專利名稱：被動(dòng)綜合孔徑光子成像方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及高分辨率遙感成像與軍事偵察方法和系統(tǒng)，尤其是運(yùn)用光學(xué)綜合孔徑成像、電光調(diào)制和冗余信息校正技術(shù)對(duì)綜合孔徑系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)成像的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)輻射電磁波，被動(dòng)式成像探測(cè)是利用探測(cè)物體的電磁輻射，并運(yùn)用特定的反演算法得到目標(biāo)的亮溫圖。對(duì)被動(dòng)式成像系統(tǒng)，要獲得高的空間成像分辨率，綜合孔徑技術(shù)是一種有效的方法。該技術(shù)利用若干個(gè)體積小、重量輕的小孔徑天線按照載體形狀和尺寸大小，依據(jù)最小冗余空間頻率覆蓋、最佳成像質(zhì)量等規(guī)則排列成稀疏孔徑陣列，通過兩兩天線信號(hào)組合復(fù)互相關(guān)運(yùn)算和離散Fourier變換運(yùn)算而重構(gòu)出所觀測(cè)目標(biāo)的圖像。
1988年，美國麻薩諸塞大學(xué)微波遙感實(shí)驗(yàn)室采用這種方法研制出一臺(tái)L波段(1-2GHz)單極化(水平方向)混合實(shí)-綜合孔徑輻射計(jì)，即ESTAR(電掃描稀疏陣列輻射計(jì))，并進(jìn)行了機(jī)載實(shí)驗(yàn)，得到有價(jià)值的土壤濕度圖案。而ESTAR的下一代2D-STAR的樣機(jī)也開發(fā)完成，并于2002進(jìn)行了首飛試驗(yàn)。
1991年，歐洲航天局(ESA)組織了一個(gè)工作會(huì)議，會(huì)上來自歐洲和美國的專家提出多種測(cè)量SMOS的新方向。其中一個(gè)就是2維合成孔徑輻射計(jì)及它的校正系統(tǒng)，那時(shí)對(duì)這方面研究尚未深入。隨后TUD成功地建立了一個(gè)工作在X波段的實(shí)驗(yàn)室演示模型。在受到ESTAR和TUD的模型成功的鼓舞下，ESA于1993年啟動(dòng)了MIRAS(合成孔徑微波成像輻射計(jì))的可行性研究。1996年底，MIRAS完成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的組合并準(zhǔn)備升空進(jìn)行實(shí)機(jī)飛行成像實(shí)驗(yàn)。1999年ESA選中SMOS觀測(cè)者項(xiàng)目，MIRAS系統(tǒng)是該項(xiàng)目的核心儀器，以提供全球的土壤濕度和海洋鹽度的地圖。
近年來美國的部分大學(xué)還開展了太赫茲綜合孔徑成像技術(shù)的相關(guān)研究工作最早在2003年有太赫茲干涉陣列成像遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究的報(bào)道和太赫茲波對(duì)地觀測(cè)遙感理論研究的報(bào)道，2004年有用于反恐的被動(dòng)太赫茲波近場(chǎng)干涉陣列與綜合孔徑成像理論研究工作的報(bào)道，2006年出現(xiàn)了被動(dòng)太赫茲波綜合孔徑成像系統(tǒng)和仿真研究的報(bào)道。
90年代中期，中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心，華中理工大學(xué)和南京理工大學(xué)都有相關(guān)的論文發(fā)表。其中中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心近年來還做出了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并給出了成像結(jié)果分析。
目前國際上研究的被動(dòng)綜合孔徑成像系統(tǒng)的目標(biāo)圖像重構(gòu)的理論和方法仍是采用如圖1所示的傳統(tǒng)的被動(dòng)微波、毫米波綜合孔徑成像理論和方法。如圖1所示(以1-D情況下4根天線的陣列為例)，天線1接收的目標(biāo)輻射通過混頻器13與來自本振11混頻后產(chǎn)生差頻信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過放大器14后分別在相關(guān)器15中進(jìn)行兩兩復(fù)互相關(guān)運(yùn)算，再經(jīng)信號(hào)處理器16進(jìn)行離散Fourier逆變換后重構(gòu)出目標(biāo)的圖像并在顯示器8上顯示出來。對(duì)于現(xiàn)代遙感、軍事偵察以及反恐等應(yīng)用而言，這種傳統(tǒng)的成像理論與方法存在著幾方面的不足(1)系統(tǒng)復(fù)雜，成本高。由n個(gè)天線組成的被動(dòng)綜合孔徑成像系統(tǒng)而言，要完成兩兩互相關(guān)運(yùn)算，必需n(n-1)/2個(gè)相關(guān)器，若一個(gè)由100個(gè)天線組成的接收陣列則需4950個(gè)相關(guān)器，這樣使得系統(tǒng)復(fù)雜而成本高；(2)難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像。因要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)圖像重構(gòu)，必須完成兩兩互相關(guān)運(yùn)算和離散Fourier變換運(yùn)算，對(duì)于天線較多綜合孔徑陣列而言，難以在瞬間完成大數(shù)據(jù)量的運(yùn)算，此外，因天線陣的排列是結(jié)合具體的載體平臺(tái)形狀和尺寸和最小空間頻率冗余度來優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的，在完成離散Fourier變換時(shí)必須采取將空間頻率覆蓋柵格化等措施，才能完成離散Fourier變換運(yùn)算，這樣勢(shì)必造成圖像失真，必須采取后繼的圖像處理算法才能較逼真地恢復(fù)目標(biāo)圖像，因此不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像觀測(cè)；(3)易受電磁干擾，重量重，體積大。通常中頻信號(hào)都經(jīng)過同軸電纜等來傳輸，對(duì)于由大量互相關(guān)器組成的系統(tǒng)而言，容易產(chǎn)生電磁干擾，且同軸電纜存在成本高、體積大和重量重的缺點(diǎn)，這些都是實(shí)際工程應(yīng)用中不利的因素。
光波綜合孔徑最早起源于天文光干涉技術(shù)，主要用于天體測(cè)量。到上世紀(jì)六十年代，隨著光電技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，圖像重構(gòu)技術(shù)和閉合相位技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)綜合孔徑逐漸成熟起來。長(zhǎng)期以來，由于各自技術(shù)的特點(diǎn)，光學(xué)綜合孔徑技術(shù)和八、九十年代發(fā)展起來的微波、毫米波以及太赫茲遙感輻射計(jì)都是獨(dú)立發(fā)展的，尚未見到有開展將兩者結(jié)合的被動(dòng)綜合孔徑光子成像研究的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
由于傳統(tǒng)的綜合孔徑成像的反演成像方法存在這諸多缺點(diǎn)，本發(fā)明提出的被動(dòng)綜合孔徑光子成像方法，先將接收天線陣列按照載體進(jìn)行優(yōu)化，然后將接收機(jī)接收的信號(hào)經(jīng)過電光調(diào)制技術(shù)加載到光波上，通過光纖傳輸，并在陣列末端形成光纖陣列，運(yùn)用微光學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)使之形成光學(xué)綜合孔徑成像系統(tǒng)，最終在焦平面上使用CCD直接成像。
本發(fā)明將傳統(tǒng)的干涉式遙感成像和光學(xué)綜合孔徑成像技術(shù)結(jié)合起來，采用如下技術(shù)方案發(fā)明提出如圖2所示的被動(dòng)綜合孔徑光子成像系統(tǒng)的構(gòu)想(以1-D情況下4根天線的陣列為例)，其基本思想是將被動(dòng)綜合孔徑與光學(xué)綜合孔徑結(jié)合在一起形成一個(gè)高分辨率實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)，而綜合孔徑與光學(xué)綜合孔徑的結(jié)合點(diǎn)是由圖2中所示的電光調(diào)制來完成的。首先外差接收機(jī)輸出的中頻放大信號(hào)(攜帶著來自目標(biāo)的振幅和相位信息)通過電光調(diào)制器來調(diào)制光纖中傳輸?shù)墓獠ǎ布磳в心繕?biāo)的振幅和相位信息通過電光調(diào)制器載波到光纖中傳輸?shù)墓獠ㄉ?；圖2中的光纖陣列是被動(dòng)綜合孔徑天線陣的縮比陣列，因光纖陣列中各光纖傳輸?shù)墓饧仁莵碜酝患す馄鞯墓?相干光)，又?jǐn)y帶著各自天線探測(cè)到的目標(biāo)信息的振幅和相位。因此，按照被動(dòng)光學(xué)綜合孔徑成像理論，安置在光學(xué)系統(tǒng)成像焦面上的探測(cè)器陣列(如CCD)就可以實(shí)時(shí)獲得目標(biāo)的像。同時(shí)通過對(duì)接收天線陣列的合理設(shè)計(jì)與優(yōu)化，使之存在一定的基線冗余，在CCD成像后運(yùn)用冗余空間間隔校正(RSC)方法和高速信號(hào)處理器DSP或FPGA(圖1中9)對(duì)圖像進(jìn)行分析，獲取系統(tǒng)誤差并進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償和校正。
在本發(fā)明中，系統(tǒng)各個(gè)部分說明如下(1)綜合孔徑陣列是多個(gè)接收天線按照最佳空間頻率覆蓋和最小冗余頻率、并結(jié)合載體平臺(tái)形狀和尺寸優(yōu)化組合而成的天線陣列系統(tǒng)，每根天線分別接收來自觀測(cè)目標(biāo)的輻射和散射信號(hào)。
(2)外差接收接收機(jī)天線接收的信號(hào)進(jìn)入外差接收機(jī)，首先被前置低噪放大器放大，然后進(jìn)入混頻器和本振信號(hào)混頻，輸出信號(hào)經(jīng)低通濾波器后即得到混頻后的下邊帶信號(hào)，再經(jīng)中頻放大器放大后輸出。
(3)電光調(diào)制系統(tǒng)調(diào)制激光器選用適合普通光纖傳輸?shù)牟ㄩL(zhǎng)，可以選用輸出波長(zhǎng)為1.3um或者1.5um的連續(xù)波激光器，傳輸光纖采用單模保偏光纖；為保持任意兩個(gè)接收機(jī)的信號(hào)所包含的目標(biāo)相位差信息，采用最佳調(diào)制方式(如相位調(diào)制、振幅調(diào)制等)，可根據(jù)系統(tǒng)的調(diào)制頻率選用相應(yīng)的調(diào)制器。
(4)光纖縮比陣列調(diào)制的激光分別通過光纖傳輸，傳輸過程需要保持光程一致才可以保持光纖之間的相位差，在光纖的末端按照接收機(jī)陣列的分布進(jìn)行設(shè)計(jì)光纖陣列，通過恰當(dāng)?shù)目s比設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)綜合孔徑成像后與傳統(tǒng)相干成像成比例、甚至1∶1的圖像。
(5)光子成像與反饋系統(tǒng)成像部分主要是運(yùn)用光學(xué)綜合孔徑成像技術(shù)進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，運(yùn)用有目標(biāo)相位和振幅信息的光波互相關(guān)運(yùn)算，通過透鏡系統(tǒng)的光學(xué)Fourier變換的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并在焦平面上利用CCD直接實(shí)時(shí)成像，運(yùn)用信號(hào)處理設(shè)備結(jié)合陣列冗余信息對(duì)圖像分析并給出調(diào)制前激光的相位補(bǔ)償。
本發(fā)明的主要特色將被動(dòng)綜合孔徑與光學(xué)綜合孔徑結(jié)合為一體；將電光調(diào)制技術(shù)引入到被動(dòng)綜合孔徑成像系統(tǒng)中；利用冗余信息進(jìn)行相位校正。
本發(fā)明的效益與應(yīng)用前景(1)該系統(tǒng)和方法的應(yīng)用前景由于物體自發(fā)的輻射特性和被動(dòng)成像的優(yōu)越性，并利用綜合孔徑來提高分辨率，本項(xiàng)目通過對(duì)被動(dòng)綜合孔徑成像系統(tǒng)的理論和方法的研究，為被動(dòng)成像遙感，軍事偵察以及反恐探測(cè)技術(shù)提供一種新的有效方法。(2)光子成像技術(shù)的拓展應(yīng)用通過將接收機(jī)中頻輸出進(jìn)行電光調(diào)制，并用光學(xué)瞬間疊加和Fourier變換技術(shù)取代傳統(tǒng)的電互相關(guān)和離散的電Fourier計(jì)算，極大的提高了信號(hào)的處理速度，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像。該方法可廣泛應(yīng)用于微波，毫米波和太赫茲波等波段的被動(dòng)綜合孔徑成像系統(tǒng)中，還可通過設(shè)計(jì)光電系統(tǒng)使之運(yùn)用于主動(dòng)成像系統(tǒng)中，以縮短現(xiàn)有系統(tǒng)的成像處理時(shí)間。


圖1為傳統(tǒng)的被動(dòng)綜合孔徑成像方法(以1-D時(shí)4根天線的陣列為例)圖2為本發(fā)明被動(dòng)綜合孔徑光子成像系統(tǒng)(以1-D時(shí)4根天線的陣列為例)圖3為本發(fā)明實(shí)施方案中圓周陣列優(yōu)化后的16根天線位置分布圖4為本發(fā)明實(shí)施方案中圖3所示陣列的u-v覆蓋圖具體實(shí)施方式
圖2顯示了含有4根天線的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在發(fā)明實(shí)施方案中，為了達(dá)到充分的空間頻率采樣，我們采用16根接收天線分布在二維圓周上，運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化排列，其優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。在機(jī)載情況下，取圓周半徑為5m。圖4是該天線分布對(duì)應(yīng)的空間頻譜(u-v面)覆蓋情況。
根據(jù)大氣透射窗口，可選擇天線陣列工作中心頻率為650GHz。考慮成本和集成度，選擇目前常用的SIS外差接收機(jī)，其工作頻率范圍為100GHz～700GHz，該種類型的接收機(jī)目前在歐美已經(jīng)被運(yùn)用航天飛行器中對(duì)太赫茲波進(jìn)行探測(cè)。天線接收來自目標(biāo)的自然輻射和散射信號(hào)與本振11的信號(hào)在外差接收機(jī)中混頻濾波后，輸出中頻信號(hào)的中心頻率為2GHz。為了利用該中頻信號(hào)調(diào)制激光，需要進(jìn)行中頻放大，本方案接收機(jī)中采用Miteq公司的JS2系列的放大器。激光器12選用SPI公司的redPOWERTM系列光纖激光器，其中SP-M-10-1550是工作在1550nm的可以以連續(xù)或脈沖方式的光纖激光器。依據(jù)中頻信號(hào)的中心頻率和帶寬，電光調(diào)制器3采用M-Z光波導(dǎo)LiNb03電光調(diào)制器。該電光調(diào)制的工作方式為幅度調(diào)制，將中頻信號(hào)種含有的目標(biāo)信息加載到1550nm的光波上在光纖4中進(jìn)行傳輸，且系統(tǒng)中使用光纖采用單模保偏光纖。在光纖末端，采用光纖準(zhǔn)直器5將光信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)直同時(shí)按照接收天線陣列的排列形成縮比陣列，通過微光學(xué)設(shè)計(jì)的光學(xué)處理系統(tǒng)6，最終可在近紅外CCD7的焦平面上得到目標(biāo)的圖像。圖像的輸出分兩路一路進(jìn)入顯示器8；另一路進(jìn)入高速信號(hào)處理器9，對(duì)圖像信息進(jìn)行計(jì)算和分析，得出調(diào)制前光信號(hào)需要的校正量，并運(yùn)用光纖壓電鼓相位延遲10進(jìn)行相位補(bǔ)償。本方案中光學(xué)信息處理系統(tǒng)6前放置振幅光柵，通過移動(dòng)光柵的方法來實(shí)現(xiàn)冗余間隔校正(RSC)，即利用天線陣列中的冗余信息，將微光學(xué)透鏡陣列和衍射光柵的相移測(cè)量技術(shù)和繞有光纖的壓電鼓相位補(bǔ)償技術(shù)以及控制技術(shù)結(jié)合為一個(gè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)各天線通道信息的相位實(shí)時(shí)測(cè)量和補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1.一種可工作在微波、毫米波和太赫茲波段的高空間成像分辨率被動(dòng)綜合孔徑光子成像系統(tǒng)，其特征是所述的被動(dòng)綜合孔徑光子成像系統(tǒng)包括接受天線綜合孔徑陣列子系統(tǒng)、外差接收機(jī)子系統(tǒng)、基于電光晶體的電光調(diào)制子系統(tǒng)、光纖傳輸與相位測(cè)量補(bǔ)償子系統(tǒng)以及由光纖陣列和光學(xué)系統(tǒng)組成的光子成像子系統(tǒng)；所述各分系統(tǒng)工作，綜合孔徑陣列接收來自目標(biāo)的輻射和散射信息，經(jīng)外差接收機(jī)子系統(tǒng)輸出放大的、含有目標(biāo)信息的中頻信號(hào)，再經(jīng)過電光調(diào)制子系統(tǒng)將目標(biāo)信息加載到光波上，該光波通過光纖傳輸與補(bǔ)償最終形成光纖陣列，運(yùn)用光子成像系統(tǒng)即可實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)的圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1，所述綜合孔徑天線陣列是由多個(gè)接收天線按照最佳空間頻率覆蓋和最小冗余頻率、并結(jié)合載體平臺(tái)形狀和尺寸優(yōu)化組合而成的天線陣列系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1，所述外差接收機(jī)子系統(tǒng)，由前置低噪放大器，本激振蕩器，混頻器和中頻放大器組成；其特征是天線陣列接收目標(biāo)輻射信號(hào)，經(jīng)前置低噪放大器放大后，進(jìn)入混頻器與本激振蕩器的輸出進(jìn)行混頻后輸出下邊帶信號(hào)，該信號(hào)被中頻放大器放大后輸出。
4.根據(jù)權(quán)利要求3，所述天線類型可為雙偶極子天線，雙縫天線，喇叭天線，對(duì)數(shù)周期天線，螺旋天線；所述本激振蕩器可為晶體振蕩器，二極管倍頻器，自由電子激光器，光學(xué)非線性效應(yīng)差頻激光器；所述混頻器可為肖特基混頻器，SIS混頻器，HEB混頻器；所述的中頻放大器可為相應(yīng)中頻段的放大器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1，所述電光調(diào)制子系統(tǒng)，由光纖激光器，光纖耦合器，光纖和電光調(diào)制器組成；其特征為激光器輸出光波經(jīng)光纖耦合器分光后，在光纖中傳輸，到達(dá)電光調(diào)制器中后被權(quán)利要求3中所述中頻放大后的信號(hào)調(diào)制。
6.根據(jù)權(quán)利要求5，所述光纖激光器輸出波長(zhǎng)為1550nm或1310um的連續(xù)波光纖激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1，所述光子成像子系統(tǒng)，由光纖陣列，光纖準(zhǔn)直器，透鏡組和CCD探測(cè)器組成；其特征為，光纖陣列是權(quán)利要求1所述天線陣列的縮比陣列，權(quán)利要求5所述調(diào)制激光束傳輸?shù)焦饫w陣列中，經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后進(jìn)入透鏡組進(jìn)行光學(xué)信息處理，最終在CCD焦平面上成像。
8.根據(jù)權(quán)利要求1，所述光纖傳輸與相位測(cè)量補(bǔ)償子系統(tǒng)，由衍射光柵，信號(hào)處理器和相位補(bǔ)償器組成；其特征為衍射光柵置于權(quán)利要求7所述光纖準(zhǔn)直器與透鏡組之間，運(yùn)用冗余間隔校正方法測(cè)量相位誤差，由信號(hào)處理器計(jì)算分析成像信息并給出系統(tǒng)給出相位補(bǔ)償量，通過相位補(bǔ)償器實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種新型的被動(dòng)綜合孔徑光子成像方法和系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)工作在微波、毫米波和太赫茲波段的高分辨率實(shí)時(shí)成像探測(cè)的目的，屬于干涉式成像遙感、高空間分辨率軍事偵察技術(shù)領(lǐng)域。在本發(fā)明中，不同于傳統(tǒng)的被動(dòng)綜合孔徑成像的兩兩天線相關(guān)的組合運(yùn)算和離散Fourier變換的方法重構(gòu)目標(biāo)的圖像，視場(chǎng)輻射信號(hào)被接收和降頻后，通過電光幅度調(diào)制將相位信息加載到光波上，并結(jié)合冗余間隔校正(RSC)實(shí)現(xiàn)高精度相位補(bǔ)償技術(shù)，通過光纖傳輸形成陣列，最后運(yùn)用光綜合孔徑技術(shù)通過光學(xué)系統(tǒng)直接將視場(chǎng)圖像實(shí)時(shí)的恢復(fù)出來。
文檔編號(hào)G01S13/90GK101038341SQ20071009879
公開日2007年9月19日 申請(qǐng)日期2007年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月27日
發(fā)明者江月松, 何云濤, 李小路 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)