CN103235300A - 基于像散傅里叶变换的光学合成孔径激光成像雷达处理器 - Google Patents

Abstract

一种基于像散傅里叶变换的光学合成孔径激光成像雷达处理器，构成包括同光轴的依次的数据接收系统、透射式空间光调制器、柱面镜、凸透镜和CCD摄像机，所述的数据接收系统的输出端通过数据线与所述的透射式空间光调制器的输入端相连，所述的CCD摄像机的输出端通过数据线与计算机的输入端相连，所述的透射式空间光调制器、柱面镜和凸透镜依次紧靠设置，所述的CCD摄像机的接收面与所述的凸透镜的焦平面重合。本发明具有结构简单紧凑、运行速度快，功耗低、适合太空工作环境等特点，是合成孔径激光成像雷达目标回波数据聚焦成像处理的关键技术改进，并有可能推广到微波SAR的成像处理应用。

Description

基于像散傅里叶变换的光学合成孔径激光成像雷达处理器

技术领域

本发明涉及光学成像处理器，是基于像散傅里叶变换的光学合成孔径激光成像雷达处理器，能够同时实现雷达探测目标的距离向和方位向聚焦，有效的缩小了处理器尺度，实现结构紧凑化，简便易行，节省时间，在光学合成孔径激光成像雷达目标回波数据聚焦成像处理上具有很大优势。

背景技术

微波合成孔径雷达（简称SAR）是空间对地观察的关键手段之一，由于波长的限制微波SAR的成像分辨率几乎不可能达到厘米量级，因此近些年来发展了合成孔径激光成像雷达（简称SAIL），是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。

微波SAR处理系统在建立之初普遍采用光学处理系统[文献1L.J.Cutrona,E.N.Leith,L.J.Porcello,and W.E.Vivian,On the application of coherent optical processingtechniques to synthetic-aperture radar,Proc.IEEE,54(8),1026-1032,(1966)。文献2E.N.Leith,Quasi-holographic techniques in the microwave region,Proc.IEEE,59(9),1305-1318,(1971).]。随着电子计算机系统和技术的快速发展，以DSP为基础的数字系统逐渐成为SAR成像处理机的主流。但由于环境和系统的限制特别是在基于卫星、无人机等飞行平台上的实现，对SAR成像处理机提出了苛刻的要求，在这样的背景下光学成像处理系统再次被重视起来。

20世纪70年代国际上就开展了光学合成孔径激光成像雷达的研究，但是直到2006年美国雷声公司和诺斯罗普·格鲁门公司在美国国防先进研究计划局(DARPA)的资助下分别成功研制了光学合成孔径激光成像雷达系统，报道进行了机载实验[文献3J.Ricklin,M.Dierking,S.Fuhrer et al..Synthetic Aperture Ladar for Tactical Imaging,DARPA Strategic Technology Office,(2007)]。2011年Lockheed Martin公司实验演示了光学合成孔径激光成像雷达的机载平台到1.6公里目标点的成像结果[文献4B.Krause,J.Buck,C.Ryan,D.Hwang,P.Kondratko,A.Malm,A.Gleason,and S.Ashby,"Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration,"in CLEO:2011-Laser Applications toPhotonic Applications,OSA Technical Digest(CD)(Optical Society of America,2011),paper PDPB7,(2011).]。在国内申请人所属课题组首次完成了实验室平台的光学合成孔径激光成像雷达的全系统贯通和实时二维成像,采用了自由空间结构的光学系统[文献5，周煜,孙建锋,栾竹，刘立人，尺度缩小合成孔径激光成像雷达的孔径合成实验，光学学报，28(12)，2446-2448，(2008),文献6周煜,许楠,栾竹，孙建锋，刘立人，实验室合成孔径激光雷达点目标二维成像实验，光学学报，29(2)，566-568，(2009)]，而不是上述报道的光纤系统。

从国内外整体情况看，合成孔径激光成像雷达（SAIL）的光学成像处理，特别是基于像散傅里叶变换的光学合成孔径激光成像雷达处理，尚没有这方面工作的报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于像散傅里叶变换的光学合成孔径激光成像雷达处理器，该装置能够同时实现合成孔径激光成像雷达探测目标的距离向和方位向的聚焦，可有效缩小处理器尺度，实现结构紧凑化。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于像散傅里叶变换的光学合成孔径激光成像雷达处理器，特点在于其构成包括同光轴的依次的数据接收系统、透射式空间光调制器、柱面镜、凸透镜和CCD摄像机，所述的数据接收系统的输出端通过数据线与所述的透射式空间光调制器的输入端相连，所述的CCD摄像机的输出端通过数据线与计算机的输入端相连，所述的透射式空间光调制器、柱面镜和凸透镜依次紧靠设置，所述的CCD摄像机的接收面与所述的凸透镜的焦平面重合。

数据接收系统将接收到的光学合成孔径激光成像雷达的二维数据输入所述的空间光调制器，该空间光调制器将时域二维信号变换到数据面为(α,β)的空间域，则方孔径侧视光学合成孔径激光成像雷达二维数据表示为：

$i_{2D}(x_p,y_p:\mathrm{\α},\mathrm{\β}:k)=A^{\′}(x_p,y_p)$

$\×\mathrm{rect}\left[\frac{\mathrm{\β}}{W_{\mathrm{\β}}}\right]\sin c^2\left[\frac{(y_p/K_y-(\mathrm{\β}+k{v}_y{T}_s/K_y))}{D_y/2K_y}\right]\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}{K}_y^2}{\mathrm{\λ}(Z/2)}{\mathrm{\β}}^2\right\}\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}{K}_y}{\mathrm{\λ}(Z/2)}\mathrm{\β}(y_p-{\mathrm{kv}}_y{T}_s\}$

$\×\mathrm{rect}\left[\frac{\mathrm{\α}}{W_{\mathrm{\α}}}\right]\exp \left\{j2\mathrm{\π}\stackrel{\·}{f}\left(\frac{{2x}_p\left(\mathrm{\ΔZ}\right)}{{\mathrm{cW}}_{\mathrm{\α}}/T_f}\right)(\mathrm{\α}+W_{\mathrm{\α}}/2)\right\}$

该光学信号经过柱面镜，对二次项相位补偿，补偿函数为：

再经过紧贴着柱面镜的凸透镜，做二维快速傅里叶变换同时实现雷达目标距离向、方位向聚焦。因此由柱面镜和凸透镜组成的像散光学变换透镜函数为：

$\exp (-j\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}^2}{\mathrm{\λF}})\exp [-j\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\β}}^2}{\mathrm{\λ}}(\frac{1}{F}+\frac{K_y^2}{(Z/2)})].$

在成像输出面(ξ,ζ)，处理器的输出函数g(ξ,ζ)和输入函数u_α(α)u_β(β)关系为菲涅耳衍射：

$g(\mathrm{\ξ},\mathrm{\ζ})=\frac{e^{\mathrm{jkF}}}{\mathrm{j\λF}}\∫\∫u_{\mathrm{\α}}\left(\mathrm{\α}\right)u_{\mathrm{\β}}\left(\mathrm{\β}\right)\exp \{-j\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\α}}^2}{\mathrm{\λF}}\}\exp \{-j\frac{\mathrm{\π}{\mathrm{\β}}^2}{\mathrm{\λ}}(\frac{1}{F}+\frac{K_y^2}{(Z/2)})\}\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λF}}\right[{(\mathrm{\ξ}-\mathrm{\α})}^2+{(\mathrm{\ζ}-\mathrm{\β})}^2\left]\right\}\mathrm{d\αd\β}$

即

其中有傅立叶变换：

U_ξ(f_ξ)＝∫u_α(α)exp(-j2πf_ξα)dα

U_ζ(f_ζ)＝∫u_β(β)exp(-j2πf_ζβ)dβ

因此：在ξ方向，

成像点宽度为： $\mathrm{\Δ\ξ}=2\frac{\mathrm{\λF}}{W_{\mathrm{\α}}};$

成像点位置 ${\mathrm{\ξ}}_p=x_p\left(\mathrm{\ΔZ}\right)\frac{2\mathrm{\λF}\stackrel{\·}{f}}{c{v}_x}=x_p\left(\mathrm{\ΔZ}\right)\frac{2\mathrm{\λF}\stackrel{\·}{f}{T}_f}{c{W}_{\mathrm{\α}}}$

在ζ方向，当 $W_{\mathrm{\β}}>>\frac{D_y}{K_y},$ $\sin c\left(W_{\mathrm{\β}}{f}_{\mathrm{\ζ}}\right){*\mathrm{tri}}_{}\left(\frac{D_y}{2K_y}\right)\≈\mathrm{tri}\left(\frac{D_y}{2K_y}\right)$

成像点宽度为： $\mathrm{\Δ\ξ}=2\frac{\mathrm{\λF}2K_y}{D_y}=4\frac{\mathrm{\λF}{K}_y}{D_y};$

成像点位置： ${\mathrm{\ζ}}_p=-\frac{F{K}_y}{(Z/2)}(y_p-k{v}_y{T}_s)$

成像点： $[{\mathrm{\ξ}}_p=x_p\left(\mathrm{\ΔZ}\right)\frac{2\mathrm{\λF}\stackrel{\·}{f}{T}_f}{c{W}_{\mathrm{\α}}},{\mathrm{\ζ}}_p=-\frac{F{K}_y}{(Z/2)}(y_p-k{v}_y{T}_s)]$

本发明的技术效果：

本发明能够同时实现雷达探测目标的距离向和方位向聚焦，简便易行，节省时间，在光学合成孔径激光成像雷达目标回波数据聚焦成像处理上具有很大优势，是合成孔径激光成像雷达特别是合成孔径激光成像雷达目标回波数据聚焦成像处理方法的关键技术改进。

附图说明

图1是本发明基于像散傅里叶变换的光学合成孔径激光成像雷达处理器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的基于像散傅里叶变换的光学合成孔径激光成像雷达处理器作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

请参阅图1，图1为本发明实施例的的结构示意图，由图可见，本发明基于像散傅里叶变换的光学合成孔径激光成像雷达处理器的构成包括同光轴的依次的数据接收系统1、透射式空间光调制器2、柱面镜3、凸透镜4和CCD摄像机5，所述的数据接收系统1的输出端通过数据线与所述的透射式空间光调制器2的输入端相连，所述的CCD摄像机5的输出端通过数据线与计算机6的输入端相连，所述的透射式空间光调制器2、柱面镜3和凸透镜4依次紧靠设置，所述的CCD摄像机5的接收面与所述的凸透镜4的焦平面重合。

数据接收系统1将接收到的时间域二维数据输入空间光调制器2，空间光调制器2将时间域数据变换到空间域，将数据调制成光信号输出，输出的光信号首先入射到紧靠着空间光调制器的柱面镜3，进行二次项相位补偿，出射后入射到紧靠着柱面镜3的凸透镜4，进行二维快速傅里叶变换同时在方位向和距离向聚焦，聚焦的衍射光在焦平面上成像，所述的CCD摄像机5将焦平面上接收到的像传输到计算机6中，计算上呈现目标的像。

本发明拟采用的透射式相位型空间光调制器2的数据为：通光尺寸15.36×8.64mm，像素数1920×1080，像素尺度8μm。因此处理器的光学通道孔径大约为16×16mm。本发明利用空间光调制器2的透射式加载的特点，将柱面镜3和凸透镜4组成的像散透镜紧靠空间光调制器2放置，因此能够有效缩小处理器尺度，实现结构紧凑化。

Claims (1)

1.一种基于像散傅里叶变换的光学合成孔径激光成像雷达处理器，特征在于其构成包括同光轴的依次的数据接收系统（1）、透射式空间光调制器（2）、柱面镜（3）、凸透镜（4）和CCD摄像机（5），所述的数据接收系统（1）的输出端通过数据线与所述的透射式空间光调制器（2）的输入端相连，所述的CCD摄像机（5）的输出端通过数据线与计算机（6）的输入端相连，所述的透射式空间光调制器（2）、柱面镜（3）和凸透镜（4）依次紧靠设置，所述的CCD摄像机（5）的接收面与所述的凸透镜（4）的焦平面重合。

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