合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法

摘要

一种合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法，用于对合成孔径激光成像雷达的目标回波数据进行成像处理，其构成包括激光器、起偏器、准直扩束器、离焦柱面望远镜、相位加载单元、检偏器、傅里叶变换透镜、平面反射镜、图像传感器、计算机，核心原理为相位加载单元加载SAIL回波信号相位数据，离焦柱面望远镜对方位向二次项相位进行补偿，傅里叶变换透镜进行两维傅里叶变换成像结果经过平面反射镜进行“镜像”消除后由图像传感器接收并由计算机存储显示。能够调节离焦柱面望远镜的离焦量以适应不同探测距离下的SAIL的回波信号的聚焦成像处理，实现了统一工作的目的，节省成本，提高效率，是合成孔径激光成像雷达的重要技术改进。

说明书

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光学 成像系统与光学成像方法，能够利用光学成像处理的方式实现不同探测距离下的合 成孔径激光成像雷达照射目标的孔径合成成像。

背景技术

合成孔径激光成像雷达(SAIL)的原理取之于射频领域的合成孔径雷达（SAR） 原理，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。 合成孔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 在距离向包含距离信息和在方位向包含相位历程信息的回波差频信号。目标面上每 个点的回波信号相位距离向为与距离向快时间有关的线性项相位，方位向为与方位 向慢时间有关的二次项相位。

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 synthetic  aperture 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.5791 pp152-166(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,“Synthetic  aperture 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,Andrew  Malm,Andy Gleason“Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration，”】。

在上述所有相关报道中【参见文献1、2、3、4、5、6】，回波信号的成像处理 方式都是数字成像处理方式，即将光电接收和数字化之后的回波信号首先进行快速 傅里叶变换实现目标距离向聚焦成像，然后将距离向聚焦成像后的信号采用空间的 二次项匹配滤波实现目标的方位向聚焦成像。这两步在时间上有先后顺序，不能同 时进行，需要相对较长的成像处理时间，另外，在合成孔径激光成像雷达中，根据 探测目的，探测环境等因素要求，合成孔径激光成像雷达会以不同探测距离进行工 作，因此回波信号的各个参数会随着雷达不同探测距离的改变而改变，在数字成像 处理方式中，需要更改大量参量以适应雷达不同探测距离下的回波信号的成像处理。 在先技术【文献7：孙志伟，职亚楠，孙建锋，周煜，戴恩文，刘立人，卢栋，许 倩，合成孔径激光成像雷达的光学成像处理装置，发明专利，申请号： 201210487193.9】中，提出利用光学成像的方式对合成孔径激光成像雷达的回波信 号进行成像处理，但是，这种光学成像处理装置只能适应一种特定特定探测距离下 的合成孔径激光成像雷达的回波信号的成像处理，如果对其它探测距离下的合成孔 径激光成像雷达的回波信号进行成像处理的话，需要更改装置里的元件，成本较高， 处理效率较低。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提出了一种合成孔径激光成像雷达的光学成像系 统与光学成像方法，可以适应不同探测距离下的合成孔径激光成像雷达的回波信号 的聚焦成像处理，是合成孔径激光成像雷达的重要的技术改进。

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光学成像系统，其特征在于其构成包括激光器、 起偏器、准直扩束器、离焦柱面望远镜、相位加载单元、检偏器、平面反射镜、图 像传感器和计算机，所述的离焦柱面望远镜依次包括第一柱面透镜、第二柱面透镜， 所述的相位加载单元依次包括数据处理与相位提取模块、纯相位液晶空间光调制器， 沿所述的激光器的激光输出的主光轴上依次是所述的起偏器、准直扩束器、离焦柱 面望远镜的第一柱面透镜、第二柱面透镜、纯相位液晶空间光调制器、检偏器、傅 里叶变换透镜、平面反射镜和图像传感器，该图像传感器的输出端与所述的计算机 的第二输入端相连，该计算机的输出端接所述的数据处理与相位提取模块的输入端， 该计算机的第一输入端接合成孔径激光成像雷达的回波信号接收系统，所述的数据 处理与相位提取模块的输出端接所述的纯相位液晶空间光调制器的输入端；所述的 第一柱面透镜的母线方向与所述的第二柱面透镜的母线方向平行，所述的第二柱面 透镜的母线方向与所述的纯相位液晶空间光调制器的距离向的方向平行，所述的第 一柱面透镜和第二柱面透镜之间的离焦量为Δl，式中，λ 为所述的激光器的发射激光波长，f₂为所述的第二柱面透镜的焦距，B_s为合成孔径 激光成像雷达的光学足趾的方位向宽度，b为所述的纯相位液晶空间光调制器的方 位向的宽度，λ_s为合成孔径激光成像雷达的发射激光的中心波长，F为合成孔径激 光成像雷达的光学足趾的等效曲率半径，所述的纯相位液晶空间光调制器的前表面 位于所述的第二柱面透镜的后焦面上，所述的纯相位液晶空间光调制器的后表面位 于所述的傅里叶变换透镜的前焦面上，所述的图像传感器的感光面位于所述的傅里 叶变换透镜的后焦面上，所述的起偏器与所述的检偏器的偏振方向均与所述的纯相 位液晶空间光调制器的方位向的方向平行，所述的激光器输出激光的主光轴与所述 的平面反射镜的前表面法线的夹角为45°。

所述的图像传感器是CCD或者CMOS。

一种合成孔径激光成像雷达的光学成像方法，其特点在于，该方法包括如下步 骤：

①通过测量确定合成孔径激光成像雷达到面目标中心的探测距离z₀，确定所述 的合成孔径激光成像雷达的发生激光的中心波长λ_s、合成孔径激光成像雷达的发射 系统的发射口径的方位向的宽度S_y，通过所述的合成孔径激光成像雷达的光学足趾 的等效曲率半径F的计算公式：F＝z₀/2计算得到所述的F的具体数值，通过所述 的合成孔径激光成像雷达的光学足趾的方位向的宽度B_s的计算公式：B_s＝2λ_sz₀/S_y计算得到所述的B_s的具体数值，然后根据所述的第一柱面透镜与第二柱面透镜之间 的离焦量Δl的表达式计算得到离焦量Δl的具体数值，并调节 所述的第一柱面透镜与第二柱面透镜之间的离焦量Δl为所述的离焦量Δl的具体数 值；

②合成孔径激光成像雷达的发射系统对面目标发射线性调频的啁啾脉冲激光， 所述的线性调频的啁啾脉冲激光经过所述的面目标反射后由接收系统进行相干外差 接收，接收后得到的回波信号存储在所述的计算机中，该计算机中存储的所述面目 标上第k个点目标的回波信号为I_k(t_f,mT_sv)：

$I_k(t_f,{\mathrm{mT}}_{s}v)=A_k\sin c^2\left(\frac{S_x{x}_k}{{\lambda }_s{z}_0}\right)\sin c^2\left[\frac{S_y(y_k-{\mathrm{mT}}_{s}v)}{{\lambda }_s{z}_0}\right]\mathrm{rect}\left(\frac{t_f-C_s}{T}\right)\times$

$\left[1\right]$

$\cos [2\mathrm{\pi \rho }\frac{2\Delta z_k}{c}{t}_f+\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{(y_k-{\mathrm{mT}}_{s}v)}^2]$

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 学系统结构、自由空间光传输、目标复反射率特性等有关的常数。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-mT_sv)/λ_sz₀]，S_y为雷达发射口 径方位向宽度，λ_s为雷达发射激光中心波长，z₀为雷达运动轨迹到轨迹投影交线的 距离，m为雷达沿方位向的采样序号，设定m＝0为雷达对第k个目标散射点进行数 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/λ_sz₀)，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，距离向时间采样窗口 函数为：rect(nT_f-C_s/T)，其中T＝t_stop-t_start，t_start,t_stop分别为外差信号的采集开始 与结束时间，距离向时间采样中心位置为C_s＝(t_start+t_stop)/2，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F＝z₀/2；

③所述的点目标的回波信号I_k(t_f,mT_sv)由所述的计算机传输到所述的数据处理 与相位提取模块，所述的数据处理与相位提取模块对所述的点目标的回波信号 I_k(t_f,mT_sv)进行复数化处理后为I′(t_f,nΔt_sv)：

$I^{\prime }(t_f,{\mathrm{n\Delta t}}_{s}v)=A_k{\sin c}^2\left(\frac{S_x{x}_k}{{\lambda }_s{z}_0}\right){\sin c}^2\left[\frac{S_y(y_k-{\mathrm{mT}}_{s}v)}{{\lambda }_s{z}_0}\right]\mathrm{rect}\left(\frac{t_f-C_s}{T}\right)\times$

$\left[2\right]$

$\exp [j2\mathrm{\pi \rho }\frac{2\Delta z_k}{c}{t}_f+j\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{(y_k-{\mathrm{mT}}_{s}v)}^2]$

所述的I′(t_f,nΔt_sv)经过所述的数据处理与相位提取模块进行相位提取后的相位 信号为

④所述的相位信号依次经过所述的数据处理与相位提取模块的输出 端、数据线、所述的纯相位液晶空间光调制器的输入端加载到该纯相位液晶空间光 调制器上作为其相位调制函数，所述的纯相位液晶空间光调制器距离向宽度为a， 位于x坐标轴，加载距离向相位信号，方位向宽度长为b，位于y坐标轴，加载方位 向相位信号，相位信号加载过程中，上述合成孔径激光成像雷达回波的相位信号的 距离向时间坐标，方位向空间坐标(t_f,mT_sv)与所述的纯相位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}{a}x,$${\mathrm{mT}}_{s}v=\frac{B_s}{b}y---\left[4\right]$

式中，T为雷达距离向时间采样宽度，B_s为雷达光学足趾方位向宽度，经过如上[4] 式坐标变换关系后，加载到所述的纯相位液晶空间光调制器上的相位调制函数为

则所述的纯相位液晶空间光调制器（52）的相位调制函数为I_l(x,y)：

$I_l(x,y)=\exp [j2\pi \frac{{2\mathrm{\Delta z}}_k\mathrm{T\rho }}{\mathrm{ac}}x+j\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{(\frac{b}{B_s}{y}_k-y)}^2]---\left[6\right]$

⑤所述的激光器发出的激光器经过所述的起偏器起偏后再经过所述的准直扩束 器后成为扩束准直的平面光波，所述的第一柱面透镜的焦距为f₁，所述的第二柱面 透镜的焦距为f₂，该第一柱面透镜、第二柱面透镜之间的离焦量为 则上述垂直入射的平面光波依次经过所述的第一柱面透镜、 第二柱面透镜后在所述的第二柱面透镜的后焦面处产生的光场为I_c(y)：

$I_c\left(y\right)=\exp (-j\frac{\pi }{\lambda f_2^2/\mathrm{\Delta l}}{y}^2)=\exp [-j\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{y}^2]---\left[7\right]$

所述的I_c(y)经过所述的纯相位液晶空间光调制器按下列[8]式进行相位调制后在该 纯相位液晶空间光调制器的后表面处的光场为I_o(x,y)：

$I_o(x,y)=I_l(x,y)\times I_c(x,y)$

$=\exp [j2\pi \frac{{2\mathrm{\Delta z}}_k\mathrm{T\rho }}{\mathrm{ac}}x+j\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{(\frac{b}{B_s}{y}_k-y)}^2]\times \exp [-j\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{y}^2]---\left[8\right]$

$=\exp \left(j2\pi \frac{{2\mathrm{\Delta z}}_k\mathrm{T\rho }}{\mathrm{ac}}x\right)\exp (-j\frac{2\pi }{{\lambda }_{s}F}\frac{B_s}{b}{y}_{k}y)\exp \left(j\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{y}_k^2\right)$

⑥所述的I_o(x,y)经过所述的检偏器后再经过所述的傅里叶变换透镜按下列[9] 式进行两维傅里叶变换，然后经过所述的平面反射镜进行消“镜像”后传输到所述 的图像传感器的感光面上，所述的傅里叶变换透镜的焦距为f_t，所述的傅里叶变换 透镜的后焦面即所述的图像传感器的感光面的距离向、方位向的空间坐标为(ξ,η)， 所述的图像传感器感光面处的光场即所述的第k个点目标的成像结果为I_i(ξ,η)：

$I_i(\xi ,\eta )=\mathrm{fft}\left\{I_o(x,y)\right\}$

$=\underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}\underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}\left(\begin{array}{c}\exp \left(j2\pi \frac{{2\mathrm{\Delta z}}_k\mathrm{T\rho }}{\mathrm{ac}}x\right)\exp (-j\frac{2\pi }{{\lambda }_{s}F}\frac{B_s}{b}{y}_{k}y)\times \\ \exp (-j2\pi \frac{\xi }{\lambda f_t}x+j2\pi \frac{\eta }{\lambda f_t}y)\mathrm{rect}\left(\frac{x}{a}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{b}\right)\end{array}\right)\mathrm{dxdy}---\left[9\right]$

$=\sin c\left(\frac{\mathrm{a\xi }}{\lambda f_t}\right)*\delta (\frac{\xi }{\lambda f_t}-\frac{{2\mathrm{\Delta z}}_k\mathrm{T\rho }}{\mathrm{ac}})\times \sin c\left(\frac{\mathrm{b\eta }}{\lambda f_t}\right)*\delta (\frac{\eta }{\lambda f_t}-\frac{B_s{y}_k}{{\lambda }_s\mathrm{Fb}})$

[9]式中省略了常数相位因子：rect(a/x)、rect(b/y)分别为所 述的纯相位液晶空间光调制器的距离向、方位向孔径因子,

所述的第k个点目标的成像结果I_i(ξ,η)由所述的图像传感器进行接收，并经由 数据线传输到所述的计算机中存储在所述的面目标的成像结果的对应位置上；

⑦对所述的面目标上的其他点目标重复上述步骤②、③、④、⑤、⑥，实现对 所述的面目标的成像处理，得到所述的面目标的成像结果通过所述的计算机进行显 示。

当合成孔径激光成像雷达在其它探测距离工作时，按照所述的步骤①、②、③、 ④、⑤、⑥、⑦对所述的其它探测距离下合成孔径激光成像雷达所获得的目标回波 信号进行成像处理，实现对合成孔径激光成像雷达不同探测距离下获得的目标回波 信号的成像处理。

本发明的技术效果：

本发明利用纯相位液晶空间光调制器加载合成孔径激光成像雷达回波信号的相 位数据，激光器发出的激光经过起偏、准直扩束后经过离焦柱面望远镜产生方位向 二次项相位补偿所用的柱面光波照射到纯相位液晶空间光调制器上进行方位向二次 项相位补偿，出射光波经过检偏后经过傅里叶变换透镜进两维傅里叶变换，成像结 果经平面反射镜消除方位向“镜像”后经由图像传感器接收并由计算机进行存储显 示。

本发明仅仅通过调节所述的离焦柱面望远镜的离焦量Δl即可对工作在不同探 测距离下的合成孔径激光成像雷达的目标回波数据进行成像处理，无需更换元件， 即可实现了统一工作的目的，

本发明节省成本，提高效率，是合成孔径激光成像雷达的重要的技术改进。

附图说明

图1是本发明合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法结构示意 图。

图2是本发明中纯相位液晶空间光调制器空间坐标示意图。

图3是本发明中离焦柱面望远镜结构示意图。

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是本发明合成孔径激光成像雷达的光学成像系统结构示意 图。由图可见，本发明合成孔径激光成像雷达的光学成像系统，其构成包括激光器 1、起偏器2、准直扩束器3、离焦柱面望远镜4、相位加载单元5、检偏器6、平面 反射镜8、图像传感器9和计算机10，所述的离焦柱面望远镜4依次包括第一柱面 透镜41、第二柱面透镜42，所述的相位加载单元5依次包括数据处理与相位提取模 块51、纯相位液晶空间光调制器52，沿所述的激光器1的激光输出的主光轴上依次 是所述的起偏器2、准直扩束器3、离焦柱面望远镜4的第一柱面透镜41、第二柱 面透镜42、纯相位液晶空间光调制器52、检偏器6、傅里叶变换透镜7、平面反射 镜8和图像传感器9，该图像传感器9的输出端91与所述的计算机10的第二输入 端102相连，该计算机10的输出端103接所述的数据处理与相位提取模块51的输 入端511，该计算机的第一输入端103接合成孔径激光成像雷达的回波信号接收系 统，所述的数据处理与相位提取模块51的输出端512接所述的纯相位液晶空间光调 制器的输入端521，所述的第一柱面透镜41的母线方向与所述的第二柱面透镜42 的母线方向平行，所述的第二柱面透镜42的母线方向与所述的纯相位液晶空间光调 制器52的距离向的方向平行，所述的第一柱面透镜41和第二柱面透镜42之间的离 焦量为Δl，式中，λ为所述的激光器1的发射激光波长， f₂为所述的第二柱面透镜42的焦距，B_s为合成孔径激光成像雷达的光学足趾的方 位向宽度，b为所述的纯相位液晶空间光调制器的方位向的宽度，λ_s为合成孔径激 光成像雷达的发射激光的中心波长，F为合成孔径激光成像雷达的光学足趾的等效 曲率半径，所述的纯相位液晶空间光调制器52的前表面位于所述的第二柱面透镜 42的后焦面上，所述的纯相位液晶空间光调制器52的后表面位于所述的傅里叶变 换透镜7的前焦面上，所述的图像传感器9的感光面位于所述的傅里叶变换透镜7 的后焦面上，所述的起偏器2与所述的检偏器6的偏振方向均与所述的纯相位液晶 空间光调制器52的方位向的方向平行，所述的激光器1输出激光的主光轴与所述的 平面反射镜8的法线的夹角为45°。

所述的图像传感器9有两种选择，CCD或者CMOS。

下面结合合成孔径激光成像雷达的面目标的回波信号来解释本发明合成孔径激 光成像雷达的光学成像方法的成像处理过程：

首先通过测量确定合成孔径激光成像雷达到面目标中心的探测距离z₀，确定所 述的合成孔径激光成像雷达的发生激光的中心波长λ_s、合成孔径激光成像雷达的发 射系统的发射口径方位向的宽度S_y，通过所述的合成孔径激光成像雷达的光学足趾 的等效曲率半径F的计算公式：F＝z₀/2计算得到所述的F的具体数值，通过所述 的合成孔径激光成像雷达的光学足趾的方位向的宽度B_s的计算公式：B_s＝2λ_sz₀/S_y计算得到所述的B_s的具体数值，然后根据所述的第一柱面透镜41与第二柱面透镜 42之间的离焦量Δl的表达式计算得到离焦量Δl的具体数值， 并调节所述的第一柱面透镜41与第二柱面透镜42之间的离焦量Δl为所述的离焦量 Δl的具体数值；

合成孔径激光成像雷达的发射系统对所述的面目标发射线性调频的啁啾脉冲激 光，发射光波经过所述的面目标反射后由接收系统进行相干外差接收，接收后的信 号存储在所述的计算机中，存储在所述的计算机中的所述的面目标上的第k个点目 标的回波信号为I_k(t_f,mT_sv)：

$I_k(t_f,{\mathrm{mT}}_{s}v)=A_k\sin c^2\left(\frac{S_x{x}_k}{{\lambda }_s{z}_0}\right)\sin c^2\left[\frac{S_y(y_k-{\mathrm{mT}}_{s}v)}{{\lambda }_s{z}_0}\right]\mathrm{rect}\left(\frac{t_f-C_s}{T}\right)\times$

$\cos [2\mathrm{\pi \rho }\frac{2\Delta z_k}{c}{t}_f+\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{(y_k-{\mathrm{mT}}_{s}v)}^2]$

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 收光学系统结构、自由空间光传输、目标复反射率特性等有关的常数。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-mT_sv)/λ_sz₀]，S_y为雷达发 射口径方位向宽度，λ_s为雷达发射激光中心波长，z₀为雷达运动轨迹到轨迹投影交 线的距离，m为雷达沿方位向的采样序号，设定m＝0为雷达对第k个目标散射点进 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/λ_sz₀)，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 窗口函数为：rect(nT_f-C_s/T)，其中T＝t_stop-t_start，t_start,t_stop分别为外差信号的采集 开始与结束时间，距离向时间采样中心位置为C_s＝(t_start+t_stop)/2，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F＝z₀/2。

所述的点目标的回波信号I_k(t_f,mT_sv)由所述的计算机传输到所述的数据处理与 相位提取模块，所述的数据处理与相位提取模块对所述的I_k(t_f,mT_sv)进行复数化处 理后为I′(t_f,nΔt_sv)：

$I^{\prime }(t_f,{\mathrm{n\Delta t}}_{s}v)=A_k{\sin c}^2\left(\frac{S_x{x}_k}{{\lambda }_s{z}_0}\right){\sin c}^2\left[\frac{S_y(y_k-{\mathrm{mT}}_{s}v)}{{\lambda }_s{z}_0}\right]\mathrm{rect}\left(\frac{t_f-C_s}{T}\right)\times$

$\exp [j2\mathrm{\pi \rho }\frac{2\Delta z_k}{c}{t}_f+j\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{(y_k-{\mathrm{mT}}_{s}v)}^2]$

所述的I′(t_f,nΔt_sv)上述信号经过所述的数据处理与相位提取模块进行相位提取 后的相位信号为

上式相位信号由数据线加载到所述的纯相位液晶空间光调制器上作为其相位调制函 数，再请参阅图2，图2是本发明中所述的纯相位液晶空间光调制器空间坐标示意 图，由图可见，所述的纯相位液晶空间光调制器距离向宽度为a，位于x坐标轴，加 载距离向相位信号，方位向宽度长为b，位于y坐标轴，加载方位向相位信号，相 位信号加载过程中，雷达距离向时间采样坐标，方位向空间坐标(t_f,mT_sv)与所述的 纯相位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}{a}x,$${\mathrm{mT}}_{s}v=\frac{B_s}{b}y$

式中，T为雷达距离向时间采样宽度，B_s为雷达光学足趾方位向尺度，经过上述坐 标变换关系后，加载到所述的纯相位液晶空间光调制器上的相位调制函数为

则所述的纯相位液晶空间光调制器的相位调制函数为I_l(x,y)：

$I_l(x,y)=\exp [j2\pi \frac{{2\mathrm{\Delta z}}_k\mathrm{T\rho }}{\mathrm{ac}}x+j\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{(\frac{b}{B_s}{y}_k-y)}^2]$

所述的激光器发出的激光器经过所述的起偏器起偏后再经过所述的准直扩束器 后成为扩束准直的平面光波，再请参阅图3，图3为所述的离焦柱面望远镜结构示 意图，由图可见所述的离焦柱面望远镜的结构，所述的第一柱面透镜的焦距为f₁， 所述的第二柱面透镜的焦距为f₂，两者之间的离焦量为Δl，则垂直入射的平面光波 经过所述的离焦柱面望远镜后在所述的第二柱面透镜的后焦面产生的光场为： 在本发明中，所述的柱面望远镜的离焦量为： 则上述平面光波经过所述的柱面望远镜后在所述的第二柱 面透镜后焦面即纯相位液晶空间光调制器前表面处的光场为I_c(y)：

$I_c\left(y\right)=\exp (-j\frac{\pi }{\lambda f_2^2/\mathrm{\Delta l}}{y}^2)=\exp [-j\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{y}^2]$

所述的I_c(y)经过所述的纯相位液晶空间光调制器进行相位调制后的光场为 I_o(x,y)：

$I_o(x,y)=I_l(x,y)\times I_c(x,y)$

$=\exp [j2\pi \frac{{2\mathrm{\Delta z}}_k\mathrm{T\rho }}{\mathrm{ac}}x+j\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{(\frac{b}{B_s}{y}_k-y)}^2]\times \exp [-j\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{y}^2]$

$=\exp \left(j2\pi \frac{{2\mathrm{\Delta z}}_k\mathrm{T\rho }}{\mathrm{ac}}x\right)\exp (-j\frac{2\pi }{{\lambda }_{s}F}\frac{B_s}{b}{y}_{k}y)\exp \left(j\frac{\pi }{{\lambda }_{s}F}{y}_k^2\right)$

所述的I_o(x,y)上述光场经过所述的检偏器后再经过所述的傅里叶变换透镜按 下式进行两维傅里叶变换，然后经过所述的平面反射镜进行消“镜像”后传输到所 述的图像传感器的感光面上，所述的傅里叶变换透镜的焦距为f_t，所述的傅里叶变 换透镜的后焦面即所述的图像传感器的感光面的距离向、方位向的空间坐标为 (ξ,η)，所述的图像传感器感光面处的光场为I_i(ξ,η)：

$I_i(\xi ,\eta )=\mathrm{fft}\left\{I_o(x,y)\right\}$

$=\underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}\underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}\left(\begin{array}{c}\exp \left(j2\pi \frac{{2\mathrm{\Delta z}}_k\mathrm{T\rho }}{\mathrm{ac}}x\right)\exp (-j\frac{2\pi }{{\lambda }_{s}F}\frac{B_s}{b}{y}_{k}y)\times \\ \exp (-j2\pi \frac{\xi }{\lambda f_t}x+j2\pi \frac{\eta }{\lambda f_t}y)\mathrm{rect}\left(\frac{x}{a}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{b}\right)\end{array}\right)\mathrm{dxdy}$

$=\sin c\left(\frac{\mathrm{a\xi }}{\lambda f_t}\right)*\delta (\frac{\xi }{\lambda f_t}-\frac{{2\mathrm{\Delta z}}_k\mathrm{T\rho }}{\mathrm{ac}})\times \sin c\left(\frac{\mathrm{b\eta }}{\lambda f_t}\right)*\delta (\frac{\eta }{\lambda f_t}-\frac{B_s{y}_k}{{\lambda }_s\mathrm{Fb}})$

上式省略了常数相位因子：rect(a/x)、rect(b/y)分别为所述的 纯相位液晶空间光调制器距离向、方位向孔径因子。

由上式可得，对于所考察第k个点目标：

a)所成点像距离向坐标：距离向成像分辨率为：

b)所成点像方位向坐标：方位向成像分辨率为：

在不利用所述的平面反射镜进行“镜像”消除时，目标面上方位向坐标不同的 两个点，通过上述成像过程成像所得像点的沿方位向的相对位置关系与原点目标的 沿方位向的相对位置关系相反，因此，对于面目标所成的像相对于方位向零点发生 了“镜像”，因此在所述的傅里叶变换透镜与图像传感器之间加上一个所述的平面反 射镜来消除上述“镜像”效应，所述的激光器发出激光的主轴与所述的平面反射镜 的前表面的法线夹角为45°。

所述的第k个点目标的成像结果I_i(ξ,η)由所述的图像传感器9进行接收，并经 由数据线传输到所述的计算机10中存储在所述的面目标的成像结果的对应位置上；

对所述的面目标上的其他点目标重复上述步骤②、③、④、⑤、⑥，实现对所 述的面目标的成像处理，得到所述的面目标的成像结果通过所述的计算机（10）进 行显示，对于目标平面上距离向宽度、方位向宽度分别为Δz、Δy的面目标来说， 在(ξ,η)平面上所成面像的尺寸为：Δξ＝2Tρλf_tΔz/(ac)，Δη＝B_sλf_tΔy/λ_sFb，

当合成孔径激光成像雷达在其它探测距离工作时，按照所述的步骤①、②、③、 ④、⑤、⑥、⑦对所述的其它探测距离下合成孔径激光成像雷达所获得的目标回波 信号进行成像处理，实现对合成孔径激光成像雷达不同探测距离下获得的目标回波 信号的成像处理，实现了统一工作的目的。

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，下面给出雷达系统及目标的参数：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，雷达方位向步进长度：T_sv＝0.1mm，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：f＝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，所 用激光器输出波长为：λ＝632.8nm，所用纯相位液晶空间光调制器的尺寸： a＝15.36mm，加载方位向相位数据，b＝8.64mm，加载距离向相位数据，所用柱 面离焦柱面望远镜的离焦量为：Δl＝7.2mm，所用第一柱面透镜、第二柱面透镜的 焦距均为150mm，尺寸均为：25mm×25mm，所用的傅里叶变换透镜的焦距为 f_t＝200mm。

在合成孔径激光成像雷达中，传统的雷达回波数据的成像处理方式都是数字处 理方式，即将光电接收和数字化之后的回波信号首先进行快速傅里叶变换实现目标 距离向聚焦成像，然后将距离向聚焦成像后的信号采用空间的二次项匹配滤波实现 目标的方位向聚焦成像。这两步在时间上有先后顺序，不能同时进行，需要较长的 成像处理时间，另外，在合成孔径激光成像雷达中，根据探测目的，探测环境等因 素要求，合成孔径激光成像雷达会以不同的探测距离进行工作，因此回波信号的各 个参数会随着雷达的探测距离的改变而改变，在数字成像处理方式中，需要更改大 量参量以适应雷达不同探测距离下的回波信号的成像处理。

本发明合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法提出首先确定合 成孔径激光成像雷达的探测距离以确定离焦望远镜的离焦量，然后对雷达回波信号 进行复数化、抽样、相位提取，所提取的相位信号作为纯相位液晶空间光调制器的 相位调制函数，由激光器发出的激光经过起偏器变为线偏光，偏振方向与纯相位液 晶空间光调制器的方位向平行，经过准直扩束器进行扩束准直，然后经过离焦柱面 望远镜形成方位向二次项相位补偿所需的柱面光波，然后照射到纯相位液晶空间光 调制器上，经过纯相位液晶空间光调制器相位调制后经过检偏器进行检偏，然后经 过傅里叶变换透镜进行两维傅里叶变换，再由平面反射镜消除“镜像”后由图像传 感器接收成像结果并由计算机进行存储显示。对于工作不同探测距离下的合成孔径 激光成像雷达所获得的目标回波数据，仅仅需要调节所述的离焦柱面望远镜的离焦 量即可适应相应探测距离的雷达回波信号的成像处理，无需更换元件，实现了统一 工作的目的，另外，本发明节省成本，提高效率，是合成孔径激光成像雷达的重要 技术改进。