专利名称：直视合成孔径激光成像雷达的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达，是一种直视合成孔径激光成像雷达，原理采用同轴扫描像散波前发射和自差探测复数化接收，在交轨向进行空间线性相位项调制分辨成像，在顺轨向进行二次项相位历程匹配滤波成像，因此能够自动消除大气、运动平台、光雷达系统和散斑产生的相位变化和干扰，能够在较大的光学足趾下和较大的接收孔径下产生高分辨率成像，允许使用低质量的接收光学系统，不需要光学延时线，无需进行实时拍频信号相位同步，成像无阴影，可以使用各种具有单模和单频性质的激光器，同时由于采用空间光桥接器实现相位的复数解调，电子设备简单。
背景技术：
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(参考文献1-8)。合成孔径激光成像雷达与合成孔径雷达一样都是以侧视为工作必要条件的，即在侧视条件下实施距离方向(交轨方向)的距离分辨成像，同时在方位方向(顺轨方向)实施孔径合成即相位二次项匹配滤波成像。传统的合成孔径激光成像雷达即侧视合成孔径激光成像雷达的距离分辨的实现是采用啁啾激光发射和光学外差去斜解调接收来完成的，这需要把激光光源分成两部分， 一部分用作发射光束另外一部分用作本振光束，因此任何关联的相位波动和干扰，如大气扰动、运动平台振动、目标散斑、激光雷达系统本身相位变化等(参考文献3，9)，都将被引入外差探测信号中而严重降低雷达性能。美国有人提出了采用干涉方法实时测量相位波动并进行补偿的概念(参考文献幻，其在实验上已取得初步效果(参考文献6，8)，但是以目标的一部分或者合作目标作作为相位波动测量的比较对象在实际应用中是困难的或者是不可能的。在侧视合成孔径激光成像雷达中，为了在方位向产生准确的无严重波动的二次项相位历程，一定要保证去斜解调产生的拍频信号的初始相位严格同步，因此需要采用复杂的光频同步措施，如采取HCN光谱滤波和触发控制技术(参考文献1)。侧视合成孔径激光成像雷达的天线采用光学望远镜(参考文献10-14)，因为发射光斑必需具有相位二次项波前，而发射光束发散角是由发射光学天线的衍射极限发散角所决定的，所以为了增大目标面上发射光斑尺寸必需采用较小的光学天线口径；光学天线用于光学外差接收时其接收视场角相当于天线口径的衍射角，为了增大外差接收视场角因此必需减小接收口径，这将降低接收信号强度；侧视合成孔径激光成像雷达的结构设计必须保证发射激光发散角和外差接收视场角的匹配，发射激光发散角和外差接收视场角在目标面上所共同决定的区域称为光学足址，所以要求同时达到大的光学足址和强的接收信号是相互矛盾的。侧视合成孔径雷达为了降低拍频频率和抑制非线性啁啾的影响，本振光束的延时需要达到接近目标双程距离的程度，因此需要相位变化极小的长距离的光学延时线，这种延时线技术是十分复杂的(参考文献2，4)。侧视合成孔径雷达因为侧视而造成目标成像阴影，在光频段因为目标远远大于波长使得阴影效应更加明显。侧视合成孔径激光成像雷达因为需要线性扫频的激光器，这限制了许多激光器的应用，例如基于非线性光学效应的变频激光器等。下面是现有的有关参考文献(I)M. Bashkansky, R. L. Lucke, E. Funk，L. J. Rickard，and J. Reint jes. Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain. Optics Letters,2002,27(22) :1983 1985.(2) S. Μ. Beck, J. R. Buck, W. F. Buell， R. P. Dickinson, D. A. Kozlowski, N. J. Marechal, and T. J. Wright. Synthetic-aperture imaging ladar laboratory demonstration and signal processing. Applied Optics，2005，44(35) :7621 7629·(3) J. Ricklin，M. Dierking，S. Fuhrer, B. Schumm，and D. Tomlison. Synthetic aperture ladar for tactical imaging. DARPA Strategic Technology Office，Nov. 14, 2007.(4) R. L. Lucke, M Bashkansky, J. Reintjes, and E· Funk，Synthetic aperture ladar (SAL) !fundamental theory, design equations for a satellite system, and laboratory demonstration， Naval Research Laboratory Report NRL/FR/7218-02-10, 051 (2002).(5) J. Buck, B. W. Krause, A. I. Malm, and C.M.Ryan， “ Synthetic Aperture Imaging at Optical Wavelengths, “ in Conference on Lasers and Electro-Optics/ International Quantum Electronics Conference，OSA Technical Digest (CD)(Optical Society of America, 2009), paper PThB3.(6) B. Krause，J. Buck，C. Ryan, D. Hwang, P. Kondratko，A. Malm，A. Gleason， and S.Ashby， “ Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration， “ in CLEO 2011-LaserApplications to Photonic Applications, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2011), paper PDPB7.(7)周煜，许楠，栾竹，闰爱民，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，2009, 29 (J) =2030-2032.(8)刘立人，周煜，职亚楠，孙建锋，吴亚鹏，栾竹，闫爱民，王立娟，戴恩文，鲁伟，大口径合成孔径激光成像雷达演示样机及其实验室验证，光学学报，2011，37 (9) 09001121-5.(9)刘立人.基于散斑抑制的合成孔径激光成像雷达的结构和工作模式，光学学报，2011,31 (10) :1028001.(10)Liren Liu, Optical Antenna of Telescope for Synthetic Aperture Ladar, Proc. SPIE,2008,7094 :7094F1 F13.(11)刘立人，合成孔径激光成像雷达⑴离焦和相位偏置望远镜接收天线，光学学报，2008，28 (5) :997-1000.(12)刘立人，合成孔径激光成像雷达(II)空间相位偏置发射望远镜，光学学报， 2008，28 (6) :1197-1200.(13)刘立人，合成孔径激光成像雷达(III)双向环路发射接收望远镜，光学学报，2008，28 (7) :1405-1410.(14)刘立人，合成孔径激光成像雷达(IV)成像分辨率和天线孔径函数，光学学报，2009，29 (5) :1408-1415.
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的困难，提供一种直视合成孔径激光成像雷达，其采用同轴扫描像散波前发射和自差探测复数化接收方式，在交轨向进行空间线性相位项调制分辨成像而在顺轨向进行二次项相位历程匹配滤波成像，能实现目标的高分辨率二维成像。由于采用了同轴光束自差接收，大大降低了大气、运动平台、光雷达系统和散斑等相位变化和干扰的影响，不需要光学延时线，同时可以使用低质量的接收光学系统。由于采用了离焦发射设计使得照明光斑可以很大，由于采用自差探测使得接收口径可以很大， 在发射和接收口径不同的条件下可以得到相等的发射发散度和接收视场，所以能够同时实现大的光学足趾和强的回波接收强度。由于采用单频激光发射和自差解调，无拍频信号相位同步要求。由于采用直视观察，成像无阴影。由于只要求激光器具有单模和单频性质而不需要光频率啁啾，因此可以使用各种激光器。虽然本发明的基本原理与传统的侧视合成孔径激光成像雷达不同，但是其成像算法采用与侧视合成孔径激光成像雷达相同的交轨向傅立叶变换和顺轨向相位二次项匹配滤波的算法。本发明结合侧视合成孔径激光成像雷达中方位向二次项相位的孔径合成的概念和傅立叶变换中的线性相位项调制的位置分辨概念，并且基于像散波前差动和自差探测复数化接收的方法，提出了一种直视合成孔径激光成像雷达，基本原理是对目标投射二个同轴同心且偏振正交的光束并且进行自差接收，其中一个偏振光束为球面波面，另外一个为像散波面，在沿运载平台运动正交的交轨方向上这二个光束的波前具有相同曲率并作相互反向的偏转，因此在快时间轴上产生目标交轨向与目标位置有关的空间线性相位项调制的数据收集，在运载平台运动的顺轨方向上这二个光束的波前具有符号相反的曲率半径，因此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，最终通过傅立叶变换实现交轨向聚焦成像，通过共轭相位二次项匹配滤波实现顺轨向聚焦成像。本发明的技术解决方案如下一种直视合成孔径激光成像雷达，其特点在于由发射端、接收端和控制计算机构成，所述的发射端包括激光光源，发射偏振分束器、H-(水平)偏振光路光束偏转器、H-偏振光路变换镜，V-(垂直)偏振光路光束偏转器、ν-偏振光路变换镜、发射偏振合束器、发射望远镜目镜和发射望远镜主镜；所述的接收端包括接收望远镜、接收偏振分束器、2X490°光学桥接器、同相通道平衡探测器、同相通道模数变换器、90°相移通道平衡探测器、90°相移通道模数变换器、复数化处理器、数字图像处理器；上述部件的位置关系如下在所述的控制计算机的控制下，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两个等强度的偏振正交的H-偏振光束和V-偏振光束，H-偏振光束先经过H-偏振光路光束偏转器然后再通过H-偏振光路变换镜到发射偏振合束器，V-偏振光束先经过V-偏振光路光束偏转器然后再通过V-偏振光路变换镜到发射偏振合束器，该发射偏振合束器7将H-偏振光束和V-偏振光束组合为同轴同心且偏振正交的光束，由发射望远镜目镜和发射望远镜主镜发射向目标；目标回波由接收望远镜接收，被接收的回波光束通过接收偏振分束镜相应地再分解为偏振正交的H-偏振光束和V-偏振光束，两路光束进入2 X 490°光学桥接器的输入端，其输出为四组相互具有90°相移的同轴干涉光束对，其中相移为0°和180°的两组光束对由同相通道平衡探测器探测，其输出由同相通道模数变换器转化为数字信号，而相移为 90°和270°的两组光束对由90°相移通道平衡探测器探测，其输出由90°相移通道模数变换器转化为数字信号，所述的同相通道模数变换器输出的数字信号和90°相移通道模数变换器输出的数字信号由所述的复数化处理器和数字图像处理器处理后输出目标的数字图像。所述发射望远镜主镜的后焦面上产生的理想的内发射光场分布函数为矩形孔径函数，或圆形孔径函数。本发明有如下的明显特点1、本发明提供一种高分辨成像的直视合成孔径激光成像雷达，采用同轴扫描像散波前发射和自差探测复数化接收的工作方式，这与传统的微波合成孔径雷达和合成孔径激光成像雷达的侧视工作状态完全不同，说明了本发明的原理已充分发挥了光学灵活控制波前的特性，突破了合成孔径雷达的传统概念。2、本发明在交轨向进行空间线性相位项调制分辨成像而在顺轨向进行二次项相位历程匹配滤波成像，其成像算法与采用啁啾激光的侧视合成孔径激光成像雷达相同。3、本发明表示成像分辨率的相干点扩展函数宽度，随成像距离增长而增大，这与侧视合成孔径激光成像雷达不同，其成像相干点扩展函数宽度随距离变化而不变。本发明的技术效果如下1、本发明由于采用了同轴光束发射和自差接收，大大降低了大气、运动平台、光雷达系统本身、散斑等相位干扰的影响，同时允许使用低质量的接收光学系统。2、本发明的发射和接收口径可以不同，由于采用了离焦发射设计而照明光斑可以很大，由于采用自差探测而接收口径可以很大，所以能够获得较大的光学足趾和较强的回波接收功率。3、本发明由于采用单频激光发射和自差解调，无需进行实时拍频信号相位同步， 或者事后进行算法补偿校正。4、本发明由于采用自差接收方式，不需要相位变化极小的长距离的光学延时线。5、本发明由于采用直视观察，因此成像无阴影。6、本发明由于只要求激光器具有单模和单频性质而不需要频率啁啾，因此可以使用各种激光器，包括采用基于非线性光学效应的变频激光器，拓展了可用波长和激光输出功率。
图1是本发明直视合成孔径激光成像雷达的原理图。图2是本发明直视合成孔径激光成像雷达的一个实施例的结构图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1是本发明直视合成孔径激光成像雷达的原理图。由图可见，本发明直视合成孔径激光成像雷达，由发射端、接收端和控制计算机19构成，所述的发射端包括激光光源1，发射偏振分束器2、H_ (水平)偏振光路光束偏转器3、H_偏振光路变换镜 4，V-(垂直)偏振光路光束偏转器5、V-偏振光路变换镜6，发射偏振合束器7、发射望远镜目镜8;发射望远镜主镜9;接收端包括接收望远镜10、接收偏振分束器11、2X4 90°光学桥接器12、同相通道平衡探测器13、同相通道模数变换器14、90°相移通道平衡探测器15、 90°相移通道模数变换器16、复数化处理器17、数字图像处理器18 ；上述部件的位置关系如下激光光源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两个等强度的偏振正交的光束，即形成一个H-偏振光束和一个V-偏振光束，H-偏振光束先经过H-偏振光路光束偏转器3然后再通过H-偏振光路变换镜4到发射偏振合束器7，V-偏振光束先经过V-偏振光路光束偏转器5然后再通过V-偏振光路变换镜6到发射偏振合束器7，发射偏振合束器7组合H-偏振光束和V-偏振光束为同轴同心且偏振正交的光束，然后由发射望远镜目镜8和发射望远镜主镜9发射向目标。H-偏振光束先后通过H-偏振光路变换镜4和发射望远镜目镜8在发射望远镜主镜9的后焦面上产生的内发射光场分布为
权利要求
1.一种直视合成孔径激光成像雷达，其特点在于由发射端、接收端和控制计算机(19) 构成，所述的发射端包括激光光源(1)，发射偏振分束器O)、H-偏振光路光束偏转器(3)、 H-偏振光路变换镜(4)，V-偏振光路光束偏转器( 、V-偏振光路变换镜(6)，发射偏振合束器(7)、发射望远镜目镜(8)；发射望远镜主镜(9)；所述的接收端包括接收望远镜(10)、 接收偏振分束器(11)、2X490°光学桥接器(12)、同相通道平衡探测器(13)、同相通道模数变换器(14)、90°相移通道平衡探测器(1幻、90°相移通道模数变换器(16)、复数化处理器(17)、数字图像处理器(18)；上述部件的位置关系如下在所述的控制计算机(19)的控制下，激光光源(1)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两个等强度的偏振正交的H-偏振光束和V-偏振光束，H-偏振光束先经过H-偏振光路光束偏转器C3)然后再通过H-偏振光路变换镜(4)到发射偏振合束器(7)，V-偏振光束先经过V-偏振光路光束偏转器( 然后再通过V-偏振光路变换镜(6)到发射偏振合束器(7)，该发射偏振合束器7将H-偏振光束和V-偏振光束组合为同轴同心且偏振正交的光束，由发射望远镜目镜(8)和发射望远镜主镜(9)发射向目标；目标回波由接收望远镜(10)接收，被接收的回波光束通过接收偏振分束镜(11)相应地再分解为偏振正交的H-偏振光束和V-偏振光束，两路光束进入2X4 90°光学桥接器(1 的输入端，其输出为四组相互具有90°相移的同轴干涉光束对，其中相移为0°和 180°的两组光束对由同相通道平衡探测器(1 探测，其输出由同相通道模数变换器(14) 转化为数字信号，而相移为90°和270°的两组光束对由90°相移通道平衡探测器(15)探测，其输出由90°相移通道模数变换器(16)转化为数字信号，所述的同相通道模数变换器 (14)输出的数字信号和90°相移通道模数变换器(16)输出的数字信号由所述的复数化处理器(17)和数字图像处理器(18)处理后输出目标的数字图像。
2.根据权利要求1所述的直视合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述发射望远镜主镜9的后焦面上产生的理想的内发射光场分布函数为矩形孔径函数，或圆形孔径函数。
全文摘要
一种直视合成孔径激光成像雷达，其构成包括激光光源、发射偏振分束器、水平偏振光路光束偏转器、水平偏振光路变换镜，垂直偏振光路光束偏转器、垂直偏振光路变换镜，发射偏振合束器、发射望远镜目镜、发射望远镜主镜、接收望远镜、接收偏振分束器、2×490°光学桥接器、同相通道平衡探测器、同相通道模数变换器、90°相移通道平衡探测器、90°相移通道模数变换器、复数化处理器、数字图像处理器和控制计算机。本发明自动消除大气、运动平台、光雷达系统和散斑的相位变化和干扰，在较大的光学足趾下和较大的接收孔径下具有高分辨率成像，不需要光学延时线，无需实时拍频信号相位同步，成像无阴影，可用各种具有单模和单频性质的激光器。
文档编号G01S7/481GK102435996SQ201110394478
公开日2012年5月2日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2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