激光合成孔径成像系统

摘要

本发明涉及一种适用于地球同步轨道卫星或大气层以外的暗弱目标的高分辨率成像的激光合成孔径成像系统，由激光发射装置和接收装置组成，其激光发射装置是由一只激光器所发射的光束，通过6个分束器、3个声光移频器和3个准直扩束器的组合而同时发出偏振方向相同而频率不等的三束相干的发射光束。其接收装置是由主聚光镜、次聚光镜、压缩透镜组、窄带滤光片、弱光探测器、数据采集设备和计算机构成；主聚光镜将接收来自目标的散射光会聚反射在次聚光镜上、经次聚光镜和压缩透镜组会聚后的光束通过窄带滤光片入射到弱光探测器上，光电转换后的目标信号经数据采集设备、计算机进行时间解调和相位闭合最终重构出清晰的目标图像。

权利要求

1.一种激光合成孔径成像系统，由激光发射装置和接收装置两部分组成，其特征在于，所述的发射装置包括：激光器(1)、沿激光器(1)出射光轴设置的第一分束器(2.1)、第一声光移频器(3.1)、第一准直扩束器(4.1)和第二分束器(2.2)；沿第一分束器(2.1)的反射光轴同向设置第三分束器(2.3)和第五分束器(2.5)；沿第二分束器(2.2)的反射光轴同向设置第四分束器(2.4)和第六分束器(2.6)，且第三分束器(2.3)的平行于激光器出光方向的光轴与第四分束器(2.4)的平行于激光器出光方向的光轴同轴，第五分束器(2.5)的平行于激光器出光方向的光轴与第六分束器(2.6)的平行于激光器出光方向的光轴同轴；

在第三分束器(2.3)与第四分束器(2.4)的光路间设置有第二声光移频器(3.2)和第二准直扩束器(4.2)，在第五分束器(2.5)与第六分束器(2.6)的光路间设置有第三声光移频器(3.3)和第三准直扩束器(4.3)；由所述激光器(1)发射的光束通过第一分束器(2.1)分成夹角为90°的透射和反射光束，其透射光束经过第一声光移频器(3.1)产生的一级衍射光束通过第一准直扩束器(4.1)传输至第二分束器(2.2)，经第二分束器(2.2)反射而透过第四分束器(2.4)传输至第六分束器(2.6)；其反射光束入射至第三分束器(2.3)和第五分束器(2.5)，经第三分束器(2.3)反射后的光束经第二声光移频器(3.2)产生的一级衍射光束通过第二准直扩束器(4.2)传输至第四分束器(2.4)，经第四分束器(2.4)反射传输至第六分束器(2.6)，经第五分束器(2.5)反射后的光束经第三声光移频器(3.3)产生的一级衍射光束通过第三准直扩束器(4.3)传输至第六分束器(2.6)，传输至第六分束器(2.6)的上述频率不等的三束光束通过第六分束器(2.6)一起作为发射光束发出；

所述的接收装置包括：互为离轴设置的主聚光镜(5)、次聚光镜(6)和压缩透镜组(7)，与压缩透镜组(7)同轴设置的窄带滤光片(8)和弱光探测器(9)、通过数据采集装置(10)与弱光探测器(9)相连接的计算机(11)；所述的主聚光镜(5)将接收来自目标的散射光会聚反射在所述的次聚光镜(6)上、经次聚光镜(6)再次会聚传输给压缩透镜组(7)，经压缩透镜组(7)第三次会聚后的光束通过窄带滤光片(8)入射到弱光探测器(9)的靶面上，由弱光探测器(9)将光电转换后的目标信号输出给数据采集装置(10)，通过计算机将数字电信号数据进行时间解调和相位闭合最终重构出清晰的目标图像。

说明书

激光合成孔径成像系统

技术领域

[0001] 本发明属于深空暗弱目标探测成像设备，特别是一种适用于地球同步轨道卫星高分辨率成像和大气层以外的暗弱目标的高分辨率成像的激光成像系统。

背景技术

[0002] 目前还没有能够对地球同步轨道卫星或其它相对地球静止的暗弱目标进行高分辨率成像的地基成像系统的报道。

[0003] 传统的大口径自适应望远镜可以克服大气扰动的影响对遥远星体成像，但是需要在目标附近有一个发光源作为参考光源，并且要求目标星等较高，大于地球同步轨道卫星及类似距离处目标的星等(约为15等星)。所以不适合对地球同步轨道处的目标成像。

[0004] 长基线射电望远镜也可以对遥远的星体成像，和大口径自适应望远镜类似，也不能对暗弱目标成像。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提出一种地基激光合成孔径成像系统，以解决对地球同步轨道卫星或其它相对地球静止的暗弱目标进行高分辨率成像的技术难题。

[0006] 本发明激光合成孔径成像系统，由激光发射装置和接收装置两部分组成，所述的发射装置包括：激光器、沿激光器出射光轴设置的第一分束器、第一声光移频器、第一准直扩束器和第二分束器；沿第一分束器的反射光轴同向设置第三分束器和第五分束器；沿第二分束器的反射光轴同向设置第四分束器和第六分束器，且第三分束器平行于激光器出光方向的光轴与第四分束器平行于激光器出光方向的光轴同轴，第五分束器平行于激光器出光方向的光轴与第六分束器平行于激光器出光方向的光轴同轴；在第三分束器与第四分束器的光路间设置有第二声光移频器和第二准直扩束器，在第五分束器与第六分束器的光路间设置有第三声光移频器和第三准直扩束器；由所述激光器发射的光束通过第一分束器分成夹角为90°的透射和反射光束，其透射光束经过第一声光移频器产生的一级衍射光束通过准直扩束器传输至第二分束器，经第二分束器反射而透过第四分束器传输至第六分束器；其反射光束入射至第三分束器和第五分束器，经第三分束器反射后的光束经第二声光移频器产生的一级衍射光束通过第二准直扩束器传输至第四分束器，经第四分束器反射传输至第六分束器，经第五分束器反射后的光束经第三声光移频器产生的一级衍射光束通过第三准直扩束器传输至第六分束器，传输至第六分束器的上述频率不等的三束光束通过第六分束器一起作为发射光束发出；

[0007] 所述的接收装置包括：互为离轴设置的主聚光镜、次聚光镜和压缩透镜组，与压缩透镜组同轴设置的窄带滤光片和弱光探测器、通过数据采集装置与弱光探测器相连接的计算机；所述的主聚光镜将接收来自目标的散射光会聚反射在所述的次聚光镜上、经次聚光镜再次会聚传输给压缩透镜组，经压缩透镜组第三次会聚后的光束通过窄带滤光片入射到弱光探测器的靶面上，由弱光探测器将光电转换后的目标信号输出给数据采集设备，通过计算机将数字电信号数据进行时间解调和相位闭合最终重构出清晰的目标图像。

[0008] 本发明激光合成孔径成像系统的工作原理：

[0009] 激光发射装置能够每次发出三束(或者更多)能量相等频率稍有差异的相干光束照射目标。光束的频率通过声光移频器略微改变，保证每束光的频率均不相等，这样任意两束光形成的干涉条纹在目标表面不断运动实现对目标的扫描。干涉条纹经过目标反射后携带了目标的傅立叶分量信息，经过大气传输后被大面积能量接收装置获取。获得的能量经过多次聚焦后入射到能量探测器(比如光电倍增管)的靶面，进而被数据采集卡装置采样并存储在计算机硬盘中。通过多次同时发射多光束获得所需的傅立叶分量，然后利用计算机内的“相位闭合”和“图像重构”程序将获取的数据重构出目标图像。

[0010] 本发明具有以下优点：

[0011] (1)利用三束发射光进行孔径合成提高成像系统的分辨率

[0012] 激光合成孔径成像系统利用三个彼此成不同夹角的发射光束在目标表面形成干涉。由于最精细的干涉条纹对应了最高的空间频率即成像系统的分辨率，所以通过增加光束之间的夹角就可以提高干涉条纹的空间频率即提高成像系统的分辨率。故激光合成孔径成像系统具有很高的角分辨率并且可以通过加大发射光束夹角的方式提高分辨率。

[0013] (2)采用相位闭合算法消除大气扰动的影响

[0014] 激光合成孔径成像系统采用三束光同时发射，每束光所经过的大气是不同的。但是在目标表面的每组干涉条纹却对应了两束光的相位差，如果采用相位闭合算法使三组干涉条纹所对应的傅立叶分量相乘，则可以将大气扰动项抵消。这样便可以消除大气扰动对成像结果的影响。

[0015] (3)采用大面积低光学质量光学件提高信噪比降低成本

[0016] 接收装置为能量会聚系统而不是光学成像系统，对光学元件的质量要求很低，只要能实现光能的会聚便可以使用。接收装置中的主聚光镜采用大量低光学质量低造价的反射镜拼接而成，在提高接收能量的同时降低器件成本。次聚光镜也采用低光学质量低造价反射镜拼接的方式，提高光能接收能力。

附图说明

[0017] 图1是本发明激光合成孔径成像系统的激光发射装置示意图；

[0018] 图2是本发明激光合成孔径成像系统的接收装置示意图。

具体实施方式

[0019] 以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细描述。

[0020] 一种激光合成孔径成像系统，由激光发射装置和接收装置两部分组成，[0021] 参照图1，所述的发射装置包括：激光器1、沿激光器1出射光轴设置的第一分束器2.1、第一声光移频器3.1、第一准直扩束器4.1和第二分束器2.2；沿第一分束器2.1的反射光轴同向设置第三分束器2.3和第五分束器2.5；沿第二分束器2.2的反射光轴同向设置第四分束器2.4和第六分束器2.6，且第三分束器2.3平行于激光器出光方向的光轴与第四分束器2.4平行于激光器出光方向的光轴同轴，第五分束器2.5平行于激光器出光方向的光轴与第六分束器2.6平行于激光器出光方向的光轴同轴；在第三分束器2.3与第四分束器2.4的光路间设置有第二声光移频器3.2和第二准直扩束器4.2，在第五分束器2.5与第六分束器2.6的光路间设置有第三声光移频器3.3和第三准直扩束器4.3；由所述激光器1发射的光束通过第一分束器2.1分成夹角为90°的透射和反射光束，其透射光束经过第一声光移频器3.1产生的一级衍射光束通过准直扩束器4.1传输至第二分束器2.2，经第二分束器2.2反射而透过第四分束器2.4传输至第六分束器2.6；其反射光束入射至第三分束器2.3和第五分束器2.5，经第三分束器2.3反射后的光束经第二声光移频器3.2产生的一级衍射光束通过第二准直扩束器4.2传输至第四分束器2.4，经第四分束器2.4反射传输至第六分束器2.6，经第五分束器2.5反射后的光束经第三声光移频器3.3产生的一级衍射光束通过第三准直扩束器4.3传输至第六分束器2.6，传输至第六分束器2.6的上述频率不等的三束光束通过第六分束器2.6一起作为发射光束发出；

[0022] 参照图2，所述的接收装置包括：互为离轴设置的主聚光镜5、次聚光镜6和压缩透镜组7，与压缩透镜组7同轴设置的窄带滤光片8和弱光探测器9、通过数据采集装置10与弱光探测器9相连接的计算机11；所述的主聚光镜5将接收来自目标的散射光会聚反射在所述的次聚光镜6上、经次聚光镜6再次会聚传输给压缩透镜组7，经压缩透镜组7第三次会聚后的光束通过窄带滤光片8入射到弱光探测器9的靶面上，由弱光探测器9将光电转换后的目标信号输出给数据采集设备10，通过计算机将数字电信号数据进行时间解调和相位闭合最终重构出清晰的目标图像。

[0023] 所述的激光器1，采用高相干性高功率的全固态激光器。

[0024] 所述的分束器2.1至2.5，均采用50％透射和50％反射的消偏振分光棱镜，以保持三光束偏振方向相同以便形成高对比度的干涉条纹。

[0025] 所述的声光移频器3.1至3.3，均采用能够产生一级(或负一级)衍射光的声光晶体作为工作物质，基于布拉格衍射效应进行频率调制，声光晶体的驱动控制可以采用单独的控制器或者计算机控制。

[0026] 所述的准直扩束器4.1至4.3，均采用空间滤波器(显微物镜+针孔)和平凸透镜实现对光束的滤波和扩束。

[0027] 所述的弱光探测器9，为探测波段为可见光到近红外的弱光光子计数光电倍增管。

[0028] 所述的数据采集庄至10，采用高速A/D采集卡及其接线盒。

[0029] 所述的主聚光镜5，采用六边形口径球面反射镜拼接而成，也可以采用其它口径比如方形口径的反射镜拼接；次聚光镜6，采用单块圆形口径球面镜，也可以采用其它口径的球面反射镜。

[0030] 所述的压缩透镜组7，采用三片双凸透镜实现主聚光镜接收光束的第三次会聚。

[0031] 系统的主要工作过程如下：

[0032] (1)激光器1的输出光束经过第一分束器2.1、第三分束器2.3和第五分束器2.5后分为光强相等偏振方向相同的三束；

[0033] (2)分光后的三光束分别经过第一声光移频器3.1、第二声光移频器3.2和第三声光移频器3.3产生不同的频移，使三光束的频率稍微改变。改变量大于激光器的总纵模宽度，确保三束光中任意两束形成的拍频之间不会产生干扰。

[0034] (3)移频后的三光束分别经过第一准直扩束器4.1、第二准直扩束器4.2和第三准直扩束器4.3变成发散角小于1″的三束平行光束；

[0035] (4)扩束后的三光束在最终经过分束器2.6以后照射目标；

[0036] (5)主聚光镜5接收目标散射的部分光能量；

[0037] (7)散射光经过主聚光镜5、次聚光镜6与压缩透镜组7的三次会聚后，再经过窄带滤光片8的滤波照射到弱光探测器9的靶面上；

[0038] (8)弱光探测器9的测量信号由数据采集设备10采集量化后通过计算机11重构图像。

[0039] 整个成像过程需要发射装置的三束光的多次同步发射，每次发射选择三光束间的不同夹角即在目标表面产生不同空间频率的条纹，然后利用弱光探测器测量目标散射的能量信号并通过数据采集设备采集量化利用计算机进行解调和存储。当接收装置获取到发射装置全部次数的光束发射时间内的目标散射能量后，利用计算机进行相位闭合与图像重构处理，然后通过傅立叶逆变换就可以得到目标图像。