为20 GHz。探测器选用美国Picometrix公司P-18A型PIN光电探测器。被测目标为金属铝条（尺寸为13 mm×1 mm，平行放置，铝条间距分别为1 mm、2 mm、3 mm，如下页图5（a）所示），该目标被固定具有一定倾角的转台上，以步进电机驱动实现匀速旋转，从而模拟目标的自旋运动。

3.2实验结果

对被测目标进行距离向成像，通过距离向能量分布变化得到其回波数据的一维距离向图像，如图3所示。

图3被测目标的一维距离向图像

图3 中横坐标为采样点，纵坐标为振幅值归一化系数，可以看出当目标固定不动时，由于到系统的距离不同而使其回波能量具有不同的分布效果，其反映了真实目标的位置及距离信息。为了得到ISAIL二维图像，需要对距离向数据进行数据压缩，采用MATLAB仿真软件完成距离向压缩，压缩结果如图4所示。

图4 被测目标数据压缩图

3.3仿真重建

在对距离向数据完成数据压缩处理后，就可以与方位向数据进行融合处理了，方位向数据的获取由多普勒频移计算获得，其中，转台模型中的平动补偿可采用包络对齐以及初相校正的方法。最后将距离向数据与方位向数据相融合，利用R-D算法完成ISAIL二维图像的重建，仿真效果如下页图5（b）所示，图5（a）为目标实物图。

由仿真图可见，系统可以实现对被测目标的ISAIL二维图像重构，其尺寸、位置分布与真实目标相近，实现了毫米级逆合成和孔径激光雷达成像。仿真图中，重建目标的两侧信号较强，而中间较弱与原始目标有一定差异，在改变被测目标实际长度的实验中发现这种现象有所改善，造成此现象是因为重建图像算法的平动补偿是基于原点范围内的重构，所以当目标在x、y轴方向上尺寸不一致时会出现图像回填效果不均匀的问题，可以在后续处理算法中改进。

图5 被测目标ISAIL重建图

4 结论

本文设计了一种基于逆合成孔径成像激光雷达的自旋小目标的成像系统。利用激光器及调制器获得大带宽的线性调频范围，从而实现ISAIL图像重建过程中距离向的高分辨率，在采用数据压缩、自旋参量引入、平动补偿、R-D算法等完成距离向数据与方位向数据的融合，从而实现了目标的ISAIL二维图像重构。实验获得了被测小目标的一维距离向图像。在推导了自旋运动引入的函数表达式的基础上，利用MATLAB软件完成了自旋目标的ISAIL二维图像的重建。

［1］张云，吴谨，唐永新.合成孔径成像激光雷达［J］.激光与光电子学进展，2005，42（7）：48-50.

［2］刘智超，杨进华，王晨阳，等.基于聚束逆合成孔径激光成像雷达组的三维目标重构的研究［J］.光子学报，2013，8（24）：95-99.

［3］LEWIS T S，HUTCHINS H S.A synthetic aperture at optical frequencies［J］.Proc.IEEE，2012，58（1）：587-588.

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［5］郭亮，邢孟道，梁毅，等.合成孔径成像激光雷达成像算法研究［J］.光子学报，2009，38（2）：448-452.

［6］张文睿，曾晓东，满祥坤.激光外差实验研究［J］.红外与激光工程，2008，37（2）：146-147.

［7］DEMPSTER A P，LAIRD N M，RUBIN D B.Maximum likelihood from incomplete data via the EM algorithm［J］.Journal of the Royal Statistical Society Series B，1977，39（1）：2-20.

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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

国家自然科学基金（60637010）；吉林省教育厅“十二五”科学技术研究规划基金资助项目

刘智超（1984-），男，山西太原人，博士，讲师。研究方向：激光成像、机器视觉等。