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合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法

阅读：247发布：2021-10-10

专利汇可以提供合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法，用于对合成孔径激光成像雷达的目标回波数据进行成像处理，其构成包括激光器、起偏器、准直扩束器、离焦柱面望远镜、相位加载单元、检偏器、傅里叶变换透镜、平面反射镜、图像传感器、计算机，核心原理为相位加载单元加载SAIL回波信号相位数据，离焦柱面望远镜对方位向二次项相位进行补偿，傅里叶变换透镜进行两维傅里叶变换成像结果经过平面反射镜进行“镜像”消除后由图像传感器接收并由计算机存储显示。能够调节离焦柱面望远镜的离焦量以适应不同探测距离下的SAIL的回波信号的聚焦成像处理，实现了统一工作的目的，节省成本，提高效率，是合成孔径激光成像雷达的重要技术改进。，下面是合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种合成孔径激光成像雷达的光学成像系统，其特征在于其构成包括激光器(1)、起偏器(2)、准直扩束器(3)、离焦柱面望远镜(4)、相位加载单元(5)、检偏器(6)、平面反射镜(8)、傅里叶变换透镜(7)、图像传感器(9)和计算机(10)，所述的离焦柱面望远镜(4)依次包括第一柱面透镜(41)、第二柱面透镜(42)，所述的相位加载单元(5)依次包括数据处理与相位提取模块(51)、纯相位液晶空间光调制器(52)，
沿所述的激光器(1)的激光输出的主光轴上依次是所述的起偏器(2)、准直扩束器(3)、离焦柱面望远镜(4)的第一柱面透镜(41)、第二柱面透镜(42)、纯相位液晶空间光调制器(52)、检偏器(6)、傅里叶变换透镜(7)、平面反射镜(8)和图像传感器(9)，该图像传感器(9)的输出端(91)与所述的计算机(10)的第二输入端(102)相连，该计算机(10)的输出端(103)接所述的数据处理与相位提取模块(51)的输入端(511)，该计算机的第一输入端(101)接合成孔径激光成像雷达的回波信号接收系统，所述的数据处理与相位提取模块(51)的输出端(512)接所述的纯相位液晶空间光调制器的输入端(521)，
所述的第一柱面透镜(41)的母线方向与所述的第二柱面透镜(42)的母线方向平行，所述的第二柱面透镜(42)的母线方向与所述的纯相位液晶空间光调制器(52)的距离向的方向平行，所述的第一柱面透镜(41)和第二柱面透镜(42)之间的离焦量为Δl，式中，λ为所述的激光器(1)的发射激光波长，f2为所述的第二柱
面透镜(42)的焦距，Bs为合成孔径激光成像雷达的光学足趾的方位向宽度，b为所述的纯相位液晶空间光调制器的方位向的宽度，λs为合成孔径激光成像雷达的发射激光的中心波长，F为合成孔径激光成像雷达的光学足趾的等效曲率半径，所述的纯相位液晶空间光调制器(52)的前表面位于所述的第二柱面透镜(42)的后焦面上，所述的纯相位液晶空间光调制器(52)的后表面位于所述的傅里叶变换透镜(7)的前焦面上，所述的图像传感器(9)的感光面位于所述的傅里叶变换透镜(7)的后焦面上，所述的起偏器(2)与所述的检偏器(6)的偏振方向均与所述的纯相位液晶空间光调制器(52)的方位向的方向平行，所述的激光器(1)输出激光的主光轴与所述的平面反射镜(8)前表面的法线的夹角为45°。
2.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的光学成像系统，其特征在于所述的图像传感器(9)是CCD或者CMOS。
3.一种基于权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的光学成像系统的光学成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
①通过测量确定合成孔径激光成像雷达到面目标中心的探测距离z0，确定所述的合成孔径激光成像雷达的发生激光的中心波长λs、合成孔径激光成像雷达的发射系统的发射口径的方位向的宽度Sy，通过所述的合成孔径激光成像雷达的光学足趾的等效曲率半径F的计算公式：F＝z0/2计算得到所述的F的具体数值，通过所述的合成孔径激光成像雷达的光学足趾的方位向的宽度Bs的计算公式：Bs＝2λsz0/Sy计算得到所述的Bs的具体数值，然后根据所述的第一柱面透镜(41)与第二柱面透镜(42)之间的离焦量Δl的表达式计算得到离焦量Δl的具体数值，并调节所述的第一柱面透镜(41)
与第二柱面透镜(42)之间的离焦量Δl为所述的离焦量Δl的具体数值；
②合成孔径激光成像雷达的发射系统对所述的面目标发射线性调频的啁啾脉冲激光，所述的线性调频的啁啾脉冲激光经过所述的面目标反射后由接收系统进行相干外差接收，接收后得到的回波信号存储在所述的计算机(10)中，该计算机(10)中存储的所述面目标上第k个点目标的回波信号为Ik(tf,mTsv)：
其中，Ak为与激光发射功率、本振激光功率、光学外差接收灵敏度、发射和接收光学系统结构、自由空间光传输、目标复反射率特性等有关的常数，由雷达发射与接收结构确
2
定的方位向方向性函数为：sinc[Sy(yk-mTsv)/λsz0]，Sy为发射系统的发射口径方位向的宽度，λs为合成孔径激光成像雷达的发射激光的中心波长，z0为雷达与所述的面目标中心的探测距离，m为雷达沿方位向的采样序号，设定m＝0为雷达对第k个目标散射点进
2
行数据收集的时间、空间采样原点，垂直向方向性函数为：sinc(Sxxk/λsz0)，Sx为雷达发射口径垂直向宽度，这里令雷达发射口径与接收口径相等，距离向时间采样窗口函数为：
rect((tf-Cs)/T)，其中T＝tstop-tstart，tstart,tstop分别为外差信号的采集开始与结束时间，距离向时间采样中心位置为Cs＝(tstart+tstop)/2，雷达发射激光频率啁啾率为ρ，Δzk为减去参考光臂长后的目标雷达等效距离，c为光速，雷达光学足趾等效曲率半径为F＝z0/2；
③所述的点目标的回波信号Ik(tf,mTsv)由所述的计算机(10)传输到所述的数据处理与相位提取模块(51)，所述的数据处理与相位提取模块(51)对所述的点目标的回波信号Ik(tf,mTsv)进行复数化处理后为I′(tf,nΔtsv)：
所述的I′(tf,nΔtsv)经过所述的数据处理与相位提取模块(51)进行相位提取后的相位信号为
④所述的相位信号依次经过所述的数据处理与相位提取模块(51)的输出
端(512)、数据线、所述的纯相位液晶空间光调制器(52)的输入端(521)加载到该纯相位液晶空间光调制器(52)上作为其相位调制函数，所述的纯相位液晶空间光调制器(52)距离向宽度为a，位于x坐标轴，加载距离向相位信号，方位向宽度长为b，位于y坐标轴，加载方位向相位信号，相位信号加载过程中，上述合成孔径激光成像雷达回波的相位信号的距离向时间坐标tf，方位向空间坐标mTsv与所述的纯相位液晶空间光调制器空间坐标(x,y)的转换关系分别为：
式中，T为雷达距离向时间采样宽度，Bs为雷达光学足趾方位向宽度，经过如上[4]式坐标变换关系后，加载到所述的纯相位液晶空间光调制器(52)上的相位调制函数为则所述的纯相位液晶空间光调制器(52)的相位调制函数为Il(x,y)：
⑤所述的激光器(1)发出的激光器经过所述的起偏器(2)起偏后再经过所述的准直扩束器(3)后成为扩束准直的平面光波，所述的第一柱面透镜(41)的焦距为f1，所述的第二柱面透镜(42)的焦距为f2，该第一柱面透镜(41)、第二柱面透镜(42)之间的离焦量为则上述垂直入射的平面光波依次经过所述的第一柱面透镜(41)、
第二柱面透镜(42)后在所述的第二柱面透镜(42)的后焦面处产生的光场为Ic(y)：
所述的Ic(y)经过所述的纯相位液晶空间光调制器(52)按下列[8]式进行相位调制后在该纯相位液晶空间光调制器(52)的后表面处的光场为Io(x,y)：
⑥所述的Io(x,y)经过所述的检偏器(6)后再经过所述的傅里叶变换透镜(7)按下列[9]式进行两维傅里叶变换，然后经过所述的平面反射镜(8)进行消“镜像”后传输到所述的图像传感器(9)的感光面上，所述的傅里叶变换透镜(7)的焦距为ft，所述的傅里叶变换透镜(7)的后焦面即所述的图像传感器(9)的感光面的距离向、方位向的空间坐标为(ξ,η)，所述的图像传感器(9)感光面处的光场即所述的第k个点目标的成像结果为Ii(ξ,η)：
[9]式中省略了常数相位因子： rect(a/x)、rect(b/y)分别为所述
的纯相位液晶空间光调制器(52)的距离向、方位向孔径因子,
所述的第k个点目标的成像结果Ii(ξ,η)由所述的图像传感器(9)进行接收，并经由数据线传输到所述的计算机(10)中存储在所述的面目标的成像结果的对应位置上；
⑦对所述的面目标上的其他点目标重复上述步骤②、③、④、⑤、⑥，实现对所述的面目标的成像处理，得到所述的面目标的成像结果通过所述的计算机(10)进行显示。
4.根据权利要求3所述的光学成像方法，其特征在于，当合成孔径激光成像雷达在其它探测距离工作时，按照所述的步骤①、②、③、④、⑤、⑥、⑦对所述的其它探测距离下合成孔径激光成像雷达所获得的目标回波信号进行成像处理，实现对合成孔径激光成像雷达不同探测距离下获得的目标回波信号的成像处理。

说明书全文

合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法

技术领域

[0001] 本发明涉及合成孔径激光成像雷达，特别是一种合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法，能够利用光学成像处理的方式实现不同探测距离下的合成孔径激光成像雷达照射目标的孔径合成成像。

背景技术

[0002] 合成孔径激光成像雷达(SAIL)的原理取之于射频领域的合成孔径雷达（SAR）原理，是国外报道的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。合成孔径激光成像雷达的发射激光采用光频线性调制即啁啾调制，光电外差接收采用去斜解调方式即采用同样的啁啾发射激光作为外差本机振荡器光束，因此得到了在距离向包含距离信息和在方位向包含相位历程信息的回波差频信号。目标面上每个点的回波信号相位距离向为与距离向快时间有关的线性项相位，方位向为与方位向慢时间有关的二次项相位。

[0003] 2002年以来，合成孔径激光成像雷达在实验室先后得到了验证【参见文献1：M.Bashkansky,R.L.Lucke,E.Funk,L.J.Rickard,and J.Reintjes，“Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain,”Optic Letters,Vol.
27,pp1983-1985(2002),；文献 2：W.Buell,N.Marechal,J.Buck,R.Dickinson,D.Kozlowski,T.Wright,and S.Beck，“Demonstrations of Synthetic Aperture Imaging Ladar，”Proc.of SPIE Vol.5791pp152-166(2005)，；文献3：周煜，许楠，栾竹，闫爱民，王利娟，孙建锋，刘立人，尺度缩小合成孔径激光雷达的二维成像实验，光学学报，Vol.31(9)(2011)，；文献4：刘立人，周煜，职亚楠，孙建锋，大口径合成孔径激光成像雷达演示样机及其实验室验证，光学学报，Vol.29(7):2030～2032(2011)】，2006年在美国国防先进计划局支持下的雷声公司和诺格公司分别实现了机载合成孔径激光雷达实验（无任何细节报道）【参见文献5：J.Ricklin,M.Dierking,S.Fuhrer,B.Schumm,and D.Tomlison,“Synthetic aperture ladar for tactical imaging,”DARPA Strategic Technology Office.】。2011年，洛马公司对1.6公里处的地面目标实现了机载合成孔径激光成像雷达成像实验【参见文献6：Brian W.Krause,Joe Buck,Chris Ryan,David Hwang,Piotr Kondratko,Andrew Malm,Andy Gleason“Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration，”】。

[0004] 在上述所有相关报道中【参见文献1、2、3、4、5、6】，回波信号的成像处理方式都是数字成像处理方式，即将光电接收和数字化之后的回波信号首先进行快速傅里叶变换实现目标距离向聚焦成像，然后将距离向聚焦成像后的信号采用空间的二次项匹配滤波实现目标的方位向聚焦成像。这两步在时间上有先后顺序，不能同时进行，需要相对较长的成像处理时间，另外，在合成孔径激光成像雷达中，根据探测目的，探测环境等因素要求，合成孔径激光成像雷达会以不同探测距离进行工作，因此回波信号的各个参数会随着雷达不同探测距离的改变而改变，在数字成像处理方式中，需要更改大量参量以适应雷达不同探测距离下的回波信号的成像处理。在先技术【文献7：孙志伟，职亚楠，孙建锋，周煜，戴恩文，刘立人，卢栋，许倩，合成孔径激光成像雷达的光学成像处理装置，发明专利，申请号：201210487193.9】中，提出利用光学成像的方式对合成孔径激光成像雷达的回波信号进行成像处理，但是，这种光学成像处理装置只能适应一种特定特定探测距离下的合成孔径激光成像雷达的回波信号的成像处理，如果对其它探测距离下的合成孔径激光成像雷达的回波信号进行成像处理的话，需要更改装置里的元件，成本较高，处理效率较低。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题在于提出了一种合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法，可以适应不同探测距离下的合成孔径激光成像雷达的回波信号的聚焦成像处理，是合成孔径激光成像雷达的重要的技术改进。

[0006] 本发明的技术解决方案如下：

[0007] 一种合成孔径激光成像雷达的光学成像系统，其特征在于其构成包括激光器、起偏器、准直扩束器、离焦柱面望远镜、相位加载单元、检偏器、平面反射镜、图像传感器和计算机，所述的离焦柱面望远镜依次包括第一柱面透镜、第二柱面透镜，所述的相位加载单元依次包括数据处理与相位提取模块、纯相位液晶空间光调制器，沿所述的激光器的激光输出的主光轴上依次是所述的起偏器、准直扩束器、离焦柱面望远镜的第一柱面透镜、第二柱面透镜、纯相位液晶空间光调制器、检偏器、傅里叶变换透镜、平面反射镜和图像传感器，该图像传感器的输出端与所述的计算机的第二输入端相连，该计算机的输出端接所述的数据处理与相位提取模块的输入端，该计算机的第一输入端接合成孔径激光成像雷达的回波信号接收系统，所述的数据处理与相位提取模块的输出端接所述的纯相位液晶空间光调制器的输入端；所述的第一柱面透镜的母线方向与所述的第二柱面透镜的母线方向平行，所述的第二柱面透镜的母线方向与所述的纯相位液晶空间光调制器的距离向的方向平行，所述的第一柱面透镜和第二柱面透镜之间的离焦量为Δl，式中，λ为所述的激光器的发射激光波长，f2为所述的第二柱面透镜的焦距，Bs为合成孔径激光成像雷达的光学足趾的方位向宽度，b为所述的纯相位液晶空间光调制器的方位向的宽度，λs为合成孔径激光成像雷达的发射激光的中心波长，F为合成孔径激光成像雷达的光学足趾的等效曲率半径，所述的纯相位液晶空间光调制器的前表面位于所述的第二柱面透镜的后焦面上，所述的纯相位液晶空间光调制器的后表面位于所述的傅里叶变换透镜的前焦面上，所述的图像传感器的感光面位于所述的傅里叶变换透镜的后焦面上，所述的起偏器与所述的检偏器的偏振方向均与所述的纯相位液晶空间光调制器的方位向的方向平行，所述的激光器输出激光的主光轴与所述的平面反射镜的前表面法线的夹角为45°。

[0008] 所述的图像传感器是CCD或者CMOS。

[0009] 一种合成孔径激光成像雷达的光学成像方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

[0010] ①通过测量确定合成孔径激光成像雷达到面目标中心的探测距离z0，确定所述的合成孔径激光成像雷达的发生激光的中心波长λs、合成孔径激光成像雷达的发射系统的发射口径的方位向的宽度Sy，通过所述的合成孔径激光成像雷达的光学足趾的等效曲率半径F的计算公式：F＝z0/2计算得到所述的F的具体数值，通过所述的合成孔径激光成像雷达的光学足趾的方位向的宽度Bs的计算公式：Bs＝2λsz0/Sy计算得到所述的Bs的具体数值，然后根据所述的第一柱面透镜与第二柱面透镜之间的离焦量Δl的表达式计算得到离焦量Δl的具体数值，并调节所述的第一柱面透镜与第二柱面透镜之间的离焦量Δl为所述的离焦量Δl的具体数值；

[0011] ②合成孔径激光成像雷达的发射系统对面目标发射线性调频的啁啾脉冲激光，所述的线性调频的啁啾脉冲激光经过所述的面目标反射后由接收系统进行相干外差接收，接收后得到的回波信号存储在所述的计算机中，该计算机中存储的所述面目标上第k个点目标的回波信号为Ik(tf,mTsv)：

[0012]

[0013]

[0014] 其中，Ak为与激光发射功率、本振激光功率、光学外差接收灵敏度、发射和接收光学系统结构、自由空间光传输、目标复反射率特性等有关的常数。由雷达发射与接收结构确定的方位向方向性函数为：sinc2[Sy(yk-mTsv)/λsz0]，Sy为雷达发射口径方位向宽度，λs为雷达发射激光中心波长，z0为雷达运动轨迹到轨迹投影交线的距离，m为雷达沿方位向的采样序号，设定m＝0为雷达对第k个目标散射点进行数据收集的时间、空间采样原点，垂直向方向性函数为：sinc2(Sxxk/λsz0)，Sx为雷达发射口径垂直向宽度，这里令雷达发射口径与接收口径相等，距离向时间采样窗口函数为：rect(nTf-Cs/T)，其中T＝tstop-tstart，tstart,tstop分别为外差信号的采集开始与结束时间，距离向时间采样中心位置为Cs＝(tstart+tstop)/2，雷达发射激光频率啁啾率为ρ，Δzk为减去参考光臂长后的目标雷达等效距离，c为光速，雷达光学足趾等效曲率半径为F＝z0/2；

[0015] ③所述的点目标的回波信号Ik(tf,mTsv)由所述的计算机传输到所述的数据处理与相位提取模块，所述的数据处理与相位提取模块对所述的点目标的回波信号Ik(tf,mTsv)进行复数化处理后为I′(tf,nΔtsv)：

[0016]

[0017]

[0018] 所述的I′(tf,nΔtsv)经过所述的数据处理与相位提取模块进行相位提取后的相位信号为

[0019]

[0020] ④所述的相位信号依次经过所述的数据处理与相位提取模块的输出端、数据线、所述的纯相位液晶空间光调制器的输入端加载到该纯相位液晶空间光调制器上作为其相位调制函数，所述的纯相位液晶空间光调制器距离向宽度为a，位于x坐标轴，加载距离向相位信号，方位向宽度长为b，位于y坐标轴，加载方位向相位信号，相位信号加载过程中，上述合成孔径激光成像雷达回波的相位信号的距离向时间坐标，方位向空间坐标(tf,mTsv)与所述的纯相位液晶空间光调制器空间坐标(x,y)的转换关系分别为：

[0021]

[0022] 式中，T为雷达距离向时间采样宽度，Bs为雷达光学足趾方位向宽度，经过如上[4]式坐标变换关系后，加载到所述的纯相位液晶空间光调制器上的相位调制函数为[0023]

[0024]

[0025] 则所述的纯相位液晶空间光调制器（52）的相位调制函数为Il(x,y)：

[0026]

[0027] ⑤所述的激光器发出的激光器经过所述的起偏器起偏后再经过所述的准直扩束器后成为扩束准直的平面光波，所述的第一柱面透镜的焦距为f1，所述的第二柱面透镜的焦距为f2，该第一柱面透镜、第二柱面透镜之间的离焦量为则上述垂直入射的平面光波依次经过所述的第一柱面透镜、第二柱面透镜后在所述的第二柱面透镜的后焦面处产生的光场为Ic(y)：

[0028]

[0029] 所述的Ic(y)经过所述的纯相位液晶空间光调制器按下列[8]式进行相位调制后在该纯相位液晶空间光调制器的后表面处的光场为Io(x,y)：

[0030]

[0031]

[0032]

[0033] ⑥所述的Io(x,y)经过所述的检偏器后再经过所述的傅里叶变换透镜按下列[9]式进行两维傅里叶变换，然后经过所述的平面反射镜进行消“镜像”后传输到所述的图像传感器的感光面上，所述的傅里叶变换透镜的焦距为ft，所述的傅里叶变换透镜的后焦面即所述的图像传感器的感光面的距离向、方位向的空间坐标为(ξ,η)，所述的图像传感器感光面处的光场即所述的第k个点目标的成像结果为Ii(ξ,η)：

[0034]

[0035]

[0036]

[0037] [9]式中省略了常数相位因子： rect(a/x)、rect(b/y)分别为所述的纯相位液晶空间光调制器的距离向、方位向孔径因子,

[0038] 所述的第k个点目标的成像结果Ii(ξ,η)由所述的图像传感器进行接收，并经由数据线传输到所述的计算机中存储在所述的面目标的成像结果的对应位置上；

[0039] ⑦对所述的面目标上的其他点目标重复上述步骤②、③、④、⑤、⑥，实现对所述的面目标的成像处理，得到所述的面目标的成像结果通过所述的计算机进行显示。

[0040] 当合成孔径激光成像雷达在其它探测距离工作时，按照所述的步骤①、②、③、④、⑤、⑥、⑦对所述的其它探测距离下合成孔径激光成像雷达所获得的目标回波信号进行成像处理，实现对合成孔径激光成像雷达不同探测距离下获得的目标回波信号的成像处理。

[0041] 本发明的技术效果：

[0042] 本发明利用纯相位液晶空间光调制器加载合成孔径激光成像雷达回波信号的相位数据，激光器发出的激光经过起偏、准直扩束后经过离焦柱面望远镜产生方位向二次项相位补偿所用的柱面光波照射到纯相位液晶空间光调制器上进行方位向二次项相位补偿，出射光波经过检偏后经过傅里叶变换透镜进两维傅里叶变换，成像结果经平面反射镜消除方位向“镜像”后经由图像传感器接收并由计算机进行存储显示。

[0043] 本发明仅仅通过调节所述的离焦柱面望远镜的离焦量Δl即可对工作在不同探测距离下的合成孔径激光成像雷达的目标回波数据进行成像处理，无需更换元件，即可实现了统一工作的目的，

[0044] 本发明节省成本，提高效率，是合成孔径激光成像雷达的重要的技术改进。附图说明

[0045] 图1是本发明合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法结构示意图。

[0046] 图2是本发明中纯相位液晶空间光调制器空间坐标示意图。

[0047] 图3是本发明中离焦柱面望远镜结构示意图。

具体实施方式

[0048] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

[0049] 先请参阅图1，图1是本发明合成孔径激光成像雷达的光学成像系统结构示意图。由图可见，本发明合成孔径激光成像雷达的光学成像系统，其构成包括激光器1、起偏器2、准直扩束器3、离焦柱面望远镜4、相位加载单元5、检偏器6、平面反射镜8、图像传感器9和计算机10，所述的离焦柱面望远镜4依次包括第一柱面透镜41、第二柱面透镜42，所述的相位加载单元5依次包括数据处理与相位提取模块51、纯相位液晶空间光调制器52，沿所述的激光器1的激光输出的主光轴上依次是所述的起偏器2、准直扩束器3、离焦柱面望远镜4的第一柱面透镜41、第二柱面透镜42、纯相位液晶空间光调制器52、检偏器
6、傅里叶变换透镜7、平面反射镜8和图像传感器9，该图像传感器9的输出端91与所述的计算机10的第二输入端102相连，该计算机10的输出端103接所述的数据处理与相位提取模块51的输入端511，该计算机的第一输入端103接合成孔径激光成像雷达的回波信号接收系统，所述的数据处理与相位提取模块51的输出端512接所述的纯相位液晶空间光调制器的输入端521，所述的第一柱面透镜41的母线方向与所述的第二柱面透镜42的母线方向平行，所述的第二柱面透镜42的母线方向与所述的纯相位液晶空间光调制器52的距离向的方向平行，所述的第一柱面透镜41和第二柱面透镜42之间的离焦量为Δl，式中，λ为所述的激光器1的发射激光波长，f2为所述的第二柱面
透镜42的焦距，Bs为合成孔径激光成像雷达的光学足趾的方位向宽度，b为所述的纯相位液晶空间光调制器的方位向的宽度，λs为合成孔径激光成像雷达的发射激光的中心波长，F为合成孔径激光成像雷达的光学足趾的等效曲率半径，所述的纯相位液晶空间光调制器
52的前表面位于所述的第二柱面透镜42的后焦面上，所述的纯相位液晶空间光调制器52的后表面位于所述的傅里叶变换透镜7的前焦面上，所述的图像传感器9的感光面位于所述的傅里叶变换透镜7的后焦面上，所述的起偏器2与所述的检偏器6的偏振方向均与所述的纯相位液晶空间光调制器52的方位向的方向平行，所述的激光器1输出激光的主光轴与所述的平面反射镜8的法线的夹角为45°。

[0050] 所述的图像传感器9有两种选择，CCD或者CMOS。

[0051] 下面结合合成孔径激光成像雷达的面目标的回波信号来解释本发明合成孔径激光成像雷达的光学成像方法的成像处理过程：

[0052] 首先通过测量确定合成孔径激光成像雷达到面目标中心的探测距离z0，确定所述的合成孔径激光成像雷达的发生激光的中心波长λs、合成孔径激光成像雷达的发射系统的发射口径方位向的宽度Sy，通过所述的合成孔径激光成像雷达的光学足趾的等效曲率半径F的计算公式：F＝z0/2计算得到所述的F的具体数值，通过所述的合成孔径激光成像雷达的光学足趾的方位向的宽度Bs的计算公式：Bs＝2λsz0/Sy计算得到所述的Bs的具体数值，然后根据所述的第一柱面透镜41与第二柱面透镜42之间的离焦量Δl的表达式计算得到离焦量Δl的具体数值，并调节所述的第一柱面透镜41与第二柱面透镜42之间的离焦量Δl为所述的离焦量Δl的具体数值；

[0053] 合成孔径激光成像雷达的发射系统对所述的面目标发射线性调频的啁啾脉冲激光，发射光波经过所述的面目标反射后由接收系统进行相干外差接收，接收后的信号存储在所述的计算机中，存储在所述的计算机中的所述的面目标上的第k个点目标的回波信号为Ik(tf,mTsv)：

[0054]

[0055]

[0056] 其中，Ak为与激光发射功率、本振激光功率、光学外差接收灵敏度、发射和接收光学系统结构、自由空间光传输、目标复反射率特性等有关的常数。由雷达发射与接收结构确定的方位向方向性函数为：sinc2[Sy(yk-mTsv)/λsz0]，Sy为雷达发射口径方位向宽度，λs为雷达发射激光中心波长，z0为雷达运动轨迹到轨迹投影交线的距离，m为雷达沿方位向的采样序号，设定m＝0为雷达对第k个目标散射点进行数据收集的时间、空间采样原点，垂直向方向性函数为：sinc2(Sxxk/λsz0)，Sx为雷达发射口径垂直向宽度，这里令雷达发射口径与接收口径相等，距离向时间采样窗口函数为：rect(nTf-Cs/T)，其中T＝tstop-tstart，tstart,tstop分别为外差信号的采集开始与结束时间，距离向时间采样中心位置为Cs＝(tstart+tstop)/2，雷达发射激光频率啁啾率为ρ，Δzk为减去参考光臂长后的目标雷达等效距离，c为光速，雷达光学足趾等效曲率半径为F＝z0/2。

[0057] 所述的点目标的回波信号Ik(tf,mTsv)由所述的计算机传输到所述的数据处理与相位提取模块，所述的数据处理与相位提取模块对所述的Ik(tf,mTsv)进行复数化处理后为I′(tf,nΔtsv)：

[0058]

[0059]

[0060] 所述的I′(tf,nΔtsv)上述信号经过所述的数据处理与相位提取模块进行相位提取后的相位信号为

[0061]

[0062] 上式相位信号由数据线加载到所述的纯相位液晶空间光调制器上作为其相位调制函数，再请参阅图2，图2是本发明中所述的纯相位液晶空间光调制器空间坐标示意图，由图可见，所述的纯相位液晶空间光调制器距离向宽度为a，位于x坐标轴，加载距离向相位信号，方位向宽度长为b，位于y坐标轴，加载方位向相位信号，相位信号加载过程中，雷达距离向时间采样坐标，方位向空间坐标(tf,mTsv)与所述的纯相位液晶空间光调制器空间坐标(x,y)的转换关系分别为：

[0063]

[0064] 式中，T为雷达距离向时间采样宽度，Bs为雷达光学足趾方位向尺度，经过上述坐标变换关系后，加载到所述的纯相位液晶空间光调制器上的相位调制函数为[0065]

[0066]

[0067] 则所述的纯相位液晶空间光调制器的相位调制函数为Il(x,y)：

[0068]

[0069] 所述的激光器发出的激光器经过所述的起偏器起偏后再经过所述的准直扩束器后成为扩束准直的平面光波，再请参阅图3，图3为所述的离焦柱面望远镜结构示意图，由图可见所述的离焦柱面望远镜的结构，所述的第一柱面透镜的焦距为f1，所述的第二柱面透镜的焦距为f2，两者之间的离焦量为Δl，则垂直入射的平面光波经过所述的离焦柱面望远镜后在所述的第二柱面透镜的后焦面产生的光场为：在本发明中，所述的柱面望远镜的离焦量为：则上述平面光波经
过所述的柱面望远镜后在所述的第二柱面透镜后焦面即纯相位液晶空间光调制器前表面处的光场为Ic(y)：

[0070]

[0071] 所述的Ic(y)经过所述的纯相位液晶空间光调制器进行相位调制后的光场为Io(x,y)：

[0072]

[0073]

[0074]

[0075] 所述的Io(x,y)上述光场经过所述的检偏器后再经过所述的傅里叶变换透镜按下式进行两维傅里叶变换，然后经过所述的平面反射镜进行消“镜像”后传输到所述的图像传感器的感光面上，所述的傅里叶变换透镜的焦距为ft，所述的傅里叶变换透镜的后焦面即所述的图像传感器的感光面的距离向、方位向的空间坐标为(ξ,η)，所述的图像传感器感光面处的光场为Ii(ξ,η)：

[0076]

[0077]

[0078]

[0079] 上式省略了常数相位因子： rect(a/x)、rect(b/y)分别为所述的纯相位液晶空间光调制器距离向、方位向孔径因子。

[0080] 由上式可得，对于所考察第k个点目标：

[0081] a)所成点像距离向坐标：距离向成像分辨率为：

[0082] b)所成点像方位向坐标：方位向成像分辨率为：

[0083] 在不利用所述的平面反射镜进行“镜像”消除时，目标面上方位向坐标不同的两个点，通过上述成像过程成像所得像点的沿方位向的相对位置关系与原点目标的沿方位向的相对位置关系相反，因此，对于面目标所成的像相对于方位向零点发生了“镜像”，因此在所述的傅里叶变换透镜与图像传感器之间加上一个所述的平面反射镜来消除上述“镜像”效应，所述的激光器发出激光的主轴与所述的平面反射镜的前表面的法线夹角为45°。

[0084] 所述的第k个点目标的成像结果Ii(ξ,η)由所述的图像传感器9进行接收，并经由数据线传输到所述的计算机10中存储在所述的面目标的成像结果的对应位置上；

[0085] 对所述的面目标上的其他点目标重复上述步骤②、③、④、⑤、⑥，实现对所述的面目标的成像处理，得到所述的面目标的成像结果通过所述的计算机（10）进行显示，对于目标平面上距离向宽度、方位向宽度分别为Δz、Δy的面目标来说，在(ξ,η)平面上所成面像的尺寸为：Δξ＝2TρλftΔz/(ac)，Δη＝BsλftΔy/λsFb，

[0086] 当合成孔径激光成像雷达在其它探测距离工作时，按照所述的步骤①、②、③、④、⑤、⑥、⑦对所述的其它探测距离下合成孔径激光成像雷达所获得的目标回波信号进行成像处理，实现对合成孔径激光成像雷达不同探测距离下获得的目标回波信号的成像处理，实现了统一工作的目的。

[0087] 本发明的一个实施例是用于大口径合成孔径激光成像雷达演示样机获得的面目标回波数据的聚焦成像处理，下面给出雷达系统及目标的参数：雷达发射激光中心波长λ13
＝1.55μm，频率啁啾率：ρ＝1.25×10 Hz/s，光学足趾大小：22mm×22mm，雷达目标中心距：z＝14m，雷达方位向步进长度：Tsv＝0.1mm，距离向采样时间宽度：Ts＝40ms，距离向采样频率：2.5MHz，光学足趾曲率半径：f＝2.6047m，目标大小：8mm×40mm，长边位于方位向，目标短边相对雷达倾斜45°放置，所用激光器输出波长为：λ＝632.8nm，所用纯相位液晶空间光调制器的尺寸：a＝15.36mm，加载方位向相位数据，b＝8.64mm，加载距离向相位数据，所用柱面离焦柱面望远镜的离焦量为：Δl＝7.2mm，所用第一柱面透镜、第二柱面透镜的焦距均为150mm，尺寸均为：25mm×25mm，所用的傅里叶变换透镜的焦距为ft＝200mm。

[0088] 在合成孔径激光成像雷达中，传统的雷达回波数据的成像处理方式都是数字处理方式，即将光电接收和数字化之后的回波信号首先进行快速傅里叶变换实现目标距离向聚焦成像，然后将距离向聚焦成像后的信号采用空间的二次项匹配滤波实现目标的方位向聚焦成像。这两步在时间上有先后顺序，不能同时进行，需要较长的成像处理时间，另外，在合成孔径激光成像雷达中，根据探测目的，探测环境等因素要求，合成孔径激光成像雷达会以不同的探测距离进行工作，因此回波信号的各个参数会随着雷达的探测距离的改变而改变，在数字成像处理方式中，需要更改大量参量以适应雷达不同探测距离下的回波信号的成像处理。

[0089] 本发明合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法提出首先确定合成孔径激光成像雷达的探测距离以确定离焦望远镜的离焦量，然后对雷达回波信号进行复数化、抽样、相位提取，所提取的相位信号作为纯相位液晶空间光调制器的相位调制函数，由激光器发出的激光经过起偏器变为线偏光，偏振方向与纯相位液晶空间光调制器的方位向平行，经过准直扩束器进行扩束准直，然后经过离焦柱面望远镜形成方位向二次项相位补偿所需的柱面光波，然后照射到纯相位液晶空间光调制器上，经过纯相位液晶空间光调制器相位调制后经过检偏器进行检偏，然后经过傅里叶变换透镜进行两维傅里叶变换，再由平面反射镜消除“镜像”后由图像传感器接收成像结果并由计算机进行存储显示。对于工作不同探测距离下的合成孔径激光成像雷达所获得的目标回波数据，仅仅需要调节所述的离焦柱面望远镜的离焦量即可适应相应探测距离的雷达回波信号的成像处理，无需更换元件，实现了统一工作的目的，另外，本发明节省成本，提高效率，是合成孔径激光成像雷达的重要技术改进。

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合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法

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