多波長合成孔徑雷射成像雷達的製作方法
2023-08-04 14:25:36
專利名稱：多波長合成孔徑雷射成像雷達的製作方法
技術領域：
本發明涉及合成孔徑雷射成像雷達，特別是一種多波長合成孔徑雷射成像雷達。
背景技術：
合成孔徑雷射成像雷達(簡稱為光學SAR)是能夠在遠距離得到釐米量級成像解析度的唯一的光學成像觀察手段，其原理取之於射頻領域的合成孔徑雷達原理，因為光學和微波的學科內容完全不同，光學SAR和微波SAR的實施方法和關鍵技術也完全不同，合成孔徑雷射成像雷達的天線採用光學望遠鏡。光學天線用於雷射光束髮射時其發散角相當於天線口徑的衍射角，光學天線用於光學外差接收時其接收視場角也相當於天線口徑的衍射角，在一般情況下，光學接收天線與光學發射天線的口徑相同(參考文獻1，2，3，4，幻或者為同一個望遠鏡系統。合成孔徑雷射成像雷達的發射雷射發散角和外差接收視場角共同作用在目標面上的尺度或者面積稱為光學足址。應當注意，合成孔徑雷射成像雷達在數據收集過程中雷射散斑效應將造成目標點回波的附加相位和振幅波動。振幅波動表現為目標分布單元的回波是隨機分布的散斑，散斑的平均尺度等同於分辨單元尺度孔徑的衍射斑的尺度，因此散斑的平均面積大於接收天線面積，由於散斑中心位置的不確定性，光學接收機天線有可能接收到散斑信號也有可能完全接收不到散斑信號，這將嚴重影響成像質量。因此需要發明一種方法，提高散斑信號的強度探測概率而有效地克服目標回波的雷射散斑效應。下面是現有的有關參考文獻(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)劉立人，合成孔徑雷射成像雷達(I)離焦和相位偏置望遠鏡接收天線[J]，光學學報，2008，沘(5) :997-1000.(4)劉立人，合成孔徑雷射成像雷達(II)空間相位偏置發射望遠鏡[J]，光學學報，2008，28 (6) :1197-1200.(5)劉立人，合成孔徑雷射成像雷達(III)雙向環路發射接收望遠鏡[J]，光學學報，2008，28 (7) :1405-1410.
發明內容
本發明的目的在於提供一種多波長合成孔徑雷射成像雷達，以大大提高目標分辨單元回波的探測概率，從而有效克服目標回波的雷射散斑的強度變化效應的影響。本發明的技術解決方案如下
一種多波長合成孔徑雷射成像雷達，包括一個時序的多波長啁啾雷射發射機和一個光學外差接收機，其特點在於，在所述的多波長啁啾的雷射發射機之後是光束分束器，所述的光學外差接收機包括接收光學天線和光學外差接收和處理機，多波長啁啾雷射發射機發射的光束通過光束分束器分解為目標照明光束和本振光束，該目標照明光束經目標反射後成為目標回波被光學天線收集為回波光束，本振光束和回波光束進入所述的光學外差接收和處理機進行外差解調和圖像處理。所述的多波長啁啾雷射發射機為單光源單通道雷射發射機，單一雷射源本身產生時序周期性的多波長啁啾雷射光束，再通過一個雷射放大器和光學天線發射，在光學天線後安置光束分束器，產生向前的目標照明光束，並引出本振光束。所述的多波長啁啾雷射發射機為多光源單通道雷射發射機，採用多個不同啁啾初始波長的雷射光源經波分復用合束器並組合成為一路空間光束，然後再通過一個雷射放大器和光學天線發射，經所述的光束分束器分解為目標照明光束和本振光束，各個雷射源在時序上依次觸發。所述的多波長啁啾雷射發射機為多光源多通道雷射發射機，採用多個不同波長啁啾的雷射光源及其相應的獨立的雷射放大器和光學天線，組成一個空間多通道發射系統， 各個雷射源在時序上依次觸發發射，在每個獨立的光學天線之後都設置分束器，通過光束分束器分解為目標照明光束和本振光束。雷射發射機周期性發射啁啾雷射脈衝光束，雷射脈衝的啁啾起始波長以次序周期性的改變，其中啁啾起始波長的重複數為N。光學外差接收機每接收一個目標雷射回波信號後就進行一次圖像處理，最終產生成孔徑雷射成像雷達的目標圖像輸出。目標的分辨單元的回波具有雷射散斑花樣的分布。目標方形分辨單元產生方形雷射散斑，其平均邊長為= ，其中d為方形分
a
辨單元的邊長，Z為目標距離，λ為雷射波長。目標園形分辨單元產生圓形雷射散斑，其平
義7
均直徑為《 = 2.447，這時d為園形分辨單元的直徑。 a在一般設計條件下，天線的尺度與目標分辨單元尺度相當，因此一個平均散斑的面積將可能大於光學接收機天線面積。由於散斑的光強是隨機變化的，因此光學接收機天線有可能接收到目標回波信號，也有可能接收不到回波，這種雷射散斑效應將嚴重影響合成孔徑雷射成像雷達的探測性能。這種情況下能夠接收到或者接收不到散斑信號的概率各為 50%。本發明的技術效果本發明採用N個稍有差別的雷射波長，產生多個相對獨立的雷射散斑，它們可能具有N種不同的中心位置，這時可以接收到目標信號的概率為P = (1-0. 52) %，隨著N的增大接收概率能夠得到有效的提高。如使用一個波長時的回波信號接收概率為50%，使用兩個波長時的接收概率為75 %，使用三個波長時的接收概率為88 %，使用四個波長時的光學接收概率為94%，因此採用多波長啁啾的雷射發射能夠克服雷射散斑的強度變化效應的影響。
圖1是本發明多波長合成孔徑雷射成像雷達的示意圖。 圖2是發射雷射脈衝的波長變化時序圖。
圖3是單光源單通道雷射發射機的結構圖。 圖4是多光源單通道雷射發射機的結構圖。 圖5是多光源多通道雷射發射機的結構圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。先請參閱圖1，圖1是本發明多波長合成孔徑雷射成像雷達的示意圖。由圖可見， 本發明多波長合成孔徑雷射成像雷達，包括一個時序的多波長啁啾雷射發射機1和一個光學外差接收機，其特點在於，在所述的多波長啁啾的雷射發射機1之後是光束分束器2，所述的光學外差接收機包括接收光學天線4和光學外差接收和處理機5，多波長啁啾雷射發射機1發射的光束通過光束分束器2分解為目標照明光束和本振光束，該目標照明光束經目標3反射後成為目標回波被光學天線4收集為回波光束，本振光束和回波光束進入所述的光學外差接收和處理機5進行外差解調和圖像處理。所述的多波長啁啾雷射發射機可以採用如下方案(1)單一雷射源本身產生時序的多波長啁啾雷射光束，再通過雷射放大器和光學天線發射，這時實現的是單一空間發射通道的發射機；(2)採用多個不同波長啁啾的雷射光源並組合成為一路空間光束，在時序上依次觸發，再通過雷射放大器和光學天線發射，這時實現的是也單一空間發射通道的發射機；(3)採用多個不同波長啁啾的雷射光源及其獨立的雷射放大器和光學天線，在時序上依次觸發發射，這時實現的是多空間發射通道的發射機。本發明的多波長合成孔徑雷射成像雷達的工作原理如圖1所示，從多波長啁啾雷射發射機1開始依次是光束分束器2，接收光學天線4和光學外差接收和處理機5，多波長啁啾雷射發射機1發射的光束通過光束分束器2分解為目標照明光束和本振光束，目標照明光束經目標3反射後成為目標回波被光學天線4收集為回波光束，本振光束和回波光束進入光學外差接收和處理機5進行外差解調和圖像處理。圖2給出了發射雷射脈衝的時序圖，雷射脈衝周期為Ts，雷射持續時間為τ，啁啾脈衝的重複數為N，即重複周期為T = NTS。N個啁啾雷射的初始波長為λ。，λ。,2，...，λ。, Ν，在採用HCN光譜濾波器進行中頻初始相位同步的方案中，初始波長為HCN的光譜線的波長峰值，在1550nm波段其平均間隔約為0.8nm。啁啾帶寬Δ λ取決於距離向成像解析度
(直徑)dx要求，ΔΑ = |。多波長啁啾雷射發射機可以採用如下具體方案(1)單光源單通道雷射發射機如圖3所示，單一雷射源本身產生時序周期性的多波長啁啾雷射光束，再通過一個雷射放大器和光學天線發射，在光學天線後安置光束分束器，產生向前的目標照明光束，並引出本振光束。
(2)多光源單通道雷射發射機如圖4所示，採用多個不同啁啾初始波長的雷射光源並組合成為一路空間光束，然後再通過一個雷射放大器和光學天線發射，各個雷射源在時序上依次觸發。(3)多光源多通道雷射發射機如圖5所示，採用多個不同波長啁啾的雷射光源及其相應的獨立的雷射放大器和光學天線，組成一個空間多通道發射系統，各個雷射源在時序上依次觸發發射。以光學接收機的中心為主坐標系(X，y)的中心，某一個即第i個發射通道的中心位置在(X」 Yi)，其發射參考坐標係為(Xi，Yi)。設t為信號的流程時間(或者快時間)，tm 為目標點運動時間(或者慢時間)，假設時間起點(tm = 0)上目標的位置在(Xffl, YJ，目標與雷達的相對運動速度為v，則目標與主坐標系的坐標零點(χ = 0，y = 0)即雷達的運動軌跡為( = Xm+vtm, ym = Ym)。設第i個發射通道的發射雷射波長為λ dt)，光頻啁啾的起始波長為λ"；或者表達為發射雷射初始頻率為fu，光頻啁啾的速率為目標點回波時間延時為τ，即
權利要求
1.一種多波長合成孔徑雷射成像雷達，包括一個時序的多波長啁啾雷射發射機(1)和一個光學外差接收機，其特徵在於，在所述的多波長啁啾的雷射發射機(1)之後是光束分束器O)，所述的光學外差接收機包括接收光學天線(4)和光學外差接收和處理機(5)，多波長啁啾雷射發射機(1)發射的光束通過光束分束器( 分解為目標照明光束和本振光束，該目標照明光束經目標(3)反射後成為目標回波被光學天線(4)收集為回波光束，本振光束和回波光束進入所述的光學外差接收和處理機( 進行外差解調和圖像處理。
2.根據權利要求1所述的多波長合成孔徑雷射成像雷達，其特徵在於，所述的多波長啁啾雷射發射機(1)為單光源單通道雷射發射機，單一雷射源本身產生時序周期性的多波長啁啾雷射光束，再通過一個雷射放大器和光學天線發射，在光學天線後安置光束分束器， 產生向前的目標照明光束，並引出本振光束。
3.根據權利要求1所述的多波長合成孔徑雷射成像雷達，其特徵在於，所述的多波長啁啾雷射發射機(1)為多光源單通道雷射發射機，採用多個不同啁啾初始波長的雷射光源經波分復用合束器並組合成為一路空間光束，然後再通過一個雷射放大器和光學天線發射，經所述的光束分束器( 分解為目標照明光束和本振光束，各個雷射源在時序上依次觸發。
4.根據權利要求1所述的多波長合成孔徑雷射成像雷達，其特徵在於，所述的多波長啁啾雷射發射機(1)為多光源多通道雷射發射機，採用多個不同波長啁啾的雷射光源及其相應的獨立的雷射放大器和光學天線，組成一個空間多通道發射系統，各個雷射源在時序上依次觸發發射，在每個獨立的光學天線之後都設置分束器O)，通過光束分束器(2)分解為目標照明光束和本振光束。
全文摘要
一種多波長合成孔徑雷射成像雷達，其構成是由一個時序的多波長啁啾的雷射發射機和一個光學外差接收機所組成。雷射發射機以一個空間通道或者多個空間通道的方式周期性發射不同起始波長的啁啾雷射脈衝光束。光學外差接收機每接收一個目標雷射回波信號後就進行一次圖像處理，最終產生成孔徑雷射成像雷達的目標圖像輸出。本發明有效提高了目標雷射回波信號的接收概率，能夠克服雷射散斑強度變化的影響。
文檔編號G01S17/89GK102230967SQ20111007446
公開日2011年11月2日 申請日期2011年3月25日 優先權日2011年3月25日
發明者劉立人 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所