合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置與成像方法
【專利摘要】一種合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置與成像方法，利用光學成像手段對雷達回波信號進行聚焦成像，其構(gòu)成包括計算機、空間光調(diào)制器、與圖像接收器，核心原理為將合成孔徑激光成像雷達接收系統(tǒng)接收的目標回波信號存儲在計算機中，然后利用計算機在回波信號距離向上附加二次項相位因子，然后加載到空間光調(diào)制器上，激光器發(fā)出的光波經(jīng)過空間光調(diào)制器調(diào)制后經(jīng)過一段菲涅爾衍射自動并且同時實現(xiàn)距離向、方位向聚焦，成像結(jié)果由圖像接收器接收，并由計算機進行存儲顯示。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，節(jié)省成本，是合成孔徑激光成像雷達的重要技術改進。
【專利說明】合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置與成像方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及合成孔徑激光成像雷達，特別是一種合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置與成像方法，能夠利用光學菲涅爾衍射同時并自動實現(xiàn)合成孔徑激光成像雷達回波數(shù)據(jù)距離向、方位向聚焦成像。
【背景技術】
[0002]合成孔徑激光成像雷達(SAIL)的原理取之于射頻領域的合成孔徑雷達(SAR)原理，是國外報道的能夠在遠距離獲得厘米量級分辨率的唯一的光學成像觀察手段。合成孔徑激光成像雷達的發(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振蕩器光束，因此得到了在距離向包含距離信息和在方位向包含相位歷程信息的回波差頻數(shù)據(jù)。目標面上每個點的回波數(shù)據(jù)相位距離向為與距離向快時間有關的線性項相位，方位向為與方位向慢時間有關的二次項相位。
[0003]2002年以來，合成孔徑激光成像雷達在實驗室先后得到了驗證【參見文獻1:M.Bashkansky, R.L.Lucke, E.Funk, L.J.Rickard, and J.Reint jes, “Two-dimensionalsynthetic aperture imaging in the optical domain,，，Optic Letters, Vol.27, ppl983-1985 (2002),；文獻 2:W.Buell, N.Marechal, J.Buck, R.Dickinson, D.Kozlowski, T.Wright, and S.Beck, “Demonstrations of Synthetic Aperture Imaging Ladar,，，Proc.0f SPIE Vol.5791ppl52-166 (2005)，；文獻3:周煜，許楠，欒竹，聞愛民，王利娟，孫建鋒，劉立人，尺度縮小合成孔徑激光雷達的二維成像實驗，光學學報，Vol.31 (9) (2011)，；文獻
4:劉立人，周煜，職亞楠，孫建鋒，大口徑合成孔徑激光成像雷達演示樣機及其實驗室驗證，光學學報，Vol.29(7):2030~2032(2011)】，2006年在美國國防先進計劃局支持下的雷聲公司和諾格公司分別實現(xiàn)了機載合成孔徑激光雷達實驗(無任何細節(jié)報道)【參見文獻
5:J.Ricklin, M.Dierking, S.Fuhrer, B.Schumm, and D.Tomlison, “Synthetic apertureladar for tactical imaging,，，DARPA Strategic Technology Office.】。2011 年,洛馬公司對1.6公里處的地面目標實現(xiàn)了機載合成孔徑激光成像雷達成像實驗【參見文獻6:Brian ff.Krause, Joe Buck, Chris Ryan, David Hwang, Piotr Kondratko, AndrewMalm, AndyGleason “Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration,，，】。
[0004]在上述所有相關報道中【參見文獻1、2、3、4、5、6】，回波數(shù)據(jù)的成像處理方式都是數(shù)字成像處理方式，即將光電接收和數(shù)字化之后的回波數(shù)據(jù)首先進行快速傅里葉變換實現(xiàn)目標距離向聚焦成像，然后將距離向聚 焦成像后的數(shù)據(jù)采用空間的二次項匹配濾波實現(xiàn)目標的方位向聚焦成像。這兩步在時間上有先后順序，不能同時進行，需要相對較長的成像處理時間。在先技術【文獻7:孫志偉，職亞楠，孫建鋒，周煜，侯培培，劉立人，合成孔徑激光成像雷達的光學成像系統(tǒng)與光學成像方法，發(fā)明專利，申請?zhí)?201310300362.8】中，提出利用光學成像的方式對合成孔徑激光成像雷達的回波數(shù)據(jù)進行成像處理，但是，此發(fā)明專利需要用到多個光學透鏡，并且結(jié)構(gòu)較復雜，成本較高。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術問題在于提出了一種合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置與成像方法，可以利用光學菲涅爾衍射同時并且自動實現(xiàn)雷達回波數(shù)據(jù)距離向、方位向聚焦成像，是合成孔徑激光成像雷達重要的技術改進。
[0006]本發(fā)明的技術解決方案如下:
[0007]—種合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置，其特點在于其構(gòu)成包括計算機、空間光調(diào)制器和圖像接收器，沿光軸方向依次為所述的空間光調(diào)制器，圖像接收器，所述的空間光調(diào)制器與圖像接收器的距離為f，所述的計算機的第一輸入端接合成孔徑激光成像雷達的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，所述的計算機的輸出端接所述的空間光調(diào)制器的輸入端，所述的計算機的第二輸入端接所述的圖像接收器的輸出端。
[0008]根據(jù)權利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置，其特征在于所述的空間光調(diào)制器包括透射式空間光調(diào)制器與反射式空間光調(diào)制器兩種結(jié)構(gòu)。
[0009]一種合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0010]①合成孔徑激光成像雷達回波數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)接收后的目標回波數(shù)據(jù)存儲在所述的計算機中，由該計算機在所述的目標回波數(shù)據(jù)距離向上附加二次項相位因子，所述的二次項相位因子的距離向曲率半徑fi=X sf (Tf/a)2/x，其中λ s為所述的合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置中所用激光器的波長，Tf為合成孔徑激光成像雷達回波數(shù)據(jù)距離向時間采樣寬度，a為所述的空間光調(diào)制器的距離向數(shù)據(jù)加載寬度，λ為合成孔徑激光成像雷達發(fā)射激光的中心波長，
[0011]②距離向附加二次項相位因子的回波數(shù)據(jù)通過所述的計算機加載到所述的空間光調(diào)制器上，對于所述的透射式空間光調(diào)制器，加載所述的距離向附加二次項相位因子的回波數(shù)據(jù)的共軛數(shù)據(jù)，對于所述的反射式空間光調(diào)制器，加載所述的附加二次項相位因子的回波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加載后，方位向數(shù)據(jù)滿足的關系為XF(b/Bs)2=Xsf，其中F為合成孔徑激光成像雷達目標回波數(shù)據(jù)方位向等效曲率半徑，b為所述的空間光調(diào)制器的方位向數(shù)據(jù)加載寬度，Bs為合成孔徑激光成像雷達方位向數(shù)據(jù)采樣寬度，
[0012]③由激光器發(fā)出的激光經(jīng)過準直擴束后照射到所述的空間光調(diào)制器上，出射光在所述的圖像接收器的探測面上聚焦成像，成像結(jié)果由所述的圖像接收器接收并存儲到所述的計算機中，并由該計算機進行顯示。
[0013]本發(fā)明的技術效果:
[0014]本發(fā)明提出將合成孔徑激光成像雷達接收系統(tǒng)接收得到的目標回波數(shù)據(jù)存儲在計算機中，利用計算機在回波數(shù)據(jù)距離向附加二次項相位因子，然后加載到空間光調(diào)制器上，對于透射式的空間光調(diào)制器，加載距離向附加二次項相位因子數(shù)據(jù)的共軛數(shù)據(jù)，對于反射式的空間光調(diào)制器，直接加載距離向附加二次項相位因子數(shù)據(jù)，然后利用光學系統(tǒng)進行聚焦成像，成像結(jié)果由圖像接收器接收并存儲在計算機中進行顯示。
[0015]本發(fā)明無需光學透鏡，利用光學菲涅爾衍射自動并且同時實現(xiàn)雷達回波數(shù)據(jù)距離向、方位向聚焦成像，結(jié)構(gòu)簡單，易于集成，且節(jié)省成本，既具有數(shù)字處理方式的靈活性，又具有光學處理的快速性，是合成孔徑激光成像雷達尤其是數(shù)據(jù)處理的關鍵技術改進。【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0018]先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置，其構(gòu)成包括計算機1，空間光調(diào)制器2，圖像接收器3，沿光軸方向依次為所述的空間光調(diào)制器2，圖像接收器3，所述的空間光調(diào)制器2與圖像接收器3的距離為f，所述的計算機I的第一輸入端11接合成孔徑激光成像雷達的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，所述的計算機I的輸出端12接所述的空間光調(diào)制器2的輸入端21，所述的計算機I的第二輸入端13接所述的圖像接收器3的輸出端31。
[0019]根據(jù)權利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置，其特征在于所述的空間光調(diào)制器2包括透射式空間光調(diào)制器21與反射式空間光調(diào)制器22兩種結(jié)構(gòu)。
[0020]下面采用一個目標點來解釋本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像方法的成像處理過程。
[0021]合成孔徑激光成像雷達的發(fā)射系統(tǒng)對所考察的目標點發(fā)射線性調(diào)頻的啁啾脈沖激光，發(fā)射光波經(jīng)過上述目標點反射后由接收系統(tǒng)進行相干外差接收，接收后的數(shù)據(jù)存儲在所述的計算機中，存儲在所述的計算機中的點目標復數(shù)化后的回波數(shù)據(jù)為
【權利要求】
1.一種合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置，其特征在于其構(gòu)成包括計算機(1)、空間光調(diào)制器(2)和圖像接收器(3)，沿光軸方向依次為所述的空間光調(diào)制器(2)和圖像接收器(3)，所述的空間光調(diào)制器(2)與圖像接收器(3)的距離為f，所述的計算機(I)的第一輸入端(11)接合成孔徑激光成像雷達的數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)，所述的計算機(I)的輸出端(12)接所述的空間光調(diào)制器(2)的輸入端(21)，所述的計算機(I)的第二輸入端(13)接所述的圖像接收器(3)的輸出端(31)。
2.根據(jù)權利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置，其特征在于所述的空間光調(diào)制器(2)為透射式空間光調(diào)制器(21)或反射式空間光調(diào)制器(22)。
3.一種合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像方法，其特征在于，該方法包括如下步驟: ①合成孔徑激光成像雷達回波數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)接收后的目標回波數(shù)據(jù)存儲在所述的計算機(I)中，由該計算機(3)在所述的目標回波數(shù)據(jù)距離向上附加二次項相位因子，所述的二次項相位因子的距離向曲率半徑4=入/(1>)2/入，其中λ s為所述的合成孔徑激光成像雷達的光學自聚焦成像裝置中所用激光器的波長，Tf為合成孔徑激光成像雷達回波數(shù)據(jù)距離向時間采樣寬度，a為所述的空間光調(diào)制器的距離向數(shù)據(jù)加載寬度，λ為合成孔徑激光成像雷達發(fā)射激光的中心波長； ②距離向附加二次項相位因子的回波數(shù)據(jù)通過所述的計算機(I)加載到所述的空間光調(diào)制器(2)上，對于所述的透射式空間光調(diào)制器(21)，加載所述的距離向附加二次項相位因子的回波數(shù)據(jù)的共軛數(shù)據(jù)，對于所述的反射式空間光調(diào)制器(22)，加載所述的附加二次項相位因子的回波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加載后，方位向數(shù)據(jù)滿足的關系為XF(b/Bs)2= Xsf，其中F為合成孔徑激光成像雷達目標回波數(shù)據(jù)方位向等效曲率半徑，b為所述的空間光調(diào)制器(2)的方位向數(shù)據(jù)加載寬度，Bs為合成孔徑激光成像雷達方位向數(shù)據(jù)采樣寬度； ③由激光器發(fā)出的激光經(jīng)過準直擴束后照射到所述的空間光調(diào)制器(2)上，出射光在所述的圖像接收器(3)的探測面上聚焦成像，成像結(jié)果由所述的圖像接收器(3)接收并存儲到所述的計算機(I)中，并由該計算機(I)進行顯示。
【文檔編號】G01S13/90GK103885060SQ201410088151
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月11日 優(yōu)先權日:2014年3月11日
【發(fā)明者】孫志偉, 職亞楠, 孫建鋒, 周煜, 侯培培, 劉立人 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所