CN100593734C - 被动综合孔径光子成像方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型的被动综合孔径光子成像方法和系统，可以实现工作在微波、毫米波和太赫兹波段的高分辨率实时成像探测的目的，属于干涉式成像遥感、高空间分辨率军事侦察技术领域。在本发明中，不同于传统的被动综合孔径成像的两两天线相关的组合运算和离散Fourier变换的方法重构目标的图像，视场辐射信号被接收和降频后，通过电光幅度调制将相位信息加载到光波上，并结合冗余间隔校正(RSC)实现高精度相位补偿技术，通过光纤传输形成阵列，最后运用光综合孔径技术通过光学系统直接将视场图像实时的恢复出来。

Description

被动综合孔径光子成像方法和系统

技术领域

本发明主要涉及高分辨率遥感成像与军事侦察方法和系统，尤其是运用光学综合孔径成像、电光调制和冗余信息校正技术对综合孔径系统进行实时成像的方法和系统。

背景技术

任何高于绝对零度的物体都会辐射电磁波，被动式成像探测是利用探测物体的电磁辐射，并运用特定的反演算法得到目标的亮温图。对被动式成像系统，要获得高的空间成像分辨率，综合孔径技术是一种有效的方法。该技术利用若干个体积小、重量轻的小孔径天线按照载体形状和尺寸大小，依据最小冗余空间频率覆盖、最佳成像质量等规则排列成稀疏孔径阵列，通过两两天线信号组合复互相关运算和离散Fourier变换运算而重构出所观测目标的图像。

1988年，美国麻萨诸塞大学微波遥感实验室采用这种方法研制出一台L波段(1-2GHz)单极化(水平方向)混合实-综合孔径辐射计，即ESTAR(电扫描稀疏阵列辐射计)，并进行了机载实验，得到有价值的土壤湿度图案。而ESTAR的下一代2D-STAR的样机也开发完成，并于2002进行了首飞试验。

1991年，欧洲航天局(ESA)组织了一个工作会议，会上来自欧洲和美国的专家提出多种测量SMOS的新方向。其中一个就是2维合成孔径辐射计及它的校正系统，那时对这方面研究尚未深入。随后TUD成功地建立了一个工作在X波段的实验室演示模型。在受到ESTAR和TUD的模型成功的鼓舞下，ESA于1993年启动了MIRAS(合成孔径微波成像辐射计)的可行性研究。1996年底，MIRAS完成了实验样机的组合并准备升空进行实机飞行成像实验。1999年ESA选中SMOS观测者项目，MIRAS系统是该项目的核心仪器，以提供全球的土壤湿度和海洋盐度的地图。

近年来美国的部分大学还开展了太赫兹综合孔径成像技术的相关研究工作：最早在2003年有太赫兹干涉阵列成像远场实验研究的报道和太赫兹波对地观测遥感理论研究的报道，2004年有用于反恐的被动太赫兹波近场干涉阵列与综合孔径成像理论研究工作的报道，2006年出现了被动太赫兹波综合孔径成像系统和仿真研究的报道。

90年代中期，中国科学院空间科学与应用研究中心，华中理工大学和南京理工大学都有相关的论文发表。其中中科院空间科学与应用研究中心近年来还做出了实验样机，并给出了成像结果分析。

目前国际上研究的被动综合孔径成像系统的目标图像重构的理论和方法仍是采用如图1所示的传统的被动微波、毫米波综合孔径成像理论和方法。如图1所示(以1-D情况下4根天线的阵列为例)，天线1接收的目标辐射通过混频器13与来自本振11混频后产生差频信号，该信号经过放大器14后分别在相关器15中进行两两复互相关运算，再经信号处理器16进行离散Fourier逆变换后重构出目标的图像并在显示器8上显示出来。对于现代遥感、军事侦察以及反恐等应用而言，这种传统的成像理论与方法存在着几方面的不足：(1)系统复杂，成本高。由n个天线组成的被动综合孔径成像系统而言，要完成两两互相关运算，必需n(n-1)/2个相关器，若一个由100个天线组成的接收阵列则需4950个相关器，这样使得系统复杂而成本高；(2)难以实现实时成像。因要实现目标图像重构，必须完成两两互相关运算和离散Fourier变换运算，对于天线较多综合孔径阵列而言，难以在瞬间完成大数据量的运算，此外，因天线阵的排列是结合具体的载体平台形状和尺寸和最小空间频率冗余度来优化实现的，在完成离散Fourier变换时必须采取将空间频率覆盖栅格化等措施，才能完成离散Fourier变换运算，这样势必造成图像失真，必须采取后继的图像处理算法才能较逼真地恢复目标图像，因此不能实现实时成像观测；(3)易受电磁干扰，重量重，体积大。通常中频信号都经过同轴电缆等来传输，对于由大量互相关器组成的系统而言，容易产生电磁干扰，且同轴电缆存在成本高、体积大和重量重的缺点，这些都是实际工程应用中不利的因素。

光波综合孔径最早起源于天文光干涉技术，主要用于天体测量。到上世纪六十年代，随着光电技术，自动控制技术，图像重构技术和闭合相位技术的发展，光学综合孔径逐渐成熟起来。长期以来，由于各自技术的特点，光学综合孔径技术和八、九十年代发展起来的微波、毫米波以及太赫兹遥感辐射计都是独立发展的，尚未见到有开展将两者结合的被动综合孔径光子成像研究的报道。

发明内容

由于传统的综合孔径成像的反演成像方法存在这诸多缺点，本发明提出的被动综合孔径光子成像方法，先将接收天线阵列按照载体进行优化，然后将接收机接收的信号经过电光调制技术加载到光波上，通过光纤传输，并在阵列末端形成光纤阵列，运用微光学技术设计光学系统使之形成光学综合孔径成像系统，最终在焦平面上使用CCD直接成像。

本发明将传统的干涉式遥感成像和光学综合孔径成像技术结合起来，采用如下技术方案：

发明提出如图2所示的被动综合孔径光子成像系统的构想(以1-D情况下4根天线的阵列为例)，其基本思想是将被动综合孔径与光学综合孔径结合在一起形成一个高分辨率实时成像系统，而综合孔径与光学综合孔径的结合点是由图2中所示的电光调制来完成的。首先外差接收机输出的中频放大信号(携带着来自目标的振幅和相位信息)通过电光调制器来调制光纤中传输的光波，也即将带有目标的振幅和相位信息通过电光调制器载波到光纤中传输的光波上；图2中的光纤阵列是被动综合孔径天线阵的缩比阵列，因光纤阵列中各光纤传输的光既是来自同一激光器的光(相干光)，又携带着各自天线探测到的目标信息的振幅和相位。因此，按照被动光学综合孔径成像理论，安置在光学系统成像焦面上的探测器阵列(如CCD)就可以实时获得目标的像。同时通过对接收天线阵列的合理设计与优化，使之存在一定的基线冗余，在CCD成像后运用冗余空间间隔校正(RSC)方法和高速信号处理器DSP或FPGA(图1中9)对图像进行分析，获取系统误差并进行相应的补偿和校正。

在本发明中，系统各个部分说明如下：

(1)综合孔径阵列：是多个接收天线按照最佳空间频率覆盖和最小冗余频率、并结合载体平台形状和尺寸优化组合而成的天线阵列系统，每根天线分别接收来自观测目标的辐射和散射信号。

(2)外差接收接收机：天线接收的信号进入外差接收机，首先被前置低噪放大器放大，然后进入混频器和本振信号混频，输出信号经低通滤波器后即得到混频后的下边带信号，再经中频放大器放大后输出。

(3)电光调制系统：调制激光器选用适合普通光纤传输的波长，可以选用输出波长为1.3um或者1.5um的连续波激光器，传输光纤采用单模保偏光纤；为保持任意两个接收机的信号所包含的目标相位差信息，采用最佳调制方式(如相位调制、振幅调制等)，可根据系统的调制频率选用相应的调制器。

(4)光纤缩比阵列：调制的激光分别通过光纤传输，传输过程需要保持光程一致才可以保持光纤之间的相位差，在光纤的末端按照接收机阵列的分布进行设计光纤阵列，通过恰当的缩比设计可以实现光学综合孔径成像后与传统相干成像成比例、甚至1∶1的图像。

(5)光子成像与反馈系统：成像部分主要是运用光学综合孔径成像技术进行光学系统的设计，运用有目标相位和振幅信息的光波互相关运算，通过透镜系统的光学Fourier变换的技术实现，并在焦平面上利用CCD直接实时成像，运用信号处理设备结合阵列冗余信息对图像分析并给出调制前激光的相位补偿。

本发明的主要特色：将被动综合孔径与光学综合孔径结合为一体；将电光调制技术引入到被动综合孔径成像系统中；利用冗余信息进行相位校正。

本发明的效益与应用前景：(1)该系统和方法的应用前景：由于物体自发的辐射特性和被动成像的优越性，并利用综合孔径来提高分辨率，本项目通过对被动综合孔径成像系统的理论和方法的研究，为被动成像遥感，军事侦察以及反恐探测技术提供一种新的有效方法。(2)光子成像技术的拓展应用：通过将接收机中频输出进行电光调制，并用光学瞬间叠加和Fourier变换技术取代传统的电互相关和离散的电Fourier计算，极大的提高了信号的处理速度，可实现实时成像。该方法可广泛应用于微波，毫米波和太赫兹波等波段的被动综合孔径成像系统中，还可通过设计光电系统使之运用于主动成像系统中，以缩短现有系统的成像处理时间。

附图说明

图1为传统的被动综合孔径成像方法(以1-D时4根天线的阵列为例)

图2为本发明被动综合孔径光子成像系统(以1-D时4根天线的阵列为例)

图3为本发明实施方案中圆周阵列优化后的16根天线位置分布

图4为本发明实施方案中图3所示阵列的u-v覆盖图

具体实施方式

图2显示了含有4根天线的系统结构图，在发明实施方案中，为了达到充分的空间频率采样，我们采用16根接收天线分布在二维圆周上，运用遗传算法进行优化排列，其优化结果如图3所示。在机载情况下，取圆周半径为5m。图4是该天线分布对应的空间频谱(u-v面)覆盖情况。

根据大气透射窗口，可选择天线阵列工作中心频率为650GHz。考虑成本和集成度，选择目前常用的SIS外差接收机，其工作频率范围为100GHz～700GHz，该种类型的接收机目前在欧美已经被运用航天飞行器中对太赫兹波进行探测。天线接收来自目标的自然辐射和散射信号与本振11的信号在外差接收机中混频滤波后，输出中频信号的中心频率为2GHz。为了利用该中频信号调制激光，需要进行中频放大，本方案接收机中采用Miteq公司的JS2系列的放大器。激光器12选用SPI公司的redPOWER^TM系列光纤激光器，其中SP-M-10-1550是工作在1550nm的可以以连续或脉冲方式的光纤激光器。依据中频信号的中心频率和带宽，电光调制器3采用M-Z光波导LiNbO3电光调制器。该电光调制的工作方式为幅度调制，将中频信号种含有的目标信息加载到1550nm的光波上在光纤4中进行传输，且系统中使用光纤采用单模保偏光纤。在光纤末端，采用光纤准直器5将光信号进行准直同时按照接收天线阵列的排列形成缩比阵列，通过微光学设计的光学处理系统6，最终可在近红外CCD7的焦平面上得到目标的图像。图像的输出分两路：一路进入显示器8；另一路进入高速信号处理器9，对图像信息进行计算和分析，得出调制前光信号需要的校正量，并运用光纤压电鼓相位延迟10进行相位补偿。本方案中光学信息处理系统6前放置振幅光栅，通过移动光栅的方法来实现冗余间隔校正(RSC)，即利用天线阵列中的冗余信息，将微光学透镜阵列和衍射光栅的相移测量技术和绕有光纤的压电鼓相位补偿技术以及控制技术结合为一个系统，以实现各天线通道信息的相位实时测量和补偿。

Claims (8)

1.一种工作在微波、毫米波和太赫兹波段的高空间成像分辨率被动综合孔径光子成像系统，其特征是：所述的被动综合孔径光子成像系统包括接收天线综合孔径阵列子系统、外差接收机子系统、基于电光晶体的电光调制子系统、光纤传输与相位测量补偿子系统以及由光纤阵列和光学系统组成的光子成像子系统；各所述子系统工作如下，接收天线综合孔径阵列接收来自目标的辐射和散射信息，经外差接收机子系统输出放大的、含有目标信息的中频信号，再经过电光调制子系统将目标信息加载到光波上，该光波通过光纤传输与相位测量补偿子系统进行传输和相位测量和补偿，在光子成像子系统中，传输所述加载了目标信息的光波的光纤形成光纤阵列，光纤阵列出射的光波通过光学系统最终实现目标的实时成像。

2.根据权利要求1所述的被动综合孔径光子成像系统，接收天线综合孔径阵列子系统是由多个接收天线按照最佳空间频率覆盖和最小冗余频率、并结合载体平台形状和尺寸优化组合而成的天线阵列系统，接收天线类型为双偶极子天线、双缝天线、喇叭天线、对数周期天线或螺旋天线。

3.根据权利要求1所述的被动综合孔径光子成像系统，外差接收机子系统，由前置低噪放大器，本振，混频器，低通滤波器和中频放大器组成；其中，接收天线综合孔径阵列子系统接收的目标辐射信号，经前置低噪放大器放大后，进入混频器与本振的输出进行混频后，经低通滤波器输出下边带信号，该下边带信号被中频放大器放大后输出。

4.根据权利要求3所述的被动综合孔径光子成像系统，所述本振为晶体振荡器、二极管倍频器、自由电子激光器或光学非线性效应差频激光器；所述混频器为肖特基混频器、SIS混频器或HEB混频器；所述的中频放大器为相应中频段的放大器。

5.根据权利要求2所述的被动综合孔径光子成像系统，其中所述的电光调制子系统由光纤激光器，光纤耦合器，光纤和电光调制器组成；其中，光纤激光器输出光波经光纤耦合器分光后，在电光调制子系统中的光纤中传输，到达电光调制器中后被所述中频放大器放大后输出的信号调制，最终电光调制器输出调制的激光束。

6.根据权利要求5所述的被动综合孔径光子成像系统，光纤激光器为输出波长为1550nm或1310um的连续波光纤激光器。

7.根据权利要求5所述的被动综合孔径光子成像系统，所述的光子成像子系统由光纤阵列，光纤准直器，透镜组和CCD探测器组成；其特征为，光纤阵列是所述天线阵列的缩比阵列，所述调制的激光束传输到光纤阵列中，经光纤准直器准直后进入透镜组进行光学信息处理，最终在CCD焦平面上成像。

8.根据权利要求7所述的被动综合孔径光子成像系统，所述的光纤传输与相位测量补偿子系统由衍射光栅，信号处理器和相位补偿器组成；其中，衍射光栅置于所述光纤准直器与透镜组之间，运用冗余间隔校正方法测量系统相位误差，由信号处理器计算分析在CCD焦平面上的成像结果，以得到系统相位误差值，最后通过相位补偿器补偿该系统相位误差。

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