CN105652285B - 直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置 - Google Patents

Abstract

一种直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置，包括了接收望远镜物镜、接收望远镜目镜、聚焦透镜、二分之一波片、偏振分束器、探测器、H‑偏振平衡接收电路、V‑偏振平衡接收电路、数据采集器、数字信号处理器和图像处理器。直视合成孔径激光成像雷达探测目标回波信号光经过接收望远镜接收，通过聚焦透镜聚焦到探测器上，信号光经过聚焦后在探测器面上形成聚焦光斑，增大了接收视场，探测器上强度较弱的信号光与强度较强的本振光进行干涉，提高了接收灵敏度，通过平衡接收电路，对探测器接收到的信号进行平衡接收，消除共模噪声，提高了接收信噪比。本发明适用于直视合成孔径激光成像雷达，具有较大的接收视场，较高的接收灵敏度，结构简单紧凑，易于实现，实用性强。

Description

直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置

技术领域

本发明涉及一种直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置，用于直视合成孔径激光成像雷达中对信号光进行本振增强，以提高接收灵敏度，并通过聚焦透镜聚焦信号光，提高了接收视场，最后经处理电路输出探测目标图像。

背景技术

合成孔径激光成像雷达的原理取之于射频领域的合成孔径雷达原理，是能够实现厘米量级成像分辨率的唯一光学成像手段(合成孔径激光成像雷达(Ⅰ)：离焦和相位偏置望远镜接收天线，光学学报，Vol.28，997～1000，2008)。传统的合成孔径激光成像雷达在侧视条件下实施距离向的距离分辨成像，在方位向实施孔径合成，即侧视合成孔径激光成像雷达。侧视合成孔径激光成像雷达采用光学外差接收，受大气干扰、运动平台振动、目标散斑和激光雷达系统本身相位变化等影响很大，严重影响了侧视合成孔径激光成像雷达的实用化。直视合成孔径激光成像雷达采用波前变换原理对目标投射两个同轴同心且偏振正交的光束并且进行自差接收，能够大大降低大气、运动平台、光雷达系统和散斑等相位变化和干扰的影响，允许使用低质量的接收光学系统，不需要光学延时线，无需进行实时拍频信号相位同步，成像无阴影等优点(直视合成孔径激光成像雷达原理，光学学报，Vol.32，0928002-1～8，2012)。

先技术[1](刘立人，直视合成孔径激光成像雷达，公开号：CN102435996)和先技术[2](双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达原理，光学学报，Vol.35，0128001-1～10，2015)中使用自由空间光学桥接器接收直视合成孔径激光成像雷达回波信号，但是由于直视合成孔径激光成像雷达接收的信号光强度较弱，该种方法不能显著提高接收灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于克服直视合成孔径激光成像雷达探测灵敏度较低的问题，提出一种适用于直视合成孔径激光成像雷达的本振增强接收装置，将本振光与信号光进行干涉，通过增大本振光的入射光强度来提高接收系统的灵敏度，最终经处理电路输出目标图像。

本发明的技术解决方案如下：

一种直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置，其构成包括：接收望远镜物镜、接收望远镜目镜、聚焦透镜、第一二分之一波片、第一偏振分束器、第二二分之一波片、第二偏振分束器、第一探测器、第二探测器、第三二分之一波片、第三偏振分束器、第三探测器、第四探测器、H-偏振平衡接收电路、V-偏振平衡接收电路、数据采集器、数字信号处理器、图像处理器。上述部件位置关系如下：

所述的接收望远镜物镜与接收望远镜目镜组成接收望远镜系统，信号光经过接收望远镜系统接收，通过聚焦透镜聚焦到第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器探测面上；

所述的第一偏振分束器将信号光中偏振正交的H-偏振光和V-偏振光分解，H-偏振光依次经过第二二分之一波片和第二偏振分束器分解为两束光，分别输出到第一探测器和第二探测器上；V-偏振光依次经过第三二分之一波片和第三偏振分束器分解为两束光，分别输出到第三探测器和第四探测器上；

所述的第一偏振分束器将经过第一二分之一波片的本振光分为两束光，其中一束依次经过第二二分之一波片和第二偏振分束器分解为两束光，分别输出到第一探测器和第二探测器上，并与第一探测器和第二探测器上的H-偏振光进行干涉；另一束依次经过第三二分之一波片和第三偏振分束器分解为两束光，分别输出到第三探测器和第四探测器上，与第三探测器和第四探测器上的V-偏振光进行干涉；

所述的H-偏振平衡接收电路接收第一探测器和第二探测器输出信号，V-偏振平衡接收电路接收第三探测器和第四探测器输出信号；

所述的数据采集器采集H-偏振平衡接收电路和V-偏振平衡接收电路输出信号，并转化为数字信号输出到数字信号处理器中进行数字信号处理，数字信号处理器处理后的信号输出到图像处理器中显示目标图像。

所述的探测器可以为单点探测器、四象限探测器或阵列探测器。

所述的偏振分束器均为对入射的水平偏振光透射，垂直偏振光反射。

所述的第二二分之一波片的光轴方向和入射线偏振光偏振方向之间角度设置，和所述的第三二分之一波片的光轴方向和入射线偏振光偏振方向之间角度设置，均使得透射光的偏振方向旋转45度或135度。

本发明具有如下特点：

1、本发明所述的聚焦透镜将信号光聚焦到探测器上，提高接收视场。

2、本发明所述的第一偏振分束器将信号光中偏振正交的H-偏振光和V-偏振光分解，引入强度较强的本振光分别与强度较弱的H-偏振光和V-偏振光进行干涉，对H-偏振光和V-偏振光进行本振增强，提高接收灵敏度。

3.本发明所述的H-偏振平衡接收电路和V-偏振平衡接收电路将探测器接收的信号进行平衡接收，消除共模噪声，提高接收信噪比。

4、本发明所述的探测器可以是单点光电探测器，也可以是四象限光电探测器或阵列光电探测器，以实现对信号光和本振光相干光场的分割，进一步增大接收大视场，提高接收灵敏度。

本发明的技术效果：

本发明用于直视合成孔径激光成像雷达接收并处理探测目标回波信号，采用偏振分束器将直视合成孔径激光成像雷达探测目标回波信号中H-偏振光和V-偏振光进行分离，并分别与较强的本振光进行干涉，采用聚焦透镜将接收的信号光聚焦到探测器上，并用平衡接收电路对探测器接收的信号进行平衡接收，通过数据采集器采集平衡接收信号，经过数字信号处理器和图像处理器最终显示出探测目标图像。

附图说明

图1为本发明直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先参阅图1，图1是本发明直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置结构图。由图1可见，一种直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置，其构成包括：接收望远镜物镜11、接收望远镜目镜12、聚焦透镜13、第一二分之一波片14、第一偏振分束器15、第二二分之一波片16、第二偏振分束器17、第一探测器18、第二探测器19、第三二分之一波片20、第三偏振分束器21、第三探测器22、第四探测器23、H-偏振平衡接收电路24、V-偏振平衡接收电路25、数据采集器26、数字信号处理器27、图像处理器28。上述部件位置关系如下：

所述的接收望远镜物镜11与接收望远镜目镜12组成接收望远镜系统，信号光经过接收望远镜系统接收，通过聚焦透镜13射入第一偏振分束器15，该第一偏振分束器15将信号光中偏振正交的H-偏振光和V-偏振光分解，H-偏振光经第二二分之一波片16后，射入第二偏振分束器17，并通过第二偏振分束器17分解为两束，分别聚焦到第一探测器18和第二探测器19上；V-偏振光经第三二分之一波片20后，射入第三偏振分束器21，并通过该第三偏振分束器21分解为两束，分别聚焦到第三探测器22和第四探测器23上；本振光依次经过第一二分之一波片14和第一偏振分束器15分为两束光，其中一束依次经过第二二分之一波片16和第二偏振分束器17分解为两束光，分别输出到第一探测器18和第二探测器19上，并与第一探测器18和第二探测器19上的H-偏振光进行干涉；另一束依次经过第三二分之一波片20和第三偏振分束器21分解为两束光，分别输出到第三探测器22和第四探测器23上，与第三探测器22和第四探测器23上的V-偏振光进行干涉；H-偏振平衡接收电路24接收第一探测器18和第二探测器19输出信号，V-偏振平衡接收电路25接收第三探测器22和第四探测器23输出信号，数据采集器26采集H-偏振平衡接收电路24和V-偏振平衡接收电路25输出信号，并转化为数字信号输出到数字信号处理器27中进行数字信号处理，数字信号处理器27处理后的信号输出到图像处理器28中显示目标图像。

所述的偏振分束器均为对入射的水平偏振光透射，垂直偏振光反射。

所述的第二二分之一波片的光轴方向和入射线偏振光偏振方向之间角度设置，和所述的第三二分之一波片的光轴方向和入射线偏振光偏振方向之间角度设置，均使得透射光的偏振方向旋转45度或135度。

直视合成孔径激光成像雷达工作状态是其光轴垂直对准目标面，雷达搭载平台的运动方向为顺轨方向(记为y方向)，顺轨的正交方向为交轨方向(记为x方向)，光轴方向为雷达的直视方向(记为z方向)。雷达搭载平台的运动在交轨向产生与目标横向位置成正比的线性相位项调制，同时在顺轨向产生以目标纵向位置为中心的可控二次项相位历程，因此直视合成孔径激光成像雷达的发射光束为具有空间抛物相位波前差的同轴偏转正交偏振的发射双光束，其中H-偏振光(水平偏振光)传播的光路为H-通道，V-偏振光(垂直偏振光)传播的光路为H-通道。可以分析一个在交轨向坐标为x_p，在顺轨向坐标为y_p的目标点的成像来解释整个目标的成像过程。

目标点(x_p,y_p)在接收望远镜物镜11上的回波信号为两个等强度的偏振正交的H-偏振光和V-偏振光，可以表示为：

回波信号的空间相位差为：

直视合成孔径激光成像雷达回波信号的空间相位差包含交轨向的线性相位项调制和顺轨向的相位二次项历程，可以表示为如下形式：

其中，x和y为接收望远镜物镜11上的坐标位置，k_xp和k_yp为回波信号曲率系数，α为快时间在平台运动交轨向的照明光斑中心位置时间参数，β为慢时间在平台运动顺轨向的照明光斑中心位置时间参数。和分别为H-通道和V-通道的大气、运动平台、光雷达系统和散斑的相位变化和干扰。由于H-通道和V-通道共光轴，因此有即具有自动消除相位变化和干扰的能力。

经过接收望远镜后，在接收望远镜目镜12出射面上的信号为：

其中接收望远镜物镜焦距为f₂，接收望远镜目镜焦距为f₁，M为望远镜放大倍率M＝f₁/f₂。

经过接收望远镜后，通过焦距为f的聚焦透镜13聚焦，经过第二二分之一玻片16和偏振分束器17分束，H-偏振光在第一探测器18和第二探测器19上的信号为：

V-偏振光在第三探测器22和第四探测器23上的信号为：

其中，λ为激光波长，C_HS(x_p，y_p：α，β)和C_VS(x_p，y_p：α，β)为探测器上接收到回波信号的幅度，和为探测器上接收到回波信号的相位，

为探测器上空间频率，x_f和y_f为探测器上坐标位置。和分别为回波信号经过聚焦透镜13聚焦过程中引入的相位延迟，由于H偏振和V偏振光通过聚焦透镜13共光轴聚焦，因此

本振光可近似为平面波，第一探测器18、第二探测器19、第三探测器22和第四探测器23上本振光可以表示为：

其中，为本振激光初始相位，为本振激光经过偏振分束器15反射，传播到第一探测器18和第二探测器19上引入的相位延迟，为本振激光透过偏振分束器15，传播到第三探测器22和第四探测器23上引入的相位延迟。

探测器上相干面积为D_xf×D_yf，第一探测器18和第二探测器19上的相干接收积分光功率为：

从积分光功率，经过探测器光电转换以及跨阻放大，可以得到光信号转化为电压信号的表达式，根据上述计算，可以进一步求得H-偏振平衡接收器24输出电压信号为：

数据采集器26对该信号进行采集，数字信号处理器27对采集到的信号进行傅里叶变换，通过数字滤波器滤除负频率成分，再进行傅里叶变换，得到复数信号为：

同理可以得到V-偏振复数化信号：

其中，C_Hr和C_Vr为H-通道和V-通道中光电探测器光电转换因子。将V-偏振复数化信号复共轭与H-偏振复数化信号想乘得到：

由于本振光经过偏振分束器15分开的两束本振激光传播到探测器上的光程较短，两束本振激光的相位差可以忽略不计，

可以在交轨向进行线性相位项调制的一维傅里叶变换聚焦成像，在顺轨向进行二次项相位历程的共轭二次项相位匹配滤波聚焦成像。数字信号处理器27用于完成这些操作。即为：

其中：ζ为交轨向空间频率。上式可进一步近似为：

I(x，y)≈(S_x(x)*δ(x+x_p))(S_y(y)*δ(y-y_p))

其中：S_x(x)为交轨向相干点扩散函数，S_y(y)为顺轨向相干点扩散函数。显然目标点成像中心位置在(-x_p,y_p)上，最终数字信号处理器27将处理后的信号输出到图像处理器28，输出目标图像。

一个二维目标上所有点的成像为：

一般情况下，发射端可采用透镜对相位进行调制，接收信号光场分布为：

回波信号的空间相位差为：

其中，R₁和R₂为回波信号等效二次项曲率半径，Z为目标中心距离，1/R₃＝1/R₁+1/R₂。

可以进一步得到：

在交轨向进行线性相位项调制的一维傅里叶变换聚焦成像，在顺轨向进行二次项相位历程的共轭二次项相位匹配滤波聚焦成像，即为：

其中：为交轨向空间频率。上式可进一步近似为：

显然目标点成像中心位置在(-x_p,y_p)上，最终数字信号处理器27将处理后的信号输出到图像处理器28，输出目标图像。

分析表明，本接收装置完全可以用于直视合成孔径激光成像雷达对目标成像，灵敏度高，接收视场大，原理清楚，结构简单，易于实现。

Claims (5)

1.一种直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置，特征在于其构成包括接收望远镜物镜(11)、接收望远镜目镜(12)、聚焦透镜(13)、第一二分之一波片(14)、第一偏振分束器(15)、第二二分之一波片(16)、第二偏振分束器(17)、第一探测器(18)、第二探测器(19)、第三二分之一波片(20)、第三偏振分束器(21)、第三探测器(22)、第四探测器(23)、H-偏振平衡接收电路(24)、V-偏振平衡接收电路(25)、数据采集器(26)、数字信号处理器(27)和图像处理器(28)，上述部件位置关系如下：

所述的接收望远镜物镜(11)与接收望远镜目镜(12)组成接收望远镜系统，信号光经过接收望远镜系统接收，通过聚焦透镜(13)射入第一偏振分束器(15)，该第一偏振分束器(15)将信号光中偏振正交的H-偏振光和V-偏振光分解，H-偏振光经第二二分之一波片(16)后，射入第二偏振分束器(17)，并通过第二偏振分束器(17)分解为两束，分别聚焦到第一探测器(18)和第二探测器(19)上；V-偏振光经第三二分之一波片(20)后，射入第三偏振分束器(21)，并通过该第三偏振分束器(21)分解为两束，分别聚焦到第三探测器(22)和第四探测器(23)上；

本振光经第一二分之一波片(14)射入第一偏振分束器(15)，该第一偏振分束器(15)将本振光分为两束，其中一束经第二二分之一波片(16)后，射入第二偏振分束器(17)，并通过第二偏振分束器(17)分解为两束，分别输出到第一探测器(18)和第二探测器(19)上，并与第一探测器(18)和第二探测器(19)上的H-偏振光进行干涉；另一束经第三二分之一波片(20)后，射入第三偏振分束器(21)，并通过该第三偏振分束器(21)分解为两束，分别输出到第三探测器(22)和第四探测器(23)上，并与第三探测器(22)和第四探测器(23)上的V-偏振光进行干涉；

所述的H-偏振平衡接收电路(24)分别接收第一探测器(18)和第二探测器(19)输出信号，V-偏振平衡接收电路(25)分别接收第三探测器(22)和第四探测器(23)输出信号，数据采集器(26)分别采集H-偏振平衡接收电路(24)和V-偏振平衡接收电路(25)的输出信号后，转化为数字信号输出到数字信号处理器(27)中进行数字信号处理，经数字信号处理器(27)处理后的信号输出到图像处理器(28)中显示目标图像。

2.根据权利要求1所述的直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置，其特征在于第一偏振分束器将信号光中偏振正交的H-偏振光和V-偏振光分解，引入强度较强的本振光分别与强度较弱的H-偏振光和V-偏振光进行干涉。

3.根据权利要求1所述的直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置，其特征在于所述的聚焦透镜将信号光聚焦到第一探测器(18)、第二探测器(19)、第三探测器(22)和第四探测器(23)上。

4.根据权利要求1所述的直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置，其特征在于所述的第二二分之一波片(16)的光轴方向和入射线偏振光偏振方向之间角度设置，和所述的第三二分之一波片(20)的光轴方向和入射线偏振光偏振方向之间角度设置，均使得透射光的偏振方向旋转45度或135度。

5.根据权利要求1所述的直视合成孔径激光成像雷达本振增强接收装置，其特征在于所述的第一探测器(18)、第二探测器(19)、第三探测器(22)和第四探测器(23)均是单点光电探测器、四象限光电探测器或阵列光电探测器。