专利名称：合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及合成孔径激光成像雷达，特别是一种合成孔径激光成像雷达光学桥接 外差接收和复值处理系统，用于在合成孔径激光成像雷达的光学接收天线之后的目标回波 信号的光学外差接收和光学处理。核心原理是采用2X490°光学桥接器实现两路外差平衡接收，得到具有90°相 移的两路回波和本振外差产生的实数信号，即复数信号的实部和虚部，然后通过数字化处 理合并为复数信号，再经过数字图像处理包括距离向采用傅立叶变换实现距离向聚焦和方 位向采用共轭相位二次项匹配滤波实现方位向聚焦而最终得到目标像输出。由于采用了光 学方法直接和同时取得了信号复数函数的实部函数和虚部函数，因此接收灵敏度高，复数 化准确性高，光学天线方向性等因素的影响小，目标点之间的相互干扰小，是合成孔径激光 成像雷达的重要的关键技术改进。
背景技术：
合成孔径激光成像雷达的原理取之于射频领域的合成孔径雷达原理，是能够 在远距离取得厘米量级分辨率的唯一的光学成像观察手段。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, 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. 29(7) :2030 2032 (2009)。，2006年在美国国防先进研究计划局支持下雷 声公司和诺格公司分别实现了机载合成孔径激光雷达试验(无任何细节报道)参见文献 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径激光 成像雷达的发射激光采用光频线性调制即啁啾调制，光电外差接收采用去斜解调方式即采 用同样的啁啾发射激光作为外差本机振荡器光束，因此得到了在包含距离向距离信息和在 方位向包含相位历程信息的回波差频信号，该差频信号为电子信号并采用码-数变换成为 数字信号，该差频信号通过时间变量的傅立叶变换进行目标的距离聚焦成像，然后在方位 向采用空间的共轭相位二次项匹配滤波进行目标的方位向聚焦成像。通过去斜解调得到的回波接收电子信号是时间的实数函数，目标二次项相位信息 被包含在三角函数中，而方位向相位二次项匹配滤波所需的目标信号必须是复数函数，因 此回波实数电子信号必须首先转化为复数信号。但是在上述所有的相关报道中参见文献 1、2、3、4，回波实数电子信号转化为复数信号的过程都是在光电接收和数字化之后采用傅 立叶变换并且只取正频率分量或者负频率分量来实现的，因此浪费了一半的接收信号，降 低了接收灵敏度，同时复数化准确性差，光学天线方向性等因素的影响大，目标点之间的相
3互干扰大。在相干激光通信领域，有一种2X4 90°光学桥接器参见文献5 :W.R.Leeb， "Optical 90 hybrid for Costas-type receivers,，，Electronic Letters, V. 26 (18), ppl431 1432(1990)和文献 6 :R. Garreis and C. Zeiss,90 ° optical hybrid for coherent receivers, Proc. SPIE, Vol. 1522，210 219，(1991)；文献 7 周煜，万玲玉，职 亚楠，栾竹，孙建锋，刘立人，相位补偿偏振分光2X4 90°自由空间光学桥接器，光学学报， Vol. 29 (12)，3291 3294 (2009)。，对它输入信号激光和本振激光两路光束，可以得到它 们同心同轴合束的4路输出，4路光束依次具有90°的相位差，然后进行两通道平衡光电接 收，最后得到具有90°相移的两通道电子信号输出，其一路作为通信信号输出，而两路的组 合作为本振激光器频率失谐调整的误差探测信号。

发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接 收和复值处理系统，由于采用了光学方法直接和同时取得了信号复数函数的实部函数和虚 部函数，因此接收灵敏度高，复数化准确性高，光学天线方向性等因素的影响小，目标点之 间的相互干扰小，是合成孔径激光成像雷达的重要的关键技术改进。本发明的原理是在合成孔径激光成像雷达中采用2X490°光学桥接和两路平衡接收的光学外差 接收机对目标回波信号进行光学外差平衡接收和光学处理，得到两路具有90°相移的回波 和本振外差产生的实数信号，即复数信号的实部和虚部，然后通过数字化处理合并为复数 信号，再经过数字图像处理包括距离向采用傅立叶变换实现距离向聚焦和方位向采用共轭 相位二次项匹配滤波实现方位向聚焦而最终得到目标像输出。本发明的技术解决方案如下一种合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统，特点在于其构成 包括2X4 90°光学桥接器、左通道平衡接收机和左通道放大及码数转换器、右通道平衡 接收机和右通道放大及码数转换器、数字复数化器和图像处理器，其位置关系如下目标激光回波通过合成孔径激光成像雷达的接收光学系统成为目标回波光束，由 发射激光器分光一部分光束形成本振激光光束，所述的目标回波光束和本振激光光束输入 所述的2X4 90°光学桥接器，经该2X4 90°光学桥接器产生同心同轴合束的四路光束 输出，该四路光束之间依次具有90°的相位差，其中两路相移180°的光束由所述的左通 道平衡接收机进行光电探测变成实数时间信号，并进一步通过所述的左通道放大及码数转 换器转化为左通道数字信号；另外两路相移180°的光束由所述的右通道平衡接收机进行 光电探测变成实数时间信号，并进一步通过所述的右通道放大及码数转换器转化为右通道 数字信号；所述的左通道数字信号和右通道数字信号通过所述的数字复数化器合并转化为 复数时间信号，该复数时间信号通过所述的图像处理器将复数时间信号处理成为目标输出 图像，所述的图像处理器的处理包括距离向的傅立叶变换聚焦和方位向的共轭空间相位二 次项匹配滤波。所述的2 X 490 °光学桥接器包括光束的自由空间传播结构，或光束在光纤或光波 导中的导波传输结构。
本发明的技术效果本发明提出在合成孔径激光成像雷达中采用2X490°光学桥接和两路平衡接收 的光学外差接收机对目标回波信号进行光学外差平衡接收和光学处理，得到两路具有90° 相移的回波和本振外差产生的实数信号，即复数信号的实部和虚部，然后通过数字化处理 合并为复数信号，再经过数字图像处理包括距离向采用傅立叶变换实现距离向聚焦和方位 向采用共轭相位二次项匹配滤波实现方位向聚焦而最终得到目标像输出。由于采用了光学 方法直接和同时取得了信号复数函数的实部函数和虚部函数，因此具有接收灵敏度高，复 数化准确性高，光学天线方向性等因素的影响小，目标点之间的相互干扰小的特点，是合成 孔径激光成像雷达的重要的关键技术改进。


图1是本发明合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统的结构 框图。图2是自由空间光学2X4 90°光学桥接器的结构示意图
具体实施例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是本发明合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处 理系统的原理图。由图可见，本发明合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理 系统，其构成包括2X4 90°光学桥接器3、左通道平衡接收机4和左通道放大及码数转换 器5、右通道平衡接收机6和右通道放大及码数转换器7、数字复数化器8和图像处理器9， 其位置关系如下目标激光回波通过合成孔径激光成像雷达的接收光学系统成为目标回波光束1， 由发射激光器分光一部分光束形成本振激光光束2，所述的目标回波光束1和本振激光光 束2输入所述的2X4 90°光学桥接器3，经该2X4 90°光学桥接器3产生同心和同轴合 束的四路光束输出，该四路光束之间依次具有90°的相位差，其中两路相移180°的光束 由所述的左通道平衡接收机4进行光电探测变成实数时间信号，并进一步通过所述的左通 道放大及码数转换器5转化为左通道数字信号；另外两路相移180°的光束由所述的右通 道平衡接收机6进行光电探测变成实数时间信号，并进一步通过所述的右通道放大及码数 转换器7转化为右通道数字信号；所述的左通道数字信号和右通道数字信号通过所述的数 字复数化器8合并转化为复数时间信号，该复数时间信号通过所述的图像处理器9将复数 时间信号处理成为目标输出图像10，所述的图像处理器9的处理包括距离向的傅立叶变换 聚焦和方位向的共轭空间相位二次项匹配滤波。所述的2X4 90°光学桥接器有两种不同原理的光传输结构，一种是光束的自由 空间传播结构，另外一种是光束在光纤或光波导中的导波传输结构。激光回波和本振光束 可能是自由空间传播光束，也可能是光纤传播光束。因此，具有不同性质的传输光束和光学 桥接器的光学连接需要采用适当的光学耦合器。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光学桥接外差接收和复值处理系统的成像过程令目标面的坐标系为(x，y' )，x为方位方向，y'为距离方向，坐标原点与合成孔 径激光成像雷达的光轴重合，物面在光轴垂直面上的投影面的坐标系为(x，y，z)，该投影面 也称之为系统参考面，其中y = y' cose ,ζ = y' sine，θ为物面与参考面的夹角。令目标点在t = 0时的坐标位置为(Xi，y/ )或者(Xi，yi = Coseyi' , Zi = Sineyi')，目标与激光成像雷达的相对运动的采样时间间隔为Τ，在距离向上相对运动的 距离间隔为ΔΧ，激光成像雷达和目标面的中心距离为Zs，本振光束传输距离为Z1,因此目
标点的相对时间延时为
权利要求
1.一种合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统，特征在于其构成包 括2X490°光学桥接器(3)、左通道平衡接收机(4)和左通道放大及码数转换器(5)、右通 道平衡接收机(6)和右通道放大及码数转换器(7)、数字复数化器(8)和图像处理器(9)， 其位置关系如下目标激光回波通过合成孔径激光成像雷达的接收光学系统成为目标回波光束(1)， 由发射激光器分光一部分光束形成本振激光光束(2)，所述的目标回波光束(1)和本振激 光光束(2)输入所述的2X4 90°光学桥接器(3)，经该2X4 90°光学桥接器(3)产生 同心和同轴合束的四路光束输出，该四路光束之间依次具有90°的相位差，其中两路相移 180°的光束由所述的左通道平衡接收机(4)进行光电探测变成实数时间信号，并进一步 通过所述的左通道放大及码数转换器(5)转化为左通道数字信号；另外两路相移180°的 光束由所述的右通道平衡接收机(6)进行光电探测变成实数时间信号，并进一步通过所述 的右通道放大及码数转换器(7)转化为右通道数字信号；所述的左通道数字信号和右通道 数字信号通过所述的数字复数化器(8)合并转化为复数时间信号，该复数时间信号通过所 述的图像处理器(9)将复数时间信号处理成为目标输出图像(10)，所述的图像处理器(9) 的处理包括距离向的傅立叶变换聚焦和方位向的共轭空间相位二次项匹配滤波。
2.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统， 其特征在于所述的2X4 90°光学桥接器(3)包括光束的自由空间传播结构，或光束在光 纤或光波导中的导波传输结构。
全文摘要
一种合成孔径激光成像雷达光学桥接外差接收和复值处理系统，用于在合成孔径激光成像雷达的光学接收天线之后的目标回波信号的光学外差接收和光学处理，核心原理是采用2×4 90°光学桥接器实现两路外差平衡接收，得到具有90°相移的两路回波和本振外差产生的实数信号，即复数信号的实部和虚部，然后通过数字化处理合并为复数信号，再经过数字图像处理包括距离向采用傅立叶变换实现距离向聚焦和方位向采用共轭相位二次项匹配滤波实现方位向聚焦而最终得到目标像输出。本发明具有接收灵敏度高，复数化准确性高，光学天线方向性等因素的影响小，目标点之间的相互干扰小的特点，是合成孔径激光成像雷达的重要的关键技术改进。
文档编号G01S7/48GK102004243SQ20101029864
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29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