基于M序列相位编码和正交偏振复用的合成孔径激光成像雷达

摘要

一种基于M序列相位编码和正交偏振复用的合成孔径激光成像雷达，其构成包括单频激光光源、发射偏振分束器、光学宽带相位调制器、水平偏振光路变换镜、垂直偏振光路变换镜、偏振器、发射偏振合束器，发射主镜；接收偏振分束器、2×490°光学桥接器、同相通道平衡探测器、同相通道模数转换器、90°相移通道平衡探测器、90°相移通道模数转换器、信号处理电路与控制计算机。本发明除拥有直视合成孔径激光成像雷达能消除大气、运动平台等引入的相位误差等优点外，还能自动消除平台连续运动引入的多普勒频移。本发明利用相位编码信号获得距离向信息，能获得较高的激光脉冲重频率、实时调节距离向分辨率、无直视SAIL中由机械相对扫描引入误差等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及合成孔径激光成像雷达，更具体地说，是一种基于M序列相位编码 和正交偏振复用的合成孔径成像雷达。

背景技术

在合成孔径激光成像雷达(SAIL)中，通常发射线性调频脉冲来取得距离向信 息，在方位向则利用平台移动形成与目标点方位向位置有关的二次相位信息；在距 离向传统SAIL利用回波脉冲与本地线性调频信号的外差接收并对差频信号做傅里 叶变换取得距离向信息，在方位向则对不同位置接收到的光场复信号做匹配滤波得 到方位向信息。

这种方式的SAIL由于常常采用调谐脉冲激光器产生脉冲线性调频信号，受激光 器硬件条件的限制，在取得较大调谐范围从而获得较高距离向分辨率的条件下其脉 冲重复频率(PRF)不能达到很高的值，较低的PRF会影响方位向的成像质量；另外 线性调频的激光脉冲信号还易受到非线性啁啾的影响，影响距离向的成像质量。

利用对激光脉冲信号进行相位编码的方式取得距离向信息能够取得很高的PRF， 并且外调制具有很高的灵活性，可以通过子脉冲的时间宽度实时调节系统的距离向 分辨率。但是多数相位编码信号易受到平台连续运动引入的多普勒频移的影响，导 致距离向匹配滤波不能有效聚焦，Frank编码信号虽然一定程度上能克服这种影响， 但是其在光波外调制的实现上需要多阶梯调制电压，实现困难。

直视合成孔径激光雷达(Down-looking SAIL)利用相对扫描的空间抛物面波前 获得与目标点距离向位置成正比的线性相位调制项，在方位向上在同轴正交偏振两 个方向发射不同曲率半径的抛物面波前，采用同轴正交偏振接收，两路光束进入2×4 90°光学桥接器，输出光束两两平衡探测接收，获得位置复数信号。直视SAIL能够 实现正下视的工作模式，但同轴对扫的机械结构较为复杂，且由于机械扫描速度的 限制，也不能取得较高PRF，这是限制目前直视SAIL高分辨率成像的问题之一。

发明内容

本发明针对传统侧视SAIL和直视SAIL的技术优缺点，提出一种基于M序列相 位编码和正交偏振复用的合成孔径成像雷达，并根据新方法设计了一种实现装置。

本发明在H偏振方向(或V偏振方向)上对发射脉冲进行基于M序列的相位编 码调制，在V偏振方向(或H偏振方向)上不进行相位调制，并利用柱面镜(或其 它在方位向上变换发射波前曲率半径的抛物面波前变换系统)将上述两个正交偏振 方向上的光束波前变换为曲率半径不同的二次抛物曲面，发射同轴正交偏振光束。

目标反射回波偏振自差接收，通过2×490°光学桥接器正交平衡探测并复数 数字化后，在距离向(即快时间域)和方位向(即慢时间域)分别通过匹配滤波的 方式求出位置信息。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于M序列相位编码的正交偏振复用合成孔径激光成像雷达，其特点在于 由发射端、接收端和控制与信号处理电路构成：

所述的发射端包括激光光源，沿该激光光源的激光输出方向依次是发射偏振分 束器、水平偏振光路宽带相位调制器、水平偏振器、水平偏振光路变换镜、垂直偏 振光路变换镜、发射偏振合束器和发射主镜；所述的激光光源的输出激光经所述的 发射偏振分束器分为水平偏振光束和垂直偏振光束，所述的水平偏振光束经水平偏 振光路宽带相位调制器进行基于M序列的相位编码调制，再通过水平偏振器控制其 偏振状态，然后通过变换镜改变其波前曲率半径进入所述的发射偏振合束器；所述 的垂直偏振光束经过垂直偏振光路变换镜改变其波前曲率半径进入所述的发射偏 振合束器，两路偏振光束经所述的发射偏振合束器合束后形成同轴正交偏振光束由 发射主镜发射到目标平面上；

所述的接收端包括接收主镜、接收偏振分束器、2×490°光学桥接器、同相通 道平衡探测器、90°相移通道平衡探测器、同相通道模数转换器、90°相移通道模数 转换器和复数化处理器；

目标回波由所述的接收主镜接收，被接收的光束经过接收偏振分束器分为水平 偏振和垂直偏振两路光束，两路光束通过2×490°光学桥接器，输出四路相互相移 90°的同轴干涉光束对，其中0°和180°的两路光束由同相通道平衡探测器接收，90° 和270°的两路光束由90°相移通道平衡探测器接收，同相通道平衡探测器的输出信 号由同相通道模数转换器转换为数字信号，90°相移通道平衡探测器的输出信号由 90°相移通道模数转换器转换为数字信号，同相通道模数转换器和90°相移通道模数 转换器输出的数字信号由复数化处理器处理输出复数数字信号，输出的数字信号通 过信号处理电路处理得到目标的数字图像。

所述的水平偏振变换镜由水平光束偏转器和凸柱面镜构成。

所述的垂直偏振变换镜由垂直光束偏转器和凹柱面镜构成。

本发明具有如下特点：

1、本发明提供一种利用基于M序列的相位编码调制激光脉冲获得目标距离向 位置信息的合成孔径激光成像雷达，外调制的方式相较于线性调频激光器具 有较大的脉冲重复频率、较为灵活的参数设置、无需光学延时线以及免受线 性调频信号中非线性啁啾的影响等特点。

2、本发明基于正交偏振复用，在两个偏振方向发射不同曲率半径的抛物波面， 利用自差接收探测，在顺轨向形成二次相位历程，并通过匹配滤波成像；偏振复用 自差接收的方式不仅具有直视SAIL自动消除相位误差等优点，而且能够有效去除平 台连续运动引入的多普勒频移对相位调制信号匹配滤波的影响。

3、本发明的距离分辨率可以根据相位调制光脉冲子脉冲宽度灵活调节，方位向 分辨率随距离增加而增大。

本发明的技术效果如下：

1、本发明由于采用了同轴自差接收，大大降低了大气、运动平台等相位误差的 影响，提高了雷达系统的鲁棒性。

2、本发明由于采用外相位调制及自差接收解调，无需额外引入本地信号进行外 差接收，避免了初始脉冲相位同步的问题。

3、本发明采用自差接收，无需传统SAIL中的光学延时线。

4、本发明采用外相位调制方式，不需要频率线性啁啾，可以采用具有单频单模 性质的激光光源，扩展了可用波长与激光输出功率，并且与直视SAIL相比，外相位 调制提高了激光的脉冲重复频率。

5、本发明由于采用了同轴自差接收，与单纯的相位调制编码激光雷达相比，能 够有效去除由于平台连续运动引入的多普勒频移对相位编码脉冲距离向压缩的影响。

附图说明

图1为本发明基于M序列相位编码和正交偏振复用的合成孔径激光成像雷达原 理示意图。

图2与图3为本发明基于M序列相位编码的正交偏振复用合成孔径激光成像雷 达的一个实施例的结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

图1是基于M序列相位编码和正交偏振复用的合成孔径激光成像雷达的原理示 意图。由图可见，本发明基于M序列相位编码和正交偏振复用的合成孔径激光成像 雷达包括发射端、接收端和控制及信号处理电路构成。所述的发射端包括：单频、 单模激光器1、发射偏振分束器2、水平偏振光路宽带相位调制器3、水平偏振器4、 水平偏振光路变换镜5、垂直偏振光路变换镜6、发射偏振合束器7和发射主镜8； 所述的接收端包括接收主镜9、接收偏振分束器10、2×490°光学桥接器11、同相 通道平衡探测器12、90°相移通道平衡探测器13、同相通道模数转换器14、90°相 移通道模数转换器15、复数化处理器16和控制及信号处理电路17。

图2是上述原理图的一个实施例结构图。激光光源输出的偏振光束经过发射偏 振分束棱镜分为H偏振光路与V偏振光路，其中H偏振光束通过宽带相位调制器， 其相位经过基于M序列的编码调制，再通过偏振控制器保持其H偏振态，然后通过 H偏振光束偏转器改变传播方向，再通过凸柱面透镜(曲面沿方位向)，改变其光波 波前。设定进入宽带相位调制器前的光波为平面波，凸柱面透镜的焦距为R₁，通过 凸柱面透镜的光场可以写为：$e_H^{\mathrm{in}}(x,y)=\exp (-\mathrm{j\pi }\frac{y^2}{\lambda R_1})\exp \left[j({\omega }_{0}t+{\theta }_H\left(t\right)\right]$

其中，设定光场为单位振幅，y代表方位向，ω₀代表光波频率，θ_H(t)代表相位调 制项，在M序列相位编码的情况下，

${\theta }_H\left(t\right)=\left(\begin{array}{c}\pi ,{\mathrm{b\tau }}_p\le t\le (b+1){\tau }_p\\ 0,a{\tau }_p\le t\le (a+1){\tau }_p\end{array}\right),0\le a,b\le N-1;a,\mathrm{b>}$

其中，τ_p表示子脉冲宽度，N表示子脉冲数目。V偏振光路的光束经过焦距为-R₁的 凹柱面透镜(曲面沿方位向)，设定入射单位振幅平面波，通过凹柱面透镜的光场 表示为：

$e_V^{\mathrm{in}}(x,y)=\exp \left(\mathrm{j\pi }\frac{y^2}{\lambda R_1}\right)\exp \left(j{\omega }_{0}t\right)$

其中，由于其对成像没有影响，上式忽略了常数项光波相位。上述H偏振光束和V 偏振光束经由发射偏振合束器合束为同轴正交偏振光，再通过发射主镜扩束发射出 去。

发射光在目标面(x_p,y_p)上的光场表示为：

$e_H^T(x_p,y_p,t)=\exp (-\mathrm{j\pi }\frac{{(y_p-\beta t_s)}^2}{\lambda {R_1}^{\prime }})\exp \left[j\frac{\pi }{\mathrm{\lambda Z}}({(y_p-\beta t_s)}^2+x_p^2)\right]\exp \left[j({\omega }_{0}t+{\theta }_H(t-\frac{\tau }{2})\right],$

$e_V^T(x_p,y_p,t)=\exp \left(\mathrm{j\pi }\frac{{(y_p-\beta t_s)}^2}{\lambda {R_1}^{\prime }}\right)\exp \left[j\frac{\pi }{\mathrm{\lambda Z}}({(y_p-\beta t_s)}^2+x_p^2)\right]\exp \left(j{\omega }_{0}t\right)$

其中，R₁'＝M²R₁，R₂'＝M²R₂，M表示发射主镜的放大倍数。发射光由目标物反 射，再通过接收主镜，接收主镜前焦面的目标回波表示为：

其中，τ代表光脉冲从发射到接收的延迟时间，Z代表光波传播的距离，β代表平 台的移动速度，和分别代表H偏振和V偏振的相位误差干扰，在同光轴条 件下，有

接收到的回波通过接收主镜，再通过2×490°光学桥接器正交平衡探测及模数 转换后，得到去除直流分量的复数化数字信号，可以表示为：

$e_{\mathrm{IF}}(x,y,t)=C*\exp \left(\mathrm{j\pi }\frac{{(y_p-\beta t_s)}^2}{\lambda R_3}\right)\exp \left(j{\theta }_H(t-\tau )\right),$

其中，C代表包括激光雷达目标截面反射率和光电转换系数的复常数，R₃＝R₁/2， 将此数字信号分别用IPR函数为和m(t)＝exp(-jθ_H(t))的 匹配滤波器进行匹配滤波，即能得到聚焦的信号，从而提取目标的方位向与距离向 信息。

发射激光光源采用波长为1.55μm的单模激光器。激光光源的平行光口径为 12mm×6mm(x×y方向)，发射偏振分束棱镜的通光口径为20mm×20mm，宽带 光学相位调制器的调制速率为3GHz，凸凹柱面透镜在方位向的焦距分别为±60mm， 发射主镜距两柱面透镜的距离都为120mm，发射主镜通光口径大于20mm，发射主 镜的主要目的是将光束进行扩束，可以用望远镜或透镜组代替。发射光脉冲持续时 间设计约为100μs，M序列子脉冲为0.33ns，根据脉冲持续时长与子脉冲时间宽度 的关系，可以采用18位M序列编码，当距离向成像范围较窄，如30m时，可以采 用周期约为0.2μs的周期性重复M序列相位编码，每个周期采用9位的M序列编码， 子脉冲宽度仍为0.33ns，100μs光脉冲重复数为500个，这时只要在0.2μs的范围 内对回波进行匹配滤波便不会造成距离模糊。激光脉冲重复频率可取为5kHz。光 学接收主镜口径为φ200mm，光学桥接器通光口径为φ5mm，A/D转换器的采样率 为5GHz。