CN101980049B - 费涅尔望远镜成像激光雷达 - Google Patents

Abstract

一种费涅尔望远镜成像激光雷达，其构成包括激光器、发射偏振分束器、第一通道空间相位调制器、第二通道空间相位调制器、发射偏振合束器、激光放大器、发射望远镜、光束扫描器、接收望远镜、接收偏振分束器、2×4 90°空间光学桥接器、A路平衡接收机和A路放大及码数转换器、B路平衡接收机和B路放大及码数转换器、复数化器、时间空间坐标转换器、重采样插值空间坐标变换器和匹配滤波器，此外还有控制计算机。本发明能够实现目标的超光学分辨率极限的二维成像，提高了接收灵敏度和成像信噪比，大大增加了接收光学口径降低激光发射功率，本发明光机械结构和电子设备简单，是一种能够有效克服大气湍流影响的高分辨率成像激光雷达。

Description

费涅尔望远镜成像激光雷达

技术领域

本发明涉及激光雷达，特别是一种费涅尔望远镜成像激光雷达，原理基于对目标进行同轴同心相位二次项偏振正交双光束扫描的数据收集以及光学和数字计算解调，其有两种工作模式，第一种用于运动目标，这时光束作一维扫描，第二种用于静止目标，这时光束作二维扫描，费涅尔望远镜成像激光雷达能够实现目标的超光学分辨率极限的高分辨率二维成像，由于实施了空间对时间的传输信号转化和采用了同轴相干探测，提高了接收灵敏度和成像信噪比，大大降低了大气对于激光传输的影响，允许使用低质量的接收光学系统从而能大大增加接收光学口径降低激光发射功率，本发明光机械结构简单，同时由于采用空间光桥接器实现复数解调，电子设备简单，总之费涅尔望远镜成像激光雷达是一种能够有效克服大气湍流影响的高分辨率成像激光雷达。

背景技术

实现成像激光雷达的原理有许多种，其中一种相关的方法是傅立叶望远镜成像系统【参见文献1、R.B.Holmes，S.Ma，A.Bhowmik，and C.Greninger，Analysisand simulation of a synthetic-aperture technique for imaging through aturbulent medium，J.Opt.Soc.Am.13(2)，351-364(1996).和文献2、E.L.Cuellar，J.Cooper，J.Mathis，and P.Fairchild.Laboratory demonstrationof a multiple beam Fourier telescopy imaging system，Proc.SPIE，7094，70940G-1-12，(2008).】，这种激光成像雷达把不同取向和不同空间频率的光栅状的激光光斑投向运动目标，目标在运动中扫描这些光栅状空间载波形成目标的空间傅立叶谱，并且产生时间频率较低的时间流信号被该激光雷达接收，雷达的图像处理系统把时间信号转化为空间信号，同时采用傅立叶合成的方法从收集到的目标傅立叶谱合成重构出目标图像，其最大优点是时间信号的传输速率较低，因此能够有效克服大气湍流的影响，并且允许使用低质量的接收光学系统，从而能够大大增加接收光学口径降低激光发射功率，其主要问题是实现多种方向和多种空间频率的光栅状空间光斑是很困难的，因此成像分辨率低，同时需要多台激光发射设备使得实现装置庞大。

在光学全息学领域有一种扫描全息方法【参见文献3、T-C.Poon，M.Wu，K.Shinoda，and Y.Suzuki.Optical scanning hologrphy，Proc.of IEEE，84(5)：753-764(1996).和文献4、T-C.Poon.Three-dimensional television usingscanning holography，J.Information Display，3(3)：12-16(2002)】，它对于物体投射一个二维扫描的激光干涉合成的光强分布费涅尔波带片光斑，因此每个物体点被编码成为一个二维费涅尔波带片并且转化为时间流信号，接收端把时间信号转化为空间相位信号，采用空间光调制器经过衍射重构出物体图像，这种系统只适用于静止物体，而且因为照明采用光强分布的费涅尔波带片光斑从而降低了接收灵敏度和成像信噪比，在处理中采用了声光调制以及余弦拍频和正弦拍频解调实现复数信号合成，电子系统复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的困难，提供一种费涅尔望远镜成像激光雷达，它能够实现目标的超光学分辨率极限的高分辨率二维成像，由于实施了空间对时间的传输信号转化和采用了同轴相干探测，提高了接收灵敏度和成像信噪比，大大降低了大气对于激光传输的影响，允许使用低质量的接收光学系统，从而能大大增加接收光学口径降低激光发射功率，本发明装置光机械结构简单，同时由于采用空间光桥接器实现复数解调，不需要声光光频调制和拍频解调，电子设备比较简单。

本发明结合傅立叶望远镜成像和扫描全息的概念，提出了一种费涅尔望远镜成像激光雷达，原理是：对目标投射一个扫描的由两个同轴同心偏振正交的球面波组成的光斑，其有两种工作模式：第一种用于运动目标这时光束作一维扫描，第二种用于静止目标这时光束作二维扫描，因此目标与照明光斑的相互二维扫描将每个目标点的回波转化为时间流信号，接收端采用同轴相干接收，同时将目标物体点编码成为一个二维费涅尔环带结构的复数二次项相位分布，最终通过处理器的匹配滤波重构出物体图像。

本发明的技术解决方案如下：

一种费涅尔望远镜成像激光雷达，其特点在于由发射端和接收端构成，发射端包括激光器、发射偏振分束器、第一通道空间相位调制器、第二通道空间相位调制器、发射偏振合束器、激光放大器、发射望远镜和光束扫描器；接收端包括接收望远镜、接收偏振分束器、2×490°空间光学桥接器、A路平衡接收机、A路放大及码数转换器、B路平衡接收机、B路放大及码数转换器、复数化器、时间空间坐标转换器、重采样插值空间坐标变换器和匹配滤波器；此外还有控制计算机，上述部件的位置关系如下：所述激光器输出的光束经过发射偏振分束器分为等光强和偏振正交的两光束：第一光束通过具有等效焦距f_l的相位二次项的第一通道空间相位调制器，第二光束通过具有等效焦距f_r的相位二次项的第二通道空间相位调制器，两光束经所述的发射偏振合束器合成为偏振正交的同轴同心光束后再通过激光放大器放大，然后经发射望远镜和光束扫描器向目标投射照明光束，该照明光束在目标面上形成一个扫描的由两个偏振正交的同轴同心的球面波组成的照明光斑，所述的目标与所述的照明光斑的相互二维扫描将每个目标点的回波转化为时间流信号，该目标回波的时间流信号由所述的接收望远镜采用同轴相干接收，经过所述的接收偏振分束镜分解为偏振正交的两路光束并进入2×490°空间光学桥接器，输出相互90°相移的同轴输出的四个光束：其中两束相位差180°的同轴输出的光束由消直流的A路平衡接收机接收并转化为时间流电子信号再通过A路放大和码数转换器处理成A路时间流电子信号，另外两束相位差180°的同轴输出的光束由消直流的B路平衡接收机接收并转化为时间流电子信号再通过B路放大和码数转换器处理成B路时间流电子信号，该A路时间流电子信号和B路时间流电子信号通过复数化器转换为复数表达的复数时间流信号，该复数时间流信号通过时间空间转换器转化回空间域表达的空间复数信号，该空间复数信号再通过重采样插值空间坐标变换器转变为正交均匀分布的空间复数信号，最后通过匹配滤波器实现对共轭相位二次项的相关积分，得到所述的目标的输出图像，所述的控制计算机控制上述所有硬件和软件协调工作。

所述的照明光束对所述的目标的工作模式是：对运动目标的一维扫描，对静止目标的二维扫描。

本发明有如下的明显特点：

1、能够实现目标的超光学分辨率极限的高分辨率二维成像，由于实施了空间对时间的传输信号转化和采用了同轴相干探测，提高了接收灵敏度和成像信噪比，大大降低了大气对于激光传输的影响，允许使用低质量的接收光学系统从而能大大增加接收光学口径降低激光发射功率；

2、本发明装置光机械结构简单，同时由于采用空间光桥接器实现复数解调，不需要声光光频调制和拍频解调，电子设备简单。

总之，本发明是一种能够有效克服大气湍流影响的高分辨率成像激光雷达。

附图说明

图1是本发明费涅尔望远镜成像激光雷达的原理图。

具体实施方式

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。

本发明的费涅尔望远镜成像激光雷达的工作原理如图1所示，由图可见，本发明费涅尔望远镜成像激光雷达由发射端和接收端构成，发射端包括：激光器1、发射偏振分束器2、第一通道空间相位调制器3、第二通道空间相位调制器4、发射偏振合束器5、激光放大器6、发射望远镜7和光束扫描器8；接收端包括接收望远镜10、接收偏振分束器11、2×490°空间光学桥接器12、A路平衡接收机13、A路放大及码数转换器14、B路平衡接收机15、B路放大及码数转换器16、复数化器17、时间空间坐标转换器18、重采样插值空间坐标变换器19和匹配滤波器20；此外还有控制计算机22，上述部件的位置关系如下：所述激光器1输出的光束经过发射偏振分束器2分为等光强和偏振正交的两光束：第一光束通过具有等效焦距f_l的相位二次项的第一通道空间相位调制器3和第二光束通过具有等效焦距f_r的相位二次项的第二通道空间相位调制器4之后再经发射偏振合束器5合成为偏振正交的同轴同心光束，再通过激光放大器6放大，然后经发射望远镜7和光束扫描器8向目标9投射照明光束，该照明光束在所述的目标9面上形成一个扫描的由两个偏振正交的同轴同心的球面波组成的照明光斑，所述的目标9与所述的照明光斑的相互二维扫描将每个目标点的回波转化为时间流信号，该目标回波的时间流信号由所述的接收望远镜10采用同轴相干接收，经过所述的接收偏振分束镜11分解为偏振正交的两路光束并进入2×4 90°空间光学桥接器12，输出相互90°相移的同轴输出的四个光束：其中两束相位差180°的同轴输出光束由消直流的A路平衡接收机13接收并转化为时间流电子信号再通过A路放大和码数转换器14处理成A路时间流电子信号，另外两束相位差180°的同轴输出光束由消直流的B路平衡接收机15接收并转化为时间流电子信号再通过B路放大和码数转换器16处理成B路时间流电子信号，该A路时间流电子信号和B路时间流电子信号通过复数化器17转换为复数表达的复数时间流信号，该复数时间流信号通过时间空间转换器18转化回空间域表达的空间复数信号，该空间复数信号再通过重采样插值空间坐标变换器19转变为正交均匀分布的空间复数信号，最后通过匹配滤波器20实现对共轭相位二次项的相关积分，得到所述的目标9的图像21，所述的控制计算机22控制上述所有硬件和软件协调工作。

所述的照明光束对所述的目标的工作模式有两种：第一种对运动目标的一维扫描，第二种对静止目标的二维扫描。

下面对本发明的工作情况作说明，为了分析说明清楚，先定义坐标和时间系统：本费涅尔望远镜成像激光雷达发射端时间为t₁，目标面时间为t₂，雷达接收端时间为t₃，因此t₂＝t₁-Δt₁₂和t₃＝t₂-Δt₁₂，其中Δt₁₂为从雷达到目标的渡越时间。下面以t₂为分析参考时间；目标面的坐标系统为(x，y)，其坐标原点位于(x＝0，y＝0：t₂＝0)。

首先，对第一种工作模式即目标运动而光束作一维扫描的原理方法说明如下：

发射望远镜7的放大倍数为M，发射出瞳口径为D_i，第一空间相位调制器3和第二空间相位调制器4的等效焦距分别为f_l和f_r，目标9距离为Z的条件下，在目标面上的两束照明光束的波前分别为：

其中：

为照明光斑振幅函数，为艾利斑，其半径为而

和

分别为第一空间相位调制器和第二空间相位调制器产生的等效波前曲率半径。同时

和

分别为两通道的相位延时(以后将包括所有相位延时)。这两个波前不产生任何干涉，但是隐含着费涅尔环带分布。y_w(t)为光束一维扫描函数，y_w(t)为线性扫描函数，同时假定t₂＝0时光斑中心在y轴最上面，振幅为Y_m，因此周期为T的线性周期扫描可以用三角函数表达：

$y_w\left(t\right)=Y_m\underset{n=0,\±1,\±2...}{\mathrm{\Σ}}{(-1)}^n\mathrm{tri}\left(\frac{t-n\frac{T}{2}}{\frac{T}{4}}\right).---\left(3\right)$

一个目标点(x_i，y_i：t₂=0)的运动函数为：

f_i(x，y：t₂)=f(x_i，y_i)δ(x-(x_i+vt₂ cosθ)，y-(y_i+vt₂ sinθ))，    (4)

其中：v为运动速度，θ为运动方向。

因此目标点在费涅尔波带中的运动轨迹为：

x=x_i+Vt₂ cOsθ

                                                                   (5)

y=y_i+vf₂ sinθ-y_w(t₂)°

接收信号为时间流信号，以t₂和目标面坐标为参考，采用偏振表达方法可以表达为：

A路光学平衡接收机13和B路光学平衡接收机15的输出分别为：

其中：当f_r=-f_l时，

上述两个三角函数先码数转换，然后经复数化器17进行复数化，即i(t)=i_A(t)+ji_B(t)。因此接收解调的复数时间流的解析信号为：

假如采样周期为ΔT₂，则上述复数化的采样数学信号为：

复数化的函数仍然为时间函数，因此需要实现时间域到空间域的变换，经时间空间转换器18恢复信号的空间表达。目标物体面的原点(x_i0，y_i0)的时间信号采用扫描路径的反推可以恢复为二维空间分布，其二次项的中心设定在(0，0)，即为

的扫描采样分布。所有目标点按同样的时间过程恢复空间分布，因此目标点(x_i=x_i0+Δx_i，y_i=y_i0+Δy_i)所恢复的二维空间分布的中心位于(-Δx_i，-Δy_i)，即为

的扫描采样分布。应当注意，事实上激光雷达的接收信号相对于目标面坐标还有一个时间延时山Δt₁₂，在时间域到空间域的变换前应当扣除。

采用空间坐标系统变换及其重采样插值方法，上述扫描方式的采样可以变换成为正交坐标规则采样以进一步用于二维傅立叶变换，所得到的目标点的正交坐标规则采样函数可以为：

其中：ΔL为采样距离间隔。

最后，经匹配滤波器20的采样相位二次项的共轭匹配滤波，得到目标的像，即有：

容易看到，在满足相位匹配条件R_equ=R_match下以及理想情况下有：

表示目标的所有物点成像的集合，即目标成像。

照明光斑的波面曲率为R_equ，其半径r₀上的相位二次项半波数为

其中

波面曲率R_equ的半径r₀上的最小半波宽度为

因此在光斑直径上的采样数应当至少为

二维采样数为K＝K_x×K_y，纵向采样数一般为K_y＝K_x。一般应当选择光束扫描器的振幅半宽度Y_m＝r₀。

因为目标运动造成的光束横向扫描周期为d_x＝vTcosθ，考虑到扫描周期内的平均采样数为2，所以要求光束扫描周期为

总的扫描时间为T_total＝2NT，因此点采样的速率为

这时采样周期为

第二种工作模式即目标不动而光束作二维扫描的原理方法说明如下：

设光束作二维正交扫描，令θ＝0和v为扫描器光束在x方向的扫描速度，上述第一种工作模式的所有数学分析都可以直接采用。

已知照明光斑直径由衍射极限的成像分辨率定义可知系统理想成像分辨率为

或者理想成像分辨率(点成像直径)表达为：

$d=\frac{D_t{R}_{\mathrm{equ}}}{Z}.$

比较合成孔径激光成像雷达和微波合成孔径雷达的结构设计，可以认为

的是一种标准设计，这时有

即成像分辨率为发射天线口径的一半，这与合成孔径激光成像雷达和微波合成孔径雷达的结论完全一致，也证明了本发明是一种超光学分辨率极限的激光雷达。

本发明具体实施例是一种地面站费涅尔望远镜成像激光雷达，用于对θ＝0°相对运动速度2km/s的空间飞行物体进行高分辩成像观察，要求作用距离约100km，照明光斑直径10m，理论成像分辨率(直径)5cm。

采用第一种工作模式，光束作垂直于目标运动方向的扫描。

本费涅尔望远镜成像激光雷达的总体技术方案设计为：激光波长λ＝1um，发射光学天线口径φ25mm，发射望远镜放大倍数30×，因此衍射极限设计下发射望远镜产生的在100km目标上的照明宽度为φ10m，两路空间相位调制器的焦距分别为+5m和-5m，因此R_equ＝1111.1km。在照明光斑边缘上的相位半波数N＝22.5，所以整体采样数为K＝90×90，相当于采样间隔ΔL＝111mm，最小半波长宽度为Δr_min＝111mm。理想成像分辨率为d＝27.8mm，满足要求。接收光学主镜口径可以设计为φ1m。要求光束扫描器的扫描周期为T＝0.111ms，每个采样点用16bit表达，则目标点采样速率为1.62Mbps和数据传输速率为26Mbps，不受大气湍流影响。

Claims (2)

1.一种费涅尔望远镜成像激光雷达，其特征在于由发射端和接收端构成，发射端包括：激光器(1)、发射偏振分束器(2)、第一通道空间相位调制器(3)、第二通道空间相位调制器(4)、发射偏振合束器(5)、激光放大器(6)、发射望远镜(7)和光束扫描器(8)；接收端包括接收望远镜(10)、接收偏振分束器(11)、2×4 90°空间光学桥接器(12)、A路平衡接收机(13)、A路放大及码数转换器(14)、B路平衡接收机(15)、B路放大及码数转换器(16)、复数化器(17)、时间空间坐标转换器(18)、重采样插值空间坐标变换器(19)和匹配滤波器(20)，此外还有控制计算机(22)，上述部件的位置关系如下：所述激光器(1)输出的光束经过发射偏振分束器(2)分为等光强和偏振正交的两光束：第一光束通过具有等效焦距fl的相位二次项的第一通道空间相位调制器(3)，第二光束通过具有等效焦距fr的相位二次项的第二通道空间相位调制器(4)，两光束经发射偏振合束器(5)合成为偏振正交的同轴同心光束后再通过激光放大器(6)放大，然后经发射望远镜(7)和光束扫描器(8)向目标(9)投射照明光束，该照明光束在目标(9)面上形成一个扫描的由两个偏振正交的同轴同心的球面波组成的照明光斑，所述的目标(9)与所述的照明光斑的相互二维扫描将每个目标点的回波转化为时间流信号，该目标回波的时间流信号由所述的接收望远镜(10)采用同轴相干接收，经过所述的接收偏振分束镜(11)分解为偏振正交的两路光束并进入2×4 90°空间光学桥接器(12)，输出相互90°相移的同轴输出的四个光束：其中两束相位差180°的同轴输出的光束由消直流的A路平衡接收机(13)接收并转化为时间流电子信号再通过A路放大和码数转换器(14)处理成A路时间流电子信号，另外两束相位差180°的同轴输出的光束由消直流的B路平衡接收机(15)接收并转化为时间流电子信号再通过B路放大和码数转换器(16)处理成B路时间流电子信号，该A路时间流电子信号和B路时间流电子信号通过复数化器(17)转换为复数表达的复数时间流信号，该复数时间流信号通过时间空间转换器(18)转化回空间域表达的空间复数信号，该空间复数信号再通过重采样插值空间坐标变换器(19)转变为正交均匀分布的空间复数信号，最后通过匹配滤波器(20)实现对共轭相位二次项的相关积分，得到所述的目标(9)的图像(21)，所述的控制计算机(22)控制上述各硬件和从目标回波到目标图像的信号处理过程的协调实施。

2.根据权利要求1所述的费涅尔望远镜成像激光雷达，其特征在于所述的照明光束对所述的目标(9)的工作模式是：对运动目标的一维扫描，对静止目标的二维扫描。

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