CN102230963B - 合成孔径激光成像雷达的多子孔径光学接收天线系统 - Google Patents

Abstract

一种合成孔径激光成像雷达的多子孔径光学接收天线系统，其构成是把一个光学天线孔径分解成多个形状和尺寸相同的子孔径，然后采用相应的多光电探测器和处理器形成多子孔径通道的接收和图像处理，多子孔径通道的图像通过数字复合器采用非相干叠加的方式产生最终的成像输出。本发明具有大口径光学天线所具有的接收较大回波能量的优点和较大外差接收视场的特点，解决了大口径光学天线外差接收视场较小与小口径光学天线接收能量较低之间存在的矛盾，有利于减弱目标回波的激光散斑效应。本发明在结构上也很容易与发射光学天线组合成一个同轴的合成孔径激光成像雷达光学接收/发射天线系统。

Description

合成孔径激光成像雷达的多子孔径光学接收天线系统

技术领域

本发明涉及合成孔径激光成像雷达，是一种合成孔径激光成像雷达的多子孔径光学接收天线系统，在结构上把一个光学天线孔径分解成多个形状和尺寸相同的子孔径，然后采用相应的多光电探测器和处理器作多子孔径通道的接收和图像处理，多子孔径通道的图像通过数字复合器采用非相干叠加的方式产生最终的成像输出。本发明能够实现大口径光学天线所具有的接收较大回波能量的优点，同时也能够实现子孔径光学天线所具有的较大外差接收视场的特点，因此可以解决大口径光学天线外差接收视场较小与小口径光学天线接收能量较低之间存在的矛盾，由于光学接收孔径增大也有利于减弱目标回波的激光散斑效应。多子孔径光学接收天线系统在结构上也很容易与发射光学天线组合成一个同轴的合成孔径激光成像雷达光学接收/发射天线系统。

背景技术

合成孔径激光成像雷达(光学SAR)的原理取之于射频领域的合成孔径雷达(SAR)原理，是能够在远距离得到厘米量级分辨率的唯一的光学成像观察手段，由于光频率高于微波频率大约六个数量级，因此实施方法和关键技术完全不同。合成孔径激光成像雷达的天线采用光学望远镜，光学天线用于激光光束发射时其发散角相当于天线口径的衍射角，光学天线用于光学外差接收时其接收视场角也相当于天线口径的衍射角，因此在一般情况的设计下光学接收天线与光学发射天线的口径相同(参考文献1，2，3，4，5)或者为同一个望远镜系统。合成孔径激光成像雷达的发射激光发散角和外差接收视场角共同作用在目标面上的尺度或者面积称为光学足址。

合成孔径激光成像雷达的设计上一般需要实现尽量大的光学足址，并且获得尽量大的目标回波能量，前者要求光学天线的孔径足够小，而后者要求光学天线的孔径足够大，因此光学天线口径大小的选择在光学足址和回波接收能量之间存在内在矛盾。应当注意，合成孔径激光成像雷达在数据收集过程中激光散斑效应将造成目标点回波的附加相位和振幅波动，严重影响成像质量，而减弱散斑效应的重要途径是增大接收孔径的尺度，这又与大光学足址的需求产生矛盾。因此需要发明一种方案，其具备大能量接收能力和减弱散斑效应的等效大尺度光学接收天线孔径，但是同时具有小尺度光学天线孔径的大的外差接收视场角。

下面是现有的有关参考文献：

(1)A.E.Siegman，The antenna properties of optical heterodyne receivers，Proceedings ofThe IEEE，1966，54(10)，1350-1356.

(2)R.L.Lucke，M.Bashkansky，J.Reintjes，and F.Funk，Synthetic aperture ladar(SAL)：fundamental theory，design equations for a satellite system，and laboratorydemonstration，NRL/FR/7218-02-10，051，Naval Research Laboratory，Dec.26，2002.

(3)刘立人，合成孔径激光成像雷达(I)：离焦和相位偏置望远镜接收天线[J]，光学学报，2008，28(5)：997-1000.

(4)刘立人，合成孔径激光成像雷达(II)：空间相位偏置发射望远镜[J]，光学学报，2008，28(6)：1197-1200.

(5)刘立人，合成孔径激光成像雷达(III)：双向环路发射接收望远镜[J]，光学学报，2008，28(7)：1405-1410.

发明内容

本发明的目的在于提供一种合成孔径激光成像雷达的多子孔径光学接收天线系统，

本发明能够实现大口径光学天线所具有的接收较大回波能量的优点，同时也能够实现子孔径光学天线所具有的较大外差接收视场的特点，因此可以解决大口径光学天线外差接收视场较小与小口径光学天线接收能量较低之间存在的矛盾，由于光学接收孔径增大也有利于减弱目标回波的激光散斑效应。多子孔径光学接收天线系统在结构上也很容易与发射光学天线组合成一个同轴的合成孔径激光成像雷达光学接收/发射天线系统。

本发明的技术解决方案如下：

一种合成孔径激光成像雷达的多子孔径光学接收天线系统，特点在于其构成包括依次的孔径光阑、接收主镜、多通道光电接收机和图像合成器，所述的孔径光阑上面开设有多个相同的子孔径，该孔径光阑位于所述的接收主镜的前焦面，所述的多通道处理器包括多个子孔径通道处理器，每个子孔径通道处理器由依次的光学接收单元、光电探测器和图像处理器构成，多个子孔径通道处理器的光学接收单元都置于所述的接收主镜的后焦面上并与所述的孔径光阑的多个子孔径的位置相对应，所述的相应的光电探测器用于对于回波光束和本振光束产生光学外差探测，所产生的光电信号由相应的图像处理器处理并产生相应的目标图像，该相应的目标图像经所述的图像合成器采用非相干叠加的方式合成最终的成像输出。

所述的孔径光阑上两个相邻的子孔径的间隔D_int与目标分辨单元决定的接收面激光散斑的平均尺寸S_spe相当，即D_int≈S_spe，

其中λ为激光波长，δd为目标分辨单元尺度，R为雷达作用距离。

本发明的合成孔径激光成像雷达的多子孔径光学接收天线的技术效果：

(1)多子孔径光学接收天线的等效接收面积为所有子孔径面积之和，可以获得与主镜尺度相等的功率接收效果。

(2)多子孔径光学接收天线的等效外差接收视场等同于子孔径的外差接收视场，由于外差接收视场反比于接收尺度，因此多子孔径光学接收天线的等效外差接收视场等同于单一主镜的外差接收视场，而远大于多子孔径光学接收天线几何尺度决定的外差接收视场。

(3)结合上述两点，本发明的多子孔径光学接收天线能够同时实现较大的接收面积和较大的接收视场，而不是具备标准外差接收的性质，即接收面积大则接收视场小。

(4)本发明的多子孔径光学接收天线在结构上也很容易与相对较小口径的发射光学望远镜天线组合成一个同轴的合成孔径激光成像雷达光学接收/发射天线系统。

(5)子通道采用较小口径的天线望远镜，相对于带有子孔径的大口径天线望远镜制造容易，特别是子望远镜通道之间的间隔能够，激光散斑

附图说明

图1是本发明合成孔径激光成像雷达的多子孔径光学接收天线系统的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明的合成孔径激光成像雷达的多子孔径光学接收天线系统的示意图，也是本发明一个实施例的示意图，工作原理如图所示，从目标回波光束1开始依次是孔径光阑2，接收主镜3，多通道处理器4，图像合成器8以及最终的输出图像9。多通道处理器4中的每个子孔径通道包含光学接收单元5，光电探测器6和图像处理器7。实施例图中包括四个子孔径通道。所述的孔径光阑2上面开放了四个相同的子孔径，孔径光阑2位于所述的接收主镜3的前焦面，在接收主镜3的后焦面上放置了多通道处理器(4)的多接收光学单元5，某一个接收光学单元对应于孔径光阑上相应的子孔径。光学接收单元5的功能是引入本振激光光束，视需要也可以同时用于回波光束的准直。多光学接收单元5后是所述的多光电探测器6，用于对于回波光束和本振光束产生光学外差探测，所产生的光电信号由多图像处理器7产生目标的图像。所述的图像复合器8把所有子孔径通道产生的图像进行非相干叠加，从而产生最终的输出图像9。

下面对本发明多子孔径光学接收天线系统进行分析：

设定光学接收系统的光阑面的坐标系为(x，y)，发射光束中心位置在(0，0)，目标点位置在(x_t，y_t)。子孔径的序号为i，则某一个接收子孔径的中心位置在(X_i，Y_i)其坐标系为(x_i，y_i)，一般情况下子孔径形状相同，基本形状为圆形和矩形。

设定t为光频信号的流程时间(快时间)。设定t_t为目标点的运动时间(慢时间)，其时间起点(t_t＝0)上目标的位置在(X_t，Y_t)，目标与雷达的相对运动速度为v，则目标与坐标零点(x＝0，y＝0)即雷达的运动轨迹为(x_t＝X_t+vt_t，y_t＝Y_t)，发射光束的照明二次项波前产生的目标点的空间相位历程为其中Z为目标与光学天线的距离。

对于中心位置在(X_i，Y_i)的接收通道，以(x_i，y_i)为参考轴，则点目标相对于该通道坐标系中心的位置为(x_i＝x_t-X_i，y_i＝y_t-Y_i)。

光学接收天线相对于目标的距离可以分为远场的夫琅和费衍射和近场的菲涅耳衍射两种区域，因此成像处理的计算有不同。

(1)夫琅和费衍射区域的成像过程

接收光学处于目标点的夫琅和费衍射区，则接收面(x，y)上的目标回波由相位二次项和相位线性项所构成，即

光学天线经过相位二次项补偿后只存在线性项

因此在第i子孔径上的空间相位为

合成孔径激光成像雷达发射的是光频啁啾信号

其中f₀为信号的光频，

为光频啁啾的速率，t为信号的流程时间。第i子孔径上目标点回波包含了时间延时和孔径相位历程的的全部有关相位项，有：

$e(x_i,y_i:t,t_t)=\mathrm{Kexp}\left(j2\mathrm{\π}(f_0(t-\mathrm{\τ})+\frac{\stackrel{\·}{f}}{2}{(t-\mathrm{\τ})}^2)\right)\×,$

$\×\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}(x_t^2\left(t_t\right)+y_t^2)\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}\left((x_t(x_i+X_i)+y_t(y_i+Y_i)\right))$

其中τ为目标回波相对于本振信号的时间延时，K为与雷达结构，传输特性和目标性质有关的复常数。这里定义目标在距离向的相对于本振的时间延时的等效传输距离为

光电探测采用同样的本振光束外差的去斜解调方式，第i子孔径通道所产生的光电流的交流项复数表达为：

$i\left(t\right)=\mathrm{Aexp}\left(j2\mathrm{\π}\left(\stackrel{\·}{f}\mathrm{\τ}\right)t\right)\mathrm{\Θ}(\frac{x_t}{Z},\frac{y_t}{Z})\×$

$\×\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}{x}_t^2\left(t_t\right)\right)\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}{y}_t^2\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}(x_t{X}_i+y_t{Y}_i)).$

其中：A为与K以及光电探测系统有关的复常数，外差接收方向性函数为

$\mathrm{\Θ}(\frac{x_t}{Z},\frac{y_t}{Z})=\underset{D(X_i,Y_i)}{\∫\∫}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}(x_t{x}_i+y_t{y}_i)\right){\mathrm{dx}}_i{\mathrm{dy}}_i/\underset{D(X_i,Y_i)}{\∫\∫}{\mathrm{dx}}_i{\mathrm{dy}}_i,$

其中D(X_i，T_i)为第i子孔径函数。

上述信号在光学接收机中首先实现距离向成像聚焦，即对于时间变量t实施时间频率变量ξ的傅立叶变换，同时考虑到时间频率与目标相对距离的关系

因此距离向成像为：

$I_{r,i}(x_t,\mathrm{\ΔR})=C_i{S}_r\left(\frac{2\stackrel{\·}{f}}{c}(\mathrm{\ΔR}-\mathrm{\Δ}{L}_t)\right)\mathrm{\Θ}(\frac{x_t}{Z},\frac{y_t}{Z})\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}{x}_t^2\left(t_1\right)\right)\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}{y}_t^2\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}(x_t{X}_i+y_t{Y}_i))$

其中：

为有限时间(T)积分下的距离向成像脉冲响应函数，C_i为与A以及系统有关的复常数。

然后在方位向进行共轭二次项匹配滤波，匹配函数在(x，y)上应当为因此方位向聚焦后的最终二维成像为：

$I_i(x,\mathrm{\ΔR})=C_i{S}_{a,i}^{\mathrm{FL}}(x-X_t)S_r\left(\frac{2\stackrel{\·}{f}}{c}(\mathrm{\ΔR}-\mathrm{\Δ}{L}_t)\right)\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}{Y}_t^2\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}(x_t{X}_i+y_t{Y}_i)),$

其中方位向成像脉冲响应函数为

$S_{a,i}^{\mathrm{FL}}(x-X_t)=\∫\mathrm{\Θ}(\frac{x_t+\mathrm{\α}}{Z},\frac{y_t}{Z})\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}{(X_t+\mathrm{\α})}^2\right)\exp (-j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}{(x+\mathrm{\α})}^2)\mathrm{d\α}.$

可见成像点在(x＝X_t，ΔR＝ΔL_t)。

应当注意各个子孔径通道的图像函数具有复杂的空间相位因子，几乎不可能实现同相相加。通过数字复合器进行多子孔径光学天线通道输出图像的非相干叠加，则产生的最终的图像输出为：

$I(x,\mathrm{\ΔR})=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left|I_i(x,y)\right|=\left|S_r\left(\frac{2\stackrel{\·}{f}}{c}(\mathrm{\ΔR}-\mathrm{\Δ}{L}_t)\right)\right|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left|C_i{S}_{a,i}^{\mathrm{FL}}(x-X_t)\right|.$

可见得到了等效于大孔径下的较大成像强度，但是具有子孔径尺寸下的较大的接收视场。

(2)菲涅耳衍射区域的成像过程

接收光学处于目标点的菲涅耳衍射区，则接收面(x，y)上的目标回波由相位二次项和相位线性项所构成，即光学天线经过相位二次项补偿后只存在线性项

因此在第i子孔径上的空间相位为

合成孔径激光成像雷达发射的是光频啁啾信号

其中f₀为信号的光频，

为光频啁啾的速率，t为信号的流程时间。第i子孔径上目标点回波包含了时间延时和孔径相位历程的的全部有关相位项，有：

$e(x_i,y_i:t,t_1)=\mathrm{Kexp}\left(j2\mathrm{\π}(f_0(t-\mathrm{\τ})+\frac{\stackrel{\·}{f}}{2}{(t-\mathrm{\τ})}^2)\right)\×$

$\×\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}\frac{Z}{2}}(x_t^2\left(t_s\right)+y_t^2)\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}\left((x_t(x_i+X_i)+y_t(y_i+Y_i)\right)),$

其中τ为目标回波相对于本振信号的时间延时，K为与雷达结构，传输特性和目标性质有关的复常数。这里定义目标在距离向的相对于本振的时间延时的等效传输距离为

光电探测采用同样的本振光束外差的去斜解调方式，第i子孔径通道所产生的光电流的交流项复数表达为：

$i\left(t\right)=\mathrm{Aexp}\left(j2\mathrm{\π}\left(\stackrel{\·}{f}\mathrm{\τ}\right)t\right)\mathrm{\Θ}(\frac{x_t}{Z},\frac{y_t}{Z})\×$

$\×\mathrm{ex}[\left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}\frac{Z}{2}}{x}_t^2\left(t_t\right)\right)\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}\frac{Z}{2}}{y}_t^2\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}(x_t{X}_i+y_t{Y}_i)).$

其中：A为与K雷达结构，传输特性，目标性质和光电转换有关的复常数；外差接收方向性函数为：

$\mathrm{\Θ}(\frac{x_t}{Z},\frac{y_t}{Z})=\underset{D(X_i,Y_i)}{\∫\∫}\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}(x_t{x}_i+y_t{y}_i)\right){\mathrm{dx}}_i{\mathrm{dy}}_i/\underset{D(X_i,Y_i)}{\∫\∫}{\mathrm{dx}}_i{\mathrm{dy}}_i,$

其中D(X_i，Y_i)为第i子孔径函数。

上述信号在子孔径通道中首先实现距离向成像聚焦，即对于时间变量t实施时间频率变量ξ的傅立叶变换，同时考虑到时间频率与目标相对距离的关系因此距离向成像为

$I_{r,i}(x_t,y)=C_i{S}_r(\mathrm{\ξ}-\mathrm{\Δ}{L}_t)\mathrm{\Θ}(\frac{x_t}{Z},\frac{y_t}{Z})\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}\frac{Z}{2}}{x}_t^2\left(t_1\right)\right)\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}\frac{Z}{2}}{y}_t^2\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}(x_t{X}_i+y_t{Y}_i))$

其中：

为有限时间(T)积分下的距离向成像脉冲响应函数，C_i为与A以及系统有关的复常数。

然后在方位向进行共轭二次项匹配滤波，匹配函数在(x，y)上应当为

因此方位向聚焦后的最终二维成像为

$I_i(x,y)=C_i{S}_{a,i}^{\mathrm{FL}}(x-X_t)S_r(y-\mathrm{\Δ}{L}_t)\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}\frac{Z}{2}}{Y}_t^2\right)\exp (-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}(x_t{X}_i+y_t{Y}_i)).$

其中方位向成像脉冲响应函数为

$S_{a,i}^{\mathrm{FL}}(x-X_t)=\∫\mathrm{\Θ}(\frac{x_t+\mathrm{\α}}{Z},\frac{y_t}{Z})\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}\frac{Z}{2}}{(X_t+\mathrm{\α})}^2\right)\exp (-j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}\frac{Z}{2}}{(x+\mathrm{\α})}^2)\mathrm{d\α}.$

可见成像点在(x＝X_t，y＝ΔL_t)。

应当注意各个子孔径通道的图像函数具有复杂的空间相位因子，几乎不可能实现同相相加。通过数字复合器进行多子孔径光学天线通道输出图像的非相干叠加，则产生的最终的图像输出为：

$I(x,y)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left|I_i(x,y)\right|=\left|S_r(y-\mathrm{\Δ}{L}_t)\right|\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left|C_i{S}_{a,i}^{\mathrm{FL}}(x-X_t)\right|.$

可见得到了等效于大孔径下的较大成像强度，但是具有子孔径尺寸下的较大的接收视场。

记作两个相邻的子孔径的间隔为D_int。目标分辨单元决定的接收面激光散斑的平均尺寸的数学表达为

其中λ为激光波长，δd为目标分辨单元尺度，R为雷达作用距离。因此一般要求：

                          D_int≈S_spe。

下面是一个具体实施例的设计：

一种机载合成孔径激光成像雷达，其作用距离为15km，波长为1.5μm，要求成像分辨率为15cm。总体方案采用采用四子孔径光学接收天线系统，同时采用方孔径发射光学和接收光学，根据目标性质和雷达结构设计决定的接收主镜的口径为100mm×100mm。

所以在上述数据下，目标分辨单元决定的接收面激光散斑的平均尺寸为0.3m×0.3m。因此四子孔径光学接收天线系统的水平排列的两个光学子孔径的间距为0.3m，垂直排列的两个光学子孔径的间距也为0.3m。

Claims (2)

1.一种合成孔径激光成像雷达的多子孔径光学接收天线系统，特征在于其构成包括依次的孔径光阑(2)、接收主镜(3)、多通道光电接收机(4)和图像合成器(8)，所述的孔径光阑(2)上面设有多个相同的子孔径，该孔径光阑(2)位于所述的接收主镜(3)的前焦面，所述的多通道光电接收机(4)包括多个子孔径通道光电接收机，每个子孔径通道光电接收机由依次的光学接收单元(5)，光电探测器(6)和图像处理器(7)构成，多个子孔径通道光电接收机的光学接收单元(5)都置于所述的接收主镜(3)的后焦面上并与所述的孔径光阑(2)的多个子孔径的位置相对应，所述的相应的光电探测器(6)用于对于回波光束和本振光束产生光学外差探测，所产生的光电信号由相应的图像处理器(7)处理并产生相应的目标图像，该相应的目标图像经所述的图像合成器(8)采用非相干叠加的方式合成最终的成像输出。

2.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的多子孔径光学接收天线系统，其特征在于目标分辨单元决定的接收面激光散斑的平均尺寸S_spe与所述的孔径光阑(2)上两个相邻的子孔径的间隔D_int相当，即D_int≈S_spe，

其中λ为激光波长，δd为目标分辨单元尺度，R为雷达作用距离。

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