CN106371102B - 基于自适应光学的逆合成孔径激光雷达信号接收系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于自适应光学的逆合成孔径激光雷达信号接收系统，包括激光信号发射子系统、接收望远镜、目标波前探测器、目标跟踪传感器、信号接收系统、倾斜控制系统、像差控制系统等；目标跟踪传感器获取目标相对光轴的倾斜信息，并通过倾斜控制系统实现对倾斜的实时补偿；目标波前探测器测量大气湍流、光学器件误差带来的光学像差，并通过像差控制系统实时补偿；本发明系统能有效提升逆合成孔径激光雷达接收到的回波信号信噪比，同时提高系统距离向分辨率和方位向分辨率。

Description

基于自适应光学的逆合成孔径激光雷达信号接收系统
技术领域
本发明涉及一种基于自适应光学的逆合成孔径激光雷达信号接收系统，系统利用自适应光学，对大气湍流、光学器件误差等带来的光学像差实现实时探测和实时补偿，有效提升逆合成孔径激光雷达接收到的回波信号信噪比，同时提高系统距离向分辨率和方位向分辨率。
背景技术
逆合成孔径激光雷达技术是一种利用激光雷达与观测目标的相对运动，通过多次发射相同的脉冲探测同一目标，接收回波信号并进行处理，计算获得目标在激光雷达视线和相对运动方向所决定平面的投影图像的主动光学探测手段。与传统被动式光学成像方式相比，逆合成孔径激光雷达技术主要有以下优点：系统分辨率不会随目标与观测设备的距离增大而衰减；作为主动观测手段受到昼夜变化、天气变化等气候条件影响比较小。
激光雷达的回光功率与目标距离的四次方成正比，因此对于远距离目标观测时，回光信号极其微弱。一种有效的手段就是增大观测望远镜的口径。相对于最大口径在几十厘米的折射式望远镜，反射式天文望远镜的口径都在米级以上，最大的达到10米(美国夏威夷keck望远镜10m)甚至几十米(在建欧洲天文台E-ELT望远镜39m)。其收集回光效率是最大折射式望远镜的100倍到10000倍。但是，大口径的天文望远镜面临的问题是大气湍流造成的波前误差，会严重降低信号的信噪比，进而影响逆合成孔径激光雷达的距离向分辨率和方位向分辨率。
自适应光学是一种对动态像差进行实时探测和校正的技术。自适应光学最早应用于天文观测领域，利用所观测目标所反射的太阳光作为信标进行波前误差探测，实现对星体的高分辨率成像。
因此，在具有自适应光学系统的大型天文望远镜基础上，可以发展新型逆合成激光雷达信号接收系统，以提高接收到的回波信号信噪比，进而提升系统距离向分辨率和方位向分辨率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对逆合成孔径激光雷达信号接收，利用自适应光学技术实时探测和补偿大气湍流带来的动态像差，提高回波信号信噪比，进而提升系统距离向分辨率和方位向分辨率。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：基于自适应光学的逆合成孔径激光雷达信号接收系统，包括：激光雷达信号发射系统1、接收望远镜2、高速倾斜镜4、变形镜5、缩束系统6、目标高精度跟踪传感器8、光信号接收探测器10和目标波前探测器12；
激光雷达信号发射系统1发出经调制的光信号，在目标表面发生漫反射后，部分光能量被接收望远镜2接收，经过准直透镜3准直后，依次经高速倾斜镜4和变形镜5反射，被光学缩束系统6缩束的光，在第一分光镜7表面进行光谱分光，少部分波段光透射进入目标高精度跟踪传感器8，大部分波段光经第一分光镜7反射后，在第二分光镜9表面进行第二次光谱分光，其中发射信号所处波段的光透射进入目标信号接收器10，其余部分波段光经反射后进入目标波前探测器12；
更进一步的，进入目标高精度跟踪传感器8的光束经过聚焦透镜汇聚后在高帧频CCD 14靶面形成衍射光斑，数据处理机将该衍射光斑偏离标定位置的方位和距离，计算光束波前相对于光轴的倾斜量，控制高速倾斜镜4补偿光束波前倾斜。
更进一步的，进入目标波前探测器12的光束经过微透镜阵列在相机13上形成像点阵列；数据处理机根据阵列像点相对标定位置的偏移量，计算出光束波前像差；数据处理机通过控制支撑驱动器改变变形镜5面型，实时补偿光束波前像差。
更进一步的，进入目标信号接收器10的光，经透镜耦合进光子计数器11，光子计数器将光信号转化为电信号，并由数据处理机计算出目标图像；目标图像的计算步骤如下：
(a)利用所发射信号的频谱对接收到的信号进行匹配滤波，得到目标的距离像；
(b)在同一目标的多个距离像中选取特征点，并将特征点对齐到同一时间轴上，以补偿目标与雷达之间的距离变化；
(c)在每个距离单元内做一维傅里叶变换，得到目标的时间-多普勒图像；
(d)根据所发射信号的脉冲间隔，以及信号传输速度，计算多普勒频移与方位的关系、时间轴与距离的关系，并作坐标变换，最终得到目标的距离-方位像。
本发明与现有技术相比有以下优点：
(1)本发明利用了自适应光学技术实时补偿光束波前像差，保证了接收信号信噪比；
(2)本发明采用了大口径反射式天文望远镜作为逆合成口径激光雷达信号接收装置，其收集到的光信号能量比一般激光雷达接收望远镜高3-5个数量级，可以对更远目标实施探测。
附图说明
图1为本发明装置的组成及原理示意图，图中：1为激光雷达信号发射系统、2为接收望远镜、3为准直透镜、4为高速倾斜镜、5为变形镜、6为缩束系统、7为第一分光镜、8为目标高精度跟踪传感器、9为第二分光镜、10为光信号接收探测器、11为光子计数器、12为目标波前探测器、13为相机、14为高帧频CCD。
图2为发射信号时间域与频率域分布图。
图3为波前传感器示意图。
图4为变形镜驱动器分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
如图1所示，基于自适应光学的逆合成孔径激光雷达信号接收系统包括：激光雷达信号发射系统1、接收望远镜2、高速倾斜镜4、变形镜5、缩束系统6、目标高精度跟踪传感器8、光信号接收探测器10和目标波前探测器12；
如图2所示，激光雷达信号发射系统1发射出的信号是中心波长为1064nm的线性调频信号，其特点是信号的频率在一个脉冲之间连续变化，其优点是在较短的脉宽中，有较大的频率带宽，能够有效提高系统距离向分辨率；
激光信号在目标表面发生漫反射，部分反射的光由接收望远镜2接收，接收望远镜2的主镜为1.2m，次镜0.2m，经第三镜反射转出，经过准直透镜3准直后，光束为近似平行光，其波前相位起伏即大气湍流与系统所带来的波前误差，光束依次经高速倾斜镜4和变形镜5反射，被光学缩束系统6缩束的光，在第一分光镜7表面进行光谱分光；
I波段光透射进入目标高精度跟踪传感器8，经聚焦透镜汇聚后在高帧频CCD 14靶面形成衍射光斑，采用质心算法计算光斑中心位置(x,y)，与标定位置(0,0)比较即可计算出波前相位倾斜量和倾斜方向；
其中，为波前相位倾斜量，单位为nm，其中α为望远镜角放大率，f为聚焦透镜焦距，D为主镜尺寸；θ为波前相位倾斜相位；
数据处理机根据高帧频CCD 14采集到的数据，控制高速倾斜镜4倾斜角度，实时补偿波前相位倾斜误差；
在第一分光镜7表面反射的光在第二分光镜9表面进行再次分光，K波段的光反射进入目标波前探测器12；
如图3所示，进入目标波前探测器12的光经缩束后，照射在微阵列透镜上，微阵列透镜将光分成多束子光束并分别在相机13上成像获得点阵图像，数据处理机对点阵图像信息计算可以恢复出光束波前相位分布，并输出控制信号给变形镜5；
如图4所示，变形镜5有许多支撑点，支撑点由压电陶瓷控制，给予支撑结构每个支撑点不同的电压值可以控制每个压电陶瓷的变形量，进而控制变形镜5的面型，实现对光束波前相位的实时补偿；
高速倾斜镜4和变形镜5补偿闭环后，在分光镜9表面投射过的J波段光没有波前相位误差，为标准平行光，经透镜耦合进入光子计数器11，光子计数器将光信号转化为电信号，并由数据处理机计算出目标图像；
目标图像的计算步骤如下：
(a)利用所发射信号的频谱对接收到的信号进行匹配滤波，得到目标的距离像；
(b)在同一目标的多个距离像中选取特征点，并将特征点对齐到同一时间轴上，以补偿目标与雷达之间的距离变化；
(c)在每个距离单元内做一维傅里叶变换，得到目标的时间-多普勒图像；
(d)根据所发射信号的脉冲间隔，以及信号传输速度，计算多普勒频移与方位的关系、时间轴与距离的关系，并作坐标变换，最终得到目标的距离-方位像。

Claims (4)

1.一种基于自适应光学的逆合成孔径激光雷达信号接收系统，包括激光雷达信号发射系统(1)、接收望远镜(2)、高速倾斜镜(4)、变形镜(5)、缩束系统(6)、目标高精度跟踪传感器(8)、光信号接收探测器(10)和目标波前探测器(12)，其特征在于：
激光雷达信号发射系统(1)发出经调制的光信号，在目标表面发生漫反射后，部分光能量被接收望远镜(2)接收，经过准直透镜(3)准直后，依次经高速倾斜镜(4)和变形镜(5)反射，被光学缩束系统(6)缩束的光，在第一分光镜(7)表面进行光谱分光，少部分波段光透射进入目标高精度跟踪传感器(8)，大部分波段光经第一分光镜(7)反射后，在第二分光镜(9)表面进行第二次光谱分光，其中发射信号所处波段的光透射进入目标信号接收器(10)，其余部分波段光经反射后进入目标波前探测器(12)；
激光雷达信号发射系统(1)安装在接收望远镜(2)主镜支撑结构侧部，实现机械联动，保证探测不同天顶角和不同方位角的目标时激光雷达信号发射系统(1)的光轴与接收望远镜(2)的光轴始终保持平行；
目标高精度跟踪传感器(8)测量光束波前相对于系统光轴的倾斜量，并通过数据处理机控制高速倾斜镜(4)实时改变倾角，补偿光束的波前倾斜；
目标波前探测器(12)测量光束波前像差，并通过数据处理机改变变形镜(5)表面面型，补偿光束的波前像差；
进入目标信号接收器的光，经透镜耦合进光子计数器，光子计数器将光信号转化为电信号，并由数据处理机计算出目标图像。
2.根据权利要求1所述的基于自适应光学的逆合成孔径激光雷达信号接收系统，其特征在于：进入目标高精度跟踪传感器(8)的光束经过聚焦透镜汇聚后在高帧频CCD(14)靶面形成衍射光斑，数据处理机将该衍射光斑偏离标定位置的方位和距离，计算光束波前相对于光轴的倾斜量，控制高速倾斜镜(4)补偿光束波前倾斜。
3.根据权利要求1所述的基于自适应光学的逆合成孔径激光雷达信号接收系统，其特征在于：进入目标波前探测器(12)的光束经过微透镜阵列在相机(13)上形成像点阵列；数据处理机根据阵列像点相对标定位置的偏移量，计算出光束波前像差；数据处理机通过控制支撑驱动器改变变形镜(5)面型，实时补偿光束波前像差。
4.根据权利要求1所述的基于自适应光学的逆合成孔径激光雷达信号接收系统，其特征在于：进入目标信号接收器(10)的光，经透镜耦合进光子计数器(11)，光子计数器将光信号转化为电信号，并由数据处理机计算出目标图像；目标图像的计算步骤如下：
步骤(a)利用所发射信号的频谱对接收到的信号进行匹配滤波，得到目标的距离像；
步骤(b)在同一目标的多个距离像中选取特征点，并将特征点对齐到同一时间轴上，以补偿目标与雷达之间的距离变化；
步骤(c)在每个距离单元内做一维傅里叶变换，得到目标的时间-多普勒图像；
步骤(d)根据所发射信号的脉冲间隔，以及信号传输速度，计算多普勒频移与方位的关系、时间轴与距离的关系，并作坐标变换，最终得到目标的距离-方位像。
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