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无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法及装置

文档序号：1446344 发布日期：2020-02-18 浏览：4次 >En<

阅读说明：本技术 无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法及装置 (Non-scanning linear frequency modulation continuous wave speed and distance measuring laser three-dimensional imaging method and device ) 是由 职亚楠 孙建锋 潘卫清 戴恩文 于 2020-01-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法及装置,雷达平台的线性调频连续激光光源产生的输出光束分为本振光束和信号光束；将信号光束发射至目标并接收目标的回波光束,将回波光束和本振光束通过空间光学桥接器进行相干光混频,利用平衡探测器进行并行平衡接收,获得中频信号,然后采用双通道焦平面读出电路读出中频信号,经滤波处理和采样处理得到采样数据,再使用现场可编程门阵列对采样数据进行处理,实现目标距离和速度的并行同步测量,最后结合图像处理器分别构建三维图像。本发明不仅能获得包含远距离目标灰度信息和空间三维几何位置关系的距离-强度像,还能同时获得雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向。(The invention discloses a non-scanning linear frequency modulation continuous wave speed and distance measuring laser three-dimensional imaging method and a device, wherein an output light beam generated by a linear frequency modulation continuous laser light source of a radar platform is divided into a local oscillator light beam and a signal light beam; the method comprises the steps of transmitting a signal beam to a target and receiving an echo beam of the target, carrying out coherent light mixing on the echo beam and a local oscillator beam through a space optical bridge, carrying out parallel balanced receiving by using a balanced detector to obtain an intermediate frequency signal, reading the intermediate frequency signal by using a dual-channel focal plane readout circuit, carrying out filtering processing and sampling processing to obtain sampling data, processing the sampling data by using a field programmable gate array to realize parallel synchronous measurement of the distance and the speed of the target, and finally combining an image processor to respectively construct a three-dimensional image. The method can obtain the distance-intensity image containing the gray scale information of the remote target and the spatial three-dimensional geometric position relation, and can also obtain the magnitude and the direction of the radial speed of the relative motion of the radar platform and the target.)

无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法及装置

技术领域

本发明涉及激光雷达技术领域，特别涉及一种无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法及装置。

背景技术

激光三维成像雷达是一种可以精确、快速获取目标三维空间信息的主动探测技术，具有成像空间分辨率髙，对目标特性及使用环境适应性强，在目标的识别、分类和高精度三维成像及测量方面有着独特的技术优势，是机动平台（包括车载、机载和星载等）快速获取高分辨率三维目标图像信息的重要手段。

按成像方式划分，三维成像激光雷达可分为扫描式与无扫描式。扫描式三维成像激光雷达是利用单元或线阵探测器，利用二维逐点扫描或一维逐线扫描，获取视场内各点的高度信息，最终合成处理。扫描式激光成像雷达存在着成像速率慢、激光器工作频率高、发射功耗大、成像分辨率和精度低、数据拼接精度低等缺点。当加载于机动平台上时，平台的振动或抖动容易造成数据拼接困难，严重影响测量精度，所以扫描式激光三维成像雷达不适于高精度的机动平台三维成像应用。无扫描式激光三维成像雷达具有成像速度快、高帧频、高分辨率等优点，同时克服了扫描式体积大、质量重、可靠性差的缺点，在实时性和体积要求较高的空间目标相对导航应用中起着至关重要的作用。

按探测体制划分，无扫描激光三维成像雷达通常采用非相干光直接探测和相干光外差接收探测两种方式。非相干直接探测方式就是在发射终端采用脉冲激光强度调制，接收端采用光电探测阵列进行光脉冲的直接探测，常见的主要有基于线性模式雪崩光电二极管（LM-APD）阵列的闪光式、基于盖革模式雪崩光电二极管（GM-APD）阵列的光子计数式和基于线性调幅连续波的混频阵列探测式。上世纪90年代后期，美国麻省理工学院的林肯实验室在美国DARPA与空军实验室支持下率先开展基于GM-APD阵列的激光三维成像雷达研究，2002年至今，先后报道了像元数分别为4×4、32×32、128×32和256×256的 GM-APD 焦平面阵列器件的研制，同时开发了数代机载激光三维成像雷达系统。2007年美国陆军实验室研发了基于线性调幅连续波的混频阵列探测激光三维成像雷达FOPEN，采用1550nm的连续输出的激光二极管，采用直接数字合成器（DDS）实现强度调制，采用640×512 像元阵列EBAPS探测器作为信号接收端，视场角35°×35°，测距精度小于3cm。非相干直接探测方式虽然成像速度快，不需要复杂的扫描机构，具备闪光三维成像的能力，但同时也要求将系统接收的激光回波功率平均分布到每个探测像元上，在相同的激光发射总功率和接收口径下，探测像元越多，分散到每个像元上的回波功率就越小，因此面阵成像系统的探测灵敏度普遍较低，一般仅适用于较近距离的三维成像探测。尽管单光子探测技术逐渐成熟，探测灵敏度越来越高，但是器件成本太高。

相干外差探测方式采用本振激光与回波光束激光在光电探测器进行外差技术，可以自然抑制背景噪声，提高信噪比，具有代表性的就是线性调频连续波相干激光雷达。2012年，Brian W. Krause采用高速CCD面阵接收，通过运动补偿实现了无扫描的室内1米距离的线性调频连续波相干三维成像。但是相干探测技术应用于远距离目标无扫描三维成像至今还未见报道。此外，目前所有的无扫描式激光三维成像雷达，包括鉴相式、偏振调制式、增益调制式和条纹管探测器式等都无法实现对目标速度的直接测量。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法及装置。本发明不仅能获得包含远距离目标灰度信息和空间三维几何位置关系的距离-强度像，还能同时获得雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，具有体积小、质量轻、高分辨率、高精度和对动态目标无失真三维成像的优点。

本发明的技术方案：无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法，雷达平台的线性调频连续激光光源产生的输出光束经分束器分为本振光束和信号光束；将信号光束发射至目标并接收目标的回波光束，将回波光束和本振光束通过空间光学桥接器进行相干光混频，利用双通道焦平面阵列平衡探测器进行并行平衡接收，获得包含目标距离和速度信息的中频信号，然后采用双通道焦平面读出电路读出中频信号，对中频信号进行滤波处理和采样处理得到采样数据，再使用现场可编程门阵列对采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理，实现目标距离和速度的并行同步测量，最后结合图像处理器分别构建距离-强度三维点云图像和距离-速度三维点云图像。

上述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法，所述的实现目标距离和速度的同步测量，具体是双通道焦平面阵列平衡探测器输出的同相信号和正交信号分别进行傅里叶变换，再进行互谱处理获取多普勒频谱，然后取其虚部，再利用重心法提取多普勒频谱中峰值的位置和正负，得到雷达平台和目标相对运动产生的多普勒频移，然后由多普勒频移得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向以及目标距离。

前述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法，所述线性调频连续激光光源产生的输出光束为频率线性调制的连续相干激光，采用对称三角波线性调制，调制信号的频率随时间成对称三角形变化，在一个周期内，前半部分为正向调频，后半部分为负向调频，光场表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE002

，

其中，

Figure DEST_PATH_IMAGE004

是时间，

Figure DEST_PATH_IMAGE006

是振幅，

Figure DEST_PATH_IMAGE008

为调频周期，

Figure DEST_PATH_IMAGE010

为调频初始频率，为调频速率，为调频带宽，

Figure DEST_PATH_IMAGE016

为第

Figure DEST_PATH_IMAGE018

个发射激光调频脉冲上升段的初始位相，为第个发射激光调频脉冲下降段的初始位相；

经过1×2分束器分束，小部分能量作为本振光束，本振光束为时间延迟

Figure DEST_PATH_IMAGE023

的线性调频信号，光场表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE025

，

其中，是本振光束振幅，

Figure DEST_PATH_IMAGE029

是本振光束的噪声位相；

大部分能量作为信号光束，通过空间光学环形器和光学望远镜发射至目标，并由光学望远镜接收目标的回波光束；经过空间光学环形器后，回波光束为在目标平面上第

Figure DEST_PATH_IMAGE031

个散射目标

Figure DEST_PATH_IMAGE033

的时间延迟

Figure DEST_PATH_IMAGE035

的线性调频信号；

在雷达-目标的坐标系

Figure DEST_PATH_IMAGE037

中，

Figure DEST_PATH_IMAGE039

的坐标为

Figure DEST_PATH_IMAGE041

，

则雷达与目标

Figure 592094DEST_PATH_IMAGE033

间距离

Figure DEST_PATH_IMAGE043

表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE045

，

对于远距离探测，

Figure DEST_PATH_IMAGE047

，

Figure DEST_PATH_IMAGE049

，因此；

目标回波光束的时间延迟

Figure DEST_PATH_IMAGE055

表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE057

，

其中，

Figure DEST_PATH_IMAGE059

是光速，

Figure DEST_PATH_IMAGE061

是雷达平台与目标

Figure DEST_PATH_IMAGE063

相对运动径向速度，

Figure DEST_PATH_IMAGE065

是雷达平台与目标相对运动径向速度引起的多普勒频移，

通过得到的时间延迟，在目标平面上第

Figure DEST_PATH_IMAGE071

个散射目标

Figure DEST_PATH_IMAGE073

的回波光束的光场表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE075

，

其中，

Figure DEST_PATH_IMAGE077

是回波光束振幅，

Figure DEST_PATH_IMAGE079

是回波光束的噪声位相。

前述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法，所述目标平面上第

Figure DEST_PATH_IMAGE081

个散射目标

Figure DEST_PATH_IMAGE083

的回波光束和本振光束经过2×4 90º空间光学桥接器合束后的光场表示为：

，

经过2×4 90º空间光学桥接器混频后的四路输出分别为：

Figure DEST_PATH_IMAGE087

，

Figure DEST_PATH_IMAGE089

，

其中，是混频噪声位相，

Figure DEST_PATH_IMAGE093

是和回波光束有关的直流量；

Figure DEST_PATH_IMAGE095

是和本振光束有关的直流量，

Figure DEST_PATH_IMAGE097

是光学外差接收方向性函数；

空间光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别被2×M×N单元双通道焦平面阵列平衡探测器接收，获得目标平面M×N个点的包含目标

Figure 346030DEST_PATH_IMAGE063

距离和速度信息的中频信号；所述的中频信号为2×M×N单元双通道焦平面阵列平衡探测器两通道输出的同相信号和正交信号，分别为：

Figure DEST_PATH_IMAGE099

，

Figure DEST_PATH_IMAGE101

，

其中

Figure DEST_PATH_IMAGE103

是双通道焦平面阵列平衡探测器中接收同相信号通道的光电探测单元

Figure DEST_PATH_IMAGE105

的响应率，

Figure DEST_PATH_IMAGE107

是双通道焦平面阵列平衡探测器中接收正交信号通道的光电探测单元

Figure DEST_PATH_IMAGE109

的响应率，

Figure DEST_PATH_IMAGE111

和

Figure DEST_PATH_IMAGE113

分别是同相信号和正交信号的噪声位相；

将同相信号和正交信号的振幅进行简化：

Figure DEST_PATH_IMAGE115

,

双通道焦平面阵列平衡探测器中输出的同相信号和正交信号简化为：

，

Figure DEST_PATH_IMAGE119

；

同相信号通道和正交信号通道光电探测单元的输出分别经过双通道焦平面读出电路读出中频信号，对中频信号进行带通滤波器滤波处理后，随后经高速模数转换器完成模数转换，再由现场可编程门阵列采集，分别进行多普勒频移测量和距离测量：

具体地，首先，两通道数据分别进行快速傅里叶变换，同相信号通道傅里叶变换表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE121

，

正交信号通道傅里叶变换表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE123

，

两通道进行互谱处理：

Figure DEST_PATH_IMAGE125

，

最后仅取虚部得到

Figure DEST_PATH_IMAGE127

，

通过重心法提取频谱峰值位置和正负，分别得到正向调频和负向调频过程中的频率值

Figure DEST_PATH_IMAGE129

：

Figure DEST_PATH_IMAGE131

，

由上式可以得到：

Figure DEST_PATH_IMAGE133

，

上式中，

Figure DEST_PATH_IMAGE135

是正向调频过程中的频率值，

Figure DEST_PATH_IMAGE137

是负向调频过程中的频率值；由于多普勒频移大小和雷达平台与目标相对运动的径向速度大小成正比，多普勒频移正负和雷达平台与目标相对运动的径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；

因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标

Figure DEST_PATH_IMAGE138

相对运动径向速度的大小和方向，表示为

Figure DEST_PATH_IMAGE140

，

其中

Figure DEST_PATH_IMAGE142

是输出光束波长；

由上式得到目标平面上第

Figure DEST_PATH_IMAGE144

个散射目标

Figure DEST_PATH_IMAGE146

的距离

Figure DEST_PATH_IMAGE148

：

Figure DEST_PATH_IMAGE150

。

前述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法，目标平面上第

Figure DEST_PATH_IMAGE152

个散射目标

Figure DEST_PATH_IMAGE154

的回波光束偏角为

Figure DEST_PATH_IMAGE156

，则光学外差接收方向性函数

Figure DEST_PATH_IMAGE158

为：

Figure DEST_PATH_IMAGE160

，

其中，

Figure DEST_PATH_IMAGE162

为一阶贝塞尔函数，为光学望远镜的放大倍数，是光电探测单元的直径，因此接收视场角表示为：

，M×N为双通道焦平面阵列平衡探测器单个通道像元数；

距离分辨率表示为：

，

其中，

Figure DEST_PATH_IMAGE172

是光速，

Figure DEST_PATH_IMAGE174

是线性调频带宽；

速度分辨率表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE176

，

其中，为调频周期，为调频初始频率，

Figure DEST_PATH_IMAGE182

为调频初始波长，

Figure DEST_PATH_IMAGE184

为调频速率。

前述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法，所述的图像处理器通过预设好的目标的采样范围和采样间隔，利用相干探测获取每一个目标釆样点处的探测强度，通过强度与目标探测的关系反推出被测目标的灰度信息，得到目标点的灰度图像，同时测量目标釆样点处激光调频脉冲往返飞行时间和探测像元对应的二维空间位置，得到目标点的三维距离像，再由目标点灰度图像和三维距离像，重构目标的距离-强度三维点云图像，不同点云颜色代表不同的距离，最后通过图像显示器显示出来。

前述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法，所述的图像处理器通过预设好的目标的采样范围和采样间隔，利用相干探测获取每一个目标釆样点处的速度大小和方向，结合目标点的三维距离像，重构目标的距离-速度三维点云图像。

实现如前述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法，的装置，其特征在于：包括线性调频连续激光光源，所述线性调频连续激光光源经分束器连接有空间光学环形器；

所述空间光学环形器的输出端连接有光学望远镜；所述空间光学环形器和分束器一同连有空间光学桥接器；所述空间光学桥接器经双通道焦平面阵列平衡探测器连接有双通道焦平面读出电路，双通道焦平面读出电路依次连接有带通滤波器和模数转换器，模数转换器经现场可编程门阵列连接有图像处理器，图像处理器还连接有图像显示器。

前述的装置，所述分束器与空间光学环形器之间还设有激光放大器。

与现有技术相比，本发明通过将线性调频连续激光光源产生的输出光束经分束器分为本振光束和信号光束；将信号光束发射至目标并接收目标的回波光束，将回波光束和本振光束通过空间光学桥接器进行相干光混频，利用双通道焦平面阵列平衡探测器进行并行平衡接收，获得包含目标距离和速度信息的中频信号，采用双通道焦平面读出电路读出中频信号，经滤波处理和采样处理得到采样数据，再使用现场可编程门阵列对采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理，实现目标距离和速度的并行同步测量，再结合图像处理器分别构建距离-强度三维点云图像和距离-速度三维点云图像。由此本发明通过将相干探测技术与阵列探测技术相结合，从而可以用于对远距离目标无扫描成像，不仅能获得包含远距离目标灰度信息和空间三维几何位置关系的距离-强度像，还能同时获得雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向；此外，本发明还通过空间光学环形器和光学望远镜实现了收发同轴，有利于集成小型化，降低了系统的复杂性；本发明不需要复杂的扫描机构即能达到三维成像的目的，在体积小、结构简单的前提下，还具有高分辨率、高精度和不失真成像的优点，比现有的无扫描三维成像技术具有更低的成本，因此本发明具有良好的发展前景。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明对称三角线性调制波形示意图。

图3是本发明雷达-目标的坐标系示意图。

图4是本发明2×4 90º空间光学桥接器示意图。

图5是本发明双通道焦平面阵列平衡探测器示意图。

图6给出实施例20米距离测得的运动人体距离-强度三维点云图像和距离-速度三维点云图像。

附图中的标记为：1、线性调频连续激光光源；2、分束器；3、激光放大器；4、空间光学环形器；5、光学望远镜；6、空间光学桥接器；7、双通道焦平面阵列平衡探测器；8、双通道焦平面读出电路；9、带通滤波器；10、模数转换器；11、现场可编程门阵列；12、图像处理器；13、图像显示器；171、偏振分束棱镜；172、全反射镜；173、第一半波片；174、第二半波片；175、第三半波片；176、四分之一波片；177、第一偏振分束组合棱镜；178、第二偏振分束组合棱镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例：无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法的装置，如图1所示，包括线性调频连续激光光源1，激光光源1采用人眼安全的1550nm单模窄线宽连续光纤激光器，激光器线宽10kHz，输出功率为20mW，光纤输出有隔离保护，将调频信号发生器产生的调频信号和基频信号发生器产生的基频信号进行混频，得到混频信号，将混频信号作为光纤相位调制器的驱动信号，驱动光纤相位调制器产生调频激光信号，并通过光学滤波器抑制谐波、保留所需阶次的调频激光信号, 调频带宽5GHz，调频速率5THz/s，采用对称三角波线性调制，调制信号的频率随时间成对称三角形变化，在一个周期内，前半部分为正向调频，后半部分为负向调频，图2给出对称三角线性调制波形示意图，发射激光光场表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE185

，

其中，

Figure DEST_PATH_IMAGE186

是时间，

Figure DEST_PATH_IMAGE187

是振幅，

Figure DEST_PATH_IMAGE188

为调频周期，为调频初始频率，

Figure DEST_PATH_IMAGE190

为调频速率，为调频带宽，

Figure DEST_PATH_IMAGE192

为第

Figure DEST_PATH_IMAGE193

个发射激光调频脉冲上升段的初始位相，

Figure DEST_PATH_IMAGE194

为第

Figure 777230DEST_PATH_IMAGE193

个发射激光调频脉冲下降段的初始位相；

输出激光首先经过在线起偏/控制器，确保偏振消光比大于25dB，并且偏振方向可以控制旋转；然后偏振光通过1×2光纤偏振分束器2，出射两路光的偏振态分别为水平偏振和垂直偏振。通过调整在线起偏/控制器改变出射偏振方向，保证1×2光纤偏振分束器输出两路光强度为1:99。本发明将水平偏振光支路作为信号光束，垂直偏振光支路作为本振光束；

本振光束为时间延迟

Figure DEST_PATH_IMAGE195

的线性调频信号，光场表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE196

，

其中，

Figure DEST_PATH_IMAGE197

是本振光束振幅，

Figure DEST_PATH_IMAGE198

是本振光束的噪声位相；

信号光束首先经过掺铒光纤放大器放大，发射功率5W，经过光纤准直发射器进入空间光学环形器4，光学环形器4由偏振分束棱镜、法拉第旋光器和半波片组成，法拉第旋光器将水平偏振光的偏振态旋转45º，半波片的慢轴与入射偏振态成22.5º，能够将发射光的偏振态旋转90º，而接收光偏振态均保持不变。水平偏振发射光经过法拉第旋光器和半波片，偏振态变为垂直偏振。然后再经过10倍的发射/接收光学望远镜5发射出去，对目标进行照射。通过发射/接收光学望远镜5接收的目标回波光束为在目标平面上第

Figure DEST_PATH_IMAGE199

个散射目标

Figure DEST_PATH_IMAGE200

的时间延迟

Figure DEST_PATH_IMAGE201

的线性调频信号；

如图3所示，在雷达-目标的坐标系

Figure DEST_PATH_IMAGE202

中，

Figure DEST_PATH_IMAGE203

的坐标为

Figure DEST_PATH_IMAGE204

，

则雷达与目标间距离

Figure DEST_PATH_IMAGE205

表示为：

，

对于远距离探测，

Figure DEST_PATH_IMAGE207

，

Figure DEST_PATH_IMAGE208

，因此；

目标

Figure DEST_PATH_IMAGE210

回波光束的时间延迟表示为：

Figure 577751DEST_PATH_IMAGE057

，

其中，

Figure 94183DEST_PATH_IMAGE059

是光速，

Figure 810466DEST_PATH_IMAGE061

是雷达平台与目标

Figure DEST_PATH_IMAGE211

相对运动径向速度，

Figure 146769DEST_PATH_IMAGE065

是雷达平台与目标

Figure 606701DEST_PATH_IMAGE067

相对运动径向速度引起的多普勒频移，

通过得到的时间延迟

Figure 977639DEST_PATH_IMAGE069

，在目标平面上第

Figure 628938DEST_PATH_IMAGE071

个散射目标

Figure 452538DEST_PATH_IMAGE073

的回波光束的光场表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE212

，

其中，

Figure DEST_PATH_IMAGE213

是回波光束振幅，

Figure 981739DEST_PATH_IMAGE079

是回波光束的噪声位相。

所述目标平面上第

Figure 82550DEST_PATH_IMAGE081

个散射目标

Figure DEST_PATH_IMAGE214

的回波光束和本振光束经过2×4 90º空间光学桥接器6合束后的光场表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE215

，

所述的空间光学桥接器结构如图4所示，采用自由空间结构2×4 90º光学桥接器，2×490º光学桥接器的通光口径为32mm×32mm，由由偏振分束棱镜171、全反射镜172、第一半波片173、第二半波片174、第三半波片175、四分之一波片176、第一偏振分束组合棱镜177和第二偏振分束组合棱镜178组成，回波光束和本振光束经过2×4 90º空间光学桥接器正交相干接收，2×4 90º空间光学桥接器混频后的四路输出分别为：

Figure DEST_PATH_IMAGE216

，

Figure DEST_PATH_IMAGE217

，

其中，

Figure 904750DEST_PATH_IMAGE091

是混频噪声位相，

Figure 356592DEST_PATH_IMAGE093

是和回波光束有关的直流量；

Figure DEST_PATH_IMAGE218

是和本振光束有关的直流量，是光学外差接收方向性函数；

因此，来自目标平面上第

Figure DEST_PATH_IMAGE221

个散射目标

Figure DEST_PATH_IMAGE223

的信号分成了具有正交特性的同相信号和正交信号，如图5所示，空间光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别被2×M×N单元双通道焦平面阵列平衡探测器7中的Dn-和Dn+接收，得目标平面M×N个点的包含目标距离和速度信息的中频信号；其中2×M×N单元双通道焦平面阵列平衡探测器的总像元数为2×256×256，每个通道像元数256×256，每个像元都是InGaAs器件，像元尺寸0.1mm，间距0.125mm，占空比0.8，每个通道光敏面尺寸32mm×32mm，在两个通道光敏面对应位置采用两个特性完全接近的光电二极管进行光电转换，后端使用的是差分放大器，将两路差分后，放大差模信号，抑制共模噪声；所述的中频信号为2×M×N单元双通道焦平面阵列平衡探测器7输出的同相信号和正交信号，分别为：

Figure DEST_PATH_IMAGE224

，

Figure DEST_PATH_IMAGE225

，

其中

Figure 346599DEST_PATH_IMAGE103

是双通道焦平面阵列平衡探测器中接收同相信号通道的光电探测单元

Figure 231378DEST_PATH_IMAGE105

的响应率，

Figure 904936DEST_PATH_IMAGE107

是双通道焦平面阵列平衡探测器中接收正交信号通道的光电探测单元

Figure 634995DEST_PATH_IMAGE109

的响应率，

Figure 444819DEST_PATH_IMAGE111

和

Figure DEST_PATH_IMAGE226

分别是同相信号和正交信号的噪声位相；

将同相信号和正交信号的振幅进行简化（即

Figure DEST_PATH_IMAGE228

、

Figure DEST_PATH_IMAGE230

分别用

Figure DEST_PATH_IMAGE232

和

Figure DEST_PATH_IMAGE234

代替）：

Figure DEST_PATH_IMAGE235

,

则双通道焦平面阵列平衡探测器7输出的同相信号和正交信号简化为：

，

Figure 527534DEST_PATH_IMAGE119

；

同相信号通道和正交信号通道光电探测单元的输出分别经过双通道焦平面读出电路读出中频信号，对中频信号进行带通滤波器滤波处理后，随后经高速模数转换器完成模数转换，再由现场可编程门阵列采集，分别进行多普勒频移测量和距离测量：

首先，两通道数据分别进行快速傅里叶变换，同相信号通道傅里叶变换表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE236

，

正交信号通道傅里叶变换表示为：

Figure DEST_PATH_IMAGE237

，

两通道进行互谱处理：

Figure DEST_PATH_IMAGE238

，

最后仅取虚部得到

Figure DEST_PATH_IMAGE239

，

通过重心法提取频谱峰值位置和正负，分别得到正向调频和负向调频过程中的频率值

Figure 936650DEST_PATH_IMAGE129

：

，

由上式可以得到：

Figure 99516DEST_PATH_IMAGE133

，

其中

Figure DEST_PATH_IMAGE242

为正向调频过程中频率值，

Figure DEST_PATH_IMAGE244

为负向调频过程中的频率值；由于多普勒频移大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比，多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关，正频移代表雷达平台与目标相向运动，负频移代表雷达平台与目标相背运动；

因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，表示为

Figure DEST_PATH_IMAGE246

，

其中

Figure 201464DEST_PATH_IMAGE142

是输出光束波长；

由上式得到目标平面上第

Figure DEST_PATH_IMAGE247

个散射目标

Figure 318456DEST_PATH_IMAGE146

的距离

Figure 655896DEST_PATH_IMAGE148

：

Figure DEST_PATH_IMAGE248

。

目标平面上第

Figure 735585DEST_PATH_IMAGE152

个散射目标

Figure 477276DEST_PATH_IMAGE154

的回波光束偏角为，则光学外差接收方向性函数为：

Figure DEST_PATH_IMAGE250

，

其中，

Figure 753854DEST_PATH_IMAGE162

为一阶贝塞尔函数，

Figure 658356DEST_PATH_IMAGE164

为光学望远镜的放大倍数，

Figure 695582DEST_PATH_IMAGE166

是光电探测单元的直径，因此接收视场角表示为：

Figure 646221DEST_PATH_IMAGE168

，

M×N为双通道焦平面阵列平衡探测器单个通道像元数；M为256，N为256；

本实施例中的接收视场角为55.5º×55.5º；

距离分辨率表示为：

，

其中，

Figure 964944DEST_PATH_IMAGE172

是光速，

Figure 989532DEST_PATH_IMAGE174

是线性调频带宽；

本实施例中的距离分辨率3cm；

速度分辨率表示为：

Figure 463239DEST_PATH_IMAGE176

，

其中，

Figure 307698DEST_PATH_IMAGE178

为调频周期，为调频初始频率，

Figure 466464DEST_PATH_IMAGE182

为调频初始波长，

Figure 720859DEST_PATH_IMAGE184

为调频速率。

本实施例中的速度分辨率0.775mm/s。

在对目标距离和速度的并行同步测量后，结合图像处理器分别构建距离-强度三维点云图像和距离-速度三维点云图像，图像处理器一方面通过预先设计好的被测目标的采样范围和采样间隔，利用上述相干探测获取每一个目标釆样点处的探测强度，通过强度与目标探测的关系反推出被测目标的灰度信息，同时测量釆样点处激光调频脉冲往返飞行时间和探测像元对应的二维空间位置，得到目标点的三维距离像；再由目标点灰度图像和距离像，重构目标的距离-强度三维点云图像，不同点云颜色代表不同的距离，通过图像显示器显示出来；另一方面，利用上述相干探测获取每一个目标釆样点处的速度大小和方向，结合目标点的距离像，重构目标的距离-速度三维点云图像，点云的颜色只采用红色和蓝色，红色代表雷达平台与目标相向运动，蓝色代表雷达平台与目标相背运动，颜色的深浅代表速度大小，通过图像显示器显示出来。图6为本实施例20米距离测得的运动人体距离-强度三维点云图像和距离-速度三维点云图像，从图6中可以看出，本发明的三维成像图具有高分辨率和高精度的特点，而且动态目标图像无失真现象。本发明不仅能获得包含远距离目标灰度信息和空间三维几何位置关系的距离-强度像，还能同时获得雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向，具有体积小、质量轻、高分辨率、高精度和对动态目标无失真三维成像等优点。

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