CN101408623A - 宽带综合孔径上变频成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种新型的宽带综合孔径上变频成像方法和系统，可实现工作在微波、毫米波和亚毫米波波段的高分辨率实时成像探测的目的，属干涉式高分辨率成像系统，可应用于遥感、军事侦察等领域。在本发明中，综合孔径天线阵列接收来自目标的宽带辐射信号后，通过电光调制将该信号加载到光波上，经光纤传输在末端形成缩比阵列，利用冗余基线校正技术(Redundant SpacingCalibration－RSC)实现了光纤传输中的相位保持；通过光综合孔径成像和光谱烧孔技术在光子晶体上记录下目标的宽带辐射图像，最终运用扫频激光束将光子晶体中目标的宽带图像信息实时读取出来。

Description

宽带综合孔径上变频成像系统

技术领域

本发明主要涉及宽带上变频电光调制和光子晶体全息术的被动综合孔径成像技术，尤其是运用电光调制的光载波信号进行干涉成像，通过冗余基线校正(RSC)技术进行光纤系统的相位保持，最终利用线性调频光束读出光子晶体中目标的宽带图像的一种新的成像系统。

背景技术

被动微波、毫米波成像系统广泛应用于射电天文学研究、遥感和军事等领域。任何高于绝对零度的物体都会辐射各种波段的电磁波，被动成像探测是探测目标的电磁辐射和散射，并运用各种信号处理技术恢复出目标的温度分布图或散射特征图。

为了提高成像系统的分辨率，目前广泛应用综合孔径技术，首先出现的是下变频成像系统。自从1988年美国麻萨诸塞大学微波遥感实验室研制出一台L波段(1-2GHz)下变频综合孔径成像系统以来，被动综合孔径成像技术不断向前发展，先后出现了MIRAS、2D-STAR等下变频成像系统。但基于下变频综合孔径成像方法存在系统复杂度太高、体积大、质量重、易受电磁干扰等不足之处，近几年出现了一种基于上变频电光调制技术的综合孔径成像方法。2002年以来，美国科罗拉多大学和特拉华大学先后通过将接收到的窄带辐射信号经电光调制技术加载到光波上，利用调制后的边带光束形成阵列进行光学成像，从而得到目标的窄带温度分布图。

上述几种被动综合孔径成像方法和系统都是对目标辐射的一个窄带频率进行成像，最终只能得到目标在某个特定波长处的辐射温度图，也即得到的只是目标的在该波长处的强度分布图。为了进一步获取目标更加丰富的信息，需要提高系统的成像带宽，也即实现宽带的成像。如果仍采用前述的上变频综合孔径成像系统进行宽带成像，主要会存在以下两个问题：(1)携带宽带信号的光束直接在傅里叶变换透镜焦平面成像，这些则宽带图像无法提取并进行图像的融合处理；(2)由于傅里叶变换透镜对于不同波长的光束，其焦距不同，因此在成像过程过存在相差，这会导致成像的质量下降。因此必须提出一种新的成像方法和系统来实现宽带综合孔径成像。

光子晶体和光谱烧孔技术出现已经多年，所谓的光谱烧孔效应，就是在某些物质中存在着一组能级包含一个基态与一个受激态，在其间有一介稳态的能阶。当有入射光将电子由基态激发至受激态时，受激发的电子会在几个皮秒的时间内跃迁到亚稳态。在经过约长达几个毫秒后，电子才会回到基态并释放出波长与入射光波长相近的光子。而在该物质的吸收/穿透光谱上在特定的波长附近便会形成一个空区意味着该特定波长的光无法通过。当一束强的单频激光通过这种光子晶体时，它可以选择性地将一群与共振频率相对应的原子激发至饱和状态，这时若有另一束频率扫描的弱探测光通过该介质，则在它的吸收光谱的相应位置上将出现一个凹陷。

目前，基于永久光谱烧孔技术的数字光盘存储技术已经广泛现实并广泛应用。光谱烧孔光子晶体还可用于宽带图像信号的存储与读取中，光子晶体的光谱烧孔过程与信号的读取过程如图2所示。图2(1)表明了光子晶体的原始吸收频谱曲线图，在一定的频率范围内存在一系列独立吸收频谱点，具有很强的吸收。由于其间隔很小，因此通过一个扫频激光器照射光子晶体，可被用于实现对在该频率范围内的宽带信号的窄带采样功能；图2(2)显示了一幅输入的宽带调制光束的频谱图；图2(3)是光子晶体被光谱烧孔后的吸收频谱图，光子晶体的频谱吸收包络曲线记录了输入信号的频谱；图2(4)是一强度微弱的线性调频激光光束通过光子晶体后得到的谱图，由于不同频率处的透射强度与输入信号在该频率处的分量对应，因此通过线性调频的激光束扫描后，用探测器得到的时域波形就是输入信号的频谱，通过积分即可得到完整的宽带信号。

在上变频被动综合孔径成像系统中，如各通道光路不等，则在光载波之间存在相位误差，这个误差也会被传递到调制边带中，而不对含有目标信息的边带信号进行相位误差校正，就无法获得任何有意义的图像。光纤系统的通道相位误差来源主要有以下几种：(1)温度变化引起光纤长度变化，这种误差通常在微米量级，但由于光束波长也是微米量级，因此会产生无法预测的相位误差；(2)光纤连接误差，外力作用引入的相位误差，这种误差更大，一般达到毫米量级，对1.55um的光束，1mm的误差导致大约666.7个2π的相位误差。(3)大气扰动对辐射信号的相位误差，最终也通过电光调制器被引入到光纤系统中，其误差量受到大气环境不同变化不同。

目前上变频综合孔径成像系统中，光纤系统相位保持方法主要是闭合相位技术，其主要原理如下：对于一个有三个孔径组成的单元，其对应的三个相位差之和为零，并被称为闭合相位关系。对各个相位差而言，任何非零的组合都是测量误差的线性组合。这些独立的闭合相位关系同系统原有的参考信号模型相结合，从而可以最终确定各通道的相位误差量并进行误差的补偿。但这种方法对大气抖动产生的辐射信号的相位误差比较有效，但对于前述的光纤系统中连接误差和温度变化导致的光纤相位误差无法进行有效的校正。

冗余基线校正(RSC)技术最初是应用在射电天文学中，它作为一种实时性校准算法，在校准的过程中不需要建立源模型，也不需要额外的硬件结构和重复性计算。同时，这种算法对仪器、天线误差及介质引入导致的传输误差并不加区分。目前该方法已经被成功应用于工作在从微波到太赫兹的各类传统窄带被动综合孔径成像系统中，发挥了巨大的作用

发明内容

本发明涉及一种新型宽带被动综合孔径上变频成像方法和系统，用于获得被探测目标的更多频率辐射信息，同时提高成像系统的图像质量，它采用天线接收到的宽带辐射信号对相干光束进行调制，利用调制后光束中的边带信号光束进行宽带干涉成像，所得宽带模糊图像被光子晶体记录，最后通过相干扫频激光束和变焦镜头共同读取出该宽带图像，整个系统采用RSC技术进行相位保持与校正。

本发明主要采用上变频技术对目标的宽带辐射信息进行综合孔径成像，采用如下技术方案：

发明提出如图1所示的宽带综合孔径上变频成像系统，其基本思想是通过上变频技术将目标辐射的宽带信号转化到光载波上，通过RSC技术对光纤系统进行相位保持与校正，利用光子晶体记录存储干涉所得的宽带图像，最通过扫频激光束和变焦镜头共同读取出该宽带图像。所述的宽带被动综合孔径上变频成像系统包括天线和外差接收阵列子系统、上变频电光调制子系统、光纤传输与相位保持子系统，光纤阵列和光学元件组成的光学成像子系统，以及由光子晶体和扫频激光器组成的宽带成像子系统。

RF天线接收来自远场目标的宽带RF辐射，天线接收的这些信号通过电光调制器被调制到光载波上，调制后的光波通过一个相位保持的保偏光纤阵列传输，该阵列是原来RF天线阵列的一个缩比阵列，相位保持是通过RSC算法利用光纤延迟器实现。光纤阵列输出含有远场目标辐射宽带信号的准直光束通过傅里叶变换透镜后，被分光棱镜分成两束。其中一束被短波近红外CCD探测到，用于光纤系统的相位保持与校正；另一束含有宽带图像信号的光被光子晶体记录，他是在光子晶体中窄带空间频谱全息的一个叠加。此时，可利用一个扫频激光器来读取每个窄带RF图像，一个与扫频激光束频率对应的同步变焦镜头对该光束中含有的窄带目标信号进行成像。

在本发明中，系统各个部分说明如下：

(1)天线阵列：是由多个宽带接收天线在满足冗余基线校正(RSC)要求的同时，按照最佳空间频率覆盖和最小冗余采样、并结合载体平台形状和尺寸，经优化计算得到天线位置的阵列系统。每根天线分别接收来自观测目标的辐射和散射信号，优化的算法可采用模拟退火算法，遗传算法和蚁群算法。

(2)窄线宽DFB激光器：电光调制系统中的光源为工作在波长为1550nm或1310um的连续波光纤激光器，输出为单模保偏光，且其-40dB线宽低于50GHz；在宽带成像系统中采用的激光器主要中心频率与前相同，同时必须具有高速调谐的性能，输出波长可被线形调频信号调制。

(3)光纤分光器：光纤分光器用于将激光器输出的光束经平均的分成多路，作为载波光束分别进入电光调制器，要求全部为单模保偏光纤。

(4)电光调制器：电光调制器的尾纤必须是单模保偏光纤，电光调制器的最大调制频率必须高于调制信号的频率，带宽大于信号带宽，输入的调制信号强度要在一定的范围内，不得过大或太小。为保持任意两个接收机的信号所包含的目标相位差信息，要求调制后的边带信号近似为幅度调制，须根据系统的调制频率选用相应的调制器(强度调制器或相位调制器)。

(5)载波光纤阵列：各通道调制后的光束通过保偏光纤传输，光纤阵列拓扑结构要与原天线阵列相同，且阵列的缩比因子需要考虑光波和调制信号的频率，准直光束直径与天线口径比。

(6)调制边带光束干涉成像：相干光成像主要是利用光纤准直后的光束在空间干涉，通过傅里叶变换透镜实现焦平面成像，同时利用一分光棱镜将成像光束分为两路，一路用CCD接收用于相位保持子系统中，另一路利用光子晶体存储后，并最终扫频激光器读出。

(7)光纤系统相位保持：对(6)所述的CCD的图像进行分析和计算，从而得到各通道中的相位误差量，同时实时地经光纤相位延迟装置，如PZT予以补偿，从而实时校正光纤系统的相位误差来实现系统的相位保持。

(8)光子晶体：本发明中应用的光子晶体为Er:YSO，它是一种在1550nm波段或1310nm波段一定范围内具有短时间光谱烧孔特性的晶体。电光调制后，边带光束中携带的目标宽带辐射信号对光子晶体进行光谱烧孔，从而图像信息被段时间存储在光子晶体中。

(9)扫描成像：线形调频信号源对激光器调制输出后，经准直扩束透镜后进入光子晶体，利用光子晶体的光谱烧孔特性，随着光束变化，该光束可读取晶体中所存储的与入射光束频率相同的窄带频率图像；同时可变焦镜头与线形调频信号调制后的光束频率变化同步调谐，使得近红外CCD一直处于成像光束的焦平面位置，在经一个线形调频信号周期内的成像叠加后，最终得到一幅目标的宽带图像。

本发明的主要特色：采用了上变频技术，将宽带辐射信号转化到光波频率，运用光学成像和光子晶体的光谱烧孔技术最终实现宽带成像。

本发明的效益与应用前景：(1)该成像系统的应用前景：本发明提出通过将接收目标宽带辐射信号，通过上变频电光调制技术，光子晶体光谱烧孔技术，以及线形调频激光束读取技术，最终实现对目标的宽频谱成像。由于物体自发的辐射特性和被动成像的优越性，同时利用综合孔径来提高分辨率，本发明为被动成像遥感，军事侦察以及反恐探测技术提供一种宽带成像的有效方法。(2)经济效益：本发明中的各项技术不仅可广泛应用于微波，毫米波和太赫兹波等波段的宽带综合孔径上变频成像系统中，其中光纤阵列成像技术还可用于传输高速宽带图像；RSC技术还可应用于传统的被动综合孔径成像系统中用于校正系统相位误差；上变频成像的方法也可移植到主动成像系统中用于提高信号处理速度；而光子晶体光谱烧孔技术也可用广泛应用大容量数据存储。

附图说明

图1为本发明宽带综合孔径上变频成像系统图

图2为光子晶体光谱烧孔过程图

图3为本发明实施方案中光子晶体中光束与其后的光阑位置图

图4为本发明实施方案中单臂为5根天线的交错“Y”型排列图

图5为本发明实施方案中阵列图的空间频率采样覆盖图

图6为本发明实施方案中所采用光子晶体光谱吸收图

具体实施方式

图4显示了采用单臂为5根天线的交错“Y”型天线阵列排列图，该排列中，在考虑RSC技术实现的基础上，以最佳的空间频率覆盖为原则进行优化得到的排列结果。图5给出了图4对应的u、v覆盖效果图，也即目标图像的空间频率采样图覆盖。实施方案中考虑到辐射信号在大气中的传输特性，取辐射信号为35GHz为接收机中心频率，且接收机的带宽为20GHz，以实验室成像系统为基础，取每个臂上间隔的基本单位为8cm建立本发明的实施方案系统。

阵列天线3采用WiseWave Technologiesd Inc.公司的30GHz到50GHz的接收天线ARH-2220-02，其中的前置低噪放大器(LAN)采用该公司的ALN-33144020-01。为了实现对前述中心频率40GHz的信号进行调制，本实施方案中的电光调制器4选用COVEGA Corporation的Mach-40 066-40-P-A-A电光相位调制器，其最大调制器达到40Gb/s，且其工作带宽达到20GHz。进入调制器的光束是由一Koheras Adjustik的E15超窄线宽DFB半导体激光器1产生，该激光器的3dB线宽小于1KHz，其中心波长为1536.61nm。激光器1输出为保偏光，经保偏光纤进入1×16的光纤耦合器2中，激光器输出的光束被均匀分为16束输出。任选其中的13束分别进入电光调制器。经LNA放大的宽带毫米波信号直接进入电光调制器的射频入射端口，对入射的光束分别进行相位调制。

各电光调制器调制后输出的光束，分别经用于相位保持控制的光纤相位延迟器5后，在光纤的末端形成光纤阵列。光纤阵列6采用MicroOpitcis公司的FC-Q-250型光纤阵列，选择其中的对应位置通道后组成，光纤间隔基本单位为250um。该阵列的拓扑结构与天线阵列的结构相同，阵列的缩比因子需要考虑光波和调制信号的频率，准直光束直径与天线口径比，阵列缩比因子的最佳值为1，此时原天线阵列与此处的光纤阵列具有相同的空间分辨率，在其后的CCD上所得的图像与真实孔径直接成像所得图像的比例为1∶1。

光纤阵列输出的光束具有一定的发散角，运用MicroOpitcis对应的SUSSFC-Q-250型微准直子透镜阵列7进行准直，得到平面波输出。改光束经一个用于RSC的带有π/2相移光栅8和用于聚焦成像的傅里叶变换透镜9后，在空间发生干涉，最终聚焦到焦平面。其过程类似于传统的下变频综合孔径成像过程中的互相关运算。在聚焦到焦平面之前，运用一分光棱镜10，将成像光束分为两束：一束用于相位保持与校正控制应用；另一束用于成像，在透镜焦点位置上放置一对光束波长具有光谱烧孔特性的光子晶体。位于焦平面的近红外CCD相机13得到目标的图像。由于该阵列是结合了RSC要求的特殊阵列，因此可通过信号处理器18计算分析该图象得到对应各通道的相位误差量并被转化为模拟电信号，进入光纤相位延迟器5对相应通道实施相位控制，以达到相位保持，保证目标的宽带信号光束可以同步的到达光纤阵列。

本实施方案中所采用的光子晶体11为0.02％Er⁺³:1％Eu⁺³:Y₂SO₅，在经过液态N₂致冷形成的4.2K的低温环境下，其吸收谱线图如图6所示。来自光纤阵列的目标宽带信号光束S对晶体进行短时间的光谱烧孔，从而目标的宽带图像被存储在光子晶体11中。此时，另一中心波长相同的激光器15受到信号源14产生的线形调频信号的内调制，激光器的输出光束波长随着时间也线形变化，其频率曲线类似信号源14的输出信号频率变化。输出光束通过扩束镜16和准直透镜17后得到能够覆盖光子晶体上图像存储区域的光束，光束通过光子晶体时受到光谱烧孔后的晶体透射率的变化的调制，从而在该波长(频率)的窄带目标图像被读取。通过在光子晶体后置一光阑，如图3所示，可只允许读取光束R通过，而原信号光束S不会被阻挡无法进入成像近红外CCD相机13。利用信号源14输出的信号实时对可变焦镜头12进行焦距的调节，可使得在任何时刻成像的近红外CCD相机都在镜头的焦平面上以实现无相差的成像。

Claims (10)

1.一种可工作在微波、毫米波和亚毫米波波段的高空间分辨率宽带被动综合孔径上变频成像系统，其特征是：所述的宽带被动综合孔径上变频成像系统包括有N个子天线构成的天线阵列和相应的外差接收阵列子系统、上变频电光调制子系统、光纤传输与相位保持子系统，由光纤阵列和光学元件组成的光学成像子系统，以及由光子晶体和扫频激光器组成的宽带成像子系统；所述各分系统协调工作，接收阵列子系统接收来自目标的辐射和散射的宽带信号，经上变频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保持子系统形成光纤缩比阵列，经光学成像子系统将宽带图像成像在光子晶体上，对光子晶体进行光谱烧孔，最终宽带成像子系统将前述目标的宽带图像以扫描的方式输出到CCD。

2.根据权利要求1，所述天线接收阵列子系统是由多个接收天线在满足冗余基线校正(RSC)要求的同时，按照最佳空间频率覆盖和最小冗余采样、并结合载体平台形状和尺寸，经优化计算得到天线位置的阵列系统。

3.根据权利要求2，所述的阵列优化计算方法可以采用模拟退火算法，遗传算法，蚁群算法等来实现优化排列。

4.根据权利要求1，所述上变频电光调制子系统由窄线宽DFB激光器，1×N光纤耦合器，电光调制器和射频适配器组成；其特征为：窄线宽DFB激光器输出光束经1×N光纤耦合器分束后，传输至电光调制器，权力要求1中接收到的射频信号经适配器耦合到电光调制器，并对通过该电光调制器的光束调制。

5.根据权利要求4，所述窄线宽DFB激光器，为工作在波长约为1550nm或1310um的连续波DFB激光器，输出为保偏光，且其-40dB线宽低于50GHz。

6.根据权利要求4，所述的电光调制器为相位调制器，其最高工作频率必须大于输入射频信号频率，且工作带宽须满足调制射频信号的带宽要求。

7.根据权利要求1，所述光学成像子系统，由光纤阵列，光纤准直器阵列，成像透镜组和滤波分光棱镜组成；其特征为：光纤阵列为权利要求4调制后的光束所组成，且相对权利要求1所述天线阵列等比缩小，光纤阵列的光束经准直器阵列准直后进入成像透镜组进行光学成像处理，滤波分光棱镜将成像光束分为两路，经过最终在透镜的焦平面上成像。

8.根据权利要求1，所述的光纤传输与相位保持自系统，由2/π相移衍射光栅，近红外CCD相机，信号处理器和光纤相位延迟器组成；其特征为：2/π相移衍射光栅置于权利要求7所述准直器阵列与成像透镜组之间，近红外CCD置于权力要求7所述分光棱镜后带有调制载波的一路的焦平面上，运用冗余基线校正(RSC)并经信号处理器计算分析CCD成像信息，可得到系统中各个通道所需的相位延迟量，通过光纤相位延迟器实现相位保持。

9.根据权利要求1，所述宽带成像子系统，由光子晶体，线形调频信号源，扫频激光器，扩束准直透镜，可变焦镜头，近红外CCD相机组成；其特征为：光子晶体置于权利要求7所述分光棱镜后带有调制边带光束的焦平面上，该晶体被光谱烧孔并记录目标的宽带全息图像；线形调频信号源对扫频激光器进行调制后输出后，经准直扩束透镜后进入光子晶体，利用光子晶体的光谱烧孔特性，随着光束变化，该光束可读取晶体中所存储的对应窄带频率图像；同时线形调频信号根据光束频率调谐可变焦镜头，使得近红外CCD一直处于焦平面位置，经一个线形调频信号周期内的成像叠加与融合，最终得到一幅目标的宽带图像。

10.根据权利要求9，所述光子晶体为Er⁺³:YSO，其特征为：光子晶体是一种在1550nm波段或1310nm波段一定范围内具有短时间光谱烧孔特性的晶体；电光调制后，边带光束中携带的目标宽带图像信号对光子晶体进行烧孔，从而图像信息被存储在光子晶体中。

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