基于带通滤波的合成孔径激光成像雷达的光学处理器

摘要

一种基于带通滤波的合成孔径激光成像雷达的光学处理器，利用光学成像处理手段对合成孔径激光成像雷达的目标回波数据进行成像处理，其基本构成包括，激光器、准直扩束单元、合成孔径激光成像雷达回波数据存储单元、透射式强度型液晶空间光调制器、第球面透镜、狭缝、第二球面透镜、柱面透镜、第三球面透镜以及光屏，基本原理为合成孔径激光成像雷达回波数据存储单元接收到的目标回波数据加载到强度型液晶空间光调制器上对入射平面光波进行调制，出射光波经过带通滤波后，距离向与方位向同时实现聚焦，成像结果经过放大后显示于光屏上。此系统实现了合成孔径激光成像雷达强度回波信号的带通滤波，且成像结果易于观察，在未来机载以及星载合成孔径激光成像雷达系统中有广泛应用前景。

说明书

技术领域

本发明涉及合成孔径激光成像雷达，特别是一种基于带通滤波的合成孔径激光成像雷达的光学处理器，利用滤波器完成带通滤波，然后同时实现雷达回波信号距离向、方位向聚焦，成像结果显示在光屏上。

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数据。目标面上每个点的回波数据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.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,“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】，回波数据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数据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数据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。尤其是随着未来机载以及星载SAIL系统对回波数据量的大大增加，对上述数字处理技术提出了严峻的挑战。在先技术【文献7：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自聚焦成像装置与成像方法，发明专利，申请号：201410088151.7】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数据进行成像处理。对于强度型的合成孔径激光成像雷达回波信号，距离向傅里叶变换后在距离向频谱面上有三部分，正频、负频以及零频，但是方位向相位二次项匹配滤波过程中能够实现方位向聚焦的只有负频部分，另外，零频光强要远远强于负频光强，因此，不能实现聚焦的正频以及零频部分会严重影响成像结果的观察，但是，此发明专利并没有涉及正频以及零频部分的滤除。除此之外，由于此发明专利中光学成像结果较小，只能利用CCD接收成像结果再由计算机进行显示，成像过程较复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提出了一种基于带通滤波的合成孔径激光成像雷达的光学处理器，首先利用带通滤波器对合成孔径激光成像雷达回波信号的零频、正频部分进行滤除，然后同时完成距离向、方位向聚焦成像，成像结果由光屏显示。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于带通滤波的合成孔径激光成像雷达的光学处理器，其特征在于其构成包括激光器、准直扩束单元，合成孔径激光成像雷达数据接收单元，透射式强度型液晶空间光调制器，第一球面透镜，狭缝，第二球面透镜，柱面透镜，第三球面透镜，光屏，沿所述的激光器发出的激光光轴方向上依次是所述的准直扩束单元，透射式强度型液晶空间光调制器，第一球面透镜，狭缝，第二球面透镜，柱面透镜，第三球面透镜，光屏，所述的合成孔径激光成像雷达数据接收单元的输入端接合成孔径激光成像雷达回波接收望远镜，所述的合成孔径激光成像雷达数据接收单元的 输出端接所述的透射式强度型液晶空间光调制器的信号输入端；

所述的透射式强度型液晶空间光调制器位于所述的第一球面透镜的前焦面上，所述的第一球面透镜的后焦面与所述的第二球面透镜的前焦面重合，该第一球面透镜的焦距为f₁，所述的狭缝位于所述的第一球面透镜的后焦面上，该狭缝的开口方向与所述的透射式强度型液晶空间光调制器的距离向数据加载方向平行，该狭缝的宽度为d，该狭缝的中心与所述的激光器所发射激光的光轴的距离为Δξ＝(2Δz_kT_fλ_if₁f_LFM)/(ac)，Δz_k为点目标到合成孔径激光成像雷达接收望远镜的等效距离，T_f为回波数据距离向快时间采样宽度，λ_i为所述的激光器所发射激光波长，f_LFM为合成孔径激光成像雷达发射激光频率的线性调制速率，a为所述的透射式强度型液晶空间光调制器距离向数据加载宽度，c为光在真空中的传播速度，所述的柱面透镜位于所述的第二球面透镜的后焦面上，所述的第二球面透镜的焦距为f₂，所述的柱面透镜的母线方向与所述的透射式强度型液晶空间光调制器的方位向数据加载方向平行，该柱面透镜的焦距为λ为合成孔径激光成像雷达发射激光中心波长，M＝f₂/f₁，b所述的透射式强度型液晶空间光调制器方位向数据加载宽度，B_s为合成孔径激光成像雷达光学足趾方位向宽度，F光学足趾等效曲率半径，所述的柱面透镜的后焦面与所述的第三球面透镜的前焦面的距离为d₁，所述的第三球面透镜的焦距为f₄，所述的第三球面透镜的后焦面与所述的光屏的距离为d₁与d₂的大小关系为d₁＜d₂。

本发明的技术效果：

本发明提出将合成孔径激光成像雷达数据接收系统接收到的目标回波强度数据直接加载到透射式强度型液晶空间光调制器上，然后调制入射光强，利用两个球面透镜组以及狭缝组成的带通滤波器对回波信号的零频以及正频部分进行滤除，然后同时实现距离向、方位向聚焦成像，成像结果经过球面透镜放大后由光屏直接显示。

本发明中加入了带通滤波系统，滤除了无法实现聚焦且对成像结果由较严重影响的零频、正频部分，且成像结果经过放大后由光屏显示，便于直接观察，无需CCD，成像步骤简单，是合成孔径激光成像雷达数据处理系统尤其是光学成像系统的重要改进。

附图说明

图1是本发明基于带通滤波的合成孔径激光成像雷达的光学处理器结构示意图，图中10为激光器，1为准直扩束单元，2为合成孔径激光成像雷达数据接收单元，3为透射式强度型液晶空间光调制器，4为第一球面透镜，5为狭缝，6为第二球面透镜，7为柱面透镜，8为第三球面透镜，9为光屏。

图2为本发明中透镜、狭缝以及光屏的相对位置示意图。

图3是本发明坐标系统示意图。

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是本发明基于带通滤波的合成孔径激光成像雷达的光学处理器结构示意图。由图可见，本发明基于带通滤波的合成孔径激光成像雷达的光学处理器，其构成包括激光器10、准直扩束单元1，合成孔径激光成像雷达数据接收单元2，透射式强度型液晶空间光调制器3，第一球面透镜4，狭缝5，第二球面透镜6，柱面透镜7，第三球面透镜8，光屏9，沿所述的激光器10发出的激光光轴方向上依次是所述的准直扩束单元1、透射式强度型液晶空间光调制器3，第一球面透镜4，狭缝5，第二球面透镜6，柱面透镜7，第三球面透镜8，光屏9，所述的合成孔径激光成像雷达数据接收单元2的输入端21接合成孔径激光成像雷达回波接收望远镜，所述的合成孔径激光成像雷达数据接收单元2的输出端22接所述的透射式强度型液晶空间光调制器3的信号输入端31，

再请参阅图2，图2是本发明中透镜、狭缝以及光屏的相对位置示意图，由图可见，所述的透射式强度型液晶空间光调制器3位于所述的第一球面透镜4的前焦面上，所述的第一球面透镜4的后焦面与所述的第二球面透镜6的前焦面重合，该第一球面透镜4的焦距为f₁，所述的狭缝5位于所述的第一球面透镜4的后焦面上，该狭缝5的开口方向与所述的透射式强度型液晶空间光调制器3的距离向数据加载方向平行，该狭缝5的宽度为d，该狭缝5的中心与所述的激光器10所发射激光的光轴的距离为Δξ＝(2Δz_kT_fλ_if₁f_LFM)/(ac)，Δz_k为点目标到合成孔径激光成像雷达接收望远镜的等效距离，T_f为回波数据距离向快时间采样宽度，λ_i为所述的激光器 10所发射激光波长，f_LFM为合成孔径激光成像雷达发射激光频率的线性调制速率，a为所述的透射式强度型液晶空间光调制器3距离向数据加载宽度，c为光在真空中的传播速度，所述的柱面透镜7位于所述的第二球面透镜6的后焦面上，所述的第二球面透镜6的焦距为f₂，所述的柱面透镜7的母线方向与所述的透射式强度型液晶空间光调制器3的方位向数据加载方向平行，该柱面透镜7的焦距为λ为合成孔径激光成像雷达发射激光中心波长，M＝f₂/f₁，b所述的透射式强度型液晶空间光调制器3方位向数据加载宽度，B_s为合成孔径激光成像雷达光学足趾方位向宽度，F光学足趾等效曲率半径，所述的柱面透镜7的后焦面与所述的第三球面透镜8的前焦面的距离为d₁，所述的第三球面透镜8的焦距为f₄，所述的第三球面透镜8的后焦面与所述的光屏9的距离为d₁与d₂的大小关系为d₁＜d₂。

下面采用一个目标点来解释本发明基于带通滤波的合成孔径激光成像雷达的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系统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合成孔径激光成像雷达数据接收单元进行接收，接收的目标回波数据为i(x_k,y_k:t_f,vt_s)：

$\left(\begin{array}{c}i(x_k,y_k:t_f,t_s)=E_0+A_k\sin c^2\left[\frac{S_y(y_k-v{t}_s)}{\mathrm{\lambda Z}}\right]\mathrm{rect}\left(\frac{t_f-T_f/2}{T_f}\right)\times \\ \cos [2\pi \frac{2\Delta z_k}{c}{f}_{\mathrm{LFM}}{t}_f+\frac{\pi }{\mathrm{\lambda F}}{(y_k-v{t}_s)}^2]\end{array}\right)$

其中，E₀为回波数据直流项，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。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，由雷达发射与接收结构确定的方位向方向性函数为：sin>2[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，距离向时间采样宽度T_f，雷达 发射激光频率线性调制速率为f_LFM，Δz_k为目标雷达等效距离，c为光速，雷达光学足趾等效曲率半径为F，雷达光学足趾方位向宽度为B_s＝2λZ/S_y。

再请参阅图3,图3为本发明坐标系统示意图，图中纵向代表距离向，横向代表方位向，所述的透射式强度型液晶空间光调制器位于(α,β)平面，所述的第一球面透镜的后焦面位于(ξ,η)平面，所述的第二球面透镜的后焦面位于(u,v)平面，所述的柱面透镜的后焦面位于(x,y)平面，所述的光屏位于(x′,y′)平面。

设定所述的透射式强度型液晶空间光调制器的距离向、方位向数据加载宽度分别为a、b，经过数据加载后，所述的透射式强度型液晶空间光调制器对入射光的调制函数为t(x_k,y_k:α,β)：

$\left(\begin{array}{c}t(x_k,y_k:\alpha ,\beta )=E_0+A_k\sin c^2\left[\frac{2({\mathrm{by}}_k/B_s-\beta )}{b}\right]\mathrm{rect}\left(\frac{\alpha }{a}\right)\times \\ \mathrm{rect}\left(\frac{\beta }{b}\right)\cos [2\pi \frac{2\Delta z_k{T}_f{f}_{\mathrm{LFM}}}{\mathrm{ac}}\alpha +\frac{\pi }{\mathrm{\lambda F}}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{(\frac{b}{B_s}{y}_k-\beta )}^2]\end{array}\right)$

式中，为所述的透射式强度型液晶空间光调制器的孔径因子，上述光场经过所述的第一球面透镜进行傅里叶变换后，在(ξ,η)平面上的光场为：

式中，B(x_k,y_k)考虑了常数相位与常数，δ为狄拉克函数，λ_i为所述的激光器及准直扩束单元发射激光波长，f₁为所述的第一球面透镜的焦距，为傅里叶变换算符，*为卷积算符。

由上式得，经过傅里叶变换后，(ξ,η)平面上有三部分光场，分别为正频、零频以及负频部分，所述的狭缝中心位于负频部分，宽度为d，经过该狭缝带通滤波后的光场为：

式中，Δξ＝(2Δz_kT_fλ_if₁f_LFM)/(ac)，上述光场经过所述的第二球面透镜进行傅里叶变换后在(u,v)上的光场为：

式中M₁＝f₂/f₁，f₂为所述的第二球面透镜焦距，上述光场距离向经过所述的柱面透镜进行傅里叶变换，方位向进行一段长度为所述的柱面透镜焦距f₃的菲涅尔衍射在(x,y)平面上的光场为：

$\left(\begin{array}{c}e(x_k,y_k:x,y)=C(x_k,y_k)\mathrm{rect}\left(\frac{x+M_2\mathrm{\Delta \xi }}{M_{2}d}\right)\\ [\sin c\left(\frac{M_1\mathrm{ax}}{{\lambda }_i{f}_3}\right)*\delta (\frac{x}{{\lambda }_i{f}_3}-\frac{2\Delta z_k{T}_f{f}_{\mathrm{LFM}}}{M_1\mathrm{ac}})\\ \times \underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}\sin c^2\left[\frac{2({\mathrm{by}}_k/B_s-v)}{M_{1}b}\right]\mathrm{rect}\left(\frac{v}{M_{1}b}\right)\\ \times \exp [j\frac{\pi }{{\lambda }_i{f}_3}{v}^2-j\frac{\pi }{\lambda M_1^{2}F}{\left(\frac{B_s}{b}\right)}^2{v}^2]\exp (-j\frac{2\pi }{{\lambda }_i{f}_3}\mathrm{yv})\\ \times \exp \left(j2\pi \frac{B_s{y}_k}{{\lambda }_i{M}_1^2\mathrm{Fb}}v\right)\mathrm{dv}\end{array}\right)$

式中C(x_k,y_k)包含了常数与常数相位，M₂＝f₃/f₂，由上式得为了实现方位向聚焦，有如下关系：

${\lambda }_i{f}_3=\lambda M_1^{2}F{\left(\frac{b}{B_s}\right)}^2$即$f_3=\frac{\lambda M_1^{2}F}{{\lambda }_i}{\left(\frac{b}{B_s}\right)}^2$

上式确定了所述的柱面透镜的焦距，满足上述关系后，上述光场为：

$\left(\begin{array}{c}{e}^{\prime }(x_k,y_k:x,y)=D(x_k,y_k)\mathrm{rect}\left(\frac{x+M_2\mathrm{\Delta \xi }}{M_{2}d}\right)\\ [\sin c\left(\frac{M_1\mathrm{ax}}{{\lambda }_i{f}_3}\right)*\delta (\frac{x}{{\lambda }_i{f}_3}-\frac{2\Delta z_k{T}_f{f}_{\mathrm{LFM}}}{M_1\mathrm{ac}})\\ \times \mathrm{tri}\left(\frac{M_1\mathrm{by}}{2{\lambda }_i{f}_3}\right)*\sin c\left(\frac{M_1\mathrm{by}}{{\lambda }_i{f}_3}\right)\delta (\frac{y}{{\lambda }_i{f}_3}-\frac{B_s{y}_k}{{\lambda }_i{M}_1^2\mathrm{Fb}})\end{array}\right)$

由上式得：

(a)距离向成像分辨率(零值全宽)为点目标成像距离向位置为$x=\frac{2T_f{f}_{\mathrm{LFM}}{\lambda }_i{f}_3}{M_1\mathrm{ac}}\Delta z_k;$

(b)方位向成像分辨率(零值全宽)为点目标方位向成像位置为$y=\frac{B_s{\lambda }_i{f}_3}{{\lambda }_i{M}_1^2\mathrm{Fb}}{y}_k.$

对于目标面上尺度为Δx_target×Δy_target的面目标，在(x,y)平面上的成像尺度为：