CN102004243B - 合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统 - Google Patents

Abstract

一种合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统，用于在合成孔径激光成像雷达的光学接收天线之后的目标回波信号的光学外差接收和光学处理，核心原理是采用2×4 90°光学桥接器实现两路外差平衡接收，得到具有90°相移的两路回波和本振外差产生的实数信号，即复数信号的实部和虚部，然后通过数字化处理合并为复数信号，再经过数字图像处理包括距离向采用傅立叶变换实现距离向聚焦和方位向采用共轭相位二次项匹配滤波实现方位向聚焦而最终得到目标像输出。本发明具有接收灵敏度高，复数化准确性高，光学天线方向性等因素的影响小，目标点之间的相互干扰小的特点，是合成孔径激光成像雷达的重要的关键技术改进。

Description

合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统

技术领域

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光学桥接外差接收和复值处理系统，用于在合成孔径激光成像雷达的光学接收天线之后的目标回波信号的光学外差接收和光学处理。

核心原理是采用2×490°光学桥接器实现两路外差平衡接收，得到具有90°相移的两路回波和本振外差产生的实数信号，即复数信号的实部和虚部，然后通过数字化处理合并为复数信号，再经过数字图像处理包括距离向采用傅立叶变换实现距离向聚焦和方位向采用共轭相位二次项匹配滤波实现方位向聚焦而最终得到目标像输出。由于采用了光学方法直接和同时取得了信号复数函数的实部函数和虚部函数，因此接收灵敏度高，复数化准确性高，光学天线方向性等因素的影响小，目标点之间的相互干扰小，是合成孔径激光成像雷达的重要的关键技术改进。

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，是能够在远距离取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在实验室先后得到了验证【参见文献1：M.Bashkansky，R.L.Lucke，F.Funk，L.J.Rickard，and J.Reintjes，“Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain，”Optics Letters，Vol.27，pp1983-1985(2002).；文献2：W.Buell，N.Marechal，J.Buck，R.Dickinson，D.Kozlowski，T.Wright，and S.Beck，“Demonstrationof synthetic apertureimaging ladar，”Proc.of SPIE，Vol.5791，pp.152-166(2005)；文献3：周煜，许楠，栾竹，闫爱民，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.29(7)：2030～2032(2009)。】，2006年在美国国防先进研究计划局支持下雷声公司和诺格公司分别实现了机载合成孔径激光雷达试验(无任何细节报道)【参见文献4：J.Ricklin，M.Dierking，S.Fuhrer，B.Schumm，and D.Tomlison，“Synthetic aperture ladar for tactical imaging，”DARPA Strategic Technology Office.】。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，因此得到了在包含距离向距离信息和在方位向包含相位历程信息的回波差频信号，该差频信号为电子信号并采用码-数变换成为数字信号，该差频信号通过时间变量的傅立叶变换进行目标的距离聚焦成像，然后在方位向采用空间的共轭相位二次项匹配滤波进行目标的方位向聚焦成像。

通过去斜解调得到的回波接收电子信号是时间的实数函数，目标二次项相位信息被包含在三角函数中，而方位向相位二次项匹配滤波所需的目标信号必须是复数函数，因此回波实数电子信号必须首先转化为复数信号。但是在上述所有的相关报道中【参见文献1、2、3、4】，回波实数电子信号转化为复数信号的过程都是在光电接收和数字化之后采用傅立叶变换并且只取正频率分量或者负频率分量来实现的，因此浪费了一半的接收信号，降低了接收灵敏度，同时复数化准确性差，光学天线方向性等因素的影响大，目标点之间的相互干扰大。

在相干激光通信领域，有一种2×4 90°光学桥接器【参见文献5：W.R.Leeb，“Optical 90 hybrid for Costas-type receivers，”Electronic Letters，V.26(18)，pp1431～1432(1990)和文献6：R.Garreis and C.Zeiss，90°optical hybrid for coherent receivers，Proc.SPIE，Vol.1522，210～219，(1991)；文献7：周煜，万玲玉，职亚楠，栾竹，孙建锋，刘立人，相位补偿偏振分光2×4 90°自由空间光学桥接器，光学学报，Vol.29(12)，3291～3294(2009)。】，对它输入信号激光和本振激光两路光束，可以得到它们同心同轴合束的4路输出，4路光束依次具有90°的相位差，然后进行两通道平衡光电接收，最后得到具有90°相移的两通道电子信号输出，其一路作为通信信号输出，而两路的组合作为本振激光器频率失谐调整的误差探测信号。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统，由于采用了光学方法直接和同时取得了信号复数函数的实部函数和虚部函数，因此接收灵敏度高，复数化准确性高，光学天线方向性等因素的影响小，目标点之间的相互干扰小，是合成孔径激光成像雷达的重要的关键技术改进。

本发明的原理是：

在合成孔径激光成像雷达中采用2×490°光学桥接和两路平衡接收的光学外差接收机对目标回波信号进行光学外差平衡接收和光学处理，得到两路具有90°相移的回波和本振外差产生的实数信号，即复数信号的实部和虚部，然后通过数字化处理合并为复数信号，再经过数字图像处理包括距离向采用傅立叶变换实现距离向聚焦和方位向采用共轭相位二次项匹配滤波实现方位向聚焦而最终得到目标像输出。

本发明的技术解决方案如下：

一种合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统，特点在于其构成包括：2×4 90°光学桥接器、左通道平衡接收机和左通道放大及码数转换器、右通道平衡接收机和右通道放大及码数转换器、数字复数化器和图像处理器，其位置关系如下：

目标激光回波通过合成孔径激光成像雷达的接收光学系统成为目标回波光束，由发射激光器分光一部分光束形成本振激光光束，所述的目标回波光束和本振激光光束输入所述的2×4 90°光学桥接器，经该2×4 90°光学桥接器产生同心同轴合束的四路光束输出，该四路光束之间依次具有90°的相位差，其中两路相移180°的光束由所述的左通道平衡接收机进行光电探测变成实数时间信号，并进一步通过所述的左通道放大及码数转换器转化为左通道数字信号；另外两路相移180°的光束由所述的右通道平衡接收机进行光电探测变成实数时间信号，并进一步通过所述的右通道放大及码数转换器转化为右通道数字信号；所述的左通道数字信号和右通道数字信号通过所述的数字复数化器合并转化为复数时间信号，该复数时间信号通过所述的图像处理器将复数时间信号处理成为目标输出图像，所述的图像处理器的处理包括距离向的傅立叶变换聚焦和方位向的共轭空间相位二次项匹配滤波。

所述的2×490°光学桥接器包括光束的自由空间传播结构，或光束在光纤或光波导中的导波传输结构。

本发明的技术效果：

本发明提出在合成孔径激光成像雷达中采用2×490°光学桥接和两路平衡接收的光学外差接收机对目标回波信号进行光学外差平衡接收和光学处理，得到两路具有90°相移的回波和本振外差产生的实数信号，即复数信号的实部和虚部，然后通过数字化处理合并为复数信号，再经过数字图像处理包括距离向采用傅立叶变换实现距离向聚焦和方位向采用共轭相位二次项匹配滤波实现方位向聚焦而最终得到目标像输出。由于采用了光学方法直接和同时取得了信号复数函数的实部函数和虚部函数，因此具有接收灵敏度高，复数化准确性高，光学天线方向性等因素的影响小，目标点之间的相互干扰小的特点，是合成孔径激光成像雷达的重要的关键技术改进。

附图说明

图1是本发明合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统的结构框图。

图2是自由空间光学2×4 90°光学桥接器的结构示意图

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。

先请参阅图1，图1是本发明合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统的原理图。由图可见，本发明合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统，其构成包括：2×4 90°光学桥接器3、左通道平衡接收机4和左通道放大及码数转换器5、右通道平衡接收机6和右通道放大及码数转换器7、数字复数化器8和图像处理器9，其位置关系如下：

目标激光回波通过合成孔径激光成像雷达的接收光学系统成为目标回波光束1，由发射激光器分光一部分光束形成本振激光光束2，所述的目标回波光束1和本振激光光束2输入所述的2×4 90°光学桥接器3，经该2×4 90°光学桥接器3产生同心和同轴合束的四路光束输出，该四路光束之间依次具有90°的相位差，其中两路相移180°的光束由所述的左通道平衡接收机4进行光电探测变成实数时间信号，并进一步通过所述的左通道放大及码数转换器5转化为左通道数字信号；另外两路相移180°的光束由所述的右通道平衡接收机6进行光电探测变成实数时间信号，并进一步通过所述的右通道放大及码数转换器7转化为右通道数字信号；所述的左通道数字信号和右通道数字信号通过所述的数字复数化器8合并转化为复数时间信号，该复数时间信号通过所述的图像处理器9将复数时间信号处理成为目标输出图像10，所述的图像处理器9的处理包括距离向的傅立叶变换聚焦和方位向的共轭空间相位二次项匹配滤波。

所述的2×4 90°光学桥接器有两种不同原理的光传输结构，一种是光束的自由空间传播结构，另外一种是光束在光纤或光波导中的导波传输结构。激光回波和本振光束可能是自由空间传播光束，也可能是光纤传播光束。因此，具有不同性质的传输光束和光学桥接器的光学连接需要采用适当的光学耦合器。

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光学桥接外差接收和复值处理系统的成像过程：

令目标面的坐标系为(x，y′)，x为方位方向，y′为距离方向，坐标原点与合成孔径激光成像雷达的光轴重合，物面在光轴垂直面上的投影面的坐标系为(x，y，z)，该投影面也称之为系统参考面，其中y＝y′cosθ，z＝y′sinθ，θ为物面与参考面的夹角。

令目标点在t＝0时的坐标位置为(x_i，y_i′)或者(x_i，y_i＝cosθy_i′，z_i＝sinθy_i′)，目标与激光成像雷达的相对运动的采样时间间隔为T，在距离向上相对运动的距离间隔为ΔX，激光成像雷达和目标面的中心距离为Z_s，本振光束传输距离为Z_l，因此目标点的相对时间延时为

假设由发射光斑场强分布和接收方向性函数所确定的光学足趾函数为S(x，y)，则回波光束可以表达为：

而本振光束可以表达为：

其中：E_i为与雷达结构和使用环境有关的激光回波信号的场强因子，E_l为本振光束的场强因子，λ为激光中心波长，n为激光发射即数据收集序号，t_n为第n次发射的时间坐标，第n次发射的啁啾起始频率为f_0，n以及光频啁啾速率为

为第n次发射的激光初始相位，R为相位二次项历程的等效曲率半径，为激光雷达目标通道的相位延时，

为本振通道的相位延时。

因此左通道平衡接收机的输出为：

右通道平衡接收机的输出为：

其中：A_i为与信号强度和探测器有关的常数，

为目标的距离差频，

代表初始和剩余相移，这些相移实现同步时是常数。

所以复数化器的输出为：

在图像处理器中，在距离方向理想聚焦成像为：

而方位向的匹配滤波空间二次项相位函数为：

$\mathrm{expj}(-\mathrm{\π}\frac{{\left(x\right)}^2+y^2}{\mathrm{\λR}}),$

则目标点(x_i，y_i)的理想输出图像为；

本发明一个实施例是用于机载合成孔径激光成像雷达的合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统，其系统设计参数为：作用距离20km，飞机速度160m/s，成像分辨率5cm，激光波长1.55μm，激光啁啾速率3.9×10¹⁴Hz/s，目标的距离差频的中心值为16MHz，中继光束直径φ2mm。

实施例的结构见图1，采用自由空间传输的2×4 90°光学桥接器，因此接收天线望远镜的输出光束口径为φ2mm，本振激光光束的直径为φ2mm，四个光电探测器的接收口径均为φ2mm。左通道放大及码数转换器，右通道放大及码数转换器，数字复数化器和图像处理器的带宽均要求≥32MHz。

所采用的自由空间光学2×490°光学桥接器的具体结构见图2，从本振光束的输入口λ/4波片111开始是偏振分光棱镜112，经该偏振分光棱镜112分为两路：透射一路是λ/4波片113，偏振分光棱镜114，光电探测器115和光电探测器116，反射另一路是λ/4波片117，偏振分光棱镜118，光电探测器119和光电探测器1110。

目标回波经接收望远镜变为口径较小的中继光束入射进偏振分光棱镜112，这个回波中继光束的偏振方向与水平轴成45°，因此将被偏振分光棱镜112分为水平偏振和垂直偏振两个光束出射。具有与回波中继光束口径相同的45°偏振的本振光束先通过λ/4波片111，以产生正交偏振的90°相移，λ/4波片111可以精密微转动产生附加相位差来进行系统的相位补偿。然后本振光束从另外一面入射进偏振分光棱镜112，同样被偏振分光为两个偏振正交的光束。由偏振分光棱镜112向λ/4波片113出射的回波中继光束具有垂直偏振态而本振光束具有水平偏振态，经过λ/4波片113后均成为园偏振。因此通过偏振分光棱镜114向光电探测器115传播的回波中继光束和本振光束都具有水平偏振态，在光电探测器115面上产生干涉并被探测。而通过偏振分光棱镜114向光电探测器116传播的回波中继光束和本振光束都具有垂直偏振态，在光电探测器116面上产生干涉并被探测。在光电探测器115上得到的光电流与在光电探测器116上得到的光电流具有180°相移，它们通过平衡接收方式产生纯交流信号。而通过偏振分光棱镜118向光电探测器119传播的回波中继光束和本振光束都具有水平偏振态，在光电探测器119面上产生干涉并被探测。而通过偏振分光棱镜118向光电探测器1110传播的回波中继光束和本振光束都具有垂直偏振态，在光电探测器1110面上产生干涉并被探测。在光电探测器119上得到的光电流与在光电探测器1110上得到的光电流具有180°相移，它们通过平衡接收方式产生纯交流信号。两个平衡接收的输出交流信号之间具有90°相移。

在所采用的自由空间光学2×4 90°光学桥接器中所有的光学元件的口径≥φ3mm。

Claims (2)

1.一种合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统，特征在于其构成包括：2×4 90°光学桥接器(3)、左通道平衡接收机(4)和左通道放大及码数转换器(5)、右通道平衡接收机(6)和右通道放大及码数转换器(7)、数字复数化器(8)和图像处理器(9)，其位置关系如下：

目标激光回波通过合成孔径激光成像雷达的接收光学系统成为目标回波光束(1)，由发射激光器分光一部分光束形成本振激光光束(2)，所述的目标回波光束(1)和本振激光光束(2)输入所述的2×4 90°光学桥接器(3)，经该2×4 90°光学桥接器(3)产生同心和同轴合束的四路光束输出，该四路光束之间依次具有90°的相位差，其中两路相移180°的光束由所述的左通道平衡接收机(4)进行光电探测变成实数时间信号，并进一步通过所述的左通道放大及码数转换器(5)转化为左通道数字信号；另外两路相移180°的光束由所述的右通道平衡接收机(6)进行光电探测变成实数时间信号，并进一步通过所述的右通道放大及码数转换器(7)转化为右通道数字信号；所述的左通道数字信号和右通道数字信号通过所述的数字复数化器(8)合并转化为复数时间信号，该复数时间信号通过所述的图像处理器(9)将复数时间信号处理成为目标输出图像(10)，所述的图像处理器(9)的处理包括：距离向采用傅立叶变换实现距离向聚焦和方位向采用共轭空间相位二次项匹配滤波实现方位向聚焦。

2.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统，其特征在于所述的2×4 90°光学桥接器(3)包括光束的自由空间传播结构，或光束在光纤或光波导中的导波传输结构。

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