[发明专利]合成孔径激光成像雷达的光学成像系统与光学成像方法

权利要求书

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）、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，B_s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，λ_s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CMOS。

3.一种合成孔径激光成像雷达的光学成像方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

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发射激光的中心波长λ_s、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S_y，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B_s的计算公式：B_s＝2λ_sz₀/S_y计算得到所述的B_s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，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I_k(t_f,mT_sv)：

Ik(tf,mTsv)=Aksinc2(Sxxkλsz0)sinc2[Sy(yk-mTsv)λsz0]rect(tf-CsT)×]]>

[1]]]>

cos[2πρ2Δzkctf+πλsF(yk-mTsv)2]]]>

其中，A_k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[S_y(y_k-mT_sv)/λ_sz₀]，S_y为发射系统的发射口径方位向的宽度S_y，λ_s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个目标散射点进行数据收集的时间、空间采样原点，垂直向方向性函数为：sinc²(S_xx_k/λ_sz₀)，S_x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(nT_f-C_s/T)，其中T＝t_stop-t_start，t_start,t_stop分别为外差信号的采集开始时间与结束时间，距离向时间采样中心位置为C_s＝(t_start+t_stop)/2，雷达发射激光频率啁啾率为ρ，Δz_k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I_k(t_f,mT_sv)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I_k(t_f,mT_sv)按下式进行复数化处理后为I′(t_f,nΔt_sv)：

I′(tf,nΔtsv)=Aksinc2(Sxxkλsz0)sinc2[Sy(yk-mTsv)λsz0]rect(tf-CsT)×]]>

[2]]]>

exp[j2πρ2Δzkctf+jπλsF(yk-mTsv)2]]]>

所述的I′(t_f,nΔt_sv)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，方位向空间坐标(t_f,mT_sv)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：

tf=Tax,]]>mTsv=Bsby---[4]]]>

式中，T为雷达距离向时间采样宽度，B_s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I_l(x,y)：

Il(x,y)=exp[j2π2ΔzkTρacx+jπλsF(Bsb)2(bBsyk-y)2]---[6]]]>

⑤所述的激光器（1）发出的激光经过所述的起偏器（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I_c(y)：

Ic(y)=exp(-jπλf22/Δly2)=exp[-jπλsF(Bsb)2y2]---[7]]]>

所述的I_c(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I_o(x,y)：

Io(x,y)=Il(x,y)×Ic(x,y)]]>

=exp[j2π2ΔzkTρacx+jπλsF(Bsb)2(bBsyk-y)2]×exp[-jπλsF(Bsb)2y2]---[8]]]>

=exp(j2π2ΔzkTρacx)exp(-j2πλsFBsbyky)exp(jπλsFyk2)]]>

⑥所述的I_o(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f_t，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I_i(ξ,η)：

Ii(ξ,η)=fft{Io(x,y)}]]>

=∫-∞+∞∫-∞+∞exp(j2π2ΔzkTρacx)exp(-j2πλsFBsbyky)×exp(-j2πξλftx+j2πηλfty)rect(xa)rect(yb)dxdy---[9]]]>

=sinc(aξλft)*δ(ξλft-2ΔzkTρac)×sinc(bηλft)*δ(ηλft-BsykλsFb)]]>

[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I_i(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。