正交偏振复用合成孔径激光成像雷达的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及合成孔径激光成像雷达，特别是一种相位编码正交偏振合成孔径激光 成像雷达。
【背景技术】
[0002] 在相干距离-多普勒激光成像雷达领域与扫描=维成像激光雷达领域，通常采用 各种相位编码波形获得探测目标的相对距离信息，基于匹配滤波的波形压缩处理是相位编 码波形获得相对距离信息的唯一信息处理手段。
[0003] 现有技术[1](BeckSM,BuckJR,BuellWF,etal. .Synthetic-aperture imaginglaserradar:laboratorydemonstrationandsignalprocessing[J].Applied 化tics, 2005, 44 (35) : 7621-7629)中所述合成孔径激光成像雷达工作在侧视模式，发射线 性调频激光脉冲，与本地分束并经过光纤延时线延时的线性调频脉冲进行光学外差接收， 对探测信号进行距离向傅里叶变换获取目标距离信息。该种相对距离获取手段要求线性调 频光脉冲的初始位相相同并且采用长距离光学延时线，而长距离光学延时线会引入相位干 扰，为实际应用带来困难；大调谐范围脉冲激光器脉冲重复频率（PR巧不能达到很高的值， 从而影响方位向成像质量，并且输出光信号具有一定的非线性调嗽效应，为消除该种非线 性效应增加的硬件系统和软件算法也增加了系统实现的复杂度。
[0004] 现有技术巧](KrauseB,BuckJ,RyanC,etal. .Syntheticapertureladar flightdemonstration[C].CLEO:ApplicationsandTechnology,Baltimore:OSA, 2011:PD PB7)中所述合成孔径激光成像雷达采用脉冲内相位调制的方式获取距离向相对位置信息， 取得了 100曲Z的较高的PRF，距离分辨率达到了 2cm。然而该种光学外差探测的方式需要 将激光光源切成两部分，一部分作为本振光束，另一部分作为发射光束，因此任何关联的相 位波动和相位干扰，如大气扰动、运动平台振动、目标散斑等都将被引入外差探测信号中而 降低其顺轨向聚焦性能，必须采用相位梯度自聚焦（PGA)算法才能得到成像结果。
[0005] 现有技术巧](刘立人.直视合成孔径激光成像雷达原理[J].光学学报，2012， 32巧）：0928002)所述的直视合成孔径激光成像雷达采用顺轨向空间二次相位调制，交轨向 空间线性相位调制的正交偏振的光束同轴发射和自差探测接收的方式，实现目标的高分辨 率二维成像，具有消除各种因素引入的相位误差的影响、不需要光学延时线W及实现大光 学足趾成像等优点。但交轨向空间线性相位调制一般需要机械元件驱动光学元件偏转或平 移，而高精度机械元件运动一般有最大速度限制，会降低发射激光脉冲的PRF，并且不可避 免地引入机械运动的噪声。
[0006] 先技术[4](孙建锋，蔡光宇，周燈，等.基于M序列相位编码和正交偏振复用的合 成孔径激光成像雷达；中国，CN103983979A[P]. 2014-08-13)采用直视合成孔径激光成像 雷达正交偏振光束顺轨向空间二次相位调制同轴发射的方式取得目标顺轨向相对位置信 息而采用在其中一路偏振光路中脉冲内时间M序列编码相位调制的方式通过自差干设接 收取得距离向相对位置信息。该一装置除继承了直视合成孔径激光成像雷达消除相位误 差、不需要光学延时线w及实现大光学足趾成像等优点外，还由于对发射光脉冲进行相位 调制，避免了机械元件驱动光学元件偏转或平移的结构，从而能够实现高PRF和稳定的静 止发射系统。但该方案只在其中一路放置了光相位调制器，两正交偏振光路经过的光学元 件不同，其脉冲间的初始相位会发生变化，引入两正交偏振光路间的相位误差，影响成像结 果；并且该方案采用了大量的空间光学体元件，使系统对装配精度和稳定度的要求较高。
【发明内容】
[0007] 本发明针对传统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的缺 点，结合直视合成孔径激光成像雷达和相位编码测距的优点，设计了相位编码正交偏振合 成孔径激光成像雷达。
[000引基本原理是；对目标投射两个同轴同屯、且偏振正交的光束并且进行自差接收，在 两光束的空间顺轨向上分别利用柱面透镜对光束的波前进行不同曲率半径二次相位调制， 在慢时间轴上产生目标顺轨向位置有关的空间二次项相位历程的数据收集，通过两正交偏 振光脉冲内时间相位编码调制，在快时间轴上进行与目标交轨向位置有关的不同时延的编 码数据的收集，最终通过与发射编码信号距离向匹配滤波和顺轨向共辆二次相位项匹配滤 波聚焦成像。
[0009] 本发明主要解决的技术问题是克服先技术的不足，使两正交偏振光束在空间和时 间相位调制过程中经过的光学元件尽可能相同，避免引入相位误差；大量采用光纤元件， 降低了系统对装配精度和稳定性的要求；采用两个光相位调制器，降低了加载到单个相位 调制器上的电压范围。
[0010] 本发明的技术解决方案如下；
[0011] 一种相位编码正交偏振合成孔径激光成像雷达，其特点在于由发射端、接收端和 信号处理系统构成。
[0012] 所述的发射端包括激光光源、光纤偏振分束器、微波信号波形发生器、微波放大 器、第一光相位调制器、第二光相位调制器、第一光纤准直器、第二光纤准直器、第一顺轨向 柱面透镜、第二顺轨向柱面透镜、发射偏振合束器与发射主镜；所述的激光光源输出的激光 经所述的光纤偏振分束器分为正交偏振的第一光束和第二光束，所述的第一光束与第一光 相位调制器的光输入端相连，该第一光相位调制器的光输出端与所述的第一光纤准直器输 入端连接，所述的第一光纤准直器输出端的输出激光透过第一顺轨向柱面透镜变换其空 间相位波面；所述的第二光束与第二光相位调制器的光输入端相连，该第二光相位调制器 的光输出端与所述的第二光纤准直器输入端连接，所述的第二光纤准直器输出端的输出激 光透过第二顺轨向柱面透镜变换其空间相位波面；所述的透过第一顺轨向柱面透镜的激光 与所述的透过第二顺轨向柱面透镜的激光通过发射偏振合束器合束为正交偏振的同轴发 射光束，合束后的光束通过发射主镜发射到目标平面上，其中第一顺轨向柱面透镜与第二 顺轨向柱面透镜分别位于发射主镜的前焦面上；由微波信号发生器产生的电平值在0到Vp 之间变化的方波编码信号经微波放大器放大至电平值在0到V。/,之间变化的正向方波编码 信号和与之反向的电平值在0到-V"/2之间变化的方波编码信号，其中V。/,代表使光场改变 n/2相位的电压，所述的正向方波编码信号和反向方波编码信号分别输入所述的第一光相 位调制器的微波输入端与第二光相位调制器的微波输入端；所述的微波信号波形发生器的 输出端还接所述的信号处理系统包括的A/D变换器的第二输入端；
[0013] 所述的接收端包括接收望远镜、接收半波片、接收偏振分束器、平衡探测器；目标 的反射回波由接收望远镜缩束，缩束后的光场通过所述的接收半波片旋转其偏振态并通过 接收偏振分束器分为两路光束，其中一路光束经过反射镜偏转光路与另一路光束平行，所 述的两路光束被平衡探测器的探测端口接收并转化为电信号输出；
[0014] 所述的信号处理系统包括A/D变换器、微波信号波形发生器、和信号采集处理计 算机;A/D变换器的第一输入端与平衡探测器的输出端连接，第二输入端与微波信号波形 发生器的输出端连接，所述的A/D变换器将平衡探测器输出的信号和微波信号波形发生器 输出的信号分别转换为数字信号并输出至信号采集与处理计算机处理，信号处理过程与现 有技术[5](MatthewP.Dierking,BradleyD.Duncan.Periodic,pseudonoisewaveforms formultifunctioncoherentladar[J].AppliedOptics, 2010, 49 (10): 1908-1922)中介 绍的相同。信号采集与处理计算机分别将信数字化的平衡探测器输出信号与微波信号发生 器输出信号复数化，再将复数化后的平衡探测器的输出信号与复数化后的微波信号发生器 输出信号进行距离向匹配滤波，得到距离压缩后的数据，然后将距离压缩后的数据与经系 统参数确定的空间顺轨向共辆二次相位数据进行方位向匹配滤波，最终输出聚焦图像。
[0015] 本发明具有如下特点；
[0016] 1、本发明相位编码正交偏振合成孔径激光成像雷达，相位编码调制测距具有灵敏 度高、码型多样、编码速率灵活可调、码型周期短决定的其脉冲重复频率高等优点。
[0017] 2、本发明根据直视合成孔径激光成像雷达中顺轨向的空间调制发射原理，利用正 交偏振光束自差干设接收，有效消除了两正交偏振光束共同经历的相位误差的干扰，降低 了发射接收系统硬件要求和软件算法的复杂度。
[0018] 3、本发明采用简单的偏振自差干设接收平衡探测，信号处理采用距离向和方位向 分别的匹配滤波，是通用的合成孔径激光成像雷达处理方式。
[0019] 本发明的技术效果：
[0020] 1、本发明采用静态的发射系统，降低系统对复杂机械系统的要求，避免了运动的 机械元件引入的误差和噪声，W及高精度运动机械元件的运动速度限制。
[0021] 2、与先技术相比，本发明大部分采用了光纤元件组成发射系统，降低了系统装配 精度和稳定性的要求。
[0022] 3、与先技术相比，本发明对正交偏振光路进行了对称的光路设计，使它们经过的 光学元件尽可能相同，避免引入正交偏振光之间的相位误差；采用两个光相位调制器，有效 降低了加载到单个相位调制器上的调制电压。
【附图说明】
[0023]图1为本发明发射端、接收端与信号处理系统的原理示意图。
[0024] 图2为接收半波片（14)的快轴C和发射光束正交偏振方向X、y的最优偏振安排 示意图。
[0025] 图3为本发明信号处理计算机（19)的信号处理流程。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细