CN104111451B - 差分干涉合成孔径激光三维成像雷达收发装置 - Google Patents

Abstract

一种差分干涉合成孔径激光三维成像雷达收发装置，用于发射和接收合成孔径激光雷达信号光。本装置由发射天线，第一差分接收天线，第二差分接收天线构成。本发明通过接收天线的差分结构可以有效抑制光学相位误差，可以有效抑制雷达平台振动，激光器频率不稳定，湍流带来的相位误差。

Description

差分干涉合成孔径激光三维成像雷达收发装置

技术领域

本发明涉及合成孔径激光三维成像雷达，特别是一种差分干涉合成孔径激光三维成像雷达收发装置。

背景技术

在真实口径不超过数米的前提下，合成孔径激光成像雷达是唯一在1000km以上实现厘米级分辨率的方案(参见先技术1.RobertL.Lucke,LeeJ.Rickard,etc.,SyntheticApertureLadar(SAL):FundamentalTheory,DesignEquationsforaSatelliteSystem,andLaboratoryDemonstration.NavalResearchLaboratory,Dec.26,2002.)。普通的光学遥感技术受限于自身真实口径的大小，远距离观测时，如不通过图像增强技术，以及先验知识，很难获得较高的分辨率，而合成孔径激光成像雷达在距离向通过宽带宽激光器，在方位向通过合成孔径技术在远距离可获得极高的分辨率。合成孔径激光成像雷达相对于微波合成孔径雷达，其成像时间更短，若使用光学处理方案，可实现回波数据的快速处理，而微波合成孔径雷达回波数据处理速度较慢(参见先技术2ZhiweiSun,PeipeiHou,YananZhi,JianfengSun,YuZhou,QianXu,ZhiyongLu,andLirenLiu,Opticalimageprocessingforsynthetic‐apertureimagingladarbasedontwo‐dimensionalFouriertransform.AppliedOptics,2014.53(9):p.1846‐1855.)。在先技术[3L.C.Graham,Syntheticinterferometerradarfortopographicmapping.ProceedingsoftheIEEE,1974.62(6):p.763‐768.]中提出了微波合成孔径雷达的干涉方案，由于合成孔径激光成像雷达使用的是1550nm通信波段，其对相位扰动相对微波合成孔径雷达来说，非常敏感，因此微波合成孔径雷达的干涉体制不适用于合成孔径激光成像雷达。

发明内容

本发明是克服上述技术中现有的困难，提供一种差分干涉合成孔径激光三维成像雷达收发装置，该装置包含较少的光学器件，结构简单紧凑，原理可靠，易于实现。可实现斜侧视条带模式下的合成孔径激光雷达的三维成像。

本发明的结构描述如下：

一种差分干涉合成孔径激光三维成像雷达收发装置，其特点在于该装置由发射天线、第一差分接收天线、第二差分接收天线和分束器部分构成；所述的第一差分接收天线由第一差分接收天线扩束器、第一差分接收天线直角棱镜、第一差分接收天线第一桥接器、第一差分接收天线第二桥接器、第一差分接收天线第一平衡探测器、第一差分接收天线第二平衡探测器、第一差分接收天线第一遮光罩和第一差分接收天线第二遮光罩组成；

所述的第二差分接收天线由第二差分接收天线扩束器、第二差分接收天线直角棱镜、第二差分接收天线第一桥接器、第二差分接收天线第二桥接器、第二差分接收天线第一平衡探测器、第二差分接收天线第二平衡探测器、第二差分接收天线第一遮光罩和第二差分接收天线第二遮光罩组成；

所述的分束器部分由可调谐激光器、、第一1x2分束器、和第二1x2分束器、组成；

所述的分束器部分与发射天线、第一差分接收天线、第二差分接收天线通过光纤光路或者空间元件形成的光路进行连接；

所述的第一差分接收天线第一子口径与第一差分接收天线第二子口径是第一差分接收天线是两个回波信号的接收口径；

所述的第二差分接收天线第一子口径与第二差分接收天线第二子口径是第二差分接收天线第二差分天线第一子口径回波信号，第二差分天线第二子口径回波信号的两个接收口径；

所述的第一差分接收天线第一子口径与第一差分接收天线第二子口径沿顺轨向排布，第二差分接收天线第一子口径与第二差分接收天线第二子口径沿顺轨向排布，第一差分接收天线第一子口径与第二差分接收天线第一子口径沿交轨向排布，第一差分接收天线第二子口径与第二差分接收天线第二子口径沿交轨向排布；

所述的发射口径位于第一差分接收天线第一子口径、第一差分接收天线第二子口径、第二差分接收天线第一子口径和第二差分接收天线第二子口径的中心位置。

第一差分接收天线直角棱镜和第二差分接收天线直角棱镜的两直角边镀膜，以满足入射光的全反射条件。

所述第一差分接收天线第一遮光罩分别在第一差分接收天线第一子口径回波信号入射位置和第一差分接收天线第一本振信号入射位置设置光阑，以保证滤除杂散光；所述的第一差分接收天线第二遮光罩分别在第一差分接收天线第二子口径回波信号入射位置和第一差分接收天线第二本振信号入射位置设置光阑，以保证滤除杂散光；所述的第二差分接收天线第一遮光罩分别在第二差分接收天线第一子口径回波信号入射位置和第二差分接收天线第一本振信号入射位置设置光阑，以保证滤除杂散光；所述的第二差分接收天线第二遮光罩分别在第二差分接收天线第二子口径回波信号入射位置和第二差分接收天线第二本振信号入射位置设置光阑，以保证滤除杂散光。

所述的第一1x2分束器分束比为99:1，所述的第二1x2分束器的分束比为1:1。

所述的可调谐激光器发射一束激光，经第一1x2分束器，99％的能量用于发射口径发射信号，1％通过第二1x2分束器平均分为两路，分别作为第一差分接收天线入射信号，第二差分接收天线入射信号。

所述的第一差分接收天线接收到第一差分接收天线入射信号，经第一差分接收天线扩束器照射到第一差分接收天线直角棱镜的两直角边，分别反射进入第一差分接收天线第一桥接器和第一差分接收天线第二桥接器。第一差分接收天线第一本振信号与第一差分接收天线第一子口径回波信号在第一差分接收天线第一桥接器内干涉，并平均分成能量相等的两路光，由第一差分接收天线第一平衡探测器探测接收。第一差分接收天线第二本振信号与第一差分接收天线第二子口径回波信号在第一差分接收天线第二平衡探测器内干涉，并平均分成能量相等的两路光，由第一差分接收天线第二平衡探测器探测接收。

所述的第二差分接收天线接收到的第二差分接收天线入射信号，经过第二差分接收天线扩束器照射到第二差分接收天线直角棱镜的两直角边，分别反射进入第二差分接收天线第一桥接器和第二差分接收天线第二桥接器。第二差分接收天线第一本振信号与第二差分接收天线第一子口径回波信号在第二差分接收天线第一桥接器内干涉，并平均分成能量相等的两路光，由第二差分接收天线第一桥接器探测接收。第二差分接收天线第二本振信号与第二差分接收天线第二子口径回波信号在第二差分接收天线第二桥接器内干涉，并平均分成能量相等的两路光，由第二差分接收天线第二平衡探测器探测接收。

所述的桥接器在先技术[4周煜,万玲玉,职亚楠,栾竹,孙建锋,and刘立人,相位补偿偏振分光2x490°自由空间光学桥接器.光学学报,2009.20(12)]中详细介绍了结构与功能。

第一差分接收天线第一子口径与第一差分接收天线第二子口径的中心连线长度为l，第二差分接收天线第一子口径与第二差分接收天线第二子口径的中心连线长度为l。方位向采样间隔Δ_a满足下面等式，

${\mathrm{\Δ}}_a=\frac{l}{2}---\left(1\right)$

第一差分接收天线与第二差分接收天线中心连线长度为L,其中L在发射口径中心位置到目标场景中心连线与竖直方向的夹角方向的投影称为有效基线长度B_n，满足，

B＝Lcos(γ-θ)(2)

式中，γ为第一差分接收天线与第二差分接收天线连线与水平夹角。

由于两差分接收天线对目标的观察视角不同，由于地物谱搬移，导致两差分接收天线成像的相干性降低，极限基线长度由下式确定，

$B_c=\frac{\mathrm{\λ}R\tan (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}{2{\mathrm{\Δ}}_r}---\left(3\right)$

式中，λ为系统工作波长，R为发射口径中心位置到目标场景中心连线距离，θ为发射口径中心位置到目标场景中心连线与竖直方向的夹角，α为地面局部起伏角。

若目标场景中心在雷达运动平台后方，雷达运动平台顺轨向运动，那么当满足(1)所示关系时，第一差分接收天线第二子口径和第二差分接收天线第二子口径第j+1步采样时的相位为u_n,j+1，第一差分接收天线第一子口径和第二差分接收天线第一子口径第j步采样时的相位为u_f,j，二者相等。发射口径，第一差分接收天线第一子口径，第一差分接收天线第二子口径，第二差分接收天线第一子口径，第二差分接收天线第二子口径口径均为d。根据衍射规律，可以得到第j步第一子口径、第二子口径的接收的关键相位历程分别为

$u_{f,j}=\exp [-\mathrm{ik}\frac{{(x_j-x_p)}^2}{2z}]\exp [-\mathrm{ik}\frac{{(x_j-L/2-x_p)}^2}{2z}]---\left(4\right)$

$u_{n,j}=\exp [-\mathrm{ik}\frac{{(x_j-x_p)}^2}{2z}]\exp [-\mathrm{ik}\frac{{(x_j+L/2-x_p)}^2}{2z}]---\left(5\right)$

当满足(1)时，两子口径由如下关系

u_n,j+1＝u_f,j(6)

从第1步到第n步(n＝1,2,…,j,…)差分接收天线两个子口径的相位满足如下规律：

根据上表的相位重建规律，即可重建第一差分接收天线(2)、第二差分接收天线(3)的差分相位。

所述的雷达天线高程分辨率由以下公式确定，

${\mathrm{\Δ}}_h=\frac{\mathrm{\λR}}{B_n\sin \mathrm{\θ}}---\left(7\right)$

其中，λ为工作波长，R为雷达天线到场景中心的距离，B_n为有效基线长度，θ为发射口径(1)中心位置到目标场景中心连线与竖直方向的夹角。

所述的雷达天线的方位向分辨率、距离向分辨率分别由以下公式确定，

${\mathrm{\Δ}}_a=\frac{d}{2}---\left(8\right)$

${\mathrm{\Δ}}_r=\frac{c}{2B}---\left(9\right)$

其中，d为发射、接收天线的口径，c为光速，B为激光器的频率啁啾带宽。

所述的高程信息，请参阅在先技术5[L.C.Graham,Syntheticinterferometerradarfortopographicmapping.ProceedingsoftheIEEE,1974.62(6):p.763‐768.]，通过对两个差分接收天线获得的复图像进行共轭相乘、去平地相位、滤波降噪、解相位等过程获得高程信息。

本发明的技术效果：

本发明提出使用差分接收天线处理每个接收天线获得的回波信号，消除由于雷达平台运动偏移、天线视轴漂移、激光器频率不稳定、湍流等因素带来的相位扰动。有利于改善回波信号的聚焦效果。

本发明使用全光学的接收方式，方便使用光学处理方式，可极大的提高数据的处理速度。

附图说明

图1是本发明天线口径排布示意图；

图2是本发明第一差分接收天线结构示意图；

图3是本发明第二差分接收天线结构示意图；

图4是本发明天线排布的俯视图；

图5是本发明激光器能量分配示意图；

图6是本发明差分干涉合成孔径激光三维成像雷达收发装置示意图。

图中：1‐发射口径，2‐第一差分接收天线第一子口径，3‐第一差分接收天线第二子口径，4‐第二差分接收天线第一子口径，5‐第二差分接收天线第二子口径，6‐目标面某点，7‐第一差分接收天线扩束器，8‐第一差分接收天线直角棱镜，9‐第一差分接收天线第一桥接器，10‐第一差分接收天线第二桥接器，11‐第一差分接收天线第一平衡探测器，12‐第一差分接收天线第二平衡探测器，13‐第一差分接收天线第一遮光罩，14‐第一差分接收天线第二遮光罩，15‐第一差分接收天线第一子口径回波信号，16第一差分接收天线第二子口径回波信号，17‐第一差分接收天线第一本振信号，18‐第一差分接收天线第二本振信号，19‐第一差分接收天线入射信号，20‐第二差分接收天线扩束器，21‐第二差分接收天线直角棱镜，22‐第二差分接收天线第一桥接器，23‐第二差分接收天线第二桥接器，24‐第二差分接收天线第一平衡探测器，25‐第二差分接收天线第二平衡探测器，26‐第二差分接收天线第一遮光罩，27‐第二差分接收天线第二遮光罩，28‐第二差分接收天线第一子口径回波信号，29‐第二差分接收天线第二子口径回波信号，30‐第二差分接收天线第一本振信号，31‐第二差分接收天线第二本振信号，32‐第二差分接收天线入射信号，33‐可调谐激光器，34‐第一1x2分束器，35‐第二1x2分束器，36‐发射天线，37‐第一差分接收天线，38‐第二差分接收天线。

具体实施方式

以下结合附图与实施例进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明由发射天线36、第一差分接收天线37、第二差分接收天线38和分束器部分构成；

如图2所示，所述的第一差分接收天线37由第一差分接收天线扩束器7，第一差分接收天线直角棱镜8，第一差分接收天线第一桥接器9，第一差分接收天线第二桥接器10，第一差分接收天线第一平衡探测器11，第一差分接收天线第二平衡探测器12，第一差分接收天线第一遮光罩13，第一差分接收天线第二遮光罩14组成；

如图3所示，所述的第二差分接收天线38由第二差分接收天线扩束器20，第二差分接收天线直角棱镜21，第二差分接收天线第一桥接器22，第二差分接收天线第二桥接器23，第二差分接收天线第一平衡探测器24，第二差分接收天线第二平衡探测器25，第二差分接收天线第一遮光罩26，第二差分接收天线第二遮光罩27组成；

如图5所示，所述的分束器部分由可调谐激光器33，第一1x2分束器34，第二1x2分束器35组成。

所述的分束器部分与发射天线36、第一差分接收天线37、第二差分接收天线38通过光纤光路或者空间元件形成的光路进行连接。

所述的第一差分接收天线第一子口径2与第一差分接收天线第二子口径3是第一差分接收天线37第一差分天线第一子口径回波信号15与第一差分天线第二子口径回波信号16的两个接收口径；

所述的第二差分接收天线第一子口径4与第二差分接收天线第二子口径5是第二差分接收天线38第二差分天线第一子口径回波信号28，第二差分天线第二子口径回波信号29的两个接收口径；

如图4所示，所述的第一差分接收天线第一子口径2与第一差分接收天线第二子口径3沿顺轨向排布，第二差分接收天线第一子口径4与第二差分接收天线第二子口径5沿顺轨向排布，第一差分接收天线第一子口径2与第二差分接收天线第一子口径4沿交轨向排布，第一差分接收天线第二子口径3与第二差分接收天线第二子口径5沿交轨向排布；

如图4所示，所述的发射口径1位于第一差分接收天线第一子口径2，第一差分接收天线第二子口径3，第二差分接收天线第一子口径4和第二差分接收天线第二子口径5的中心位置。

所述的第一差分接收天线直角棱镜8与第二差分接收天线直角棱镜21在两直角边镀膜，以满足入射光的全反射条件。

所述第一差分接收天线第一遮光罩13分别在第一差分接收天线第一子口径回波信号15入射位置和第一差分接收天线第一本振信号17入射位置设置光阑，以保证滤除杂散光；

所述的第一差分接收天线第二遮光罩14分别在第一差分接收天线第二子口径回波信号16入射位置和第一差分接收天线第二本振信号18入射位置设置光阑，以保证滤除杂散光；

所述的第二差分接收天线第一遮光罩26分别在第二差分接收天线第一子口径回波信号28入射位置和第二差分接收天线第一本振信号30入射位置设置光阑，以保证滤除杂散光；

所述的第二差分接收天线第二遮光罩27分别在第二差分接收天线第二子口径回波信号29入射位置和第二差分接收天线第二本振信号31入射位置设置光阑，以保证滤除杂散光。

如图4所示，所述的第一1x2分束器34分束比为99:1，所述的第二1x2分束器35的分束比为1:1。

所述的可调谐激光器33发射一束激光，经第一1x2分束器34，99％的能量用于发射口径1发射信号，1％通过第二1x2分束器35平均分为两路，分别作为第一差分接收天线入射信号19，第二差分接收天线入射信号32。

所述的第一差分接收天线接收到第一差分接收天线入射信号19，经第一差分接收天线扩束器7照射到第一差分接收天线直角棱镜8的两直角边，分别反射进入第一差分接收天线第一桥接器9和第一差分接收天线第二桥接器10。第一差分接收天线第一本振信号17与第一差分接收天线第一子口径回波信号15在第一差分接收天线第一桥接器9内干涉，并平均分成能量相等的两路光，由第一差分接收天线第一平衡探测器11探测接收。第一差分接收天线第二本振信号18与第一差分接收天线第二子口径回波信号16在第一差分接收天线第二平衡探测器12内干涉，并平均分成能量相等的两路光，由第一差分接收天线第二平衡探测器12探测接收。

所述的第二差分接收天线接收到的第二差分接收天线入射信号32，经过第二差分接收天线扩束器20照射到第二差分接收天线直角棱镜21的两直角边，分别反射进入第二差分接收天线第一桥接器20和第二差分接收天线第二桥接器23。第二差分接收天线第一本振信号30与第二差分接收天线第一子口径回波信号28在第二差分接收天线第一桥接器22内干涉，并平均分成能量相等的两路光，由第二差分接收天线第一桥接器22探测接收。第二差分接收天线第二本振信号31与第二差分接收天线第二子口径回波信号29在第二差分接收天线第二桥接器23内干涉，并平均分成能量相等的两路光，由第二差分接收天线第二平衡探测器25探测接收。

合成孔径激光三维成像雷达天线对目标发射线性调频的啁啾脉冲激光，发射光波经过所述的三维目标反射后由两个差分接收天线接收，进行相干外差接收，接收后的信号存储在计算机中，请参阅先技术[6](L.C.Graham,Syntheticinterferometerradarfortopographicmapping.ProceedingsoftheIEEE,1974.62(6):p.763‐768.)，通过对两个差分接收天线获得的复图像进行共轭相乘、去平地相位、滤波降噪、解相位等过程获得高程信息。

下面给出本发明一个具体实施例供参考：

设计方位向分辨率Δ_a＝0.25m，距离向分辨率Δ_r＝0.25m，探测距离R＝800km，发射、接收天线口径d＝0.5m。可调谐激光器33的工作波长为1550nm，啁啾带宽为，

$B=\frac{c}{2{\mathrm{\Δ}}_r}=6\×{10}^8\mathrm{Hz}---\left(10\right)$

设计第一差分接收天线与第二差分接收天线中心连线长度L＝1.5m，γ＝15°,θ＝45°，令α＝0，得到有效基线长度为，

B_n＝Lcos(γ-θ)＝1.299m(11)

极限基线为，

$B_c=\frac{\mathrm{\λ}R\tan (\mathrm{\θ}-\mathrm{\α})}{2{\mathrm{\Δ}}_r}=2.48m---\left(12\right)$

获得的高程分辨率为

${\mathrm{\Δ}}_h=\frac{\mathrm{\λR}}{B_n\sin \mathrm{\θ}}=1.35m---\left(13\right)$ 。

Claims (4)

1.一种差分干涉合成孔径激光三维成像雷达收发装置，其特点在于该装置由发射天线(36)、第一差分接收天线(37)、第二差分接收天线(38)和分束器部分构成；

所述的第一差分接收天线(37)由第一差分接收天线扩束器(7)、第一差分接收天线直角棱镜(8)、第一差分接收天线第一桥接器(9)、第一差分接收天线第二桥接器(10)、第一差分接收天线第一平衡探测器(11)、第一差分接收天线第二平衡探测器(12)、第一差分接收天线第一遮光罩(13)和第一差分接收天线第二遮光罩(14)组成；

所述的第二差分接收天线(38)由第二差分接收天线扩束器(20)、第二差分接收天线直角棱镜(21)、第二差分接收天线第一桥接器(22)、第二差分接收天线第二桥接器(23)、第二差分接收天线第一平衡探测器(24)、第二差分接收天线第二平衡探测器(25)、第二差分接收天线第一遮光罩(26)和第二差分接收天线第二遮光罩(27)组成；

所述的分束器部分由可调谐激光器(33)、第一1x2分束器(34)和第二1x2分束器(35)组成；

所述的分束器部分与发射天线(36)、第一差分接收天线(37)、第二差分接收天线(38)通过光纤光路或者空间元件形成的光路进行连接；

第一差分接收天线第一子口径(2)与第一差分接收天线第二子口径(3)是第一差分接收天线(37)两个回波信号的接收口径；

第二差分接收天线第一子口径(4)与第二差分接收天线第二子口径(5)是第二差分接收天线(38)第二差分天线第一子口径回波信号(28)，第二差分天线第二子口径回波信号(29)的两个接收口径；

所述的第一差分接收天线第一子口径(2)与第一差分接收天线第二子口径(3)沿顺轨向排布，第二差分接收天线第一子口径(4)与第二差分接收天线第二子口径(5)沿顺轨向排布，第一差分接收天线第一子口径(2)与第二差分接收天线第一子口径(4)沿交轨向排布，第一差分接收天线第二子口径(3)与第二差分接收天线第二子口径(5)沿交轨向排布；

发射口径(1)位于第一差分接收天线第一子口径(2)、第一差分接收天线第二子口径(3)、第二差分接收天线第一子口径(4)和第二差分接收天线第二子口径(5)的中心位置。

2.根据权利要求1所述的差分干涉合成孔径激光三维成像雷达收发装置，其特征在于第一差分接收天线直角棱镜(8)和第二差分接收天线直角棱镜(21)的两直角边镀膜，以满足入射光的全反射条件。

3.根据权利要求1所述的差分干涉合成孔径激光三维成像雷达收发装置，其特征在于所述第一差分接收天线第一遮光罩(13)分别在第一差分接收天线第一子口径回波信号(15)入射位置和第一差分接收天线第一本振信号(17)入射位置设置光阑，以保证滤除杂散光；所述的第一差分接收天线第二遮光罩(14)分别在第一差分接收天线第二子口径回波信号(16)入射位置和第一差分接收天线第二本振信号(18)入射位置设置光阑，以保证滤除杂散光；所述的第二差分接收天线第一遮光罩(26)分别在第二差分接收天线第一子口径回波信号(28)入射位置和第二差分接收天线第一本振信号(30)入射位置设置光阑，以保证滤除杂散光；所述的第二差分接收天线第二遮光罩(27)分别在第二差分接收天线第二子口径回波信号(29)入射位置和第二差分接收天线第二本振信号(31)入射位置设置光阑，以保证滤除杂散光。

4.根据权利要求1至3任一项所述的差分干涉合成孔径激光三维成像雷达收发装置，其特征在于所述的第一1x2分束器(34)分束比为99:1，所述的第二1x2分束器(35)的分束比为1:1。