THz級大帶寬雷射合成孔徑雷達成像系統的製作方法

2023-05-19 17:47:36

專利名稱：THz級大帶寬雷射合成孔徑雷達成像系統的製作方法
技術領域：
本專利涉及雷射雷達成像技術，具體指一種用於成像的THz級大帶寬雷射成像系統及其數據處理方法。
背景技術：
合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar,簡稱SAR)是一種主動式的成像雷達，工作在微波波段，可全天吋、全天候，目前SAR已經得到成熟應用。在SAR發展的同吋，雷射器也迅速發展，實孔徑雷射雷達的空間解析度受到發射孔徑的衍射極限的限制。因而將微波段合成孔徑技術移植到光學波段，以獲得更高解析度的圖像，雷射合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Ladar,簡稱SAL)就應運而生。原理同SAR,都是在距離向上通過發射大時寬-帶寬積的線性調頻信號，對目標回波進行脈衝壓縮得到距離向的高解析度，理論上距離向解析度P r = c/2B(c為光速，B為線性調頻信號帶寬)；方位向上基於合成孔徑原理，利用平臺與目標之間的相對運動，模擬孔徑陣列，合成出ー個大的孔徑，在ー個合成孔徑時間內，收集記錄平臺不同位置處攜帶相位信息的目標回波信號，用數據處理的方法實現方位向聚焦，獲得方位向的高解析度，理論上方位向解析度P a = DT/2(DT為系統真實孔徑長度)。根據雷達探測體制，雷射合成孔徑雷達包括正/斜側視條帶SAL、掃描SAL、聚束式SAL等，而掃描式和聚束式在成像過程中波束的視線方向需要調整，實現起來難度較大，因此本系統採用條帶式。正側視條帶模式雷射合成孔徑雷射雷達是指雷達沿直線作勻速運動，運動中發射光束的瞄準線(LOS)與雷達航跡垂直，對平行於雷達運動方向的條帶區域成像的雷射合成孔徑雷達。信號理論指出，大時寬與帶寬的發射信號，必須使用複雜的調製波形。常用的有三種形式線性調頻、非線性調頻和相位編碼調製。由於線性調頻信號(LFM信號，即啁啾信號)易於產生、便於處理、對都卜勒頻移不敏感，所以其應用最廣。微波雷達已經有了成功的應用，同理，借鑑微波雷達，雷射雷達也出現了ー些新體制，包括線性調頻連續波(LFMCW)雷射雷達、偽隨機碼調相雷射雷達以及啁啾信號調幅雷射雷達等。LFM信號的產生有聲光調製、電光調製、波長線性調諧(以下簡稱線性調諧)等方法。聲光和電光調製由於體制及器件緣故，其調製帶寬一般在幾百MHz作用，難以實現更大帶寬的調製；而採用線性調諧半導體雷射器的波長線性調節方式可輕易地實現幾十nm的調製，對應帶寬為THz量級，理論解析度可達亞毫米級甚至更小。故SAL系統首選線性調諧半導體雷射器作為發射信號源。
因為該雷射器是通過調節波長來實現調頻率，波長的線性變化，頻率レ=·T (c是光速)，則
頻率必然不是線性變化，故雷射發射脈衝存在較大的非線性調頻誤差，僅仿照傳統微波SAR的系統及採用常規脈衝壓縮方法取得的解析度為米級，與理論值相差甚遠，不能實現此體制下的高解析度成像。因此必須利用特定的系統，結合有效的數據處理方法，才能使該體制的SAL實現高解析度成像。
無論系統採用何種形式的載波，無論採用何種調製方式，獲得大帶寬的信號是最終的目標，採用線性調諧半導體雷射器可以取得的帶寬最大，調諧範圍可達幾十 到幾百nm，本專利只選擇了 1550 1560nm之間(對應帶寬為I. 24THz)進行線性調諧，目的是降低系統的採樣率壓力。目前市場已有多種型號的此類可調諧雷射器，調諧速度有20nm/s，100nm/s，2000nm/s不等，本專利的系統中採用20nm/s的調諧速度。因此在增大採樣率以滿足成像距離要求的情況下，此系統的帶寬還可繼續增大，對應距離解析度會繼續增大。本專利在於構建了特殊的成像系統，憑藉特定的數據處理方法，解決了這種線性調諧方式的目標通道中存在的 非線性調頻相位誤差，完成了距離向和方位向的二維聚焦，使得這種THz級大帶寬雷射脈衝得以實現高解析度雷射合成孔徑雷達成像。

發明內容
本發明的目的是為相干探測雷射成像雷達技術中的雷射合成孔徑雷達，特指具有THz級大帶寬發射雷射脈衝的雷射合成孔徑雷達，在系統上，相比普通的相干探測通道，除目標通道外，又增加了額外的兩個通道，一是固有具定延時的參考通道，用來補償目標通道中的非線性相位誤差；另外一個是同步通道，用來精確對齊成像過程中的每一個脈衝的起始位置。在數據處理方法上，利用同步通道對每個脈衝的數據進行了同步，提出了一種能夠自適應地補償掉目標通道內包含的非線性調頻相位誤差，實現每個脈衝的距離向聚焦，而後再經過匹配濾波方位聚焦和梯度相位自聚焦處理，最終獲得高解析度的二維圖像的系統及數據處理算法，從而實現對應帶寬的高解析度雷射合成孔徑雷達成像。採用線性調諧半導體雷射器直接發射的線性調諧脈衝，無需進行其他的外部調製，而且該系統也繼承了 SAR的優點，距離解析度和方位解析度不隨距離增加而降低。波長隨時間線性調諧的雷射脈衝信號經發射後，目標信號與同微小延遲的目標本振信號之間存在一個與距離相對應的延時，由於該信號可近似看成是線性調頻信號，頻率隨時間線性變化，因此通過相干混頻後，固定的延時轉換為固定的頻差，通過檢測頻差，也即是頻譜中峰值對應的頻率位置，就可實現單個脈衝的距離向聚焦，這是合成孔徑成像的基本前提。啁啾信號的「頻率-時間」表達式為(鋸齒波，即在單周期內頻率只隨時間線性下降)f{t) = fc-^t = fc-Kr-t, (0<t<T)(I)fc為啁啾信號的起始頻率，B為啁啾信號的帶寬，T為啁啾信號頻率變化的周期，&為線性調頻率。則原始的啁啾信號為p(t) = Esrect[^ exp{-)2;r[ [ f(t)dt]} = Esrect[^ Qxp[-j2;r(fct( 2 )經過一段距離，延時Ats後的目標信號為s(t) = Esrect{^-~—jexpj-jln: fc(t-Ats)-Kr—~|(3)經過較小特定延遲A tl的目標本振信號為L(t) = Esreci^-~—jexpj- jln fc(t-Atl)-Kr—~|(4)
其中，延時均與距離對應，即目標延時
權利要求
1. 一種THz級大帶寬雷射合成孔徑雷達成像系統，它包括線性調諧半導體雷射器(I)、99 : I光纖稱合器(2)、90 : 10光纖稱合器(3)、發射準直鏡(4)、極化偏振分束鏡(5)、入/4波片￠)、接收準直鏡(7)、50 50光纖耦合器1(8)、50 50光纖耦合器11(9)、50 50光纖耦合器III (10)、目標通道平衡探測器(11)、50 50光纖耦合器IV(12)、參考通道平衡探測器(13)、參考延時光纖(14)、分子波長參考器(15)、光功率計(16)、目標位移平臺(17)、數據採集模塊(18)和數據處理程序模塊(19)其特徵在於 線性調諧半導體雷射器(I)輸出的雷射束Stl經99 I光纖耦合器(2)分為兩部分，一部分記為S1,經分子波長參考器(15)吸收後記為Sw,另一部分作為記為S2, S2經90 10光纖I禹合器(3)再分為發射光S3和本底光S4, S3經過發射準直鏡(4)發射,經過極化偏振分束鏡(5)時，一部分反射，另一部分透射，S3透射部分雷射通過X/4波片(6)後,雷射光偏振方向由線偏振轉換為圓偏振，經自由空間路徑發射到目標位移平臺(17)上；本底光&經過50 : 50光纖稱合器I (8)被分成本振光S5和參考光S6兩部分,本振光S5經過50 : 50光纖稱合器II (9)被分成目標本振光Sm和參考本振光S5_2 ； 目標位移平臺(17)對S3透射部分雷射信號反射，反射回來的信號光，記為目標回波信號Rtl，它通過入/4波片(6)後轉變為線偏振光，偏振方向與發射時經過入/4波片(6)前的偏振方向垂直，經過極化偏振分束鏡(5)時，目標回波信號R(!大部分光被反射,反射部分經接收準直鏡(7)耦合到光纖中，記為目標回波接收信號R1 ； 目標回波接收信號R1與目標本振光Sp1進入50 : 50光纖稱合器III (10)後稱合在一起，發生混頻，被目標通道平衡探測器(11)探測接收，光信號轉換為電信號，記為目標通道數據A ;參考光S6經過一段參考延時光纖(14)後與參考本振光S5_2再進入50 : 50光纖率禹合器IV (12)，耦合在一起，發生混頻，被參考通道平衡探測器(13)探測接收，光信號轉換為電信號，記為參考通道數據B 經吸收後的信號Sm經過光功率計(16)轉換為電信號，記為同步通道數據C ; 數據採集模塊(18)採集兩個平衡探測器和光功率計輸出的電信號獲得目標通道數據A、參考通道數據B和同步通道數據C，然後利用數據處理模塊(19)對目標通道數據A，參考通道數據B和同步通道數據C進行處理得到目標的二維圖像。
全文摘要
本發明公開了一種THz級大帶寬雷射合成孔徑雷達成像系統，系統由線性調諧半導體雷射器、99∶1光纖耦合器、90∶10光纖耦合器、發射準直鏡、極化偏振分束鏡、λ/4波片、目標位移平臺、接收準直鏡、4個50∶50光纖耦合器、2個平衡探測器、參考延時光纖、分子波長參考器、光功率計、數據採集模塊和數據處理程序模塊構成。本發明的THz級大帶寬雷射合成孔徑雷達成像系統是基於大範圍線性調諧雷射脈衝信號，採用零差相干探測技術、平衡探測技術和合成孔徑技術，最後利用特殊的數據處理程序，計算得出目標的二維圖像，優點是雷射信號波長短，帶寬大，成像解析度高，具有全天時的特點；另外系統大部分基於光纖器件，穩定性高，結構簡單，探測靈敏度高，作用距離遠。
文檔編號G01S13/90GK102654575SQ20121008694
公開日2012年9月5日 申請日期2012年3月28日 優先權日2012年3月28日
發明者於嘯, 吳世輝, 吳軍, 張琨鋒, 徐顯文, 洪光烈, 胡以華, 舒嶸 申請人:中國科學院上海技術物理研究所