CN103885060B - 合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置与成像方法 - Google Patents

Abstract

一种合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置与成像方法，利用光学成像手段对雷达回波信号进行聚焦成像，其构成包括计算机、空间光调制器、与图像接收器，核心原理为将合成孔径激光成像雷达接收系统接收的目标回波信号存储在计算机中，然后利用计算机在回波信号距离向上附加二次项相位因子，然后加载到空间光调制器上，激光器发出的光波经过空间光调制器调制后经过一段菲涅尔衍射自动并且同时实现距离向、方位向聚焦，成像结果由图像接收器接收，并由计算机进行存储显示。本发明结构简单，易于集成，节省成本，是合成孔径激光成像雷达的重要技术改进。

Description

合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置与成像方法

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自聚焦成像装置与成像方法，能够利用光学菲涅尔衍射同时并自动实现合成孔径激光成像雷达回波数据距离向、方位向聚焦成像。

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(SAR)原理，是国外报道的能够在远距离获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数据。目标面上每个点的回波数据相位距离向为与距离向快时间有关的线性项相位，方位向为与方位向慢时间有关的二次项相位。

2002年以来，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，”】。

在上述所有相关报道中【参见文献1、2、3、4、5、6】，回波数据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数据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数据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，需要相对较长的成像处理时间。在先技术【文献7：孙志伟，职亚楠，孙建锋，周煜，侯培培，刘立人，合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法，发明专利，申请号：201310300362.8】中，提出利用光学成像的方式对合成孔径激光成像雷达的回波数据进行成像处理，但是，此发明专利需要用到多个光学透镜，并且结构较复杂，成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提出了一种合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置与成像方法，可以利用光学菲涅尔衍射同时并且自动实现雷达回波数据距离向、方位向聚焦成像，是合成孔径激光成像雷达重要的技术改进。

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光学自聚焦成像装置，其特征在于其构成包括计算机，空间光调制器，图像接收器，沿光轴方向依次为所述的空间光调制器，图像接收器，所述的空间光调制器与图像接收器的距离为f，所述的计算机的第一输入端接合成孔径激光成像雷达的数据接收系统，所述的计算机的输出端接所述的空间光调制器的输入端，所述的计算机的第二输入端接所述的图像接收器的输出端。

根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置，其特征在于所述的空间光调制器包括透射式空间光调制器与反射式空间光调制器两种结构。

一种合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像方法，其特征在于，包括如下步骤：

①合成孔径激光成像雷达回波数据接收系统接收后的目标回波数据存储在所述的计算机中，由该计算机在所述的目标回波数据距离向上附加二次项相位因子，所述的二次项相位因子的距离向曲率半径f_i＝λ_sf(T_f/a)²/λ，其中λ_s为所述的合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置中所用激光器的波长，T_f为合成孔径激光成像雷达回波数据距离向时间采样宽度，a为所述的空间光调制器的距离向数据加载宽度，λ为合成孔径激光成像雷达发射激光的中心波长，

②距离向附加二次项相位因子的回波数据通过所述的计算机加载到所述的空间光调制器上，对于所述的透射式空间光调制器，加载所述的距离向附加二次项相位因子的回波数据的共轭数据，对于所述的反射式空间光调制器，加载所述的附加二次项相位因子的回波数据，数据加载后，方位向数据满足的关系为λF(b/B_s)²＝λ_sf，其中F为合成孔径激光成像雷达目标回波数据方位向等效曲率半径，b为所述的空间光调制器的方位向数据加载宽度，B_s为合成孔径激光成像雷达方位向数据采样宽度，

③由激光器发出的激光经过准直扩束后照射到所述的空间光调制器上，出射光在所述的图像接收器的探测面上聚焦成像，成像结果由所述的图像接收器接收并存储到所述的计算机中，并由该计算机进行显示。

本发明的技术效果：

本发明提出将合成孔径激光成像雷达接收系统接收得到的目标回波数据存储在计算机中，利用计算机在回波数据距离向附加二次项相位因子，然后加载到空间光调制器上，对于透射式的空间光调制器，加载距离向附加二次项相位因子数据的共轭数据，对于反射式的空间光调制器，直接加载距离向附加二次项相位因子数据，然后利用光学系统进行聚焦成像，成像结果由图像接收器接收并存储在计算机中进行显示。

本发明无需光学透镜，利用光学菲涅尔衍射自动并且同时实现雷达回波数据距离向、方位向聚焦成像，结构简单，易于集成，且节省成本，既具有数字处理方式的灵活性，又具有光学处理的快速性，是合成孔径激光成像雷达尤其是数据处理的关键技术改进。

附图说明

图1是本发明合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置结构示意图。

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的光学自聚焦成像装置结构示意图。由图可见，本发明合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置，其构成包括计算机1，空间光调制器2，图像接收器3，沿光轴方向依次为所述的空间光调制器2，图像接收器3，所述的空间光调制器2与图像接收器3的距离为f，所述的计算机1的第一输入端11接合成孔径激光成像雷达的数据接收系统，所述的计算机1的输出端12接所述的空间光调制器2的输入端21，所述的计算机1的第二输入端13接所述的图像接收器3的输出端31。

根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置，其特征在于所述的空间光调制器2包括透射式空间光调制器与反射式空间光调制器两种结构。

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的光学自聚焦成像方法的成像处理过程。

合成孔径激光成像雷达的发射系统对所考察的目标点发射线性调频的啁啾脉冲激光，发射光波经过上述目标点反射后由接收系统进行相干外差接收，接收后的数据存储在所述的计算机中，存储在所述的计算机中的点目标复数化后的回波数据为i(x_k,y_k:t_f,vt_s)：

$\begin{array}{c}i(x_k,y_k:t_f,{\mathrm{vt}}_s)=A_k\sin c^2\left(\frac{S_x{x}_k}{\mathrm{\λ}Z}\right)\sin c^2\[\frac{S_y(y_k-{\mathrm{vt}}_s)}{\mathrm{\λ}Z}\]rect\left(\frac{t_f-T_f/2}{T_f}\right)\×\\ rect\left(\frac{{\mathrm{vt}}_s-B_s/2}{B_s}\right)\exp \[j2\mathrm{\π}\mathrm{\ρ}\frac{2{\mathrm{\Δz}}_k}{c}{t}_f+j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}F}{(y_k-{\mathrm{vt}}_s)}^2\]\end{array}$

其中，A_k为与激光发射功率、本振激光功率、光学外差接收灵敏度、发射和接收光学系统结构、自由空间光传输、目标复反射率特性等有关的常数。x_k，y_k分别为所述的目标点的距离向、方位向坐标，t_f，t_s分别为距离向快时间、方位向慢时间，v为雷达方位向运动速度，B_s为雷达光学足趾方位向尺度，由雷达发射与接收结构确定的方位向方向性函数为：sinc²[S_y(y_k-vt_s)/λZ]，S_y为雷达发射口径方位向宽度，λ为雷达发射激光中心波长，Z为雷达到目标中心点的距离，设定t_f＝0，t_s＝0为雷达对目标点进行数据收集的时间、空间采样原点，垂直向方向性函数为：sinc²(S_xx_k/λZ)，S_x为雷达发射口径垂直向宽度，这里令雷达发射口径与接收口径相等，距离向时间采样宽度T_f，雷达发射激光频率啁啾率为ρ，Δz_k为减去参考光臂长后的目标雷达等效距离，c为光速，雷达光学足趾等效曲率半径为F＝Z/2。

利用所述的计算机对i(x_k,y_k:t_f,vt_s)距离向数据附加二次项相位因子为i_rc(t_f)，

$i_{rc}\left(t_f\right)=\exp \[j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λf}}_i}{(t_f-\frac{T_f}{2})}^2\]$

所述的空间光调制器位于(α,β)平面内，α轴与β轴分别对应距离向与方位向，

距离向，方位向数据加载宽度分别为a，b，对于透射式空间光调制器，加载[i(x_k,y_k:t_f,vt_s)i_rc(t_f)]^*，对于反射式空间光调制器，加载i(x_k,y_k:t_f,vt_s)i_rc(t_f)，加

载数据后，所述的透射式空间光调制器对入射光的调制函数为：t_t(x_k,y_k:α,β)

$\begin{array}{c}{t}_t(x_k,y_k:\mathrm{\α},\mathrm{\β})=A_k\sin c^2\left(\frac{S_x{x}_k}{\mathrm{\λ}Z}\right)\sin c^2\[\frac{S_y(y_k-B_s\mathrm{\β}/b)}{\mathrm{\λ}Z}\]rect\left(\frac{\mathrm{\α}-a/2}{a}\right)rect\left(\frac{\mathrm{\β}-b/2}{b}\right)\\ \exp (-j2\mathrm{\π}\frac{2{\mathrm{\Δz}}_k}{c}\frac{T_f}{a}\mathrm{\α}\mathrm{\ρ})\exp \[-j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λf}}_i}{\left(\frac{T_f}{a}\right)}^2{(\mathrm{\α}-\frac{a}{2})}^2\]\exp \[-j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}F}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{(\frac{b}{B_s}{y}_k-\mathrm{\β})}^2\]\end{array}$

所述的反射式空间光调制器对入射光的调制函数为：

$\begin{array}{c}{t}_r(x_k,y_k:\mathrm{\α},\mathrm{\β})=A_k\sin c^2\left(\frac{S_x{x}_k}{\mathrm{\λ}Z}\right)\sin c^2\[\frac{S_y(y_k-B_s\mathrm{\β}/b)}{\mathrm{\λ}Z}\]rect\left(\frac{\mathrm{\α}-a/2}{a}\right)rect\left(\frac{\mathrm{\β}-b/2}{b}\right)\\ \exp \left(j2\mathrm{\π}\frac{2{\mathrm{\Δz}}_k}{c}\frac{T_f}{a}\mathrm{\α}\mathrm{\ρ}\right)\exp \[-j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λf}}_i}{\left(\frac{T_f}{a}\right)}^2{(\mathrm{\α}-\frac{a}{2})}^2\]\[-j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}F}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{(\frac{b}{B_s}{y}_k-\mathrm{\β})}^2\]\end{array}$

经过空间光调制器调制后的出射光进行一段距离为f的菲涅尔衍射，在图像接收器探测面(u,v)上形成的光场为e_t(x_k,y_k:u,v)：

$\begin{array}{c}{e}_t(x_k,y_k:u,v)=\frac{\exp (j2\mathrm{\π}f/{\mathrm{\λ}}_s)}{{\mathrm{j\λ}}_{s}f}\exp \[j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{s}f}(u^2+v^2)\]\\ \underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\{t_t(x_k,y_k:\mathrm{\α},\mathrm{\β})\exp \[j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{s}f}({\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2)\]\}\exp \[-j\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{s}f}(u\mathrm{\α}+v\mathrm{\β})\]d\mathrm{\α}d\mathrm{\β}\end{array}$

或e_r(x_k,y_k:u,v)：

$\begin{array}{c}{e}_r(x_k,y_k:u,v)=\frac{\exp (j2\mathrm{\π}f/{\mathrm{\λ}}_s)}{{\mathrm{j\λ}}_{s}f}\exp \[j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{s}f}(u^2+v^2)\]\\ \underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\underset{-\mathrm{\∞}}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\∫}}\{t_r(x_k,y_k:\mathrm{\α},\mathrm{\β})\exp \[j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{s}f}({\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\β}}^2)\]\}\exp \[-j\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_{s}f}(u\mathrm{\α}+v\mathrm{\β})\]d\mathrm{\α}d\mathrm{\β}\end{array}$

式中λ_s为入射激光波长。

由e_t(x_k,y_k:u,v)与e_r(x_k,y_k:u,v)的具体表达式得，为了同时实现距离向、方位向聚焦成像，有如下关系：

${\mathrm{\λf}}_i{\left(\frac{a}{T_f}\right)}^2=\mathrm{\λ}F{\left(\frac{b}{B_s}\right)}^2={\mathrm{\λ}}_{s}f$

满足上述关系后得，

式中C_k(x_k,y_k:u,v)为常数因子。由e_t(x_k,y_k:u,v)与e_r(x_k,y_k:u,v)得，对于所考察的目标点，

a)所成点像距离向坐标：或距离向成像分辨率为：

b)所成点像方位向坐标：方位向成像分辨率为：

的零值半宽。

本发明的一个实施例是用于大口径合成孔径激光成像雷达演示样机获得的面目标回波数据的聚焦成像处理，下面给出雷达系统及目标的参数：雷达发射激光中心波长λ＝1.55μm，频率啁啾率：ρ＝1.25×10¹³Hz/s，光学足趾大小：22mm×22mm，雷达目标中心距：Z＝14m，雷达方位向步进长度：T_sv＝0.1mm，距离向采样时间宽度：T_s＝40ms，距离向采样频率：2.5MHz，光学足趾曲率半径：F＝2.6047m，目标大小：8mm×40mm，长边位于方位向，目标短边相对雷达倾斜45°放置，所用激光器输出波长为：λ＝632.8nm，所用反射式纯相位液晶空间光调制器的尺寸：a＝2.4mm，加载方位向相位数据，b＝7.792mm，加载距离向相位数据，空间光调制器与图像接收器的距离f＝200mm。

在合成孔径激光成像雷达中，传统的雷达回波数据的成像处理方式都是数字处理方式，即将光电接收和数字化之后的回波数据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数据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，需要较长的成像处理时间。在先技术【文献7：孙志伟，职亚楠，孙建锋，周煜，侯培培，刘立人，合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法，发明专利，申请号：201310300362.8】中，提出利用光学成像的方式对合成孔径激光成像雷达的回波数据进行成像处理，但是，此发明专利需要用到多个光学透镜，并且结构较复杂，成本较高。

本发明提出将合成孔径激光成像雷达接收系统接收得到的目标回波数据存储在计算机中，利用计算机在回波数据距离向附加二次项相位因子，然后加载到空间光调制器上，对于透射式的空间光调制器，加载距离向附加二次项相位因子数据的共轭数据，对于反射式的空间光调制器，直接加载距离向附加二次项相位因子数据，然后利用光学系统进行聚焦成像，成像结果由图像接收器接收并存储在计算机中进行显示。

本发明无需光学透镜，利用光学菲涅尔衍射自动并且同时实现雷达回波数据距离向、方位向聚焦成像，结构简单，易于集成，且节省成本，既具有数字处理方式的灵活性，又具有光学处理的快速性，是合成孔径激光成像雷达尤其是数据处理的关键技术改进。

Claims (1)

1.一种合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像方法，利用合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置，其构成包括计算机(1)，空间光调制器(2)，图像接收器(3)，沿光轴方向依次为所述的空间光调制器(2)，图像接收器(3)，所述的空间光调制器(2)与图像接收器(3)的距离为f，所述的计算机(1)的第一输入端(11)接合成孔径激光成像雷达的数据接收系统，所述的计算机(1)的输出端(12)接所述的空间光调制器(2)的输入端(21)，所述的计算机(1)的第二输入端(13)接所述的图像接收器(3)的输出端(31)；所述的空间光调制器包括透射式空间光调制器与反射式空间光调制器两种结构，其特征在于，包括如下步骤：

①合成孔径激光成像雷达回波数据接收系统接收后的目标回波数据存储在所述的计算机(1)中，由该计算机(1)在所述的目标回波数据距离向上附加二次项相位因子，所述的二次项相位因子的距离向曲率半径f_i＝λ_sf(T_f/a)²/λ，其中λ_s为所述的合成孔径激光成像雷达的光学自聚焦成像装置中所用激光器的波长，T_f为合成孔径激光成像雷达回波数据距离向时间采样宽度，a为所述的空间光调制器的距离向数据加载宽度，λ为合成孔径激光成像雷达发射激光的中心波长，

②距离向附加二次项相位因子的回波数据通过所述的计算机(1)加载到所述的空间光调制器(2)上，对于所述的透射式空间光调制器，加载所述的距离向附加二次项相位因子的回波数据的共轭数据，对于所述的反射式空间光调制器，加载所述的附加二次项相位因子的回波数据，数据加载后，方位向数据满足的关系为λF(b/B_s)²＝λ_sf，其中F为合成孔径激光成像雷达目标回波数据方位向等效曲率半径，b为所述的空间光调制器(2)的方位向数据加载宽度，B_s为合成孔径激光成像雷达方位向数据采样宽度，

③由激光器发出的激光经过准直扩束后照射到所述的空间光调制器(2)上，出射光在所述的图像接收器(3)的探测面上聚焦成像，成像结果由所述的图像接收器(3)接收并存储到所述的计算机(1)中，并由该计算机(1)进行显示。