[發明專利]激光成像雷達目標回波信號模擬方法及模擬器

有效

• 申請號: 201810253301.3
• 申請日: 2018-03-26
• 公開（公告）號: CN108519590B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發明（設計）人: 李卓;高彥澤;王欣;楊蘇輝;李炎炎;時慶峰;周朗
• 申請（專利權）人: 北京理工大學
• 主分類號: G01S7/497
• 分類號: G01S7/497;G01S17/89
• 代理公司: 北京正陽理工知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 毛燕

1.激光成像雷達目標回波信號模擬方法，其特征在于：包括如下步驟，

步驟一：建立激光雷達探測場景的數字三維模型，生成激光回波信號延時矩陣；以視點和激光雷達接收光學系統的最遠面視場的中心點形成軸線，定義為Z坐標軸，視點位于坐標原點(0,0,0)，激光雷達接收光學系統的最遠面視場的中心點位于(0,0,D_max)，其中D_max表示激光雷達最遠探測距離，激光雷達接收光學系統的最遠面視場的含義是指在激光雷達最遠探測距離上，由激光雷達接收光學系統的角視場決定的矩形區域；激光雷達接收光學系統的角視場為α×β，其中α為X方向角視場，β為Y方向角視場，則激光雷達接收光學系統的最遠面視場在X方向和Y方向的寬度分別為：

激光雷達接收光學系統的最遠面視場的四個頂點坐標分別為：

P1：

P2：

P3：

P4：

激光雷達探測器的陣列規模為A列B行，即A×B，把激光雷達接收光學系統的最遠面視場在X方向等分為A-1份，在Y方向上等分為B-1份，則在激光雷達接收光學系統的最遠面視場所在的平面上由面視場邊線和分割線共形成A×B個格點，稱為視場采樣點；分別以視點為起點，A×B個視場采樣點為終點，建立A×B條線段，稱為距離采樣線段；當所建立的激光雷達探測場景的數字三維模型位于由視點和激光雷達接收光學系統的最遠面視場的四個頂點P1～P4所確定的四棱錐空間區域內時，部分距離采樣線段與激光雷達探測場景的數字三維模型將有至少一個交點，提取距視點最近的交點的空間坐標(x_i,j,y_i,j,z_i,j)，其中i,j為整數，并有i∈[1,A]，j∈[1,B]，根據公式(2)計算該交點對應的探測距離：

部分距離采樣線段與激光雷達探測場景的數字三維模型無交點，則對應的探測距離一律設置為最遠探測距離D_max；得到所有距離采樣線段對應的探測距離矩陣后，根據公式(3)計算對應的回波信號延時；

得到整個激光雷達探測場景的激光回波信號延時矩陣；

步驟一中所述的激光回波信號延時矩陣共有A列B行，共A×B個元素，每個元素表示一個激光回波信號相對于激光雷達發射激光脈沖的延時；

步驟二：對步驟一生成的激光回波信號延時矩陣進行分解，得到延時切片數據；提取延時矩陣中的最小值，稱為基礎延時t₀；以基礎延時t₀為起點，每隔固定延時增量Δt對激光回波信號延時矩陣進行切片，共做N次切片，即在激光回波信號延時矩陣中分別提取出延時值等于：

T_n＝t₀+(n-1)Δt，n＝1,2,···,N (4)

的點的矩陣坐標，稱為對應于延時切片T_n的延時關聯點坐標，記為(i,j)_Tn，i∈[1,A]，j∈[1,B]，即激光回波信號延時矩陣的第i列第j行的延時值為T_n；對應于延時切片T_n的延時關聯點個數最少為0個，最多為A×B個；

步驟三：根據步驟二生成的基礎延時t₀對初始激光脈沖進行基礎延時，通過光纖長度的不同組合實現對初始激光脈沖進行基礎延時，得到基礎延時激光脈沖；

步驟四：根據步驟二生成的延時切片數據，對步驟三得到的基礎延時激光脈沖進行分束，共分成N束，令每束子激光脈沖通過不同長度的光纖從而引入不同的延時，相鄰子激光脈沖的延時差值依次遞增固定延時增量Δt，得到以基礎延時t₀為起點，每隔固定延時增量Δt的一系列延時切片激光脈沖T_n＝t₀+(n-1)Δt，n＝1,2,···,N；

步驟五：把步驟四得到的一系列延時切片激光脈沖T_n＝t₀+(n-1)Δt，n＝1,2,···,N在空間上展寬為N條線激光脈沖，分別照亮空間光調制器的N行像元H₁,H₂,…,H_N，則空間光調制器的每一行受到光照的時刻是不同的，因此空間光調制器的每一行對應一個延時切片，對應關系為：再把空間光調制器M列像元L₁,L₂,…,L_M發出的光分別收集到M根光纖中，每根光纖對應一路激光回波信號通道，因此空間光調制器的每一列對應一路激光回波信號，對應關系為：根據步驟二中得到的對應于延時切片T_n的若干延時關聯點坐標(i,j)_Tn，i∈[1,A]，j∈[1,B]，把空間光調制器第m列第n行的像元狀態設置為開態，m,n,T_n,i,j之間有如下換算關系：

步驟五中所述的空間光調制器的陣列規模為M列N行，共M×N個像元，對于陣列規模為A×B的激光回波信號延時矩陣，有M＝A×B；當空間光調制器的像元狀態為開態時，光能夠通過空間光調制器，當空間光調制器的像元狀態為關態時，光不能通過空間光調制器；由于空間光調制器的每一行對應一個延時切片，每一列對應一路激光回波信號，因此當陣列坐標為(m,n)，m∈[1,M],n∈[1,N]的像元的狀態為開態時，延時為T_n＝t₀+(n-1)Δt的延時切片激光脈沖就進入了(i,j)_Tn，i∈[1,A]，j∈[1,B]對應的R_m激光回波通道；每一個延時切片對應若干個延時關聯點，因此每一個延時切片能夠對應多個激光回波，但每個延時關聯點只能位于一個延時切片上，因此每個激光回波只能對應一個延時切片，因此空間光調制器每一列上只能有一個像元為開態，每一行上處于開態的像元數量依據該行代表的延時切片關聯點個數，允許是多個；對于一幀激光回波信號延時矩陣，空間光調制器所有M×N個像元中只能有M個像元導通；

步驟六：通過線-面轉換的光纖傳像束實現M路空間一維線陣激光回波到A×B路空間二維面陣激光回波的空間變換；光纖傳像束的線陣輸入端第m路激光回波通道與光纖傳像束面陣輸出端陣列坐標為(i,j)的激光回波通道之間按公式m＝i+A(j-1)一一對應，其中，m∈[1,M]，i∈[1,A],j∈[1,B]；

步驟七：通過投影光學系統把步驟六所述的光纖傳像束的面陣輸出端面投影到激光雷達接收光學系統的入瞳處，完成二維激光回波信號的投送，實現以延時空間重構方法為基礎的激光成像雷達目標回波信號的模擬；

步驟七中所述的延時空間重構方法通過步驟三至步驟六實現。