專利名稱：合成孔徑激光成像雷達(dá)光學(xué)橋接外差接收和復(fù)值處理系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑激光成像雷達(dá)，特別是一種合成孔徑激光成像雷達(dá)光學(xué)橋接 外差接收和復(fù)值處理系統(tǒng)，用于在合成孔徑激光成像雷達(dá)的光學(xué)接收天線之后的目標(biāo)回波 信號的光學(xué)外差接收和光學(xué)處理。核心原理是采用2X490°光學(xué)橋接器實現(xiàn)兩路外差平衡接收，得到具有90°相 移的兩路回波和本振外差產(chǎn)生的實數(shù)信號，即復(fù)數(shù)信號的實部和虛部，然后通過數(shù)字化處 理合并為復(fù)數(shù)信號，再經(jīng)過數(shù)字圖像處理包括距離向采用傅立葉變換實現(xiàn)距離向聚焦和方 位向采用共軛相位二次項匹配濾波實現(xiàn)方位向聚焦而最終得到目標(biāo)像輸出。由于采用了光 學(xué)方法直接和同時取得了信號復(fù)數(shù)函數(shù)的實部函數(shù)和虛部函數(shù)，因此接收靈敏度高，復(fù)數(shù) 化準(zhǔn)確性高，光學(xué)天線方向性等因素的影響小，目標(biāo)點之間的相互干擾小，是合成孔徑激光 成像雷達(dá)的重要的關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)。
背景技術(shù)：
合成孔徑激光成像雷達(dá)的原理取之于射頻領(lǐng)域的合成孔徑雷達(dá)原理，是能夠 在遠(yuǎn)距離取得厘米量級分辨率的唯一的光學(xué)成像觀察手段。合成孔徑激光成像雷達(dá)在 實驗室先后得到 了驗證參見文獻(xiàn) 1 :M. Bashkansky, R. L. Lucke, F. Funk, L. J. Rickard, and J.Reintjes,"Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain, "Optics Letters, Vol. 27, ppl983-1985 (2002). ；^；^ 2 :ff. Buel 1, N. Marechal, J. Buck,R. Dickinson,D. Kozlowski,T. Wright, and S. Beck, "Demonstrationof synthetic apertureimaging ladar,，，Proc. of SPIE, Vol. 5791，pp. 152-166(2005)；文獻(xiàn) 3 周煜，許 楠，欒竹，閆愛民，王利娟，孫建鋒，劉立人，尺度縮小合成孔徑激光雷達(dá)的二維成像實驗，光 學(xué)學(xué)報，Vol. 29(7) :2030 2032 (2009)。，2006年在美國國防先進(jìn)研究計劃局支持下雷 聲公司和諾格公司分別實現(xiàn)了機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)試驗(無任何細(xì)節(jié)報道)參見文獻(xiàn) 4 :J. Ricklin, Μ. Dierking, S.Fuhrer, B. Schumm, and D. Tomlison,"Synthetic aperture ladar for tactical imaging，，，DARPA Strategic Technology Office.。合成孑L徑激光 成像雷達(dá)的發(fā)射激光采用光頻線性調(diào)制即啁啾調(diào)制，光電外差接收采用去斜解調(diào)方式即采 用同樣的啁啾發(fā)射激光作為外差本機(jī)振蕩器光束，因此得到了在包含距離向距離信息和在 方位向包含相位歷程信息的回波差頻信號，該差頻信號為電子信號并采用碼-數(shù)變換成為 數(shù)字信號，該差頻信號通過時間變量的傅立葉變換進(jìn)行目標(biāo)的距離聚焦成像，然后在方位 向采用空間的共軛相位二次項匹配濾波進(jìn)行目標(biāo)的方位向聚焦成像。通過去斜解調(diào)得到的回波接收電子信號是時間的實數(shù)函數(shù)，目標(biāo)二次項相位信息 被包含在三角函數(shù)中，而方位向相位二次項匹配濾波所需的目標(biāo)信號必須是復(fù)數(shù)函數(shù)，因 此回波實數(shù)電子信號必須首先轉(zhuǎn)化為復(fù)數(shù)信號。但是在上述所有的相關(guān)報道中參見文獻(xiàn) 1、2、3、4，回波實數(shù)電子信號轉(zhuǎn)化為復(fù)數(shù)信號的過程都是在光電接收和數(shù)字化之后采用傅 立葉變換并且只取正頻率分量或者負(fù)頻率分量來實現(xiàn)的，因此浪費(fèi)了一半的接收信號，降 低了接收靈敏度，同時復(fù)數(shù)化準(zhǔn)確性差，光學(xué)天線方向性等因素的影響大，目標(biāo)點之間的相
3互干擾大。在相干激光通信領(lǐng)域，有一種2X4 90°光學(xué)橋接器參見文獻(xiàn)5 :W.R.Leeb， "Optical 90 hybrid for Costas-type receivers,，，Electronic Letters, V. 26 (18), ppl431 1432(1990)和文獻(xiàn) 6 :R. Garreis and C. Zeiss,90 ° optical hybrid for coherent receivers, Proc. SPIE, Vol. 1522，210 219，(1991)；文獻(xiàn) 7 周煜，萬玲玉，職 亞楠，欒竹，孫建鋒，劉立人，相位補(bǔ)償偏振分光2X4 90°自由空間光學(xué)橋接器，光學(xué)學(xué)報， Vol. 29 (12)，3291 3294 (2009)。，對它輸入信號激光和本振激光兩路光束，可以得到它 們同心同軸合束的4路輸出，4路光束依次具有90°的相位差，然后進(jìn)行兩通道平衡光電接 收，最后得到具有90°相移的兩通道電子信號輸出，其一路作為通信信號輸出，而兩路的組 合作為本振激光器頻率失諧調(diào)整的誤差探測信號。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提供一種合成孔徑激光成像雷達(dá)光學(xué)橋接外差接 收和復(fù)值處理系統(tǒng)，由于采用了光學(xué)方法直接和同時取得了信號復(fù)數(shù)函數(shù)的實部函數(shù)和虛 部函數(shù)，因此接收靈敏度高，復(fù)數(shù)化準(zhǔn)確性高，光學(xué)天線方向性等因素的影響小，目標(biāo)點之 間的相互干擾小，是合成孔徑激光成像雷達(dá)的重要的關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)。本發(fā)明的原理是在合成孔徑激光成像雷達(dá)中采用2X490°光學(xué)橋接和兩路平衡接收的光學(xué)外差 接收機(jī)對目標(biāo)回波信號進(jìn)行光學(xué)外差平衡接收和光學(xué)處理，得到兩路具有90°相移的回波 和本振外差產(chǎn)生的實數(shù)信號，即復(fù)數(shù)信號的實部和虛部，然后通過數(shù)字化處理合并為復(fù)數(shù) 信號，再經(jīng)過數(shù)字圖像處理包括距離向采用傅立葉變換實現(xiàn)距離向聚焦和方位向采用共軛 相位二次項匹配濾波實現(xiàn)方位向聚焦而最終得到目標(biāo)像輸出。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種合成孔徑激光成像雷達(dá)光學(xué)橋接外差接收和復(fù)值處理系統(tǒng)，特點在于其構(gòu)成 包括2X4 90°光學(xué)橋接器、左通道平衡接收機(jī)和左通道放大及碼數(shù)轉(zhuǎn)換器、右通道平衡 接收機(jī)和右通道放大及碼數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字復(fù)數(shù)化器和圖像處理器，其位置關(guān)系如下目標(biāo)激光回波通過合成孔徑激光成像雷達(dá)的接收光學(xué)系統(tǒng)成為目標(biāo)回波光束，由 發(fā)射激光器分光一部分光束形成本振激光光束，所述的目標(biāo)回波光束和本振激光光束輸入 所述的2X4 90°光學(xué)橋接器，經(jīng)該2X4 90°光學(xué)橋接器產(chǎn)生同心同軸合束的四路光束 輸出，該四路光束之間依次具有90°的相位差，其中兩路相移180°的光束由所述的左通 道平衡接收機(jī)進(jìn)行光電探測變成實數(shù)時間信號，并進(jìn)一步通過所述的左通道放大及碼數(shù)轉(zhuǎn) 換器轉(zhuǎn)化為左通道數(shù)字信號；另外兩路相移180°的光束由所述的右通道平衡接收機(jī)進(jìn)行 光電探測變成實數(shù)時間信號，并進(jìn)一步通過所述的右通道放大及碼數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為右通道 數(shù)字信號；所述的左通道數(shù)字信號和右通道數(shù)字信號通過所述的數(shù)字復(fù)數(shù)化器合并轉(zhuǎn)化為 復(fù)數(shù)時間信號，該復(fù)數(shù)時間信號通過所述的圖像處理器將復(fù)數(shù)時間信號處理成為目標(biāo)輸出 圖像，所述的圖像處理器的處理包括距離向的傅立葉變換聚焦和方位向的共軛空間相位二 次項匹配濾波。所述的2 X 490 °光學(xué)橋接器包括光束的自由空間傳播結(jié)構(gòu)，或光束在光纖或光波 導(dǎo)中的導(dǎo)波傳輸結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明提出在合成孔徑激光成像雷達(dá)中采用2X490°光學(xué)橋接和兩路平衡接收 的光學(xué)外差接收機(jī)對目標(biāo)回波信號進(jìn)行光學(xué)外差平衡接收和光學(xué)處理，得到兩路具有90° 相移的回波和本振外差產(chǎn)生的實數(shù)信號，即復(fù)數(shù)信號的實部和虛部，然后通過數(shù)字化處理 合并為復(fù)數(shù)信號，再經(jīng)過數(shù)字圖像處理包括距離向采用傅立葉變換實現(xiàn)距離向聚焦和方位 向采用共軛相位二次項匹配濾波實現(xiàn)方位向聚焦而最終得到目標(biāo)像輸出。由于采用了光學(xué) 方法直接和同時取得了信號復(fù)數(shù)函數(shù)的實部函數(shù)和虛部函數(shù)，因此具有接收靈敏度高，復(fù) 數(shù)化準(zhǔn)確性高，光學(xué)天線方向性等因素的影響小，目標(biāo)點之間的相互干擾小的特點，是合成 孔徑激光成像雷達(dá)的重要的關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)。


圖1是本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達(dá)光學(xué)橋接外差接收和復(fù)值處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 框圖。圖2是自由空間光學(xué)2X4 90°光學(xué)橋接器的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保 護(hù)范圍。先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達(dá)光學(xué)橋接外差接收和復(fù)值處 理系統(tǒng)的原理圖。由圖可見，本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達(dá)光學(xué)橋接外差接收和復(fù)值處理 系統(tǒng)，其構(gòu)成包括2X4 90°光學(xué)橋接器3、左通道平衡接收機(jī)4和左通道放大及碼數(shù)轉(zhuǎn)換 器5、右通道平衡接收機(jī)6和右通道放大及碼數(shù)轉(zhuǎn)換器7、數(shù)字復(fù)數(shù)化器8和圖像處理器9， 其位置關(guān)系如下目標(biāo)激光回波通過合成孔徑激光成像雷達(dá)的接收光學(xué)系統(tǒng)成為目標(biāo)回波光束1， 由發(fā)射激光器分光一部分光束形成本振激光光束2，所述的目標(biāo)回波光束1和本振激光光 束2輸入所述的2X4 90°光學(xué)橋接器3，經(jīng)該2X4 90°光學(xué)橋接器3產(chǎn)生同心和同軸合 束的四路光束輸出，該四路光束之間依次具有90°的相位差，其中兩路相移180°的光束 由所述的左通道平衡接收機(jī)4進(jìn)行光電探測變成實數(shù)時間信號，并進(jìn)一步通過所述的左通 道放大及碼數(shù)轉(zhuǎn)換器5轉(zhuǎn)化為左通道數(shù)字信號；另外兩路相移180°的光束由所述的右通 道平衡接收機(jī)6進(jìn)行光電探測變成實數(shù)時間信號，并進(jìn)一步通過所述的右通道放大及碼數(shù) 轉(zhuǎn)換器7轉(zhuǎn)化為右通道數(shù)字信號；所述的左通道數(shù)字信號和右通道數(shù)字信號通過所述的數(shù) 字復(fù)數(shù)化器8合并轉(zhuǎn)化為復(fù)數(shù)時間信號，該復(fù)數(shù)時間信號通過所述的圖像處理器9將復(fù)數(shù) 時間信號處理成為目標(biāo)輸出圖像10，所述的圖像處理器9的處理包括距離向的傅立葉變換 聚焦和方位向的共軛空間相位二次項匹配濾波。所述的2X4 90°光學(xué)橋接器有兩種不同原理的光傳輸結(jié)構(gòu)，一種是光束的自由 空間傳播結(jié)構(gòu)，另外一種是光束在光纖或光波導(dǎo)中的導(dǎo)波傳輸結(jié)構(gòu)。激光回波和本振光束 可能是自由空間傳播光束，也可能是光纖傳播光束。因此，具有不同性質(zhì)的傳輸光束和光學(xué) 橋接器的光學(xué)連接需要采用適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)耦合器。下面采用一個目標(biāo)點來解釋本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達(dá)光學(xué)橋接外差接收和復(fù)值處理系統(tǒng)的成像過程令目標(biāo)面的坐標(biāo)系為(x，y' )，x為方位方向，y'為距離方向，坐標(biāo)原點與合成孔 徑激光成像雷達(dá)的光軸重合，物面在光軸垂直面上的投影面的坐標(biāo)系為(x，y，z)，該投影面 也稱之為系統(tǒng)參考面，其中y = y' cose ,ζ = y' sine，θ為物面與參考面的夾角。令目標(biāo)點在t = 0時的坐標(biāo)位置為(Xi，y/ )或者(Xi，yi = Coseyi' , Zi = Sineyi')，目標(biāo)與激光成像雷達(dá)的相對運(yùn)動的采樣時間間隔為Τ，在距離向上相對運(yùn)動的 距離間隔為ΔΧ，激光成像雷達(dá)和目標(biāo)面的中心距離為Zs，本振光束傳輸距離為Z1,因此目
標(biāo)點的相對時間延時為
權(quán)利要求
1.一種合成孔徑激光成像雷達(dá)光學(xué)橋接外差接收和復(fù)值處理系統(tǒng)，特征在于其構(gòu)成包 括2X490°光學(xué)橋接器(3)、左通道平衡接收機(jī)(4)和左通道放大及碼數(shù)轉(zhuǎn)換器(5)、右通 道平衡接收機(jī)(6)和右通道放大及碼數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)、數(shù)字復(fù)數(shù)化器(8)和圖像處理器(9)， 其位置關(guān)系如下目標(biāo)激光回波通過合成孔徑激光成像雷達(dá)的接收光學(xué)系統(tǒng)成為目標(biāo)回波光束(1)， 由發(fā)射激光器分光一部分光束形成本振激光光束(2)，所述的目標(biāo)回波光束(1)和本振激 光光束(2)輸入所述的2X4 90°光學(xué)橋接器(3)，經(jīng)該2X4 90°光學(xué)橋接器(3)產(chǎn)生 同心和同軸合束的四路光束輸出，該四路光束之間依次具有90°的相位差，其中兩路相移 180°的光束由所述的左通道平衡接收機(jī)(4)進(jìn)行光電探測變成實數(shù)時間信號，并進(jìn)一步 通過所述的左通道放大及碼數(shù)轉(zhuǎn)換器(5)轉(zhuǎn)化為左通道數(shù)字信號；另外兩路相移180°的 光束由所述的右通道平衡接收機(jī)(6)進(jìn)行光電探測變成實數(shù)時間信號，并進(jìn)一步通過所述 的右通道放大及碼數(shù)轉(zhuǎn)換器(7)轉(zhuǎn)化為右通道數(shù)字信號；所述的左通道數(shù)字信號和右通道 數(shù)字信號通過所述的數(shù)字復(fù)數(shù)化器(8)合并轉(zhuǎn)化為復(fù)數(shù)時間信號，該復(fù)數(shù)時間信號通過所 述的圖像處理器(9)將復(fù)數(shù)時間信號處理成為目標(biāo)輸出圖像(10)，所述的圖像處理器(9) 的處理包括距離向的傅立葉變換聚焦和方位向的共軛空間相位二次項匹配濾波。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)光學(xué)橋接外差接收和復(fù)值處理系統(tǒng)， 其特征在于所述的2X4 90°光學(xué)橋接器(3)包括光束的自由空間傳播結(jié)構(gòu)，或光束在光 纖或光波導(dǎo)中的導(dǎo)波傳輸結(jié)構(gòu)。
全文摘要
一種合成孔徑激光成像雷達(dá)光學(xué)橋接外差接收和復(fù)值處理系統(tǒng)，用于在合成孔徑激光成像雷達(dá)的光學(xué)接收天線之后的目標(biāo)回波信號的光學(xué)外差接收和光學(xué)處理，核心原理是采用2×4 90°光學(xué)橋接器實現(xiàn)兩路外差平衡接收，得到具有90°相移的兩路回波和本振外差產(chǎn)生的實數(shù)信號，即復(fù)數(shù)信號的實部和虛部，然后通過數(shù)字化處理合并為復(fù)數(shù)信號，再經(jīng)過數(shù)字圖像處理包括距離向采用傅立葉變換實現(xiàn)距離向聚焦和方位向采用共軛相位二次項匹配濾波實現(xiàn)方位向聚焦而最終得到目標(biāo)像輸出。本發(fā)明具有接收靈敏度高，復(fù)數(shù)化準(zhǔn)確性高，光學(xué)天線方向性等因素的影響小，目標(biāo)點之間的相互干擾小的特點，是合成孔徑激光成像雷達(dá)的重要的關(guān)鍵技術(shù)改進(jìn)。
文檔編號G01S7/48GK102004243SQ20101029864
公開日2011年4月6日 申請日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者劉立人 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所