CN109100743A - 主被动复合激光全息雷达 - Google Patents

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孙建锋
周煜
栾竹
王利娟
刘立人
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Abstract

一种主被动复合激光全息雷达，其构成包括激光器、相位调制器、分束器、射频信号发生器、激光放大器、发射望远镜、本振延迟器、接收望远镜、2×2 180°空间光学桥接器、A路CCD探测器、B路CCD探测器、控制计算机和图像处理，最后可获得高灵敏度、高对比度的目标图像。本发明通过主被动复合应用，可实现被动、非相干、相干的目标成像，具有全天候工作的能力，并且结构简单，具有抑制背景光干扰，有效提高成像灵敏度，特别适用于远距离的暗弱目标探测。

Description

主被动复合激光全息雷达
技术领域
本发明涉及激光雷达，特别是一种主被动复合激光全息雷达，采用收发分离结构，其中包含三种工作模式：被动成像、主动非相干成像和主动相干成像。当发射激光器关闭时，对照射目标的自然光进行被动成像，仅通过接收系统进行CCD强度探测成像；当发射激光器打开时，可进行远距离目标的主动成像，激光器经过相位调制器、激光放大器和视场波面变换，经由发射望远镜发射到远距离目标处，目标回波经过接收望远镜、变焦系统，进而与发射的本振光支路进行外差相干探测，通过CCD获取平衡相干图像，最终经过电子学处理获取清晰的高对比度、高信噪比的成像图像，该方式可以全天时工作，并且当关闭本振光支路时，还可进行非相干的主动强度成像。本发明机械结构简单，同时由于采用空间光桥接器实现CCD平衡探测，电子设备简单，总之本发明主被动复合激光全息雷达是一种能够提高成像灵敏度，实现在恶劣天气下的“穿云透雾”成像。
背景技术
实现成像激光雷达的原理有很多种，一种是基于距离选通的激光成像雷达，利用脉冲激光器和选通摄像机，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使由被观察目标反射回来的光脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内到达并成像，而将其他时间到达的散射光拒之门外[1]。其最大的优点是通过距离的选取，滤除背景环境等噪声，具有成像清晰对比度高等有点，其主要问题是需要较高的激光峰值功率、极窄的波门宽度控制，因此作用距离受限，同时要求高速的选通摄像机。
另一种是采用单点探测器探测的扫描激光成像雷达，一般采用单点APD探测器，通过激光器发生调制信号进行回波探测获得距离信息，由扫描器进行二维方位信息获取，其优点是测距精度高，缺点是抗干扰能力差，成像时间长，需要较高的扫描响应频率[2-3]。
还有一种激光成像雷达是Flash(闪光)成像雷达，采用阵列探测器一次性获得目标的三维信息[4-5]。闪光成像雷达处理器由多个芯片单元组成。芯片单元的主要功能是对每个探测单元单独计时并采集回波脉冲信号。在激光脉冲发射的同时，每个芯片单元与1个精准的斜降电压相连，当回波脉冲幅度超过触发门限时与斜降电压断开，保存得到的电压值以及回波脉冲的峰值，并由高速读出电路输出后进行信号处理。闪光成像雷达的突出优点是成像帧速高、图像无运动失真和抗背景光干扰，适合用于为近场交会至最终接近阶段提供目标的三维图像。但是主要存在以下2个问题：①脉冲激光峰值功率很高，当空间目标上有强反射点时，极易造成APD饱和甚至损毁，因此应提高探测器的抗饱和能力；②较高的计时精度、较宽的信号传输、处理带宽和极高的信号采样率对读出电路要求很高，使得系统成本很高。
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发明内容
本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术的困难，提出了一种主被动复合激光全息雷达，本发明结合被动成像、主动成像、相干和非相干成像，通过简单的模式切换和开关控制即可实现全天候的多模式复合成像。其中的主动相干全息成像，通过本振光与目标回波信号的相干外差，利用了本振与目标信号的乘积增强，有效的提高成像灵敏度，非常有利于对远距离暗弱目标的成像识别；同时利用低带宽的射频信号对发射光进行相位调制(即啁啾调制)，并在目标回波与本振相干时实现了外差相干测距，控制发射激光与本振光时延，用于CCD相干信号的触发采集，可用于不同距离的选通，实现在恶劣天气下的成像，即可进行“穿云透雾”成像识别。
本发明的技术解决方案如下：
一种主被动复合激光全息雷达，其特点在于，包括激光器、相位调制器、分束器、射频信号发生器、激光放大器、发射望远镜、本振延迟器、接收望远镜、2×2 180°空间光学桥接器、A路CCD探测器、B路CCD探测器、控制计算机和图像处理；所述的相位调制器由射频信号发生器进行相位调制，所述的控制计算机分别与所述的激光器、射频信号发生器、本振延迟器、A路CCD探测器和B路CCD探测器相连；
所述激光器输出的光束经过相位调制器和分束器分为发射主光束和本振光束，所述的发射主光束经过激光放大器和发射望远镜向目标投射照明光斑，该目标返回的回波信号由接收望远镜接收；所述的本振光束经过本振延迟器后，再与经过所述的回波光束一同进入2×2 180°空间光学桥接器，输出相互180°相移的两束光束，该两束光束分别由A路CCD探测器和B路CCD探测器进行探测获得两路独立的空间数字信号，该空间数字信号经过控制计算机和图像处理，最终得到目标输出图像。
所述的主被动复合激光全息雷达可实现三种不同的工作模式是：被动成像、主动非相干成像、主动相干全息成像。
所述的被动成像工作模式，是指工作在白天情况，激光器处于关闭状态，对照射目标的自然光进行被动成像，通过A路CCD探测器和B路CCD探测器进行CCD强度探测成像；所述的主动非相干成像是在本振光关闭情况下，经A路CCD探测器和B路CCD探测器获得的图像即为非相干的强度图像；所述的主动相干全息成像为上述所有硬件全部开启，其激光器经过相位调制器、激光放大器，经由发射望远镜发射到远距离目标处，目标回波经过接收望远镜，并与发射的本振光支路进行外差相干探测，通过A路CCD探测器和B路CCD探测器获得了两路相干图像，最终经过图像处理获取清晰的高对比度、高信噪比的成像图像，可实现全天时工作。
所述的工作模式为被动成像和主动非相干成像时，图像处理是通过计算机同时采集的A路CCD探测器和B路CCD探测器获得的两幅图像进行相加求和；所述的工作模式为主动相干全息成像时，图像处理是通过计算机同时采集的A路CCD探测器和B路CCD探测器获得的两幅图像进行相减。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1、同时具有传统的被动光学成像、主动光学成像以及光学相干全息成像，可实现全天时成像；
2、与激光被动成像、主动强度探测成像相比，本项目提出相干全息成像，采用外差相干探测，可有效提高成像灵敏度，更有利于远距离的暗弱目标探测；
3、对发射的激光进行频率调制，在相干探测后可获得目标的距离信息，通过距离选通可实现穿云透雾，与传统的主被动成像相比，具有更强的抗干扰能力；
4、可实现全天时、复杂天气、远距离的高分辨成像，与单一的激光成像方式相比，可实现多种成像方式的切换，可同时满足不同天气与目标距离的成像；
5、采用相干的调频连续光激光探测，进一步增大调制带宽，可获得高精度的距离分辨，可实现三维的远距离高分辨成像，与扫描激光雷达的三维成像相比，具有无扫描、快速成像、高灵敏度的成像优势。
附图说明
图1是本发明主被动复合激光全息雷达结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明主被动复合激光全息雷达的结构示意图，如图1所示，本发明主被动复合激光全息雷达由激光器1、相位调制器2、分束器3、射频信号发生器4、激光放大器5、发射望远镜6、本振延迟器7、接收望远镜8、2×2 180°空间光学桥接器9、A路CCD探测器10、B路CCD探测器11、控制计算机12和图像处理13。所述的相位调制器2由射频信号发生器4进行相位调制，所述的控制计算机12分别与所述的激光器1、射频信号发生器4、本振延迟器7、A路CCD探测器10和B路CCD探测器11相连。上述部件的位置关系如下：
所述激光器1输出的光束经过相位调制器2和分束器3分为发射主光束和本振光束，发射主光束经过激光放大器5和发射望远镜6向目标投射照明光斑；所述的相位调制器2由射频信号发生器4进行相位调制；目标返回的回波信号由接收望远镜8进行接收，并经过与本振光束进行相干接收探测，所述的本振光束经过本振延迟器7后，再与回波光束一同进入2×2 180°空间光学桥接器9，输出互为180°相移的两束光束；该两束光束由A路CCD探测器10和B路CCD探测器11进行探测获得两路独立的空间数字信号，该空间数字信号经过控制计算机12和图像处理13，最终得到目标输出图像。
所述的主被动复合激光全息雷达可实现三种不同的工作模式是：被动成像、主动非相干成像、主动相干全息成像。
所述的被动成像工作模式，是指工作在白天情况，激光器1处于关闭状态，对照射目标的自然光进行被动成像，通过A路CCD探测器10和B路CCD探测器11进行CCD强度探测成像；所述的主动非相干成像是在本振光关闭情况下，经A路CCD探测器10和B路CCD探测器11获得的图像即为非相干的强度图像；所述的主动相干全息成像为上述所有硬件全部开启，其激光器经过相位调制器、激光放大器，经由发射望远镜6发射到远距离目标处，目标回波经过接收望远镜8，并与发射的本振光支路进行外差相干探测，通过A路CCD探测器10和B路CCD探测器11获得了两路相干图像，最终经过图像处理13获取清晰的高对比度、高信噪比的成像图像，可实现全天时工作。
所述的工作模式为被动成像和主动非相干成像时，图像处理13是通过计算机12同时采集的A路CCD探测器10和B路CCD探测器11获得的两幅图像进行相加求和；所述的工作模式为主动相干全息成像时，图像处理13是通过计算机12同时采集的A路CCD探测器10和B路CCD探测器11获得的两幅图像进行相减。
对于被动成像和主动非相干成像，目标强度像直接成像在A路CCD探测器10和B路CCD探测器11的探测面上，由图像处理13直接相加获取目标强度图像；而主动相干全息成像通过相位调制和空间光桥接器，不仅获得目标的距离信息，同时获得两路180度相位差图像，经过平衡探测，由图像处理13对A路CCD探测器10和B路CCD探测器11的两幅图像进行图像相减处理可有效提高成像对比度/成像灵敏度，提升抗干扰能力，下面对本发明的主动相干全息成像作进一步说明。
本发明实施例以线性调频进行相位调制为例，当激光器1经过相位调制后，分成两支路，一支路经过激光放大器5和发射望远镜6发射到远场目标处，目标回波经过接收望远镜8，然后与另一支路的本振光进入2×2 180°桥接器9进行相干探测，采用A路CCD探测器10和B路CCD探测器11进行相干探测，获得的了两幅不同相位的图像，具体分析如下：
假设激光发射至目标距离Z位置的光场为
其中，线性调频f(t)为
以点目标为例，目标点(xp,yp)的反射光场为
接收由接收望远镜8接收并成像在A路CCD探测器10和B路CCD探测器11探测平面上，其接收为目标的缩小像，其回波的信号光场为
其中M＝Z/f，Z为目标距离，f为接收望远镜8的等效焦距。
上述回波的信号光场与本振光进行相干干涉，且本振光的信号为
最终，目标回波与本振光的相干拍频后的信号成像在A路CCD探测器10的探测面上，其表达式为
同理，另一支路180°支路(即B路CCD探测器11)的探测信号为
由控制计算机12对A路CCD探测器10和B路CCD探测器11获得的两幅图像经过图像处理13进行图像相减，最终获得的图像信号为
可见，经过平衡图像相减平衡处理，可以有效滤除了直流信号，获得了外差本振增强的目标回波信号，同时在时间上持续获取多幅目标图像，对各像素点进行傅里叶变换获取距离信息，进而进行距离选通成像，实现穿云透雾。
图1是本发明最佳实施例的结构原理示意图，其具体结构和参数如下：
假设使用的激光波长0.532nm，调制器的调制速率为50MHz，工作距离20km，所需的发射口径为1.6cm，接收口径为16cm，此时，成像分辨率为0.2m，距离选通的分辨率为3m。根据目前CCD相机的像素尺寸，一般为5um，因此要求接收系统的等效焦距应大于1.25m。

Claims (4)

1.一种主被动复合激光全息雷达，其特征在于，包括激光器(1)、相位调制器(2)、分束器(3)、射频信号发生器(4)、激光放大器(5)、发射望远镜(6)、本振延迟器(7)、接收望远镜(8)、2×2 180°空间光学桥接器(9)、A路CCD探测器(10)、B路CCD探测器(11)、控制计算机(12)和图像处理(13)；所述的相位调制器(2)由射频信号发生器(4)进行相位调制，所述的控制计算机(12)分别与所述的激光器(1)、射频信号发生器(4)、本振延迟器(7)、A路CCD探测器(10)和B路CCD探测器(11)相连；
所述激光器(1)输出的光束经过相位调制器(2)和分束器(3)分为发射主光束和本振光束，所述的发射主光束经过激光放大器(5)和发射望远镜(6)向目标投射照明光斑，该目标返回的回波信号由接收望远镜(8)接收；所述的本振光束经过本振延迟器(7)后，再与所述的回波光束一同进入2×2 180°空间光学桥接器(9)，输出相互180°相移的两束光束，该两束光束分别由A路CCD探测器(10)和B路CCD探测器(11)进行探测获得两路独立的空间数字信号，该空间数字信号经过控制计算机(12)和图像处理(13)，最终得到目标输出图像。
2.根据权利要求1所述的主被动复合激光全息雷达，其特征在于，实现三种工作模式分别是被动成像、主动非相干成像和主动相干全息成像。
3.根据权利要求2所述的主被动复合激光全息雷达，其特征在于，所述的被动成像工作模式，是指工作在白天情况，激光器(1)处于关闭状态，对照射目标的自然光进行被动成像，通过A路CCD探测器(10)和B路CCD探测器(11)进行CCD强度探测成像；所述的主动非相干成像是在本振光关闭情况下，经A路CCD探测器(10)和B路CCD探测器(11)获得的图像即为非相干的强度图像；所述的主动相干全息成像为上述所有硬件全部开启，其激光器经过相位调制器、激光放大器，经由发射望远镜(6)发射到远距离目标处，目标回波经过接收望远镜(8)，并与发射的本振光支路进行外差相干探测，通过A路CCD探测器(10)和B路CCD探测器(11)获得了两路相干图像，最终经过图像处理(13)获取清晰的高对比度、高信噪比的成像图像，可实现全天时工作。
4.根据权利要求2所述的主被动复合激光全息雷达，其特征在于，所述的工作模式为被动成像和主动非相干成像时，图像处理(13)是通过计算机(12)同时采集的A路CCD探测器(10)和B路CCD探测器(11)获得的两幅图像进行相加求和；所述的工作模式为主动相干全息成像时，图像处理(13)是通过计算机(12)同时采集的A路CCD探测器(10)和B路CCD探测器(11)获得的两幅图像进行相减。
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