正交偏振復(fù)用合成孔徑激光成像雷達(dá)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及合成孔徑激光成像雷達(dá)，特別是一種相位編碼正交偏振合成孔徑激光 成像雷達(dá)。
【背景技術(shù)】
[0002] 在相干距離-多普勒激光成像雷達(dá)領(lǐng)域與掃描=維成像激光雷達(dá)領(lǐng)域，通常采用 各種相位編碼波形獲得探測(cè)目標(biāo)的相對(duì)距離信息，基于匹配濾波的波形壓縮處理是相位編 碼波形獲得相對(duì)距離信息的唯一信息處理手段。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)[1](BeckSM,BuckJR,BuellWF,etal. .Synthetic-aperture imaginglaserradar:laboratorydemonstrationandsignalprocessing[J].Applied 化tics, 2005, 44 (35) : 7621-7629)中所述合成孔徑激光成像雷達(dá)工作在側(cè)視模式，發(fā)射線 性調(diào)頻激光脈沖，與本地分束并經(jīng)過(guò)光纖延時(shí)線延時(shí)的線性調(diào)頻脈沖進(jìn)行光學(xué)外差接收， 對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行距離向傅里葉變換獲取目標(biāo)距離信息。該種相對(duì)距離獲取手段要求線性調(diào) 頻光脈沖的初始位相相同并且采用長(zhǎng)距離光學(xué)延時(shí)線，而長(zhǎng)距離光學(xué)延時(shí)線會(huì)引入相位干 擾，為實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)困難；大調(diào)諧范圍脈沖激光器脈沖重復(fù)頻率（PR巧不能達(dá)到很高的值， 從而影響方位向成像質(zhì)量，并且輸出光信號(hào)具有一定的非線性調(diào)嗽效應(yīng)，為消除該種非線 性效應(yīng)增加的硬件系統(tǒng)和軟件算法也增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)巧](KrauseB,BuckJ,RyanC,etal. .Syntheticapertureladar flightdemonstration[C].CLEO:ApplicationsandTechnology,Baltimore:OSA, 2011:PD PB7)中所述合成孔徑激光成像雷達(dá)采用脈沖內(nèi)相位調(diào)制的方式獲取距離向相對(duì)位置信息， 取得了 100曲Z的較高的PRF，距離分辨率達(dá)到了 2cm。然而該種光學(xué)外差探測(cè)的方式需要 將激光光源切成兩部分，一部分作為本振光束，另一部分作為發(fā)射光束，因此任何關(guān)聯(lián)的相 位波動(dòng)和相位干擾，如大氣擾動(dòng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)、目標(biāo)散斑等都將被引入外差探測(cè)信號(hào)中而 降低其順軌向聚焦性能，必須采用相位梯度自聚焦（PGA)算法才能得到成像結(jié)果。
[0005] 現(xiàn)有技術(shù)巧](劉立人.直視合成孔徑激光成像雷達(dá)原理[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2012， 32巧）：0928002)所述的直視合成孔徑激光成像雷達(dá)采用順軌向空間二次相位調(diào)制，交軌向 空間線性相位調(diào)制的正交偏振的光束同軸發(fā)射和自差探測(cè)接收的方式，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的高分辨 率二維成像，具有消除各種因素引入的相位誤差的影響、不需要光學(xué)延時(shí)線W及實(shí)現(xiàn)大光 學(xué)足趾成像等優(yōu)點(diǎn)。但交軌向空間線性相位調(diào)制一般需要機(jī)械元件驅(qū)動(dòng)光學(xué)元件偏轉(zhuǎn)或平 移，而高精度機(jī)械元件運(yùn)動(dòng)一般有最大速度限制，會(huì)降低發(fā)射激光脈沖的PRF，并且不可避 免地引入機(jī)械運(yùn)動(dòng)的噪聲。
[0006] 先技術(shù)[4](孫建鋒，蔡光宇，周燈，等.基于M序列相位編碼和正交偏振復(fù)用的合 成孔徑激光成像雷達(dá)；中國(guó)，CN103983979A[P]. 2014-08-13)采用直視合成孔徑激光成像 雷達(dá)正交偏振光束順軌向空間二次相位調(diào)制同軸發(fā)射的方式取得目標(biāo)順軌向相對(duì)位置信 息而采用在其中一路偏振光路中脈沖內(nèi)時(shí)間M序列編碼相位調(diào)制的方式通過(guò)自差干設(shè)接 收取得距離向相對(duì)位置信息。該一裝置除繼承了直視合成孔徑激光成像雷達(dá)消除相位誤 差、不需要光學(xué)延時(shí)線w及實(shí)現(xiàn)大光學(xué)足趾成像等優(yōu)點(diǎn)外，還由于對(duì)發(fā)射光脈沖進(jìn)行相位 調(diào)制，避免了機(jī)械元件驅(qū)動(dòng)光學(xué)元件偏轉(zhuǎn)或平移的結(jié)構(gòu)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高PRF和穩(wěn)定的靜 止發(fā)射系統(tǒng)。但該方案只在其中一路放置了光相位調(diào)制器，兩正交偏振光路經(jīng)過(guò)的光學(xué)元 件不同，其脈沖間的初始相位會(huì)發(fā)生變化，引入兩正交偏振光路間的相位誤差，影響成像結(jié) 果；并且該方案采用了大量的空間光學(xué)體元件，使系統(tǒng)對(duì)裝配精度和穩(wěn)定度的要求較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)側(cè)視合成孔徑激光成像雷達(dá)和直視合成孔徑激光成像雷達(dá)的缺 點(diǎn)，結(jié)合直視合成孔徑激光成像雷達(dá)和相位編碼測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相位編碼正交偏振合 成孔徑激光成像雷達(dá)。
[000引基本原理是；對(duì)目標(biāo)投射兩個(gè)同軸同屯、且偏振正交的光束并且進(jìn)行自差接收，在 兩光束的空間順軌向上分別利用柱面透鏡對(duì)光束的波前進(jìn)行不同曲率半徑二次相位調(diào)制， 在慢時(shí)間軸上產(chǎn)生目標(biāo)順軌向位置有關(guān)的空間二次項(xiàng)相位歷程的數(shù)據(jù)收集，通過(guò)兩正交偏 振光脈沖內(nèi)時(shí)間相位編碼調(diào)制，在快時(shí)間軸上進(jìn)行與目標(biāo)交軌向位置有關(guān)的不同時(shí)延的編 碼數(shù)據(jù)的收集，最終通過(guò)與發(fā)射編碼信號(hào)距離向匹配濾波和順軌向共輛二次相位項(xiàng)匹配濾 波聚焦成像。
[0009] 本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服先技術(shù)的不足，使兩正交偏振光束在空間和時(shí) 間相位調(diào)制過(guò)程中經(jīng)過(guò)的光學(xué)元件盡可能相同，避免引入相位誤差；大量采用光纖元件， 降低了系統(tǒng)對(duì)裝配精度和穩(wěn)定性的要求；采用兩個(gè)光相位調(diào)制器，降低了加載到單個(gè)相位 調(diào)制器上的電壓范圍。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下；
[0011] 一種相位編碼正交偏振合成孔徑激光成像雷達(dá)，其特點(diǎn)在于由發(fā)射端、接收端和 信號(hào)處理系統(tǒng)構(gòu)成。
[0012] 所述的發(fā)射端包括激光光源、光纖偏振分束器、微波信號(hào)波形發(fā)生器、微波放大 器、第一光相位調(diào)制器、第二光相位調(diào)制器、第一光纖準(zhǔn)直器、第二光纖準(zhǔn)直器、第一順軌向 柱面透鏡、第二順軌向柱面透鏡、發(fā)射偏振合束器與發(fā)射主鏡；所述的激光光源輸出的激光 經(jīng)所述的光纖偏振分束器分為正交偏振的第一光束和第二光束，所述的第一光束與第一光 相位調(diào)制器的光輸入端相連，該第一光相位調(diào)制器的光輸出端與所述的第一光纖準(zhǔn)直器輸 入端連接，所述的第一光纖準(zhǔn)直器輸出端的輸出激光透過(guò)第一順軌向柱面透鏡變換其空 間相位波面；所述的第二光束與第二光相位調(diào)制器的光輸入端相連，該第二光相位調(diào)制器 的光輸出端與所述的第二光纖準(zhǔn)直器輸入端連接，所述的第二光纖準(zhǔn)直器輸出端的輸出激 光透過(guò)第二順軌向柱面透鏡變換其空間相位波面；所述的透過(guò)第一順軌向柱面透鏡的激光 與所述的透過(guò)第二順軌向柱面透鏡的激光通過(guò)發(fā)射偏振合束器合束為正交偏振的同軸發(fā) 射光束，合束后的光束通過(guò)發(fā)射主鏡發(fā)射到目標(biāo)平面上，其中第一順軌向柱面透鏡與第二 順軌向柱面透鏡分別位于發(fā)射主鏡的前焦面上；由微波信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的電平值在0到Vp 之間變化的方波編碼信號(hào)經(jīng)微波放大器放大至電平值在0到V。/,之間變化的正向方波編碼 信號(hào)和與之反向的電平值在0到-V"/2之間變化的方波編碼信號(hào)，其中V。/,代表使光場(chǎng)改變 n/2相位的電壓，所述的正向方波編碼信號(hào)和反向方波編碼信號(hào)分別輸入所述的第一光相 位調(diào)制器的微波輸入端與第二光相位調(diào)制器的微波輸入端；所述的微波信號(hào)波形發(fā)生器的 輸出端還接所述的信號(hào)處理系統(tǒng)包括的A/D變換器的第二輸入端；
[0013] 所述的接收端包括接收望遠(yuǎn)鏡、接收半波片、接收偏振分束器、平衡探測(cè)器；目標(biāo) 的反射回波由接收望遠(yuǎn)鏡縮束，縮束后的光場(chǎng)通過(guò)所述的接收半波片旋轉(zhuǎn)其偏振態(tài)并通過(guò) 接收偏振分束器分為兩路光束，其中一路光束經(jīng)過(guò)反射鏡偏轉(zhuǎn)光路與另一路光束平行，所 述的兩路光束被平衡探測(cè)器的探測(cè)端口接收并轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出；
[0014] 所述的信號(hào)處理系統(tǒng)包括A/D變換器、微波信號(hào)波形發(fā)生器、和信號(hào)采集處理計(jì) 算機(jī);A/D變換器的第一輸入端與平衡探測(cè)器的輸出端連接，第二輸入端與微波信號(hào)波形 發(fā)生器的輸出端連接，所述的A/D變換器將平衡探測(cè)器輸出的信號(hào)和微波信號(hào)波形發(fā)生器 輸出的信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并輸出至信號(hào)采集與處理計(jì)算機(jī)處理，信號(hào)處理過(guò)程與現(xiàn) 有技術(shù)[5](MatthewP.Dierking,BradleyD.Duncan.Periodic,pseudonoisewaveforms formultifunctioncoherentladar[J].AppliedOptics, 2010, 49 (10): 1908-1922)中介 紹的相同。信號(hào)采集與處理計(jì)算機(jī)分別將信數(shù)字化的平衡探測(cè)器輸出信號(hào)與微波信號(hào)發(fā)生 器輸出信號(hào)復(fù)數(shù)化，再將復(fù)數(shù)化后的平衡探測(cè)器的輸出信號(hào)與復(fù)數(shù)化后的微波信號(hào)發(fā)生器 輸出信號(hào)進(jìn)行距離向匹配濾波，得到距離壓縮后的數(shù)據(jù)，然后將距離壓縮后的數(shù)據(jù)與經(jīng)系 統(tǒng)參數(shù)確定的空間順軌向共輛二次相位數(shù)據(jù)進(jìn)行方位向匹配濾波，最終輸出聚焦圖像。
[0015] 本發(fā)明具有如下特點(diǎn)；
[0016] 1、本發(fā)明相位編碼正交偏振合成孔徑激光成像雷達(dá)，相位編碼調(diào)制測(cè)距具有靈敏 度高、碼型多樣、編碼速率靈活可調(diào)、碼型周期短決定的其脈沖重復(fù)頻率高等優(yōu)點(diǎn)。
[0017] 2、本發(fā)明根據(jù)直視合成孔徑激光成像雷達(dá)中順軌向的空間調(diào)制發(fā)射原理，利用正 交偏振光束自差干設(shè)接收，有效消除了兩正交偏振光束共同經(jīng)歷的相位誤差的干擾，降低 了發(fā)射接收系統(tǒng)硬件要求和軟件算法的復(fù)雜度。
[0018] 3、本發(fā)明采用簡(jiǎn)單的偏振自差干設(shè)接收平衡探測(cè)，信號(hào)處理采用距離向和方位向 分別的匹配濾波，是通用的合成孔徑激光成像雷達(dá)處理方式。
[0019] 本發(fā)明的技術(shù)效果：
[0020] 1、本發(fā)明采用靜態(tài)的發(fā)射系統(tǒng)，降低系統(tǒng)對(duì)復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的要求，避免了運(yùn)動(dòng)的 機(jī)械元件引入的誤差和噪聲，W及高精度運(yùn)動(dòng)機(jī)械元件的運(yùn)動(dòng)速度限制。
[0021] 2、與先技術(shù)相比，本發(fā)明大部分采用了光纖元件組成發(fā)射系統(tǒng)，降低了系統(tǒng)裝配 精度和穩(wěn)定性的要求。
[0022] 3、與先技術(shù)相比，本發(fā)明對(duì)正交偏振光路進(jìn)行了對(duì)稱的光路設(shè)計(jì)，使它們經(jīng)過(guò)的 光學(xué)元件盡可能相同，避免引入正交偏振光之間的相位誤差；采用兩個(gè)光相位調(diào)制器，有效 降低了加載到單個(gè)相位調(diào)制器上的調(diào)制電壓。
【附圖說(shuō)明】
[0023]圖1為本發(fā)明發(fā)射端、接收端與信號(hào)處理系統(tǒng)的原理示意圖。
[0024] 圖2為接收半波片（14)的快軸C和發(fā)射光束正交偏振方向X、y的最優(yōu)偏振安排 示意圖。
[0025] 圖3為本發(fā)明信號(hào)處理計(jì)算機(jī)（19)的信號(hào)處理流程。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)