专利名称：多波长合成孔径激光成像雷达的制作方法
技术领域：
本发明涉及合成孔径激光成像雷达，特别是一种多波长合成孔径激光成像雷达。
背景技术：
合成孔径激光成像雷达(简称为光学SAR)是能够在远距离得到厘米量级成像分辨率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雷达原理，因为光学和微波的学科内容完全不同，光学SAR和微波SAR的实施方法和关键技术也完全不同，合成孔径激光成像雷达的天线采用光学望远镜。光学天线用于激光光束发射时其发散角相当于天线口径的衍射角，光学天线用于光学外差接收时其接收视场角也相当于天线口径的衍射角，在一般情况下，光学接收天线与光学发射天线的口径相同(参考文献1，2，3，4，幻或者为同一个望远镜系统。合成孔径激光成像雷达的发射激光发散角和外差接收视场角共同作用在目标面上的尺度或者面积称为光学足址。应当注意，合成孔径激光成像雷达在数据收集过程中激光散斑效应将造成目标点回波的附加相位和振幅波动。振幅波动表现为目标分布单元的回波是随机分布的散斑，散斑的平均尺度等同于分辨单元尺度孔径的衍射斑的尺度，因此散斑的平均面积大于接收天线面积，由于散斑中心位置的不确定性，光学接收机天线有可能接收到散斑信号也有可能完全接收不到散斑信号，这将严重影响成像质量。因此需要发明一种方法，提高散斑信号的强度探测概率而有效地克服目标回波的激光散斑效应。下面是现有的有关参考文献(I)A. E. Siegman,The antenna properties of optical heterodyne receivers, Proceedings ofThe IEEE，1966，54 (10)，1350-1356.(2) R. L. Lucke, M. Bashkansky, J. Reintjes, and F. Funk, Synthetic aperture ladar(SAL) fundamental theory, design equations for a satellite system, and laboratorydemonstration, NRL/FR/7218-02-10,051, Naval Research Laboratory, Dec. 26, 2002.(3)刘立人，合成孔径激光成像雷达(I)离焦和相位偏置望远镜接收天线[J]，光学学报，2008，沘(5) :997-1000.(4)刘立人，合成孔径激光成像雷达(II)空间相位偏置发射望远镜[J]，光学学报，2008，28 (6) :1197-1200.(5)刘立人，合成孔径激光成像雷达(III)双向环路发射接收望远镜[J]，光学学报，2008，28 (7) :1405-1410.

发明内容
本发明的目的在于提供一种多波长合成孔径激光成像雷达，以大大提高目标分辨单元回波的探测概率，从而有效克服目标回波的激光散斑的强度变化效应的影响。本发明的技术解决方案如下
一种多波长合成孔径激光成像雷达，包括一个时序的多波长啁啾激光发射机和一个光学外差接收机，其特点在于，在所述的多波长啁啾的激光发射机之后是光束分束器，所述的光学外差接收机包括接收光学天线和光学外差接收和处理机，多波长啁啾激光发射机发射的光束通过光束分束器分解为目标照明光束和本振光束，该目标照明光束经目标反射后成为目标回波被光学天线收集为回波光束，本振光束和回波光束进入所述的光学外差接收和处理机进行外差解调和图像处理。所述的多波长啁啾激光发射机为单光源单通道激光发射机，单一激光源本身产生时序周期性的多波长啁啾激光光束，再通过一个激光放大器和光学天线发射，在光学天线后安置光束分束器，产生向前的目标照明光束，并引出本振光束。所述的多波长啁啾激光发射机为多光源单通道激光发射机，采用多个不同啁啾初始波长的激光光源经波分复用合束器并组合成为一路空间光束，然后再通过一个激光放大器和光学天线发射，经所述的光束分束器分解为目标照明光束和本振光束，各个激光源在时序上依次触发。所述的多波长啁啾激光发射机为多光源多通道激光发射机，采用多个不同波长啁啾的激光光源及其相应的独立的激光放大器和光学天线，组成一个空间多通道发射系统， 各个激光源在时序上依次触发发射，在每个独立的光学天线之后都设置分束器，通过光束分束器分解为目标照明光束和本振光束。激光发射机周期性发射啁啾激光脉冲光束，激光脉冲的啁啾起始波长以次序周期性的改变，其中啁啾起始波长的重复数为N。光学外差接收机每接收一个目标激光回波信号后就进行一次图像处理，最终产生成孔径激光成像雷达的目标图像输出。目标的分辨单元的回波具有激光散斑花样的分布。目标方形分辨单元产生方形激光散斑，其平均边长为= ，其中d为方形分
a
辨单元的边长，Z为目标距离，λ为激光波长。目标园形分辨单元产生圆形激光散斑，其平
义7
均直径为《 = 2.447，这时d为园形分辨单元的直径。 a在一般设计条件下，天线的尺度与目标分辨单元尺度相当，因此一个平均散斑的面积将可能大于光学接收机天线面积。由于散斑的光强是随机变化的，因此光学接收机天线有可能接收到目标回波信号，也有可能接收不到回波，这种激光散斑效应将严重影响合成孔径激光成像雷达的探测性能。这种情况下能够接收到或者接收不到散斑信号的概率各为 50%。本发明的技术效果本发明采用N个稍有差别的激光波长，产生多个相对独立的激光散斑，它们可能具有N种不同的中心位置，这时可以接收到目标信号的概率为P = (1-0. 52) %，随着N的增大接收概率能够得到有效的提高。如使用一个波长时的回波信号接收概率为50%，使用两个波长时的接收概率为75 %，使用三个波长时的接收概率为88 %，使用四个波长时的光学接收概率为94%，因此采用多波长啁啾的激光发射能够克服激光散斑的强度变化效应的影响。


图1是本发明多波长合成孔径激光成像雷达的示意图。 图2是发射激光脉冲的波长变化时序图。
图3是单光源单通道激光发射机的结构图。 图4是多光源单通道激光发射机的结构图。 图5是多光源多通道激光发射机的结构图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图1，图1是本发明多波长合成孔径激光成像雷达的示意图。由图可见， 本发明多波长合成孔径激光成像雷达，包括一个时序的多波长啁啾激光发射机1和一个光学外差接收机，其特点在于，在所述的多波长啁啾的激光发射机1之后是光束分束器2，所述的光学外差接收机包括接收光学天线4和光学外差接收和处理机5，多波长啁啾激光发射机1发射的光束通过光束分束器2分解为目标照明光束和本振光束，该目标照明光束经目标3反射后成为目标回波被光学天线4收集为回波光束，本振光束和回波光束进入所述的光学外差接收和处理机5进行外差解调和图像处理。所述的多波长啁啾激光发射机可以采用如下方案(1)单一激光源本身产生时序的多波长啁啾激光光束，再通过激光放大器和光学天线发射，这时实现的是单一空间发射通道的发射机；(2)采用多个不同波长啁啾的激光光源并组合成为一路空间光束，在时序上依次触发，再通过激光放大器和光学天线发射，这时实现的是也单一空间发射通道的发射机；(3)采用多个不同波长啁啾的激光光源及其独立的激光放大器和光学天线，在时序上依次触发发射，这时实现的是多空间发射通道的发射机。本发明的多波长合成孔径激光成像雷达的工作原理如图1所示，从多波长啁啾激光发射机1开始依次是光束分束器2，接收光学天线4和光学外差接收和处理机5，多波长啁啾激光发射机1发射的光束通过光束分束器2分解为目标照明光束和本振光束，目标照明光束经目标3反射后成为目标回波被光学天线4收集为回波光束，本振光束和回波光束进入光学外差接收和处理机5进行外差解调和图像处理。图2给出了发射激光脉冲的时序图，激光脉冲周期为Ts，激光持续时间为τ，啁啾脉冲的重复数为N，即重复周期为T = NTS。N个啁啾激光的初始波长为λ。，λ。,2，...，λ。, Ν，在采用HCN光谱滤波器进行中频初始相位同步的方案中，初始波长为HCN的光谱线的波长峰值，在1550nm波段其平均间隔约为0.8nm。啁啾带宽Δ λ取决于距离向成像分辨率
(直径)dx要求，ΔΑ = |。多波长啁啾激光发射机可以采用如下具体方案(1)单光源单通道激光发射机如图3所示，单一激光源本身产生时序周期性的多波长啁啾激光光束，再通过一个激光放大器和光学天线发射，在光学天线后安置光束分束器，产生向前的目标照明光束，并引出本振光束。
(2)多光源单通道激光发射机如图4所示，采用多个不同啁啾初始波长的激光光源并组合成为一路空间光束，然后再通过一个激光放大器和光学天线发射，各个激光源在时序上依次触发。(3)多光源多通道激光发射机如图5所示，采用多个不同波长啁啾的激光光源及其相应的独立的激光放大器和光学天线，组成一个空间多通道发射系统，各个激光源在时序上依次触发发射。以光学接收机的中心为主坐标系(X，y)的中心，某一个即第i个发射通道的中心位置在(X” Yi)，其发射参考坐标系为(Xi，Yi)。设t为信号的流程时间(或者快时间)，tm 为目标点运动时间(或者慢时间)，假设时间起点(tm = 0)上目标的位置在(Xffl, YJ，目标与雷达的相对运动速度为v，则目标与主坐标系的坐标零点(χ = 0，y = 0)即雷达的运动轨迹为( = Xm+vtm, ym = Ym)。设第i个发射通道的发射激光波长为λ dt)，光频啁啾的起始波长为λ"；或者表达为发射激光初始频率为fu，光频啁啾的速率为目标点回波时间延时为τ，即
权利要求
1.一种多波长合成孔径激光成像雷达，包括一个时序的多波长啁啾激光发射机(1)和一个光学外差接收机，其特征在于，在所述的多波长啁啾的激光发射机(1)之后是光束分束器O)，所述的光学外差接收机包括接收光学天线(4)和光学外差接收和处理机(5)，多波长啁啾激光发射机(1)发射的光束通过光束分束器( 分解为目标照明光束和本振光束，该目标照明光束经目标(3)反射后成为目标回波被光学天线(4)收集为回波光束，本振光束和回波光束进入所述的光学外差接收和处理机( 进行外差解调和图像处理。
2.根据权利要求1所述的多波长合成孔径激光成像雷达，其特征在于，所述的多波长啁啾激光发射机(1)为单光源单通道激光发射机，单一激光源本身产生时序周期性的多波长啁啾激光光束，再通过一个激光放大器和光学天线发射，在光学天线后安置光束分束器， 产生向前的目标照明光束，并引出本振光束。
3.根据权利要求1所述的多波长合成孔径激光成像雷达，其特征在于，所述的多波长啁啾激光发射机(1)为多光源单通道激光发射机，采用多个不同啁啾初始波长的激光光源经波分复用合束器并组合成为一路空间光束，然后再通过一个激光放大器和光学天线发射，经所述的光束分束器( 分解为目标照明光束和本振光束，各个激光源在时序上依次触发。
4.根据权利要求1所述的多波长合成孔径激光成像雷达，其特征在于，所述的多波长啁啾激光发射机(1)为多光源多通道激光发射机，采用多个不同波长啁啾的激光光源及其相应的独立的激光放大器和光学天线，组成一个空间多通道发射系统，各个激光源在时序上依次触发发射，在每个独立的光学天线之后都设置分束器O)，通过光束分束器(2)分解为目标照明光束和本振光束。
全文摘要
一种多波长合成孔径激光成像雷达，其构成是由一个时序的多波长啁啾的激光发射机和一个光学外差接收机所组成。激光发射机以一个空间通道或者多个空间通道的方式周期性发射不同起始波长的啁啾激光脉冲光束。光学外差接收机每接收一个目标激光回波信号后就进行一次图像处理，最终产生成孔径激光成像雷达的目标图像输出。本发明有效提高了目标激光回波信号的接收概率，能够克服激光散斑强度变化的影响。
文档编号G01S17/89GK102230967SQ20111007446
公开日2011年11月2日 申请日期2011年3月25日 优先权日2011年3月25日
发明者刘立人 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所