CN103744059A - 合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器 - Google Patents

Abstract

一种合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器，包括透射式与反射式两种结构，利用液晶空间光调制器加载合成孔径激光成像雷达目标回波信号，单个透镜同时实现距离向、方位向聚焦成像，成像结果由图像接收器进行接收，整个***由***控制模块自动控制。本发明结构简单，节省成本，易于集成，在未来机载、星载合成孔径激光成像雷达***中有广泛的应用前景，是合成孔径激光成像雷达光学成像处理的关键技术改进。

Description

合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器

技术领域

本发明涉及合成孔径激光成像雷达，特别是一种合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器，利用单个透镜同时实现目标回波信号距离向、方位向聚焦成像，节省成本，结构简单，易于集成化。

背景技术

合成孔径激光成像雷达(SAIL)的基本原理来源于于微波波段的合成孔径雷达（SAR），是国外报道的能够在远距离获得厘米量级分辨率的唯一的光学成像观察手段。自2002年以来，合成孔径激光成像雷达在实验室先后得到了验证【参见文献1：M.Bashkansky,R.L.Lucke,E.Funk,L.J.Rickard,and J.Reintjes，“Two-dimensional syntheticaperture imaging in the optical domain,”Optic Letters,Vol.27,pp1983-1985(2002),；文献2：W.Buell,N.Marechal,J.Buck,R.Dickinson,D.Kozlowski,T.Wright,and S.Beck，“Demonstrations of Synthetic Aperture Imaging Ladar，”Proc.of SPIE Vol.5791pp152-166(2005)，；文献3：周煜，许楠，栾竹，闫爱民，王利娟，孙建锋，刘立人，尺度缩小合成孔径激光雷达的二维成像实验，光学学报，Vol.31(9)(2011)，；文献4：刘立人，周煜，职亚楠，孙建锋，大口径合成孔径激光成像雷达演示样机及其实验室验证，光学学报，Vol.29(7):2030～2032(2011)】，2006年在美国国防先进计划局支持下的雷声公司和诺格公司分别实现了机载合成孔径激光雷达实验（无任何细节报道）【参见文献5：J.Ricklin,M.Dierking,S.Fuhrer,B.Schumm,and D.Tomlison,“Syntheticaperture ladar for tactical imaging,”DARPA Strategic Technology Office.】。2011年，洛马公司对1.6公里处的地面目标实现了机载合成孔径激光成像雷达成像实验【参见文献6：Brian W.Krause,Joe Buck,Chris Ryan,David Hwang,Piotr Kondratko,AndrewMalm,Andy Gleason“Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration，”】。

最初的微波SAR的回波信号普遍采用光学的方式进行成像处理，【参见文献7：L.J.Cutrona,E.N.Leith,L.J.Porcello et al.,"On the application of coherent opticalprocessing techniques to synthetic-aperture radar,"Proc.IEEE54,1026～1032(1966).】伴随着数字处理能力的提高，这种光学处理方法很大程度上被数字处理方式取代。同样，现今SAIL的回波信号也主要采用数字方式进行成像处理。然而未来对星载和机载SAIL图像分辨率要求的提高以及实时成像处理的需求，对数字成像处理器的传输和运算速度提出严峻挑战。光学成像处理器能够提供非相干的数据并行处理能力，实现真正意义上的两维傅里叶变换，缩短数据处理时间，从而实现实时图像信息获取，可以对卫星或无人机的航行和定向提供至关重要的决策信息，并具有很高的动态输出范围，可以减小对通信***传输数据量和传输带宽的要求，可以实现集成化，有效减小***的重量和体积，降低***的功耗，因此未来在合成孔径激光成像雷达的数据处理中具有很大优势。目前国内外对合成孔径激光成像雷达的光学成像处理尚处于初级研究阶段，具有较高的研究价值和发展空间。在先技术【参见文献8：侯培培，刘立人，孙建锋，职亚楠，周煜，鲁伟，王利娟，基于像散傅里叶变换的光学合成孔径激光成像雷达处理器，发明专利，申请号：201310150460.8；文献9：孙志伟，职亚楠，孙建锋，周煜，侯培培，刘立人，合成孔径激光成像雷达的光学成像***与光学成像方法，发明专利，申请号：201310300362.8】提出了一种合成孔径激光成像雷达的原理性方案，但上述发明采用多个透镜组合实现回波信号的聚焦处理，***较复杂，成本较高且不易集成化。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提出一种合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器，该光学处理器的结构简单，节省成本，易于集成，在未来机载、星载合成孔径激光成像雷达***中有广泛的应用前景，是合成孔径激光成像雷达光学成像处理的关键技术改进。

本发明的技术解决方案如下：

一种合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器，其特征在于其构成包括***控制模块、透射式液晶空间光调制器、第一像散透镜和图像接收器，沿光轴方向依次为所述的透射式液晶空间光调制器、第一像散透镜和图像接收器，所述的***控制模块的输出端接所述的透射式液晶空间光调制器的输入端，所述的***控制模块的第一输入端接合成孔径激光成像雷达的数据接收***，所述的***控制模块的第二输入端接所述的图像接收器的输出端，所述的透射式液晶空间光调制器，第一像散透镜紧贴放置，所述的第一像散透镜的距离向焦距为f_a，方位向焦距为f_eq1=(f_af_c1)/(f_a+f_c1)，式中f_c1=f_lc/λ_c，其中，f_lc为所述的透射式液晶空间光调制器方位向二次项相位曲率半径，λ_c为所述的合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器所用激光波长，所述的图像接收器与所述的第一像散透镜的距离为f_a。

一种合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器，其特点在于其构成包括***控制模块、图像接收器、反射式液晶空间光调制器、分束器和第二像散透镜，沿光轴方向依次为所述的反射式液晶空间光调制器、分束器、第二像散透镜和图像接收器，该***控制模块的输出端接所述的反射式液晶空间光调制器的输入端，所述的***控制模块的第一输入端接合成孔径激光成像雷达的数据接收***，所述的***控制模块的第二输入端接所述的图像接收器的输出端，所述的反射式液晶空间光调制器与所述的第二像散透镜的距离为d，所述的第二像散透镜的距离向焦距为f_r，方位向焦距为f_eq2=(f_rf_c2)/(f_r+f_c2)，式中f_c2=(d-f_lc)/λ_c，所述的图像接收器与所述的第二像散透镜的距离为f_r。

本发明的技术效果：

本发明提出利用***控制模块自动控制SAIL回波信号的加载与成像结果的接收存储及显示，无需人工参与，节省处理时间，提高处理效率，另外，采用单个透镜同时实现目标距离向、方位向聚焦成像，结构简单，节省成本，且易于集成，在未来机载、星载SAIL***中有广泛的应用前景。是合成孔径激光成像雷达回波数据光学成像方式的关键技术改进。

附图说明

图1是本发明合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器实施例1结构示意图。

图2是本发明合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器实施例2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。

先请参阅图1，图1为本发明实施例1反射式合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器结构示意图，由图可见本发明中反射式合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器，其构成包括：***控制模块1，透射式液晶空间光调制器2，第一像散透镜3，图像接收器4，沿光轴方向依次为所述的透射式液晶空间光调制器2，第一像散透镜3，图像接收器4，所述的***控制模块1的输出端11接所述的透射式液晶空间光调制器2的输入端21，所述的***控制模块1的第一输入端12接合成孔径激光成像雷达的数据接收***，所述的***控制模块1的第二输入端13接所述的图像接收器4的输出端41，

所述的透射式液晶空间光调制器2，第一像散透镜3紧贴放置，所述的第一像散透镜3的距离向焦距为f_a，方位向焦距为f_eq1=(f_af_c1)/(f_a+f_c1)，式中f_c1=f_lc/λ_c，其中，f_lc为所述的透射式液晶空间光调制器2方位向二次项相位曲率半径，λ_c为所述的合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器所用激光波长，所述的图像接收器4与所述的第一像散透镜3的距离为f_a。

再请参阅图2，图2为本发明实施例2透射式合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器结构示意图。由图可见本发明中透射式合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器，其构成包括所述的***控制模块1，图像接收器4，反射式液晶空间光调制器5，分束器6，第二像散透镜7，沿光轴方向依次为所述的反射式液晶空间光调制器5，分束器6，第二像散透镜7，图像接收器4，该***控制模块1的输出端11接所述的反射式液晶空间光调制器5的输入端51，所述的***控制模块1的第一输入端12接合成孔径激光成像雷达的数据接收***，所述的***控制模块1的第二输入端13接所述的图像接收器4的输出端41，

所述的反射式液晶空间光调制器5与所述的第二像散透镜7的距离为d，所述的第二像散透镜的距离向焦距为f_r，方位向焦距为f_eq2=(f_rf_c2)/(f_r+f_c2)，式中f_c2=(d-f_lc)/λ_c，所述的图像接收器4与所述的第二像散透镜7的距离为f_r。

下面采用一个目标点来解释本发明合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器的成像处理过程。

合成孔径激光成像雷达的发射***对所考察的目标点发射线性调频的啁啾脉冲激光，发射光波经过上述目标点反射后由接收***进行相干外差接收并进行复数化，传输到所述的***控制模块的点目标的回波信号为i(t_f,t_sv)：

$\begin{array}{c}i(t_f,t_{s}v)=A_k{\sin c}^2\left(\frac{S_x{x}_k}{\mathrm{\λZ}}\right){\sin c}^2\left[\frac{S_y(y_k-t_{s}v)}{\mathrm{\λZ}}\right]\mathrm{rect}\left(\frac{t_f-T_f/2}{T_f}\right)\×\\ \mathrm{rect}\left(\frac{{\mathrm{vt}}_s-B_s/2}{B_s}\right)\exp [j2\mathrm{\π\ρ}\frac{{2\mathrm{\Δz}}_k}{c}{t}_f+j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λR}}{(y_k-t_{s}v)}^2]\end{array}$

其中，A_k为与激光发射功率、本振激光功率、光学外差接收灵敏度、发射和接收光学***结构、自由空间光传输、目标复反射率特性等有关的常数。x_k，y_k分别为所述的目标点的距离向、方位向坐标，t_f，t_s分别为距离向快时间、方位向慢时间，v为雷达方位向运动速度，B_s为雷达光学足趾方位向尺度，由雷达发射与接收结构确定的方位向方向性函数为：sinc²[S_y(y_k-vt_s)/λZ]，S_y为雷达发射口径方位向宽度，λ为雷达发射激光中心波长，Z为雷达到目标中心点的距离，设定t_f=0，t_s=0为雷达对目标点进行数据收集的时间、空间采样原点，垂直向方向性函数为：sinc²(S_xx_k/λZ)，S_x为雷达发射口径垂直向宽度，这里令雷达发射口径与接收口径相等，距离向时间采样宽度T_f，雷达发射激光频率啁啾率为ρ，Δz_k为减去参考光臂长后的目标雷达等效距离，c为光速，雷达光学足趾等效曲率半径为R=Z/2。

上式信号由数据线加载到液晶空间光调制器上作为其调制函数，设定液晶空间光调制器距离向宽度为a，位于x坐标轴，加载距离向信号，方位向宽度长为b，位于y坐标轴，加载方位向信号，信号加载过程中，雷达距离向时间采样坐标，方位向空间坐标(t_f,mt_sv)与液晶空间光调制器空间坐标(x,y)的转换关系分别为：

$t_f=\frac{T_f}{a}x,t_{s}v=\frac{B_s}{b}y$

经过上述坐标变换关系后，加载到液晶空间光调制器上的调制函数为t(x,y)：

$\begin{array}{c}t(x,y)=A_k{\sin c}^2\left(\frac{S_x{x}_k}{\mathrm{\λZ}}\right){\sin c}^2\left[\frac{S_y(y_k-B_{s}y/b)}{\mathrm{\λZ}}\right]\mathrm{rect}\left(\frac{x-a/2}{a}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y-b/2}{b}\right)\\ \exp [j2\mathrm{\π\ρ}\frac{{2\mathrm{\Δz}}_k}{c}\frac{T_f}{a}x+j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λR}}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{(\frac{b}{B_s}{y}_k-y)}^2]\end{array}$

对于所述的透射式液晶空间光调制器，方位向二次项相位曲率半径为：

$f_{\mathrm{lc}}=\mathrm{\λR}{\left(\frac{b}{B_s}\right)}^2$

所述的第一像散透镜的相位透过率函数为：

$t_{\mathrm{fir}}(x,y)=\exp (-j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c{f}_a}{x}^2)\exp (-j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c{f}_{\mathrm{eq}1}}{y}^2)$

平面光波照射所述的透射式液晶空间光调制器，透射光经过上述调制函数调制后距离向进行傅里叶变换，方位向透过所述的第一像散透镜后进行距离为f_a的菲涅尔衍射，设定所述的图像接收器处的空间坐标为(u,v)，则此处的所考察的目标点的成像复振幅信号为：

上式C(x_k,y_k:u,v)包括变换中的常数相位因子及常系数，星号代表卷积。上述信号的强度信息|e(u,v)|²经过所述的图像接收器进行接收并传回所述的***控制模块进行存储显示。

对于所述的反射式液晶空间光调制器，方位向二项相位曲率半径为-f_lc，到达所述的第二像散透镜前表面时的二次项相位曲率半径为d-f_lc，设定第二像散透镜前表面的空间坐标为(α,β)，此处的光场为

$\begin{array}{c}{t}^{\′}(\mathrm{\α},\mathrm{\β})=A_k{\sin c}^2\left(\frac{S_x{x}_k}{\mathrm{\λZ}}\right){\sin c}^2\left[\frac{S_y(y_k-B_s\mathrm{\β}/b)}{\mathrm{\λZ}}\right]\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\α}-a/2}{a}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{\mathrm{\β}-b/2}{b}\right)\\ \exp [j2\mathrm{\π\ρ}\frac{{2\mathrm{\Δz}}_k}{c}\frac{T_f}{a}\mathrm{\α}+j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}[d-R{(b/B_s)}^2]}{(\frac{b}{B_s}{y}_s-\mathrm{\β})}^2]\end{array}$

所述的第二像散透镜的相位透过率因子为：

$t_{\sec }(x,y)=\exp (-j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c{f}_r}{x}^2)\exp (-j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_c{f}_{\mathrm{eq}2}}{y}^2)$

距离向通过所述的第二像散透镜进行傅里叶变换，方位向透过该第二像散透镜后进行距离为f_r的菲涅尔衍射，在所述的图像接收器处形成的所考察目标点的成像复振幅信号为：

上式D(x_k,y_k:u,v)包括变换中的常数相位因子及常系数，式中上述信号的强度信息|e′(u,v)|²经过所述的图像接收器进行接收并传回所述的***控制模块进行存储显示。

本发明的一个实施例是用于大口径合成孔径激光成像雷达演示样机获得的面目标回波数据的聚焦成像处理，下面给出雷达***及目标的参数：雷达发射激光中心波长λ=1.55μm，频率啁啾率：ρ=1.25×10¹³Hz/s，光学足趾大小：22mm×22mm，雷达目标中心距：z=14m，距离向采样时间宽度：T_s=40ms，距离向采样频率：2.5MHz，光学足趾曲率半径：R=2.6047m，目标大小：8mm×40mm，长边位于方位向，目标短边相对雷达倾斜45°放置，光学处理器所用激光器输出波长为：λ=632.8nm，所用反射式纯相位液晶空间光调制器的尺寸：a=2.4mm，加载距离向纯相位数据，b=7.7924mm，加载方位向纯相位数据，所述LCSLM方位向二次项相位曲率半径为f_c=200mm，所述第二像散透镜距离向焦距为f_r=150mm，方位向等效焦距f_eq2=+∞，所述反射式LCSLM与所述的第二像散透镜的间距为d=50mm。

本发明合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器给出了透射式和反射式两种结构，提出利用单个透镜同时实现距离向、方位向聚焦成像，相比先验技术，结构简单，节省成本，易于集成，在未来机载、星载SAIL***中有广泛的应用前景，是SAIL光学成像处理的关键技术改进。

Claims (2)

1.一种合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器，特征在于其构成包括***控制模块（1）、透射式液晶空间光调制器（2）、第一像散透镜（3）和图像接收器（4），沿光轴方向依次为所述的透射式液晶空间光调制器（2）、第一像散透镜（3）和图像接收器（4），所述的***控制模块（1）的输出端（11）接所述的透射式液晶空间光调制器（2）的输入端（21），所述的***控制模块（1）的第一输入端（12）接合成孔径激光成像雷达的数据接收***，所述的***控制模块（1）的第二输入端（13）接所述的图像接收器（4）的输出端（41），所述的透射式液晶空间光调制器（2）和第一像散透镜（3）紧贴放置，所述的第一像散透镜（3）的距离向焦距为f_a，方位向焦距为f_eq1=(f_af_c1)/(f_a+f_c1)，式中f_c1=f_lc/λ_c，其中，f_lc为所述的透射式液晶空间光调制器（2）方位向二次项相位曲率半径，λ_c为所述的合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器所用激光波长，所述的图像接收器（4）与所述的第一像散透镜（3）的距离为f_a。

2.一种合成孔径激光成像雷达的单透镜光学处理器，特征在于其构成包括所述的***控制模块（1）、图像接收器（4）、反射式液晶空间光调制器（5）、分束器（6）和第二像散透镜（7），沿光轴方向依次为所述的反射式液晶空间光调制器（5）、分束器（6）、第二像散透镜（7）和图像接收器（4），所述的***控制模块（1）的输出端（11）接所述的反射式液晶空间光调制器（5）的输入端（51），所述的***控制模块（1）的第一输入端（12）接合成孔径激光成像雷达的数据接收***，所述的***控制模块（1）的第二输入端（13）接所述的图像接收器（4）的输出端（41），所述的反射式液晶空间光调制器（5）与所述的第二像散透镜（7）的距离为d，所述的第二像散透镜的距离向焦距为f_r，方位向焦距为f_eq2=(f_rf_c2)/(f_r+f_c2)，式中f_c2=(d-f_lc)/λ_c，所述的图像接收器（4）与所述的第二像散透镜（7）的距离为f_r。