双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达原理

发布时间：2020-11-05 02:15

　　 提出了一种双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达系统,结构上采用正交偏振同轴双光束发射和偏振干涉自差探测结构,原理上应用波面变换产生双曲波前差照射光斑,因此通过目标的相对运动在交轨向自动扫描产生目标面横向距离有关的线性相位调制,同时在顺轨向产生目标顺轨向距离有关的二次项相位历程,采用补偿二次多普勒频移的傅里叶变换和补偿交叉耦合的共轭二次项匹配滤波算法实现图像重构。本系统主要特点是结构简单,无需使用任何光调制器,没有交轨向信号的初始相位同步问题,不存在目标时间延时影响,同时也保留了直视合成孔径激光成像雷达的固有优点,如有效地降低了大气等相位干扰,照明光斑可以很大,接收口径可以很大。本雷达适用于航空航天的各种相对运动速度和作用距离的对地观察成像和基于逆合成孔径原理的激光成像雷达。
【部分图文】：

光学学报0128001-2双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达的基本结构双曲波前差自扫描直视SAIL的基本结构由发射端和接收端构成,如图1所示。发射端在系统控制计算机的控制下，连续激光光源输出的偏振光束经过发射偏振分束器1（PBS1）在空间上被偏振分解为两个等强度的偏振正交的光束，一路为水平偏振光束通过空间相位变换器1，再通过孔径光阑1，然后通过空间相位变换器2到达发射偏振合束器2（PBS2），空间相位变换器1和空间相位变换器2的联合相位构成水平偏振通道的空间相位。另外一路为垂直偏振光束，通过空间相位变换器3再通过孔径光阑2，然后通过空间相位变换器3，到达发射偏振合束器2，空间相位变换器3和空间相位变换器4的联合相位构成垂直偏振通道空间相位。两路偏振正交光束通过偏振合束器2合成同心同轴光束，并经过发射主镜和目标作用距离的衍射传播投射成像于目标。水平偏振空间相位产生目标面上的水平偏振照射波前，垂直偏振空间相位产生目标面上的垂直偏振照射波前。在接收端目标回波由接收望远镜接收，并由偏振干涉自差探测光电接收机产生回波光电流信号，再通过模数转换（A/D）及预处理器产生数字化光电流信号，然后储存于存储器，存储器的数据再通过图像处理和系统控制计算机产生目标成像的输出图像。目标面上的发射激光照明光斑与接收视场应当设计为一致，其共同的作用面积定义为光学足址。图1双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达的一般结构Fig.1Generalconfigurationofauto-scanningSAILusinghyperbolicwavefrontdifference所述的回波光电流信号包含了左臂照射波前和右臂照射波前的空间相位差，即目标面上两个偏振正交光斑的空间相位差，其存在的必要条件是目标面上的空间相位差必须包含交轨向坐标和顺轨向坐标相耦合的双曲波?

Dx)，其中dx为交轨向成像分辨率，Dx为交轨向光学足址宽度。成像算法由实现交轨向聚焦成像的补偿二次多普勒频移相位项的傅里叶变换和实现顺轨向聚焦成像的补偿交叉耦合的共轭二次项匹配滤波所组成，顺轨向的补偿匹配滤波聚焦成像算法有两种，第一种方案为倾斜向线性相位项补偿和倾斜向局部卷积共轭二次相位项匹配滤波算法，第二种方案为倾斜向线性相位项加共轭二次项补偿和倾斜向积分求和算法。3双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达的一种典型结构设计为了具体说明双曲波前差自扫描直视SAIL的工作原理，图2给出了一种典型的实施结构。实施例结构部件相对于基本原理结构部件的对应关系如下：激光光源→激光光源；偏振分光镜1包括反射镜1和反射镜2→发射偏振分束器；柱面透镜1→水平偏振能道空间相位变换器1；孔径光阑1→孔径光阑1；柱面透镜2→水平偏振通道空间相位变换器2；柱面透镜3→垂直偏振通道空间相位变换器3；孔径光阑2→孔径光阑2；柱面透镜4→垂直偏振通道空间相位变换器4；偏振分光镜2包括1/4波片1和1/4波片2→发射偏振合束器；发射主镜→发射主镜；目标→目标；接收望远镜包括干涉滤光片和视场光阑→接收望远镜；偏振分光镜3，1/4波片3，1/4波片4，反射镜3，反射镜4，2×490°空间光学桥接器，平衡探测器1，平衡探测器2→偏振干涉自差探测光电接收机；A/D变换器1，A/D变换器2和复数化转换器→A/D变换及预处理器；回波数据储存器→回波数据储存器；图像处理和系统控制计算机→图像处理和系统控制计算机；输出图像→输出图像。注意本实施案中S=0。图2双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达的一种典型结构Fig.2Atypicalarrangementofauto-scanningSAILusinghyperbolicwavefrontdifference柱面透镜的安置座标如图3所示?

?xWxrectè÷yWyexpéêêùúújπλf′xè÷x22+y22-xyexpèj÷πλf′yy2,eV,0(x,y)=E0rectè÷xWxrectè÷yWyexpéêêùúújπλf′xè÷x22+y22+xyexpè-j÷πλf′yy2.(3)式中窗口为矩形函数w(x,y)=rectè÷xWxrectè÷yWy。图3柱面透镜座标Fig.3Coordinatesystemsofcylindricallenses4典型结构双曲波前差自扫描直视SAIL的目标二维数据收集过程分析从激光发射，目标反射，光学接收，光电探测到数码变换构成了目标二维数据收集链。发射主镜的焦距为ft,目标距离为Z，内光场在目标面上的投射成像放大率为M=Z/ft.(4)因此目标面上的P-通道和V-通道在目标面上产生的光斑光场分别为ìíeP,Z(x,y)=C1E0rectè÷xDxrectè÷yDyexpéêêùúújπλfxè÷x22+y22-xyexpèj÷πλfyy2,eV,Z(x,y)=C1E0rectè÷xDxrectè÷yDyexpéêêùúújπλfxè÷x22+y22+xyexpè-j÷πλfyy2.(5)式中C1为与光束传播和透射有关的常数，Dx=MWx，Dy=MWy，fx=M2f′x,fy=M2f′y。它们所包含的相同的衍射相位二次项已经被忽
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