[发明专利]双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达

说明书

技术领域

本发明涉及激光雷达，是一种双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达，原理上采用空间相位变换器将激光波面转换为一种包含了交轨向和顺轨向坐标相耦合的双曲面波前差和顺轨向二次项相位波前差的复合双曲波面，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。系统结构采用偏振正交同轴双光束投射成像发射和偏振干涉自差光电探测接收，基本物理概念是在交轨向实行目标面横向距离分辩，在顺轨向实行孔径合成。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立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。本发明不需要任何形式的光调制器，不需要发射和接收之间的光和电子的同步关联，结构十分简单，同时不存在回波延时的影响，具有较高系统接收灵敏度，也保留了直视合成孔径激光成像雷达的固有优点，如非常有效的降低了大气、运动平台、光雷达系统本身等相位干扰的影响，照明光斑可以很大，接收口径可以很大，因此能够获得较大的光学足趾和较强的回波接收功率，不需要光学延时线，允许使用低质量的接收光学系统，采用直视观察时目标反射率高并无成像阴影，以及可以在所有方位实现观察。本发明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，特别适用于高速和远距离目标的成像观察，也可以用作探测空间活动目标的基于逆合成孔径原理的激光成像雷达。

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，是能够在远距离得到厘米量级成像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有两种不同的概念原理(参考文献1)，即侧视合成孔径激光成像雷达和直视合成孔径激光成像雷达。侧视合成孔径激光成像雷达在距离方向(或称为交轨方向)实行直线视距分辩成像，在方位方向(或称为顺轨方向)实行孔径合成成像。直视合成孔径激光成像雷达在交轨方向实行目标面横向距离分辩成像，在顺轨方向实行孔径合成成像。对于这两种合成孔径激光成像雷达其在顺轨向合成孔径成像的实现都要求在顺轨向获取目标的二次项相位历程，这是一个自然的过程因此不需要对激光进行任何时间调制，而它们在交轨方向的距离分辨成像则必须对于发射激光实施某种时间调制。

侧视合成孔径激光成像雷达的距离分辨成像的一种实现方法是采用啁啾激光发射和光学外差去斜解调接收的方法(参考文献1－6)，激光的线性频率调制采用变化激光器腔长的调制原理，即需要压电机械调制器。侧视合成孔径激光成像雷达的另外一种距离分辨成像的实现是采用窄脉冲激光内相位编码调制的测距原理(参考文献7－8)，需要使用电光振幅调制器和电光相位调制器。直视合成孔径激光成像雷达的距离分辨成像的实现采用发射波面变换和扫描产生横向距离线性相位调制的原理(参考文献1，9－12)，需要采用电控机械平移扫描或机械偏转扫描的方案。此外，从总体结构看这些合成孔径激光成像雷达的激光光源需要工作于具有一定重复频率的脉冲模式，因此也可能需要采用电光振幅调制器将连续激光转换为重复率脉冲激光。由此可见，包含电光，压电和电机械机理的实现光频振幅调制，光频相位调制，光频频率调制，光学元件运动，光束偏转作用的光调制器是合成孔径激光成像雷达的必要器件。但是，采用光调制器增加了系统的复杂性和在航空航天应用上的坚固性。对于窄脉冲激光内相位编码调制系统而言，需要高速高带宽电子和数字处理，这又大大增加了电子系统的难度和复杂性。而机械性光调制器件一般不能实现高重复率运行，因此难于应用于高速航天航空使用。

上述的直视合成孔径激光成像雷达和侧视合成孔径激光成像雷达是在慢时间周期上发射快时间激光脉冲，对于所有的单个激光发射与接收采样信号之间都必须具有相关的光和电子学的时间同步关联，使得在顺轨向上分布的交轨向聚焦像之间具有相同的初始相位，这需要一种特殊的高精密光电子系统。

上述的直视合成孔径激光成像雷达和侧视合成孔径激光成像雷达运行中，目标的作用距离将产生回波信号的时间延时，但是当回波信号的延时超过发射脉冲周期时激光发射信号需要寻求和识别它关联的回波脉冲，这种复杂技术限制了雷达的作用距离，用于远距离探测变得困难。

因为上述的直视合成孔径激光成像雷达和侧视合成孔径激光成像雷达是在最多一个顺轨向分辩单元运行时间内进行目标的交轨向线性相位项数据的收集，并实施傅立叶变换交轨向聚焦成像，因此表征接收能量累积的最大积分时间为一个分辩单元时间或距离，可以预期增大回波接收的积分时间或距离可以提高系统的接收灵敏度。

下面是现有的有关参考文献：