CN108710137B - 大视场合成孔径激光成像雷达收发系统 - Google Patents

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Abstract

一种大视场合成孔径激光成像雷达收发系统，包括激光光源、频率调制器、任意波形发生器、第一光纤分束器、第二光纤分束器、第三光纤分束器、光纤放大器组、第一光子灯笼和发射透镜，接收系统构成包括接收透镜、第二光子灯笼、混频器组、平衡探测器组、采集卡和计算机。本发明利用了光子灯笼的模式转换性能和多模光纤端的较大芯尺寸(与单模光纤相比)的特点，可以增大目标面的光学足趾和成像条幅度，扩大成像视场，增大耦合效率和混频效率，提高系统的灵敏度，并且可以有效的降低散斑和大气湍流带来的影响。这对远距离高分辨率宽条幅度的机载合成孔径激光成像雷达具有非常重要的意义。

Description

大视场合成孔径激光成像雷达收发系统
技术领域
本发明涉及合成孔径激光成像雷达，特别是一种大视场合成孔径激光成像雷达收发系统，该发明可以增大目标面的光学足趾和成像条幅度，扩大成像视场，增大耦合效率和混频效率，提高系统的灵敏度，对远距离高分辨率宽条幅度的机载合成孔径激光成像雷达具有非常重要的意义。
背景技术
合成孔径激光成像雷达(Synthetic Aperture Imaging Ladar,简称SAIL)是能够在远距离得到厘米级成像分辨率的唯一的光学成像观察手段，其原理取之于射频领域的合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Radar,简称SAR)原理，相比之下，光波波长相对微波波长小3-6个数量级左右，这带来了SAIL的分辨率比SAR要高3-6个数量级，同时，直接带来的问题是视场要小2-5个数量级。当前国内外实现的机载SAIL的最大成像视场为4.8mrad，远小于SAR和CCD相机的视场(卢智勇,周煜,孙建峰,栾竹,王利娟,许倩,李光远,张国,刘立人.机载直视合成孔径激光成像雷达外场及飞行实验[J].中国激光,2017,44(01):265-271.)。
现有技术(张波,周煜,孙建锋,张国,李光远,许蒙蒙,贺红雨,劳陈哲.多通道宽幅度合成孔径激光成像雷达收发装置优化研究[J].光学学报,2018,38(5):0528002)提出了一种多发多收的合成孔径激光成像雷达收发装置，充分考虑发射光纤中包层和纤芯之间的占空比对远场成像的影响，对发射光纤进行优化。但是该方案中由于要将多根光纤进行排列，精准控制难度大，光纤阵列器制作工艺复杂。
鉴于以上问题，我们开展了大视场合成孔径激光成像雷达收发系统的研究。光子灯笼在2005年首次被造出(S.G.Leon-Saval,T.A.Birks,J.Bland-Hawthorn,andM.Englund,"Multimode fiber devices with single-mode performance,"Opt.Lett.30,2545-2547(2005))，以便在单模光纤和多模光纤之间进行有效的光转换。光子灯笼因其模式转换性能和多模光纤端的较大芯尺寸(与单模光纤相比)，可以用于合成孔径激光成像雷达，以增大光学发射口径，从而增大目标面的光学足趾和成像条幅度，扩大成像视场。这将对远距离高分辨率宽条幅度的机载合成孔径激光成像雷达具有非常重要的意义。
发明内容
本发明目的在于进一步发展合成孔径激光成像雷达，提出了一种大视场合成孔径激光成像雷达收发系统。光子灯笼在2005年首次被造出，以便在单模光纤和多模光纤之间进行有效的光转换。该系统特点在于充分利用了光子灯笼的模式转换性能和多模光纤端的较大芯尺寸(与单模光纤相比)的特点。利用光子灯笼的多模端进行光学发射，可以增大发射口径，从而增大目标面的光学足趾和成像条幅度，扩大成像视场。采用光子灯笼的多模端接收回波信号，可以进一步提高耦合效率。光子灯笼将多模的回波信号转换为单模，然后与单模本振光在混频器组中进行混频，可以极大地提高混频效率，从而提高系统的灵敏度，并且可以有效的降低散斑和大气湍流带来的影响。这将对远距离高分辨率的机载合成孔径激光成像雷达具有非常重要的意义。
本发明的技术解决方案如下：
一种大视场合成孔径激光成像雷达收发系统，包括发射系统和接收系统，所述的发射系统构成包括激光光源、频率调制器、任意波形发生器、第一光纤分束器、第二光纤分束器、第三光纤分束器、光纤放大器组、第一光子灯笼和发射透镜；所述的激光光源的输出端与所述的频率调制器的第一输入端相连，所述的任意波形发生器的输出端与所述的频率调制器的第二输入端相连，所述的频率调制器的输出端与所述的第一光纤分束器的输入端相连，所述的第一光纤分束器的第一输出端与所述的第二光纤分束器的输入端相连，所述的第一光纤分束器的第二输出端与所述的第三光纤分束器的输入端相连，所述的第二光纤分束器的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的光纤放大器组中的第一光纤放大器的输入端、第二光纤放大器的输入端、第三光纤放大器的输入端、……、第n光纤放大器的输入端相连，所述的光纤放大器组中的第一光纤放大器的输出端、第二光纤放大器的输出端、第三光纤放大器的输出端、……、第n光纤放大器的输出端分别与所述的第一光子灯笼的第一输入端、第二输入端、第三输入端、……、第n输入端相连，所述的第一光子灯笼的输出光经所述的发射透镜后输出到目标面上，此即为发射信号；
所述的接收系统构成包括接收透镜、第二光子灯笼、混频器组、平衡探测器组、采集卡和计算机；所述的发射信号经过目标面反射后的回波信号经过所述的接收透镜后照射到所述的第二光子灯笼上，所述的第二光子灯笼将回波信号转化为n束单模光，所述的第二光子灯笼的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的混频器组中的第一混频器的第一输入端、第二混频器的第一输入端、第三混频器的第一输入端、……、第n混频器的第一输入端相连，所述的第三分束器的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的混频器组中的第一混频器的第二输入端、第二混频器的第二输入端、第三混频器的第二输入端、……、第n混频器的第二输入端相连，所述的混频器组中的第一混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组中的第一平衡探测器的第一输入端和第二输入端相连，所述的混频器组中的第二混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组中的第二平衡探测器的第一输入端和第二输入端相连，所述的混频器组中的第三混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组中的第三平衡探测器的第一输入端和第二输入端相连，……，所述的混频器组中的第n混频器的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组中的第n平衡探测器的第一输入端和第二输入端相连，所述的平衡探测器组中的第一平衡探测器的输出端、第二平衡探测器的输出端、第三平衡探测器的输出端、……、第n平衡探测器的输出端分别与所述的采集卡的第一输入端、第二输入端、第三输入端、……、第n输入端相连，所述的采集卡的输出端与所述的计算机的输入端相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明中增大了目标面的光学足趾和成像条幅度，扩大了成像视场。
2.本发明中采用光子灯笼的多模端接收回波信号，与单模光纤接收相比，可以提高耦合效率。
3.本发明中将单模回波信号与单模本振光在混频器组中进行混频，可以极大地提高混频效率。
4.由于该系统充分利用了信号光功率，从而可以提高系统的灵敏度。
5.该系统由于采用了多路接收方式，可以有效的降低散斑和大气湍流带来的影响。
附图说明
图1为本发明大视场合成孔径激光成像雷达收发系统的结构示意图。
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。
图1为本发明原理示意图。由图可见，本发明大视场合成孔径激光成像雷达收发系统，包括发射系统和接收系统，所述的发射系统构成包括激光光源1、频率调制器2、任意波形发生器3、第一光纤分束器4、第二光纤分束器5、第三光纤分束器6、光纤放大器组7、第一光子灯笼8和发射透镜9；
所述的激光光源1的输出端与所述的频率调制器2的第一输入端相连，所述的任意波形发生器3的输出端与所述的频率调制器2的第二输入端相连，所述的频率调制器2的输出端与所述的第一光纤分束器4的输入端相连，所述的第一光纤分束器4的第一输出端与所述的第二光纤分束器5的输入端相连，所述的第一光纤分束器4的第二输出端与所述的第三光纤分束器6的输入端相连，所述的第二光纤分束器5的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的光纤放大器组7中的第一光纤放大器71的输入端、第二光纤放大器72的输入端、第三光纤放大器73的输入端、……、第n光纤放大器7n的输入端相连，所述的光纤放大器组7中的第一光纤放大器71的输出端、第二光纤放大器72的输出端、第三光纤放大器73的输出端、……、第n光纤放大器7n的输出端分别与所述的第一光子灯笼8的第一输入端、第二输入端、第三输入端、……、第n输入端相连，所述的第一光子灯笼8的输出光经所述的发射透镜9后输出到目标面上，此即为发射信号；
所述的接收系统构成包括接收透镜10、第二光子灯笼11、混频器组12、平衡探测器组13、采集卡14和计算机15；
所述的发射信号经过目标面反射后的回波信号经过所述的接收透镜10后照射到所述的第二光子灯笼11上，所述的第二光子灯笼11将回波信号转化为n束单模光，所述的第二光子灯笼11的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的混频器组12中的第一混频器121的第一输入端、第二混频器122的第一输入端、第三混频器123的第一输入端、……、第n混频器12n的第一输入端相连，所述的第三分束器6的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的混频器组12中的第一混频器121的第二输入端、第二混频器122的第二输入端、第三混频器123的第二输入端、……、第n混频器12n的第二输入端相连，所述的混频器组12中的第一混频器121的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组13中的第一平衡探测器131的第一输入端和第二输入端相连，所述的混频器组12中的第二混频器122的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组13中的第二平衡探测器132的第一输入端和第二输入端相连，所述的混频器组12中的第三混频器123的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组13中的第三平衡探测器133的第一输入端和第二输入端相连，……，所述的混频器组12中的第n混频器12n的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组13中的第n平衡探测器13n的第一输入端和第二输入端相连，所述的平衡探测器组13中的第一平衡探测器131的输出端、第二平衡探测器132的输出端、第三平衡探测器133的输出端、……、第n平衡探测器13n的输出端分别与所述的采集卡14的第一输入端、第二输入端、第三输入端、……、第n输入端相连，所述的采集卡14的输出端与所述的计算机15的输入端相连。

Claims (1)

1.一种大视场合成孔径激光成像雷达收发系统，包括发射系统和接收系统，其特征在于：
所述的发射系统包括激光光源(1)、频率调制器(2)、任意波形发生器(3)、第一光纤分束器(4)、第二光纤分束器(5)、第三光纤分束器(6)、光纤放大器组(7)、第一光子灯笼(8)和发射透镜(9)；
所述的激光光源(1)的输出端与所述的频率调制器(2)的第一输入端相连，所述的任意波形发生器(3)的输出端与所述的频率调制器(2)的第二输入端相连，所述的频率调制器(2)的输出端与所述的第一光纤分束器(4)的输入端相连，所述的第一光纤分束器(4)的第一输出端与所述的第二光纤分束器(5)的输入端相连，所述的第一光纤分束器(4)的第二输出端与所述的第三光纤分束器(6)的输入端相连，所述的第二光纤分束器(5)的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的光纤放大器组(7)中的第一光纤放大器(71)的输入端、第二光纤放大器(72)的输入端、第三光纤放大器(73)的输入端、……、第n光纤放大器(7n)的输入端相连，所述的光纤放大器组(7)中的第一光纤放大器(71)的输出端、第二光纤放大器(72)的输出端、第三光纤放大器(73)的输出端、……、第n光纤放大器(7n)的输出端分别与所述的第一光子灯笼(8)的第一输入端、第二输入端、第三输入端、……、第n输入端相连，所述的第一光子灯笼(8)的输出光经所述的发射透镜(9)透射后照射到目标面上，此即为发射信号；
所述的接收系统包括接收透镜(10)、第二光子灯笼(11)、混频器组(12)、平衡探测器组(13)、采集卡(14)和计算机(15)；
所述的发射信号经过目标面反射后的回波信号经过所述的接收透镜(10)后照射到所述的第二光子灯笼(11)上，所述的第二光子灯笼(11)将回波信号转化为n束单模光，所述的第二光子灯笼(11)的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的混频器组(12)中的第一混频器(121)的第一输入端、第二混频器(122)的第一输入端、第三混频器(123)的第一输入端、……、第n混频器(12n)的第一输入端相连，所述的第三光纤分束器(6)的第一输出端、第二输出端、第三输出端、……、第n输出端分别与所述的混频器组(12)中的第一混频器(121)的第二输入端、第二混频器(122)的第二输入端、第三混频器(123)的第二输入端、……、第n混频器(12n)的第二输入端相连，所述的混频器组(12)中的第一混频器(121)的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组(13)中的第一平衡探测器(131)的第一输入端和第二输入端相连，所述的混频器组(12)中的第二混频器(122)的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组(13)中的第二平衡探测器(132)的第一输入端和第二输入端相连，所述的混频器组(12)中的第三混频器(123)的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组(13)中的第三平衡探测器(133)的第一输入端和第二输入端相连，……，所述的混频器组(12)中的第n混频器(12n)的第一输出端和第二输出端分别与所述的平衡探测器组(13)中的第n平衡探测器(13n)的第一输入端和第二输入端相连，所述的平衡探测器组(13)中的第一平衡探测器(131)的输出端、第二平衡探测器(132)的输出端、第三平衡探测器(133)的输出端、……、第n平衡探测器(13n)的输出端分别与所述的采集卡(14)的第一输入端、第二输入端、第三输入端、……、第n输入端相连，所述的采集卡(14)的输出端与所述的计算机(15)的输入端相连。
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