[发明专利]一种基于叠加态涡旋光的目标方位向成像方法

说明书

本发明涉及一种基于叠加态涡旋光的目标方位向成像方法。基于旋转调制产生具有不同时变相位差的旋转叠加态涡旋光照射目标，产生旋转多普勒效应，对目标回波信号进行傅里叶变换得到时频信号，利用旋转多普勒频移信号和强度螺旋谱的时空反演关系，得到旋转叠加态涡旋光的强度螺旋谱，同时对不同时变相位差的旋转叠加态涡旋光的回波信号进行时谱分析，得到旋转叠加态涡旋光的相位螺旋谱；最后，通过旋转叠加态涡旋光的强度螺旋谱和相位螺旋谱的叠加，经重构实现目标的方位向成像。本发明方法在前视/凝视成像条件下具有较高的成像分辨率，实现成像“不依赖运动，得益于运动”。

技术领域

本发明主要涉及光学、物理学、光电转换、信号检测、光学成像领域，尤其是相位和频率调制解调等技术方法。

背景技术

合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Laser Radar,SAL)将传统合成孔径技术从微波波段搬移到激光波段。SAL通过合成孔径技术与激光特性相结合，利用激光短波长的特点，可以实现更好的分辨率，所以SAL在超高分辨率成像识别等领域将会发出重要的作用。

与SAR系统相似，SAL系统成像时，雷达平台以速度V沿方位向移动，在运动过程中不断向测绘带发送信号并接收目标的回波。如果P1和P2是两个时刻雷达平台的位置。P1和P2与目标之间的连线代表着雷达平台到目标的斜距，随着雷达平台的运动，斜距也随之不断发生改变。雷达平台在不同位置观测目标的斜距不同导致了回波之间相位上的差距，产生了相位的调制，通过信号在方位向调制来获取方位向的高分辨率。同时，雷达的照射区域随着雷达平台的运动，形成了一条长长的测绘带，最终通过脉冲压缩和合成孔径得到这一区域的高分辨率成像结果。

综上，雷达平台通过合成孔径的平动来测量高频信息，获得目标的细节特征。目前合成孔径还无法实现既平动又转动，不能探测光束垂直方向的转动。一种简单的方式便是基于旋转调制效应控制叠加态涡旋光的频率和时变相位差产生旋转涡旋光场，照射旋转对称性目标，产生旋转多普勒的时频信号，提升时频信号的信噪比，通过时频信号反演螺旋谱信息，精确测量图像低频信息，得到目标形貌特征。该方法针对旋转对称性的目标，能够和SAL互补，探测物体的低频信息(整体形貌特征)。

发明内容

本发明技术解决问题是：针对合成孔径激光雷达成像“依赖运动，受制于运动”这一限制，提出了一种基于叠加态涡旋光的目标方位向成像方法，该方法能够实现前视/凝视成像，同时能够实现成像“不依赖运动，得益于运动”这一优势。

本发明的技术解决方案：本发明涉及一种基于叠加态涡旋光的目标方位向成像方法，基于旋转调制产生旋转叠加态涡旋光，经与目标相互作用后产生旋转多普勒效应，经对目标回波信号的处理得到强度螺旋谱和相位螺旋谱，经重构实现目标的方位向成像。

具体包括以下步骤：

(1)产生旋转叠加态涡旋光

根据拉盖尔-高斯涡旋光的波函数表达式，利用空间光调制器产生拓扑荷数为l的拉盖尔-高斯涡旋光，基于旋转调制产生具有不同时变相位差的旋转叠加态涡旋光。其中，旋转调制是由两束光频大小和轨道角动量方向不同且相位差随时间变化的涡旋光叠加实现。

(2)产生旋转多普勒效应

当旋转叠加态涡旋光照射目标时，旋转叠加态涡旋光与目标相互作用会产生高信噪比的旋转多普勒效应，对应的旋转多普勒频移△f为：

其中，d为偏心距，r为涡旋光半径，Ω为旋转叠加态涡旋光与目标的相对旋转速度，θ_z为光轴方位角，ξ为光轴偏转角，γ为入射角。

(3)处理目标回波信号

目标回波信号经过傅里叶变换得到时频信号，继而提取旋转多普勒频移△f和对应的频谱强度分布；在极坐标系下，将目标回波信号基于拉盖尔-高斯模式展开为: