CN102928848B - 合成孔径激光成像雷达的光学成像处理装置 - Google Patents

Abstract

一种合成孔径激光成像雷达的光学成像处理装置，构成包括数据复值处理与采集单元、液晶空间光调制器、激光器、准直扩束单元、光学成像单元和成像接收及显示单元，其核心思想是将存储在计算机上的合成孔径激光成像雷达目标回波信号进行复值处理采集后加载到液晶空间光调制器上，作为液晶空间光调制器的相位调制函数；用滤波准直后的激光照射液晶空间光调制器，得到含有目标距离向与方位向信息的透射光，此透射光波进入光学成像处理单元并行处理，由成像接收及显示单元接收显示。本发明可以缩短数据处理时间，从而实现实时图像信息获取，因此未来在合成孔径激光成像雷达的数据处理中具有很大优势。

Description

合成孔径激光成像雷达的光学成像处理装置

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的光学成像处理装置，特别是利用光学成像的方式实现合成孔径激光成像雷达目标回波信号的聚焦成像。

背景技术

合成孔径激光成像雷达(SAIL)的原理取之于射频领域的合成孔径雷达原理，是国外报道的能够在远距离取得厘米量级分辨率的唯一的光学成像手段。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,E.Funk,L.J.Rickard,and J.Reintjes，“Two-dimensional syntheticaperture imaging in the optical domain,”Optic Letters,Vol.27,pp1983-1985(2002),；文献2：W.Buell,N.Marechal,J.Buck,R.Dickinson,D.Kozlowski,T.Wright,and S.Beck，“Demonstrations of Synthetic Aperture Imaging Ladar，”Proc.of SPIE Vol.5791pp152-166(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.31(9)(2011)，；文献4：刘立人，周煜，职亚楠，孙建锋，大口径合成孔径激光成像雷达演示样机及其实验室验证，光学学报，Vol.29(7):2030～2032(2011)】，2006年在美国国防先进计划局支持下的雷声公司和诺格公司分别实现了机载合成孔径激光雷达实验（无任何细节报道）【参见文献5：J.Ricklin,M.Dierking,S.Fuhrer,B.Schumm,and D.Tomlison,“Syntheticaperture ladar for tactical imaging,”DARPA Strategic Technology Office.】。2011年，洛马公司对1.6公里处的地面目标实现了机载合成孔径激光成像雷达成像实验【参见文献6：Brian W.Krause,Joe Buck,Chris Ryan,David Hwang,Piotr Kondratko,AndrewMalm,Andy Gleason“Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration，”】。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，因此得到了在距离向包含距离信息和在方位向包含相位历程信息的回波差频信号。

在上述所有相关报道中【参见文献1、2、3、4、5、6】，回波信号的成像处理方式都是数字成像处理方式，即将光电接收和数字化之后的回波信号首先进行快速傅里叶变换实现目标距离向聚焦成像，然后将距离向聚焦成像后的信号采用空间的二次项匹配滤波实现目标的方位向聚焦成像。这两步在时间上有先后顺序，不能同时进行，然而，随着未来对星载和机载合成孔径激光成像雷达成像分辨率的提高以及实时成像处理的要求，雷达采集的数据量必然会大大增加，对数字成像处理方式的运算和传输速度提出了严峻的挑战。

发明内容

本发明要解决的问题在于提出了一种合成孔径激光成像雷达的光学成像处理装置，由于光学系统固有的并行处理能力，可以近似光速的速度实现目标距离向与方位向聚焦成像，缩短数据处理时间，从而实现实时图像信息获取，可以对卫星或无人机的航行和定向提供至关重要的决策信息，并具有很高的动态输出范围，可以减小对通信系统传输数据量和传输带宽的要求，可以实现集成化，有效减小系统的重量和体积，降低系统的功耗，因此未来在合成孔径激光成像雷达的数据处理中具有很大优势。

本发明的积技术解决方案如下：

一种合成孔径激光成像雷达的光学成像处理装置，特征在于其构成包括：数据复值处理与采集单元对存储在计算机中的合成孔径激光成像雷达（SAIL）目标回波信号数据进行复值处理与采集，形成液晶空间光调制器（LCSLM）的相位调制信号，所述的相位调制信号经由数据线加载到所述的液晶空间光调制器上；由激光器发出的光经过准直扩束单元形成宽束准直光波，所述的宽束准直光波照射到所述的液晶空间光调制器上，经过液晶空间光调制器相位调制后进入光学成像单元进行成像处理形成目标像，所述的目标像由成像接收及显示单元接收显示。

所述的光学成像单元包括焦距为f_r第一柱面透镜，焦距为f_c的第二柱面透镜，焦距为f_a的第三柱面透镜;所述的液晶空间光调制器在所述的第一柱面透镜的前焦面上，所述的第二柱面透镜位于所述的第一柱面透镜的后焦面上，所述的第三柱面透镜位于所述的第二柱面透镜的后焦面上,所述的成像接收及显示单元位于所述的第三柱面透镜的后焦面上;所述的第一柱面透镜的母线方向与所述的液晶空激光调制器的距离向数据加载方向平行，所述的第二柱面透镜的母线方向与所述的第一柱面透镜的母线方向垂直,所述的第三柱面透镜母线方向与所述的第二柱面透镜的母线方向平行。

本发明的技术效果：

本发明提出首先将复值处理与采集后的信号加载到液晶空间光调制器上，作为液晶空间光调制器的相位调制函数，此相位调制函数与目标点回波信号有对应的关系，包含着回波信号的距离向与方位向信息，然后利用准直光束照射液晶空间光调制器上，透射光进入光学成像系统，利用光学系统固有的并行数据处理能力，同时实现距离向与方位向的聚焦，从而实现目标的聚焦成像。由于实现了真正意义上的二维傅里叶变换，并且成像速度接近光速，缩短了数据处理时间，从而可以实现实时图像信息获取，可以对卫星或无人机的航行和定向提供至关重要的决策信息，并具有很高的动态输出范围，可以减小对通信系统传输数据量和传输带宽的要求，可以实现集成化，有效减小系统的重量和体积，降低系统的功耗，因此未来在合成孔径激光成像雷达的数据处理中具有很大优势。

附图说明

图1是本发明合成孔径激光成像雷达的光学成像处理装置的结构框图。

图2是本发明液晶空间光调制器与光学成像单元及成像显示单元结构位置示意图。

图3是本发明液晶空间光调制器坐标系统示意图。

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成像处理装置结构框图。由图可见，本发明合成孔径激光成像雷达光学成像处理装置，其构成包括：数据复值处理与采集单元1对存储在计算机中的合成孔径激光成像雷达的目标回波信号数据进行复值处理与采集，形成液晶空间光调制器2的相位调制信号，该相位调制信号经由数据线加载到所述的液晶空间光调制器上；由激光器3发出的光经过准直扩束单元4形成宽束准直光波，该宽束准直光波照射到所述的液晶空间光调制器2上，经过液晶空间光调制器2相位调制后进入光学成像单元5进行成像处理形成目标像，该目标像由成像接收及显示单元6接收显示。

再请参阅图2，图2为本发明液晶空间光调制器与光学成像单元及成像显示单元结构位置示意图，图2（a）为所述结构位置侧视图，图2（b）为所述结构位置俯视图。由图可见，液晶空间光调制器2与光学成像单元6及成像显示单元6结构位置是：所述的光学成像单元5包括焦距为f_r第一柱面透镜51，焦距为f_c的第二柱面透镜52，焦距为f_a的第三柱面透镜53；所述的液晶空间光调制器2在所述的第一柱面透镜51的前焦面上，所述的第二柱面透镜52在所述的第一柱面透镜51的后焦面上，所述的第三柱面透镜53在所述的第二柱面透镜52的后焦面上，所述的成像接收及显示单元6位于所述的第三柱面透镜53的后焦面上；所述的第一柱面透镜51的母线方向与所述的液晶空激光调制器2的距离向数据加载方向平行，所述的第二柱面透镜52的母线方向与所述的第一柱面透镜51的母线方向垂直，所述的第三柱面透镜53母线方向与所述的第二柱面透镜52的母线方向平行。

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成像处理方法的成像过程及原理。

存储在计算机中的合成孔径激光成像雷达点目标回波信号为：

$I(t_f,\mathrm{n\Δ}{t}_{s}v)=\cos [2\mathrm{\π}\stackrel{\·}{f}{t}_f\frac{2\mathrm{\Δz}}{c}+\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}{(y_k-\mathrm{n\Δ}{t}_{s}v)}^2]$

式中，y_k为点目标在目标平面的方位向坐标，Δz＝z-z_l，z为点目标与雷达的距离，z_l为引入的本振长度，t_f为距离向采样时间，nΔt_sv为方位向空间坐标，n为雷达方位向移动步数，Δt_s为雷达步进一步所用的时间，v为雷达步进速度，为雷达发射激光频率啁啾速率，c为光速，λ为雷达发射激光波长，上式对振幅进行了归一化并去掉了与成像无关的相位因子。

上述信号经过数据复值处理与采集单元1处理采集后的信号为：

$I^{\′}(t_f,\mathrm{n\Δ}{t}_{s}v)=\exp [j2\mathrm{\π}\stackrel{\·}{f}{t}_f\frac{2\mathrm{\Δz}}{c}+j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}{(y_k-\mathrm{n\Δ}{t}_{s}v)}^2]$

请参阅图3，图3是是本发明液晶空间光调制器坐标系统示意图。由图3可见，液晶空间光调制器宽度为a，位于x坐标轴，对应目标距离向回波数据加载，长度为b，位于y坐标轴，对应目标方位向回波数据加载。则加载到液晶空间光调制器2上的目标回波信号为：

$I_l(x,y)=\exp [j2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{\Δz}{T}_s\stackrel{\·}{f}}{\mathrm{ac}}x+j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}{(y_k-\frac{B_s}{b}y)}^2]$

式中，T_s为距离向时间采样宽度，B_s为方位向空间采样宽度，目标距离向回波信号部分为： $\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{\Δz}{T}_s\stackrel{\·}{f}}{\mathrm{ac}}x\right),$ 方位向回波信号部分为： $\exp \left[j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}{(y_k-\frac{B_s}{b}y)}^2\right].$

令准直扩束单元4出射的激光光强为1，则经过液晶空间光调制器2调制后的透射光场为：

$I_l(x,y)=\exp [j2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{\Δz}{T}_s\stackrel{\·}{f}}{\mathrm{ac}}x+j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}{(y_k-\frac{B_s}{b}y)}^2]$

透射光场进入光学成像单元5，焦距为f_r的第一柱面透镜51对点目标距离向回波信号进行傅里叶变换，对方位向回波信号不起作用，在第一柱面透镜51后焦面上形成的光场为：

$I_r(x^{\′},y^{\′})=\exp \left[j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}{(y_k-\frac{B_s}{b}{y}^{\′})}^2\right]\mathrm{rect}\left(\frac{x}{a}\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{2\mathrm{\Δz}{T}_s\stackrel{\·}{f}}{\mathrm{ac}}x\right)\exp (-j2\mathrm{\πx}\frac{x^{\′}}{\mathrm{\λ}{f}_r})\mathrm{dx}$

$=\sin c\left(\frac{{\mathrm{ax}}^{\′}}{\mathrm{\λf}}\right)*\mathrm{\δ}(\frac{x^{\′}}{\mathrm{\λ}{f}_r}-\frac{2\mathrm{\Δz}{T}_s\stackrel{\·}{f}}{\mathrm{ac}})\exp \left[j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}{(y_k-\frac{B_s}{b}{y}^{\′})}^2\right]$

$=\sin c\left(\frac{{\mathrm{ax}}^{\′}}{\mathrm{\λf}}\right)*\mathrm{\δ}(\frac{x^{\′}}{\mathrm{\λ}{f}_r}-\frac{2\mathrm{\Δz}{T}_s\stackrel{\·}{f}}{\mathrm{ac}})\exp \left[j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{(\frac{b}{B_s}{y}_k-y^{\′})}^2\right]$

式中，(x′,y′)为第一柱面透镜51后焦面即第二柱面透镜的前表面对应距离向与方位向坐标令激光器输出波长与雷达发射激光波长相等，同为λ。

利用第二柱面透镜52对上述信号方位向二次项因子进行补偿，对距离向不起作用，由上式可以确定第二柱面透镜52的焦距为：

$f_c=\frac{{\mathrm{zb}}^2}{2B_s^2}$

则第二柱面透镜52的相位透过因子为：

$t\left(y^{\′}\right)=\exp [-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{y}^{\′2}]$

则经过二次项补偿后的第二柱面透镜52后表面的光场为：

$I_c(x^{\′},y^{\′})=\sin c\left(\frac{{\mathrm{ax}}^{\′}}{\mathrm{\λf}}\right)*\mathrm{\δ}(\frac{x^{\′}}{\mathrm{\λ}{f}_r}-\frac{2\mathrm{\Δz}{T}_s\stackrel{\·}{f}}{\mathrm{ac}})\exp \left[j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{(\frac{b}{B_s}{y}_k-y^{\′})}^2\right]\exp [-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{y}^{\′2}]$

$=\sin c\left(\frac{{\mathrm{ax}}^{\′}}{\mathrm{\λf}}\right)*\mathrm{\δ}(\frac{x^{\′}}{\mathrm{\λ}{f}_r}-\frac{2\mathrm{\Δz}{T}_s\stackrel{\·}{f}}{\mathrm{ac}})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}{B}_s}{\mathrm{\λzb}}{y}_k{y}^{\′})\exp \left(j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}{y}_k^2\right)$

略去常数相位因子得：

$I_c(x^{\′},y^{\′})=\sin c\left(\frac{{\mathrm{ax}}^{\′}}{\mathrm{\λf}}\right)\mathrm{\δ}(\frac{x^{\′}}{\mathrm{\λ}{f}_r}-\frac{2\mathrm{\Δz}{T}_s\stackrel{\·}{f}}{\mathrm{ac}})\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}{B}_s}{\mathrm{\λzb}}{y}_k{y}^{\′})$

利用焦距为f_a的第三柱面透镜53对二次项补偿后的方位向信号傅里叶变换，对距离向信号不起作用，在第三柱面透镜53的后焦面即成像接收单元6所处平面得到的点像为：

$I_a(\mathrm{\ϵ},\mathrm{\η})=\sin c\left(\frac{\mathrm{a\ϵ}}{\mathrm{\λ}{f}_r}\right)*\mathrm{\δ}(\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\λ}{f}_r}-\frac{2\mathrm{\Δz}{T}_s\stackrel{\·}{f}}{\mathrm{ac}})\∫\mathrm{rect}\left(\frac{y^{\′}}{b}\right)\exp (-j\frac{4\mathrm{\π}{B}_s}{\mathrm{\λzb}}{y}_k{y}^{\′})\exp (-j2\mathrm{\π}{y}^{\′}\frac{\mathrm{\η}}{\mathrm{\λ}{f}_a}){\mathrm{dy}}^{\′}$

$=\sin c\left(\frac{\mathrm{a\ϵ}}{\mathrm{\λ}{f}_r}\right)*\mathrm{\δ}(\frac{\mathrm{\ϵ}}{\mathrm{\λ}{f}_r}-\frac{2\mathrm{\Δz}{T}_s\stackrel{\·}{f}}{\mathrm{ac}})\×\sin c\left(\frac{\mathrm{b\η}}{\mathrm{\λ}{f}_a}\right)*\mathrm{\δ}(\frac{\mathrm{\η}}{\mathrm{\λ}{f}_a}+\frac{2B_s}{\mathrm{\λzb}}{y}_k)$

式中，(ε,η)为第三柱面透镜53后焦面对应距离向与方位向坐标。

由上式可得，合成孔径激光成像雷达点目标光学成像处理所得点像：

距离向坐标：

距离向分辨率为：

方位向坐标：

方位向分辨率为：

在数字合成孔径激光成像雷达数字成像处理中，对于复数化后的信号是分两步进行的，即先对距离向信号进行傅里叶变换实现距离向聚焦，然后对距离向聚焦后的方位向信号进行二次项匹配滤波实现方位向聚焦，这中时间上的先后顺序本身就增加了信号处理时间，另外，由于受限于计算机的处理能力，对于大量的回波信号，计算机对于距离向或方位向的聚焦处理也会耗费一定时间，这更增加了数字成像方式的处理时间。然而，应用本发明合成孔径激光成像雷达光学成像处理装置，光学系统因其固有的并行数据处理能力，能够对加载到液晶空间光调制器上的回波信号以接近光速的处理速度对距离向进行傅里叶变换实现距离向聚焦，对方位向进行二次项匹配滤波实现方位向聚焦，这就大大缩短了回波信号的成像处理时间，可以达到实时图像获取，可以对卫星或无人机的航行和定向提供至关重要的决策信息，并具有很高的动态输出范围，可以减小对通信系统传输数据量和传输带宽的要求，可以实现集成化，有效减小系统的重量和体积，降低系统的功耗，因此未来在合成孔径激光成像雷达的数据处理中具有很大优势。

Claims (1)

1.一种合成孔径激光成像雷达光学成像处理装置，其特征在于构成包括数据复值处理与采集单元（1）、液晶空间光调制器（2）、激光器（3）、准直扩束单元（4）、光学成像单元（5）和成像接收及显示单元（6），所述的数据复值处理与采集单元（1）的输出端接所述的液晶空间光调制器（2）的第一输入端，沿所述的激光器（3）的激光输出的主光轴上依次是所述的准直扩束单元（4）、液晶空间光调制器（2）、光学成像单元（5）和成像接收及显示单元（6），所述的光学成像单元（5）包括依次的焦距为f_r的第一柱面透镜（51）、焦距为f_c的第二柱面透镜（52）和焦距为f_a的第三柱面透镜（53）；所述的液晶空间光调制器（2）在所述的第一柱面透镜（51）的前焦面上，所述的第二柱面透镜（52）在所述的第一柱面透镜（51）的后焦面上，所述的第三柱面透镜（53）在所述的第二柱面透镜（52）的后焦面上，所述的成像接收及显示单元（6）位于所述的第三柱面透镜（53）的后焦面上；所述的第一柱面透镜（51）的母线方向与所述的液晶空间激光调制器（2）的距离向数据加载方向平行，所述的第二柱面透镜（52）的母线方向与所述的第一柱面透镜（51）的母线方向垂直，所述的第三柱面透镜（53）的母线方向与所述的第二柱面透镜（52）的母线方向平行； 

所述的数据复值处理与采集单元（1）对存储在计算机中的合成孔径激光成像雷达的目标回波信号数据进行复值处理与采集，形成液晶空间光调制器（2）的相位调制信号，该相位调制信号经由数据线加载到所述的液晶空间光调制器（2）上； 

由所述的激光器（3）发出的光经过准直扩束单元（4）形成宽束准直光波，该宽束准直光波照射到所述的液晶空间光调制器（2），在该液晶空间光调制器（2）经所述的相位调制信号的相位调制后进入光学成像单元（5），经成像处理形成目标像，该目标像由成像接收及显示单元（6）接收显示。 

Images