双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达的制作方法
【专利摘要】一种双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达，包括连续激光光源、发射偏振分束器、左臂后置空间相位变换器、左臂孔径光阑、左臂前置空间相位变换器、右臂后置空间相位变换器、右臂孔径光阑、右臂前置空间相位变换器、发射偏振合束器、发射主镜、接收望远镜、偏振干涉自差光电接收机、AD变换及预处理器、回波数据储存器和计算机。本发明不需要光调制器，不需要发射和接收之间的光和电子的同步关联，结构十分简单，不存在回波延时的影响，具有较高系统接收灵敏度，并且保留了直视合成孔径激光成像雷达的固有优点。本发明适用于航空航天各种相对运动速度和作用距离的对地观察成像和探测空间活动目标的基于逆合成孔径原理的激光成像雷达。
【专利说明】双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光雷达，是一种双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达，原 理上采用空间相位变换器将激光波面转换为一种包含了交轨向和顺轨向坐标相耦合的双 曲面波前差和顺轨向二次项相位波前差的复合双曲波面，目标的相对运动在交轨向自动扫 描产生目标面横向距离有关的线性相位调制，同时在顺轨向产生目标顺轨向距离有关的二 次项相位历程。系统结构采用偏振正交同轴双光束投射成像发射和偏振干涉自差光电探测 接收，基本物理概念是在交轨向实行目标面横向距离分辩，在顺轨向实行孔径合成。成像算 法由实现交轨向聚焦成像的补偿二次多普勒频移相位项的傅立叶变换和实现顺轨向聚焦 成像的补偿交叉耦合的共轭二次项匹配滤波所组成。本发明不需要任何形式的光调制器， 不需要发射和接收之间的光和电子的同步关联，结构十分简单，同时不存在回波延时的影 响，具有较高系统接收灵敏度，也保留了直视合成孔径激光成像雷达的固有优点，如非常有 效的降低了大气、运动平台、光雷达系统本身等相位干扰的影响，照明光斑可以很大，接收 口径可以很大，因此能够获得较大的光学足趾和较强的回波接收功率，不需要光学延时线， 允许使用低质量的接收光学系统，采用直视观察时目标反射率高并无成像阴影，以及可以 在所有方位实现观察。本发明适用于航空航天的各种相对运动速度和作用距离的对地观察 成像，特别适用于高速和远距离目标的成像观察，也可以用作探测空间活动目标的基于逆 合成孔径原理的激光成像雷达。
【背景技术】
[0002] 合成孔径激光成像雷达的原理取之于射频领域的合成孔径雷达原理，是能够在远 距离得到厘米量级成像分辨率的唯一的光学成像观察手段。合成孔径激光成像雷达有两种 不同的概念原理（参考文献1)，即侧视合成孔径激光成像雷达和直视合成孔径激光成像雷 达。侧视合成孔径激光成像雷达在距离方向（或称为交轨方向）实行直线视距分辩成像， 在方位方向（或称为顺轨方向）实行孔径合成成像。直视合成孔径激光成像雷达在交轨方 向实行目标面横向距离分辩成像，在顺轨方向实行孔径合成成像。对于这两种合成孔径激 光成像雷达其在顺轨向合成孔径成像的实现都要求在顺轨向获取目标的二次项相位历程， 这是一个自然的过程因此不需要对激光进行任何时间调制，而它们在交轨方向的距离分辨 成像则必须对于发射激光实施某种时间调制。
[0003] 侧视合成孔径激光成像雷达的距离分辨成像的一种实现方法是采用啁啾激光发 射和光学外差去斜解调接收的方法（参考文献1 一 6)，激光的线性频率调制采用变化激光 器腔长的调制原理，即需要压电机械调制器。侧视合成孔径激光成像雷达的另外一种距离 分辨成像的实现是采用窄脉冲激光内相位编码调制的测距原理（参考文献7 - 8)，需要使 用电光振幅调制器和电光相位调制器。直视合成孔径激光成像雷达的距离分辨成像的实现 采用发射波面变换和扫描产生横向距离线性相位调制的原理（参考文献1，9 一 12)，需要采 用电控机械平移扫描或机械偏转扫描的方案。此外，从总体结构看这些合成孔径激光成像 雷达的激光光源需要工作于具有一定重复频率的脉冲模式，因此也可能需要采用电光振幅 调制器将连续激光转换为重复率脉冲激光。由此可见，包含电光，压电和电机械机理的实现 光频振幅调制，光频相位调制，光频频率调制，光学元件运动，光束偏转作用的光调制器是 合成孔径激光成像雷达的必要器件。但是，采用光调制器增加了系统的复杂性和在航空航 天应用上的坚固性。对于窄脉冲激光内相位编码调制系统而言，需要高速高带宽电子和数 字处理，这又大大增加了电子系统的难度和复杂性。而机械性光调制器件一般不能实现高 重复率运行，因此难于应用于高速航天航空使用。
[0004] 上述的直视合成孔径激光成像雷达和侧视合成孔径激光成像雷达是在慢时间周 期上发射快时间激光脉冲，对于所有的单个激光发射与接收采样信号之间都必须具有相关 的光和电子学的时间同步关联，使得在顺轨向上分布的交轨向聚焦像之间具有相同的初始 相位，这需要一种特殊的高精密光电子系统。
[0005] 上述的直视合成孔径激光成像雷达和侧视合成孔径激光成像雷达运行中，目标的 作用距离将产生回波信号的时间延时，但是当回波信号的延时超过发射脉冲周期时激光发 射信号需要寻求和识别它关联的回波脉冲，这种复杂技术限制了雷达的作用距离，用于远 距离探测变得困难。
[0006] 因为上述的直视合成孔径激光成像雷达和侧视合成孔径激光成像雷达是在最多 一个顺轨向分辩单元运行时间内进行目标的交轨向线性相位项数据的收集，并实施傅立 叶变换交轨向聚焦成像，因此表征接收能量累积的最大积分时间为一个分辩单元时间或距 离，可以预期增大回波接收的积分时间或距离可以提高系统的接收灵敏度。
[0007] 下面是现有的有关参考文献：
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[0012] (5)周煜，许楠，栾竹，闫爱民，王利娟，孙建锋，刘立人，尺度缩小合成孔径激光雷 达的二维成像实验，光学学报，29 (7)，2030-2032 (2009).
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【发明内容】
[0020] 本发明的目的在于克服上述现有技术的困难，提供一种双曲波前差自扫描直视合 成孔径激光成像雷达，该激光成像雷达不需要光调制器，不需要发射和接收之间的光和电 子的同步关联，结构十分简单，不存在回波延时的影响，具有较高系统接收灵敏度，保留了 直视合成孔径激光成像雷达的固有优点。本发明适用于航空航天各种相对运动速度和作用 距离的对地观察成像和探测空间活动目标的基于逆合成孔径原理的激光成像雷达。
[0021] 本发明的工作原理是：
[0022] 采用连续激光，工作于同轴偏振正交双光束投射成像发射和偏振干涉自差光电探 测接收方式，采用静止光学元件将激光平面波面转换为一种复合双曲波面，其包含了交轨 向和顺轨向坐标相耦合的空间双曲面波前差和顺轨向空间二次项相位波前差，该复合双曲 波面通过发射主镜投射成像于目标面，目标的回波在雷达接收端中通过偏振干涉自差方式 的光电接收，回波信号包含了交轨向和顺轨向坐标交叉耦合的空间双曲面波差和顺轨向的 空间二次项相位波前差，目标对于复合双曲波面的相对运动在交轨向自动扫描产生与目标 横向距离有关的线性相位调制，而同时在顺轨向产生与目标顺轨向距离有关的二次项相位 历程，成像算法由补偿二次多普勒频移的傅立叶变换和补偿交叉耦合的共轭二次项匹配滤 波组成，分别实现交轨向聚焦成像和顺轨向聚焦成像。
[0023] 本发明的技术解决方案如下：
[0024] -种双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达，其特点在于由发射端和接收 端构成，所述的发射端包括连续激光光源、发射偏振分束器、左臂后置空间相位变换器、左 臂孔径光阑、左臂前置空间相位变换器、右臂后置空间相位变换器、右臂孔径光阑、右臂前 置空间相位变换器、发射偏振合束器和发射主镜；所述的接收端包括接收望远镜、偏振干涉 自差探测光电接收机、AD变换及预处理器、回波数据储存器、图像处理和系统控制计算机； 所述的发射端和接收端都指向目标；
[0025] 在所述的图像处理和系统控制计算机的控制下，所述的连续激光光源输出的偏振 光束经过发射偏振分束器在空间上被偏振分解为等强度的偏振正交的左臂偏振光束和右 臂偏振光束，所述的左臂偏振光束依次通过左臂后置空间相位变换器、左臂孔径光阑和左 臂前置空间相位变换器到达发射偏振合束器，所述的左臂后置空间相位变换器和左臂前置 空间相位变换器的联合相位构成左臂空间相位；所述的右臂偏振光束依次通过右臂后置空 间相位变换器、右臂孔径光阑和右臂前置空间相位变换器到达发射偏振合束器，所述的右 臂后置空间相位变换器和右臂前置空间相位变换器的联合相位构成右臂空间相位；两路偏 振正交光束经所述的发射偏振合束器合成同心同轴光束，并经过发射主镜和目标作用距离 的衍射传播投射成像于目标；左臂空间相位产生目标面左臂照射波前，右臂空间相位产生 目标面右臂照射波前；所述的目标反射的目标回波由所述的接收望远镜接收，并由偏振干 涉自差探测光电接收机产生回波光电流信号，再通过所述的AD变换及预处理产生数字化 光电流信号，该数字化光电流信号储存于所述的回波数据存储器，存储器的数据通过图像 处理和系统控制计算机的成像算法产生目标成像的输出图像；目标面上的发射激光照明光 斑与接收视场一致，其共同的作用面积定义为光学足址。
[0026] 所述的回波光电流信号包含了左臂照射波前和右臂照射波前的空间相位差，即目 标面上两个偏振正交光斑的空间相位差，存在的必要条件是目标面上的空间相位差必须包 含交轨向坐标和顺轨向坐标相耦合的双曲波面波差和顺轨向坐标的二次项波面波差的两 项波面波差，用数学表达为：
[0027]
【权利要求】
1. 一种双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达，其特征在于由发射端和接收端 构成，所述的发射端包括连续激光光源（1)、发射偏振分束器（2)、左臂后置空间相位变换 器（3)、左臂孔径光阑（4)、左臂前置空间相位变换器（5)、右臂后置空间相位变换器（6)、右 臂孔径光阑（7)、右臂前置空间相位变换器（8)、发射偏振合束器（9)和发射主镜（10);所 述的接收端包括接收望远镜（12)、偏振干涉自差探测光电接收机（13)、AD变换及预处理器 (14)、回波数据储存器（15)、图像处理和系统控制计算机（16);所述的发射端和接收端都 指向目标（11)， 在所述的图像处理和系统控制计算机（17)的控制下，所述的连续激光光源（1)输出的 偏振光束经过发射偏振分束器（2)在空间上被偏振分解为等强度的偏振正交的左臂偏振 光束和右臂偏振光束，所述的左臂偏振光束依次通过左臂后置空间相位变换器（3)、左臂孔 径光阑（4)和左臂前置空间相位变换器（5)到达发射偏振合束器（9)，所述的左臂后置空间 相位变换器（3)和左臂前置空间相位变换器（5)的联合相位构成左臂空间相位；所述的右 臂偏振光束依次通过右臂后置空间相位变换器（6)、右臂孔径光阑（7)和右臂前置空间相 位变换器（8)到达发射偏振合束器（9)，所述的右臂后置空间相位变换器（6)和右臂前置空 间相位变换器（8)的联合相位构成右臂空间相位；两路偏振正交光束经所述的发射偏振合 束器（9)合成同心同轴光束，并经过发射主镜（10)和目标作用距离的衍射传播投射成像于 目标（10);左臂空间相位产生目标面左臂照射波前，右臂空间相位产生目标面右臂照射波 前；所述的目标反射的目标回波由所述的接收望远镜（12)接收，并由偏振干涉自差探测光 电接收机（13)产生回波光电流信号，再通过所述的AD变换及预处理（14)产生数字化光电 流信号，该数字化光电流信号储存于所述的回波数据存储器（15)，存储器的数据通过图像 处理和系统控制计算机（16)的成像算法产生目标成像的输出图像（17);目标面上的发射 激光照明光斑与接收视场一致，其共同的作用面积定义为光学足址。 所述的回波光电流信号包含了左臂照射波前和右臂照射波前的空间相位差，即目标面 上两个偏振正交光斑的空间相位差，存在的必要条件是目标面上的空间相位差必须包含交 轨向坐标和顺轨向坐标相耦合的双曲波面波差和顺轨向坐标的二次项波面波差的两项波 面波差，用数学表达为：
其中：x-为交轨向坐标，y-为顺轨向坐标，FX为双曲面等效交轨向曲率半径,Fy为顺轨 向相位二次项的曲率半径，S为双曲面波差在交轨向的偏置量。
2. 根据权利要求1所述的双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达，其特征在于 所述的左臂后置空间相位变换器、左臂前置空间相位变换器、右臂后置空间相位变换器和 右臂前置空间相位变换器为柱面镜、柱面镜组合或者无光学元件。
3. 根据权利要求1所述的双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达，其特征在于 所述的左臂后置空间相位变换器和左臂前置空间相位变换器与右臂后置空间相位变换器 和右臂前置空间相位变换器具有如下的两种组合结构： 1)左臂和右臂中均可能包含顺轨向柱面镜和45°取向柱面镜，但是左臂加右臂中至 少含有一个顺轨向柱面镜和一个45°取向柱面镜； 2)左臂和右臂中均可能包含近45°取向柱面镜，但是左臂加右臂中至少含有一个近 45°取向柱面镜。
4. 根据权利要求1所述的双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达，其特征在于 所述的双曲波面波差光学中心与发射透镜光轴一致，即S = 0,或在交轨向偏离发射透镜光 轴，即S尹0。
5. 根据权利要求1所述的双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达，其特征在于 所述的偏振干涉自差探测光电接收机为2X490°空间光桥接器的同相和π/2移相双通道 输出结构，或者偏振分光棱镜和两个光电探测器的平衡接收结构，或者单一检偏镜和单一 光电探测器结构。
6. 根据权利要求1所述的双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达，其特征在于 所述的AD变换及预处理器产生的数字化光电流信号，用距离表示其基本采样周期为ds，应 当有ds = Dy/N，其中Dy为顺轨向光学足址宽度，N为正整数是顺轨向光斑宽度内的采样数； 信号处理的顺轨向读出间隔为d t，应当有dt = 为正整数，读出宽度为DK = Kds，其中 K为正整数，因此光斑宽度对顺轨向读出宽度之比为G = N/K ; 所述的周期应当满足采样定律：在顺轨向应当有dt = dy/P2，其中dy为顺轨向成像分辨 率，P2 > 2 ;在交轨向应当窄
其中dx为交轨向成像分辨率，Dx为交轨向光 学足址宽度。
7. 根据权利要求1至6任一项所述的双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达， 其特征在于所述的图像处理和系统控制计算机（16)的成像算法由实现交轨向聚焦成像的 补偿二次多普勒频移相位项的傅立叶变换和实现顺轨向聚焦成像的补偿交叉耦合的共轭 二次项匹配滤波所组成，顺轨向的补偿匹配滤波聚焦成像算法有两种，第一种方案为倾斜 向线性相位项补偿和倾斜向局部卷积共轭二次相位项匹配滤波算法，第二种方案为倾斜向 线性相位项加共轭二次项补偿和倾斜向积分求和算法。
【文档编号】G01S17/89GK104297759SQ201410571410
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】刘立人 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所