CN109581411A - 基于光束相干合成的合成孔径激光成像雷达收发系统 - Google Patents

基于光束相干合成的合成孔径激光成像雷达收发系统 Download PDF

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孙建锋
贺红雨
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Abstract

一种基于光束相干合成的合成孔径激光成像雷达收发系统，其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、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、光束相干合成器、混频器、平衡探测器和信号解调器。本发明不仅可以增大目标面的光学足趾和成像条幅度，扩大成像视场。而且可以进一步提高系统的信噪比，降低误码率。另外，该系统由于减少探测器和混频器的使用，可以极大地降低成本。这将对远距离高灵敏度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

基于光束相干合成的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，特别是一种基于光束相干合成的合成孔径激光成像雷达收发系统。
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灵敏度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，这带来了SAIL的灵敏度比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(参见：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(参见：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。
现有技术(参见：孙建锋,张波,周煜,许蒙蒙,劳陈哲,贺红雨.大视场合成孔径激光成像雷达收发系统.中国发明专利,申请号：201810653822.8)提出了大视场合成孔径激光成像雷达收发系统。该系统充分利用了光子灯笼(参见：S.G.Leon-Saval,T.A.Birks,J.Bland-Hawthorn,and M.Englund,"Multimode fiber devices with single-modeperformance,"Opt.Lett.30,2545-2547(2005))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，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，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。但是，在接收系统中，利用多个混频器和多个探测器将光子灯笼单模端的每一路光信号分别转换为电信号，再对所有路电信号进行处理，解调出通信信号。由于使用了多个探测器，势必会使每个探测器上的入射光功率减小，同时，每个探测器都会引入探测器噪声，降低了系统的信噪比，提高了误码率。
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，提出一种基于光束相干合成的合成孔径激光成像雷达收发系统。在发射系统中，利用光子灯笼的多模端进行光学发射，增大发射口径。在接收系统中，我们采用光束相干合成的方法将光子灯笼接收并转换后的单模光信号进行相干合成，最后对此合成光束进行相干探测及解调。本发明不仅可以增大目标面的光学足趾和成像条幅度，扩大成像视场。而且可以进一步提高系统的信噪比，降低误码率。另外，该系统由于减少探测器和混频器的使用，可以极大地降低成本。这将对远距离高灵敏度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。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于光束相干合成的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、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、光束相干合成器、混频器、平衡探测器和信号解调器；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光束相干合成器中的第一输入端、第二输入端、第三输入端、……、第n输入端相连，所述的光束相干合成器中的输出端与所述的混频器的第一输入端相连，所述的第一光纤分束器的第二输出端与所述的混频器的第二输入端相连，所述的混频器的输出端与所述的平衡探测器输入端相连，所述的平衡探测器的输出端与所述的信号解调器的输入端相连。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明在发射系统中，利用光子灯笼的多模端进行光学发射，增大了发射口径。不仅可以增大目标面的光学足趾和成像条幅度，扩大成像视场。而且可以进一步提高系统的信噪比，降低误码率。
2、本发明在接收系统中，我们采用光束相干合成的方法将光子灯笼接收并转换后的单模光信号进行相干合成，最后对此合成光束进行相干探测及解调。
3、本发明在接收系统中减少探测器和混频器的使用，可以极大地降低成本。
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。这对远距离高灵敏度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。
附图说明
图1为本发明基于光束相干合成的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为本发明基于光束相干合成的合成孔径激光成像雷达收发系统的结构示意图。由图可见，本发明基于光束相干合成的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，其特点在于：
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、光纤放大器组6、第一光子灯笼7和发射透镜8；
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6中的第一光纤放大器61的输入端、第二光纤放大器62的输入端、第三光纤放大器63的输入端、……、第n光纤放大器6n的输入端相连，所述的光纤放大器组6中的第一光纤放大器61的输出端、第二光纤放大器62的输出端、第三光纤放大器63的输出端、……、第n光纤放大器6n的输出端分别与所述的第一光子灯笼7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7的输出光经所述的发射透镜8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9、第二光子灯笼10、光束相干合成器11、混频器12、平衡探测器13和信号解调器14；
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9后照射到所述的第二光子灯笼10上，所述的第二光子灯笼10将回波信号转化为n束单模光，所述的第二光子灯笼10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束相干合成器11中的第一输入端、第二输入端、第三输入端、……、第n输入端相连，所述的光束相干合成器11中的输出端与所述的混频器12的第一输入端相连，所述的第一光纤分束器4的第二输出端与所述的混频器12的第二输入端相连，所述的混频器12的输出端与所述的平衡探测器13输入端相连，所述的平衡探测器13的输出端与所述的信号解调器14的输入端相连。
在发射系统中，利用光子灯笼的多模端进行光学发射，增大发射口径。在接收系统中，我们采用光束相干合成的方法将光子灯笼接收并转换后的单模光信号进行相干合成，最后对此合成光束进行相干探测及解调。本发明不仅可以增大目标面的光学足趾和成像条幅度，扩大成像视场。而且可以进一步提高系统的信噪比，降低误码率。另外，该系统由于减少探测器和混频器的使用，可以极大地降低成本。这将对远距离高灵敏度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。

Claims (1)

1.一种基于光束相干合成的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)、光纤放大器组(6)、第一光子灯笼(7)和发射透镜(8)；
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(6)中的第一光纤放大器(61)的输入端、第二光纤放大器(62)的输入端、第三光纤放大器(63)的输入端、……、第n光纤放大器(6n)的输入端相连，所述的光纤放大器组(6)中的第一光纤放大器(61)的输出端、第二光纤放大器(62)的输出端、第三光纤放大器(63)的输出端、……、第n光纤放大器(6n)的输出端分别与所述的第一光子灯笼(7)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(7)的输出光经所述的发射透镜(8)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(9)、第二光子灯笼(10)、光束相干合成器(11)、混频器(12)、平衡探测器(13)和信号解调器(14)；
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(9)后照射到所述的第二光子灯笼(10)上，所述的第二光子灯笼(10)将回波信号转化为n束单模光，所述的第二光子灯笼(10)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束相干合成器(11)中的第一输入端、第二输入端、第三输入端、……、第n输入端相连，所述的光束相干合成器(11)中的输出端与所述的混频器(12)的第一输入端相连，所述的第一光纤分束器(4)的第二输出端与所述的混频器(12)的第二输入端相连，所述的混频器(12)的输出端与所述的平衡探测器(13)输入端相连，所述的平衡探测器(13)的输出端与所述的信号解调器(14)的输入端相连。
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