合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置与成像方法
【专利摘要】一种合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置与成像方法，利用光学成像手段对雷达回波信号进行聚焦成像，其构成包括计算机、空间光调制器、与图像接收器，核心原理为将合成孔径激光成像雷达接收系统接收的目标回波信号存储在计算机中，然后利用计算机在回波信号距离向上附加二次项相位因子，然后加载到空间光调制器上，激光器发出的光波经过空间光调制器调制后经过一段菲涅尔衍射自动并且同时实现距离向、方位向聚焦，成像结果由图像接收器接收，并由计算机进行存储显示。本发明结构简单，易于集成，节省成本，是合成孔径激光成像雷达的重要技术改进。
【专利说明】合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置与成像方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及合成孔径激光成像雷达，特别是一种合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置与成像方法，能够利用光学菲涅尔衍射同时并自动实现合成孔径激光成像雷达回波数据距离向、方位向聚焦成像。
【背景技术】
[0002]合成孔径激光成像雷达(SAIL)的原理取之于射频领域的合成孔径雷达(SAR)原理，是国外报道的能够在远距离获得厘米量级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的发射激光采用光频线性调制即啁啾调制，光电外差接收采用去斜解调方式即采用同样的啁啾发射激光作为外差本机振荡器光束，因此得到了在距离向包含距离信息和在方位向包含相位历程信息的回波差频数据。目标面上每个点的回波数据相位距离向为与距离向快时间有关的线性项相位，方位向为与方位向慢时间有关的二次项相位。
[0003]2002年以来，合成孔径激光成像雷达在实验室先后得到了验证【参见文献1:M.Bashkansky, R.L.Lucke, E.Funk, L.J.Rickard, and J.Reint jes, “Two-dimensionalsynthetic aperture imaging in the optical domain,，，Optic Letters, Vol.27, ppl983-1985 (2002),；文献 2:W.Buell, N.Marechal, J.Buck, R.Dickinson, D.Kozlowski, T.Wright, and S.Beck, “Demonstrations of Synthetic Aperture Imaging Ladar,，，Proc.0f SPIE Vol.5791ppl52-166 (2005)，；文献3:周煜，许楠，栾竹，闻爱民，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，Vol.31 (9) (2011)，；文献
4:刘立人，周煜，职亚楠，孙建锋，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，Vol.29(7):2030~2032(2011)】，2006年在美国国防先进计划局支持下的雷声公司和诺格公司分别实现了机载合成孔径激光雷达实验(无任何细节报道)【参见文献
5:J.Ricklin, M.Dierking, S.Fuhrer, B.Schumm, and D.Tomlison, “Synthetic apertureladar for tactical imaging,，，DARPA Strategic Technology Office.】。2011 年,洛马公司对1.6公里处的地面目标实现了机载合成孔径激光成像雷达成像实验【参见文献6:Brian ff.Krause, Joe Buck, Chris Ryan, David Hwang, Piotr Kondratko, AndrewMalm, AndyGleason “Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration,，，】。
[0004]在上述所有相关报道中【参见文献1、2、3、4、5、6】，回波数据的成像处理方式都是数字成像处理方式，即将光电接收和数字化之后的回波数据首先进行快速傅里叶变换实现目标距离向聚焦成像，然后将距离向聚 焦成像后的数据采用空间的二次项匹配滤波实现目标的方位向聚焦成像。这两步在时间上有先后顺序，不能同时进行，需要相对较长的成像处理时间。在先技术【文献7:孙志伟，职亚楠，孙建锋，周煜，侯培培，刘立人，合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法，发明专利，申请号:201310300362.8】中，提出利用光学成像的方式对合成孔径激光成像雷达的回波数据进行成像处理，但是，此发明专利需要用到多个光学透镜，并且结构较复杂，成本较高。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题在于提出了一种合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置与成像方法，可以利用光学菲涅尔衍射同时并且自动实现雷达回波数据距离向、方位向聚焦成像，是合成孔径激光成像雷达重要的技术改进。
[0006]本发明的技术解决方案如下:
[0007]—种合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置，其特点在于其构成包括计算机、空间光调制器和图像接收器，沿光轴方向依次为所述的空间光调制器，图像接收器，所述的空间光调制器与图像接收器的距离为f，所述的计算机的第一输入端接合成孔径激光成像雷达的数据接收系统，所述的计算机的输出端接所述的空间光调制器的输入端，所述的计算机的第二输入端接所述的图像接收器的输出端。
[0008]根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置，其特征在于所述的空间光调制器包括透射式空间光调制器与反射式空间光调制器两种结构。
[0009]一种合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像方法，其特征在于，包括如下步骤:
[0010]①合成孔径激光成像雷达回波数据接收系统接收后的目标回波数据存储在所述的计算机中，由该计算机在所述的目标回波数据距离向上附加二次项相位因子，所述的二次项相位因子的距离向曲率半径fi=X sf (Tf/a)2/x，其中λ s为所述的合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置中所用激光器的波长，Tf为合成孔径激光成像雷达回波数据距离向时间采样宽度，a为所述的空间光调制器的距离向数据加载宽度，λ为合成孔径激光成像雷达发射激光的中心波长，
[0011]②距离向附加二次项相位因子的回波数据通过所述的计算机加载到所述的空间光调制器上，对于所述的透射式空间光调制器，加载所述的距离向附加二次项相位因子的回波数据的共轭数据，对于所述的反射式空间光调制器，加载所述的附加二次项相位因子的回波数据，数据加载后，方位向数据满足的关系为XF(b/Bs)2=Xsf，其中F为合成孔径激光成像雷达目标回波数据方位向等效曲率半径，b为所述的空间光调制器的方位向数据加载宽度，Bs为合成孔径激光成像雷达方位向数据采样宽度，
[0012]③由激光器发出的激光经过准直扩束后照射到所述的空间光调制器上，出射光在所述的图像接收器的探测面上聚焦成像，成像结果由所述的图像接收器接收并存储到所述的计算机中，并由该计算机进行显示。
[0013]本发明的技术效果:
[0014]本发明提出将合成孔径激光成像雷达接收系统接收得到的目标回波数据存储在计算机中，利用计算机在回波数据距离向附加二次项相位因子，然后加载到空间光调制器上，对于透射式的空间光调制器，加载距离向附加二次项相位因子数据的共轭数据，对于反射式的空间光调制器，直接加载距离向附加二次项相位因子数据，然后利用光学系统进行聚焦成像，成像结果由图像接收器接收并存储在计算机中进行显示。
[0015]本发明无需光学透镜，利用光学菲涅尔衍射自动并且同时实现雷达回波数据距离向、方位向聚焦成像，结构简单，易于集成，且节省成本，既具有数字处理方式的灵活性，又具有光学处理的快速性，是合成孔径激光成像雷达尤其是数据处理的关键技术改进。【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]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。
[0018]先请参阅图1，图1是本发明合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置结构示意图。由图可见，本发明合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置，其构成包括计算机1，空间光调制器2，图像接收器3，沿光轴方向依次为所述的空间光调制器2，图像接收器3，所述的空间光调制器2与图像接收器3的距离为f，所述的计算机I的第一输入端11接合成孔径激光成像雷达的数据接收系统，所述的计算机I的输出端12接所述的空间光调制器2的输入端21，所述的计算机I的第二输入端13接所述的图像接收器3的输出端31。
[0019]根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置，其特征在于所述的空间光调制器2包括透射式空间光调制器21与反射式空间光调制器22两种结构。
[0020]下面采用一个目标点来解释本发明合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像方法的成像处理过程。
[0021]合成孔径激光成像雷达的发射系统对所考察的目标点发射线性调频的啁啾脉冲激光，发射光波经过上述目标点反射后由接收系统进行相干外差接收，接收后的数据存储在所述的计算机中，存储在所述的计算机中的点目标复数化后的回波数据为
【权利要求】
1.一种合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置，其特征在于其构成包括计算机(1)、空间光调制器(2)和图像接收器(3)，沿光轴方向依次为所述的空间光调制器(2)和图像接收器(3)，所述的空间光调制器(2)与图像接收器(3)的距离为f，所述的计算机(I)的第一输入端(11)接合成孔径激光成像雷达的数据接收系统，所述的计算机(I)的输出端(12)接所述的空间光调制器(2)的输入端(21)，所述的计算机(I)的第二输入端(13)接所述的图像接收器(3)的输出端(31)。
2.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置，其特征在于所述的空间光调制器(2)为透射式空间光调制器(21)或反射式空间光调制器(22)。
3.一种合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像方法，其特征在于，该方法包括如下步骤: ①合成孔径激光成像雷达回波数据接收系统接收后的目标回波数据存储在所述的计算机(I)中，由该计算机(3)在所述的目标回波数据距离向上附加二次项相位因子，所述的二次项相位因子的距离向曲率半径4=入/(1>)2/入，其中λ s为所述的合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置中所用激光器的波长，Tf为合成孔径激光成像雷达回波数据距离向时间采样宽度，a为所述的空间光调制器的距离向数据加载宽度，λ为合成孔径激光成像雷达发射激光的中心波长； ②距离向附加二次项相位因子的回波数据通过所述的计算机(I)加载到所述的空间光调制器(2)上，对于所述的透射式空间光调制器(21)，加载所述的距离向附加二次项相位因子的回波数据的共轭数据，对于所述的反射式空间光调制器(22)，加载所述的附加二次项相位因子的回波数据，数据加载后，方位向数据满足的关系为XF(b/Bs)2= Xsf，其中F为合成孔径激光成像雷达目标回波数据方位向等效曲率半径，b为所述的空间光调制器(2)的方位向数据加载宽度，Bs为合成孔径激光成像雷达方位向数据采样宽度； ③由激光器发出的激光经过准直扩束后照射到所述的空间光调制器(2)上，出射光在所述的图像接收器(3)的探测面上聚焦成像，成像结果由所述的图像接收器(3)接收并存储到所述的计算机(I)中，并由该计算机(I)进行显示。
【文档编号】G01S13/90GK103885060SQ201410088151
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年3月11日 优先权日:2014年3月11日
【发明者】孙志伟, 职亚楠, 孙建锋, 周煜, 侯培培, 刘立人 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所