无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法及装置

实用新型 · 2020-04-23
申请号:CN202010016103.2 申请日:20200108 公开号:CN110806586A 公开日:20200218 授权公告号:CN110806586B 授权公告日:20200414 申请人地址:310053 浙江省杭州市滨江区浦沿街道火炬大道581号B座701室 国家/省市:86(杭州) 代理机构:33294 主分类号:G01S17/32 代理人:丁海华 申请人:杭州爱莱达科技有限公司 当前权利人:杭州爱莱达科技有限公司 发明人:职亚楠;孙建锋;潘卫清;戴恩文 分类号:G01S17/32;G01S17/58;G01S17/89 范畴分类:31G; 简要说明:本发明公开了一种无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法及装置,雷达平台的线性调频连续激光光源产生的输出光束分为本振光束和信号光束;将信号光束发射至目标并接收目标的回波光束,将回波光束和本振光束通过空间光学桥接器进行相干光混频,利用平衡探测器进行并行平衡接收,获得中频信号,然后采用双通道焦平面读出电路读出中频信号,经滤波处理和采样处理得到采样数据,再使用现场可编程门阵列对采样数据进行处理,实现目标距离和速度的并行同步测量,最后结合图像处理器分别构建三维图像。本发明不仅能获得包含远距离目标灰度信息和空间三维几何位置关系的距离‑强度像,还能同时获得雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向。 主权利要求:1.无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,其特征在于:雷达平台的线性调频连续激光光源产生的输出光束经分束器分为本振光束和信号光束;将信号光束发射至目标并接收目标的回波光束,将回波光束和本振光束通过空间光学桥接器进行相干光混频,利用双通道焦平面阵列平衡探测器进行并行平衡接收,获得包含目标距离和速度信息的中频信号,然后采用双通道焦平面读出电路读出中频信号,对中频信号进行滤波处理和采样处理得到采样数据,再使用现场可编程门阵列对采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理,实现目标距离和速度的并行同步测量,最后结合图像处理器分别构建距离-强度三维点云图像和距离-速度三维点云图像。 当前状态:1 代理机构:杭州万合知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 33294 权利要求,1.无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,其特征在于:雷达平台的线性调频连续激光光源产生的输出光束经分束器分为本振光束和信号光束;将信号光束发射至目标并接收目标的回波光束,将回波光束和本振光束通过空间光学桥接器进行相干光混频,利用双通道焦平面阵列平衡探测器进行并行平衡接收,获得包含目标距离和速度信息的中频信号,然后采用双通道焦平面读出电路读出中频信号,对中频信号进行滤波处理和采样处理得到采样数据,再使用现场可编程门阵列对采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理,实现目标距离和速度的并行同步测量,最后结合图像处理器分别构建距离-强度三维点云图像和距离-速度三维点云图像。2.根据权利要求1所述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,其特征在于:所述的实现目标距离和速度的同步测量,具体是双通道焦平面阵列平衡探测器输出的同相信号和正交信号分别进行傅里叶变换,再进行互谱处理获取多普勒频谱,然后取其虚部,再利用重心法提取多普勒频谱中峰值的位置和正负,得到雷达平台和目标相对运动产生的多普勒频移,然后由多普勒频移得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向以及目标距离。3.根据权利要求1所述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,其特征在于:所述线性调频连续激光光源产生的输出光束为频率线性调制的连续相干激光,采用对称三角波线性调制,调制信号的频率随时间成对称三角形变化,在一个周期内,前半部分为正向调频,后半部分为负向调频,光场表示为:其中,t是时间,E 0是振幅,T为调频周期,f 0为调频初始频率, 为调频速率,B为调频带宽,φ up(n)为第n个发射激光调频脉冲上升段的初始位相,φ down(n)为第n个发射激光调频脉冲下降段的初始位相; 经过1×2分束器分束,小部分能量作为本振光束,本振光束为时间延迟τ L的线性调频信号,光场表示为: 其中,E L是本振光束振幅,φ LO是本振光束的噪声位相; 大部分能量作为信号光束,通过空间光学环形器和光学望远镜发射至目标,并由光学望远镜接收目标的回波光束;经过空间光学环形器后,回波光束为在目标平面上第n个散射目标T n的时间延迟τ S-n的线性调频信号; 在雷达-目标的坐标系(x,y,z)中,T n的坐标为(x n,y n,z n), 则雷达与目标T n间距离S n表示为: 对于远距离探测,x n<<z n,y n<<z n,因此sn≈z n; 目标T n回波光束的时间延迟τ S-n表示为: 其中,C是光速,V是雷达平台与目标T n相对运动径向速度,f Doppler是雷达平台与目标T n相对运动径向速度引起的多普勒频移, 通过得到的时间延迟τ S-n,在目标平面上第n个散射目标T n的回波光束的光场表示为: 其中,E S_n是回波光束振幅,φ S-n是回波光束的噪声位相。 4.根据权利要求3所述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,其特征在于:所述目标平面上第n个散射目标T n的回波光束和本振光束经过2×4 90°空间光学桥接器合束后的光场表示为: 经过2×4 90°空间光学桥接器混频后的四路输出分别为:其中,φ N-n是混频噪声位相,I s是和回波光束有关的直流量;I o是和本振光束有关的直流量,η n是光学外差接收方向性函数; 空间光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别被2×M×N单元双通道焦平面阵列平衡探测器接收,获得目标平面M×N个点的包含目标T n距离和速度信息的中频信号;所述的中频信号为2×M×N单元双通道焦平面阵列平衡探测器两通道输出的同相信号和正交信号,分别为: 其中k in是双通道焦平面阵列平衡探测器中接收同相信号通道的光电探测单元D n-的响应率,k qu是双通道焦平面阵列平衡探测器中接收正交信号通道的光电探测单元D n+的响应率,φ i-n和φ q-n分别是同相信号和正交信号的噪声位相; 将同相信号和正交信号的振幅进行简化:双通道焦平面阵列平衡探测器输出的同相信号和正交信号简化为:同相信号通道和正交信号通道光电探测单元的输出分别经过双通道焦平面读出电路读出中频信号,对中频信号进行带通滤波器滤波处理后,随后经高速模数转换器完成模数转换,再由现场可编程门阵列采集,分别进行多普勒频移测量和距离测量:具体地,首先,两通道数据分别进行快速傅里叶变换,同相信号通道傅里叶变换表示为:正交信号通道傅里叶变换表示为:两通道进行互谱处理:最后仅取虚部得到Img=δ 2(f-f n)-δ 2(f+f n), 通过重心法提取频谱峰值位置和正负,分别得到正向调频和负向调频过程中的频率值f n: 由上式可以得到:上式中,f n-up是正向调频过程中的频率值,f n-down是负向调频过程中的频率值;由于多普勒频移大小和雷达平台与目标相对运动的径向速度大小成正比,多普勒频移正负和雷达平台与目标相对运动的径向速度的方向有关,正频移代表雷达平台与目标相向运动,负频移代表雷达平台与目标相背运动; 因此由多普勒频移得到雷达平台与目标T n相对运动径向速度的大小和方向,表示为 其中λ是输出光束波长;由上式得到目标平面上第n个散射目标T n的距离S n: 5.根据权利要求4所述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,其特征在于:目标平面上第n个散射目标T n的回波光束偏角为θ S-n,则光学外差接收方向性函数η n为: 其中,J 1为一阶贝塞尔函数,K为光学望远镜的放大倍数,D 0是光电探测单元的直径,因此接收视场角表示为: M×N为双通道焦平面阵列平衡探测器单个通道像元数; 距离分辨率表示为:其中,c是光速,B是线性调频带宽;速度分辨率表示为:其中,T为调频周期,f 0为调频初始频率,λ 0为调频初始波长,F为调频速率。 6.根据权利要求1所述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,其特征在于:所述的图像处理器通过预设好的目标的采样范围和采样间隔,利用相干探测获取每一个目标釆样点处的探测强度,通过强度与目标探测的关系反推出被测目标的灰度信息,得到目标点的灰度图像,同时测量目标釆样点处激光调频脉冲往返飞行时间和探测像元对应的二维空间位置,得到目标点的三维距离像,再由目标点灰度图像和三维距离像,重构目标的距离-强度三维点云图像,不同点云颜色代表不同的距离,最后通过图像显示器显示出来。7.根据权利要求6所述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,其特征在于:所述的图像处理器通过预设好的目标的采样范围和采样间隔,利用相干探测获取每一个目标釆样点处的速度大小和方向,结合目标点的三维距离像,重构目标的距离-速度三维点云图像。8.实现如权利要求1-7任一项所述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法的装置,其特征在于:包括线性调频连续激光光源(1),所述线性调频连续激光光源(1)经分束器(2)连接有空间光学环形器(4);所述空间光学环形器(4)的输出端连接有光学望远镜(5);所述空间光学环形器(4)和分束器(2)一同连有空间光学桥接器(6);所述空间光学桥接器(6)经双通道焦平面阵列平衡探测器(7)连接有双通道焦平面读出电路(8),双通道焦平面读出电路(8)依次连接有带通滤波器(9)和模数转换器(10),模数转换器(10)经现场可编程门阵列(11)连接有图像处理器(12),图像处理器(12)还连接有图像显示器(13)。9.根据权利要求8所述的装置,其特征在于:所述分束器(2)与空间光学环形器(4)之间还设有激光放大器(3)。 说明书, 无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法及装置 技术领域 本发明涉及激光雷达技术领域,特别涉及一种无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法及装置。 背景技术 激光三维成像雷达是一种可以精确、快速获取目标三维空间信息的主动探测技术,具有成像空间分辨率髙,对目标特性及使用环境适应性强,在目标的识别、分类和高精度三维成像及测量方面有着独特的技术优势,是机动平台(包括车载、机载和星载等)快速获取高分辨率三维目标图像信息的重要手段。 按成像方式划分,三维成像激光雷达可分为扫描式与无扫描式。扫描式三维成像激光雷达是利用单元或线阵探测器,利用二维逐点扫描或一维逐线扫描,获取视场内各点的高度信息,最终合成处理。扫描式激光成像雷达存在着成像速率慢、激光器工作频率高、发射功耗大、成像分辨率和精度低、数据拼接精度低等缺点。当加载于机动平台上时,平台的振动或抖动容易造成数据拼接困难,严重影响测量精度,所以扫描式激光三维成像雷达不适于高精度的机动平台三维成像应用。无扫描式激光三维成像雷达具有成像速度快、高帧频、高分辨率等优点,同时克服了扫描式体积大、质量重、可靠性差的缺点,在实时性和体积要求较高的空间目标相对导航应用中起着至关重要的作用。 按探测体制划分,无扫描激光三维成像雷达通常采用非相干光直接探测和相干光外差接收探测两种方式。非相干直接探测方式就是在发射终端采用脉冲激光强度调制,接收端采用光电探测阵列进行光脉冲的直接探测,常见的主要有基于线性模式雪崩光电二极管(LM-APD)阵列的闪光式、基于盖革模式雪崩光电二极管(GM-APD)阵列的光子计数式和基于线性调幅连续波的混频阵列探测式。上世纪90年代后期,美国麻省理工学院的林肯实验室在美国DARPA与空军实验室支持下率先开展基于GM-APD阵列的激光三维成像雷达研究,2002年至今,先后报道了像元数分别为4×4、32×32、128×32和256×256的GM-APD焦平面阵列器件的研制,同时开发了数代机载激光三维成像雷达系统。2007年美国陆军实验室研发了基于线性调幅连续波的混频阵列探测激光三维成像雷达FOPEN,采用1550nm的连续输出的激光二极管,采用直接数字合成器(DDS)实现强度调制,采用640×512像元阵列EBAPS探测器作为信号接收端,视场角35°×35°,测距精度小于3cm。非相干直接探测方式虽然成像速度快,不需要复杂的扫描机构,具备闪光三维成像的能力,但同时也要求将系统接收的激光回波功率平均分布到每个探测像元上,在相同的激光发射总功率和接收口径下,探测像元越多,分散到每个像元上的回波功率就越小,因此面阵成像系统的探测灵敏度普遍较低,一般仅适用于较近距离的三维成像探测。尽管单光子探测技术逐渐成熟,探测灵敏度越来越高,但是器件成本太高。 相干外差探测方式采用本振激光与回波光束激光在光电探测器进行外差技术,可以自然抑制背景噪声,提高信噪比,具有代表性的就是线性调频连续波相干激光雷达。2012年,Brian W.Krause采用高速CCD面阵接收,通过运动补偿实现了无扫描的室内1米距离的线性调频连续波相干三维成像。但是相干探测技术应用于远距离目标无扫描三维成像至今还未见报道。此外,目前所有的无扫描式激光三维成像雷达,包括鉴相式、偏振调制式、增益调制式和条纹管探测器式等都无法实现对目标速度的直接测量。 发明内容 本发明的目的在于,提供一种无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法及装置。本发明不仅能获得包含远距离目标灰度信息和空间三维几何位置关系的距离-强度像,还能同时获得雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向,具有体积小、质量轻、高分辨率、高精度和对动态目标无失真三维成像的优点。 本发明的技术方案:无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,雷达平台的线性调频连续激光光源产生的输出光束经分束器分为本振光束和信号光束;将信号光束发射至目标并接收目标的回波光束,将回波光束和本振光束通过空间光学桥接器进行相干光混频,利用双通道焦平面阵列平衡探测器进行并行平衡接收,获得包含目标距离和速度信息的中频信号,然后采用双通道焦平面读出电路读出中频信号,对中频信号进行滤波处理和采样处理得到采样数据,再使用现场可编程门阵列对采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理,实现目标距离和速度的并行同步测量,最后结合图像处理器分别构建距离-强度三维点云图像和距离-速度三维点云图像。 上述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,所述的实现目标距离和速度的同步测量,具体是双通道焦平面阵列平衡探测器输出的同相信号和正交信号分别进行傅里叶变换,再进行互谱处理获取多普勒频谱,然后取其虚部,再利用重心法提取多普勒频谱中峰值的位置和正负,得到雷达平台和目标相对运动产生的多普勒频移,然后由多普勒频移得到雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向以及目标距离。 前述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,所述线性调频连续激光光源产生的输出光束为频率线性调制的连续相干激光,采用对称三角波线性调制,调制信号的频率随时间成对称三角形变化,在一个周期内,前半部分为正向调频,后半部分为负向调频,光场表示为: 其中,t是时间,E 0是振幅,T为调频周期,f 0为调频初始频率, 为调频速率,B为调频带宽,φ up(n)为第n个发射激光调频脉冲上升段的初始位相,φ down(n)为第n个发射激光调频脉冲下降段的初始位相; 经过1×2分束器分束,小部分能量作为本振光束,本振光束为时间延迟τ L的线性调频信号,光场表示为: 其中,E L是本振光束振幅,φ LO是本振光束的噪声位相; 大部分能量作为信号光束,通过空间光学环形器和光学望远镜发射至目标,并由光学望远镜接收目标的回波光束;经过空间光学环形器后,回波光束为在目标平面上第n个散射目标T n的时间延迟τ S-n的线性调频信号; 在雷达-目标的坐标系(x,y,z)中,T n的坐标为(x n,y n,z n), 则雷达与目标T n间距离S n表示为: 对于远距离探测,x n<<z n,y n<<z n,因此s n≈z n; 目标T n回波光束的时间延迟τ S-n表示为: 其中,c是光速,V是雷达平台与目标T n相对运动径向速度,f Doppler是雷达平台与目标T n相对运动径向速度引起的多普勒频移, 通过得到的时间延迟τ S-n,在目标平面上第n个散射目标T n的回波光束的光场表示为: 其中,E S_n是回波光束振幅,φ S-n是回波光束的噪声位相。 前述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,所述目标平面上第n个散射目标T n的回波光束和本振光束经过2×4 90°空间光学桥接器合束后的光场表示为: 经过2×4 90°空间光学桥接器混频后的四路输出分别为: 其中,φ N-n是混频噪声位相,I S是和回波光束有关的直流量;I o是和本振光束有关的直流量,η n是光学外差接收方向性函数; 空间光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别被2×M×N单元双通道焦平面阵列平衡探测器接收,获得目标平面M×N个点的包含目标T n距离和速度信息的中频信号;所述的中频信号为2×M×N单元双通道焦平面阵列平衡探测器两通道输出的同相信号和正交信号,分别为: 其中k in是双通道焦平面阵列平衡探测器中接收同相信号通道的光电探测单元D n-的响应率,k qu是双通道焦平面阵列平衡探测器中接收正交信号通道的光电探测单元D n+的响应率,φ i-n和φ q-n分别是同相信号和正交信号的噪声位相; 将同相信号和正交信号的振幅进行简化: 双通道焦平面阵列平衡探测器中输出的同相信号和正交信号简化为: 同相信号通道和正交信号通道光电探测单元的输出分别经过双通道焦平面读出电路读出中频信号,对中频信号进行带通滤波器滤波处理后,随后经高速模数转换器完成模数转换,再由现场可编程门阵列采集,分别进行多普勒频移测量和距离测量: 具体地,首先,两通道数据分别进行快速傅里叶变换,同相信号通道傅里叶变换表示为: 正交信号通道傅里叶变换表示为: 两通道进行互谱处理: 最后仅取虚部得到 Img=δ 2(f-f n)-δ 2(f+f n), 通过重心法提取频谱峰值位置和正负,分别得到正向调频和负向调频过程中的频率值f n: 由上式可以得到: 上式中,f n-up是正向调频过程中的频率值,f n-down是负向调频过程中的频率值;由于多普勒频移大小和雷达平台与目标相对运动的径向速度大小成正比,多普勒频移正负和雷达平台与目标相对运动的径向速度的方向有关,正频移代表雷达平台与目标相向运动,负频移代表雷达平台与目标相背运动; 因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标T n相对运动径向速度的大小和方向,表示为 其中λ是输出光束波长; 由上式得到目标平面上第n个散射目标T n的距离S n: 前述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,目标平面上第n个散射目标T n的回波光束偏角为θ S-n,则光学外差接收方向性函数η n为: 其中,J 1为一阶贝塞尔函数,K为光学望远镜的放大倍数,D 0是光电探测单元的直径,因此接收视场角表示为: M×N为双通道焦平面阵列平衡探测器单个通道像元数; 距离分辨率表示为: 其中,c是光速,B是线性调频带宽; 速度分辨率表示为: 其中,T为调频周期,f 0为调频初始频率,λ 0为调频初始波长,F为调频速率。 前述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,所述的图像处理器通过预设好的目标的采样范围和采样间隔,利用相干探测获取每一个目标釆样点处的探测强度,通过强度与目标探测的关系反推出被测目标的灰度信息,得到目标点的灰度图像,同时测量目标釆样点处激光调频脉冲往返飞行时间和探测像元对应的二维空间位置,得到目标点的三维距离像,再由目标点灰度图像和三维距离像,重构目标的距离-强度三维点云图像,不同点云颜色代表不同的距离,最后通过图像显示器显示出来。 前述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,所述的图像处理器通过预设好的目标的采样范围和采样间隔,利用相干探测获取每一个目标釆样点处的速度大小和方向,结合目标点的三维距离像,重构目标的距离-速度三维点云图像。 实现如前述的无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法,的装置,其特征在于:包括线性调频连续激光光源,所述线性调频连续激光光源经分束器连接有空间光学环形器; 所述空间光学环形器的输出端连接有光学望远镜;所述空间光学环形器和分束器一同连有空间光学桥接器;所述空间光学桥接器经双通道焦平面阵列平衡探测器连接有双通道焦平面读出电路,双通道焦平面读出电路依次连接有带通滤波器和模数转换器,模数转换器经现场可编程门阵列连接有图像处理器,图像处理器还连接有图像显示器。 前述的装置,所述分束器与空间光学环形器之间还设有激光放大器。 与现有技术相比,本发明通过将线性调频连续激光光源产生的输出光束经分束器分为本振光束和信号光束;将信号光束发射至目标并接收目标的回波光束,将回波光束和本振光束通过空间光学桥接器进行相干光混频,利用双通道焦平面阵列平衡探测器进行并行平衡接收,获得包含目标距离和速度信息的中频信号,采用双通道焦平面读出电路读出中频信号,经滤波处理和采样处理得到采样数据,再使用现场可编程门阵列对采样数据进行实时的并行快速傅里叶变换和互谱处理,实现目标距离和速度的并行同步测量,再结合图像处理器分别构建距离-强度三维点云图像和距离-速度三维点云图像。由此本发明通过将相干探测技术与阵列探测技术相结合,从而可以用于对远距离目标无扫描成像,不仅能获得包含远距离目标灰度信息和空间三维几何位置关系的距离-强度像,还能同时获得雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向;此外,本发明还通过空间光学环形器和光学望远镜实现了收发同轴,有利于集成小型化,降低了系统的复杂性;本发明不需要复杂的扫描机构即能达到三维成像的目的,在体积小、结构简单的前提下,还具有高分辨率、高精度和不失真成像的优点,比现有的无扫描三维成像技术具有更低的成本,因此本发明具有良好的发展前景。 附图说明 图1是本发明的结构示意图。 图2是本发明对称三角线性调制波形示意图。 图3是本发明雷达-目标的坐标系示意图。 图4是本发明2×4 90°空间光学桥接器示意图。 图5是本发明双通道焦平面阵列平衡探测器示意图。 图6给出实施例20米距离测得的运动人体距离-强度三维点云图像和距离-速度三维点云图像。 附图中的标记为:1、线性调频连续激光光源;2、分束器;3、激光放大器;4、空间光学环形器;5、光学望远镜;6、空间光学桥接器;7、双通道焦平面阵列平衡探测器;8、双通道焦平面读出电路;9、带通滤波器;10、模数转换器;11、现场可编程门阵列;12、图像处理器;13、图像显示器;171、偏振分束棱镜;172、全反射镜;173、第一半波片;174、第二半波片;175、第三半波片;176、四分之一波片;177、第一偏振分束组合棱镜;178、第二偏振分束组合棱镜。 具体实施方式 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明,但并不作为对本发明限制的依据。 实施例:无扫描线性调频连续波测速测距激光三维成像方法的装置,如图1所示,包括线性调频连续激光光源1,激光光源1采用人眼安全的1550nm单模窄线宽连续光纤激光器,激光器线宽10kHz,输出功率为20mW,光纤输出有隔离保护,将调频信号发生器产生的调频信号和基频信号发生器产生的基频信号进行混频,得到混频信号,将混频信号作为光纤相位调制器的驱动信号,驱动光纤相位调制器产生调频激光信号,并通过光学滤波器抑制谐波、保留所需阶次的调频激光信号,调频带宽5GHz,调频速率5THz/s,采用对称三角波线性调制,调制信号的频率随时间成对称三角形变化,在一个周期内,前半部分为正向调频,后半部分为负向调频,图2给出对称三角线性调制波形示意图,发射激光光场表示为: 其中,t是时间,E 0是振幅,T为调频周期,f 0为调频初始频率, 为调频速率,B为调频带宽,φ up(n)为第n个发射激光调频脉冲上升段的初始位相,φ down(n)为第n个发射激光调频脉冲下降段的初始位相; 输出激光首先经过在线起偏/控制器,确保偏振消光比大于25dB,并且偏振方向可以控制旋转;然后偏振光通过1×2光纤偏振分束器2,出射两路光的偏振态分别为水平偏振和垂直偏振。通过调整在线起偏/控制器改变出射偏振方向,保证1×2光纤偏振分束器输出两路光强度为1:99。本发明将水平偏振光支路作为信号光束,垂直偏振光支路作为本振光束; 本振光束为时间延迟τ L的线性调频信号,光场表示为: 其中,E L是本振光束振幅,φ LO是本振光束的噪声位相; 信号光束首先经过掺铒光纤放大器放大,发射功率5W,经过光纤准直发射器进入空间光学环形器4,光学环形器4由偏振分束棱镜、法拉第旋光器和半波片组成,法拉第旋光器将水平偏振光的偏振态旋转45°,半波片的慢轴与入射偏振态成22.5°,能够将发射光的偏振态旋转90°,而接收光偏振态均保持不变。水平偏振发射光经过法拉第旋光器和半波片,偏振态变为垂直偏振。然后再经过10倍的发射/接收光学望远镜5发射出去,对目标进行照射。通过发射/接收光学望远镜5接收的目标回波光束为在目标平面上第n个散射目标T n的时间延迟τ S-n的线性调频信号; 如图3所示,在雷达-目标的坐标系(x,y,z)中,T n的坐标为(x n,y n,z n), 则雷达与目标间距离S n表示为: 对于远距离探测,x n<<z n,x n<<z n,因此s n≈z n; 目标T n回波光束的时间延迟τ S-n表示为: 其中,c是光速,V是雷达平台与目标T n相对运动径向速度,f Doppler是雷达平台与目标T n相对运动径向速度引起的多普勒频移, 通过得到的时间延迟τ S-n,在目标平面上第n个散射目标T n的回波光束的光场表示为: 其中,E S_n是回波光束振幅,φ S-n是回波光束的噪声位相。 所述目标平面上第n个散射目标T n的回波光束和本振光束经过2×4 90°空间光学桥接器6合束后的光场表示为: 所述的空间光学桥接器结构如图4所示,采用自由空间结构2×490°光学桥接器,2×4 90°光学桥接器的通光口径为32mm×32mm,由由偏振分束棱镜171、全反射镜172、第一半波片173、第二半波片174、第三半波片175、四分之一波片176、第一偏振分束组合棱镜177和第二偏振分束组合棱镜178组成,回波光束和本振光束经过2×4 90°空间光学桥接器正交相干接收,2×4 90°空间光学桥接器混频后的四路输出分别为: 其中,φ N-n是混频噪声位相,I S是和回波光束有关的直流量;I o是和本振光束有关的直流量,η n是光学外差接收方向性函数; 因此,来自目标平面上第n个散射目标T n的信号分成了具有正交特性的同相信号和正交信号,如图5所示,空间光学桥接器输出的具有正交特性的同相信号和正交信号分别被2×M×N单元双通道焦平面阵列平衡探测器7中的D n-和D n+接收,得目标平面M×N个点的包含目标T n距离和速度信息的中频信号;其中2×M×N单元双通道焦平面阵列平衡探测器的总像元数为2×256×256,每个通道像元数256×256,每个像元都是InGaAs器件,像元尺寸0.1mm,间距0.125mm,占空比0.8,每个通道光敏面尺寸32mm×32mm,在两个通道光敏面对应位置采用两个特性完全接近的光电二极管进行光电转换,后端使用的是差分放大器,将两路差分后,放大差模信号,抑制共模噪声;所述的中频信号为2×M×N单元双通道焦平面阵列平衡探测器7输出的同相信号和正交信号,分别为: 其中k in是双通道焦平面阵列平衡探测器中接收同相信号通道的光电探测单元D n-的响应率,k qu是双通道焦平面阵列平衡探测器中接收正交信号通道的光电探测单元D n+的响应率,φ i-n和φ q-n分别是同相信号和正交信号的噪声位相; 将同相信号和正交信号的振幅进行简化(即 分别用I n-i和I n-q代替): 则双通道焦平面阵列平衡探测器7输出的同相信号和正交信号简化为: 同相信号通道和正交信号通道光电探测单元的输出分别经过双通道焦平面读出电路读出中频信号,对中频信号进行带通滤波器滤波处理后,随后经高速模数转换器完成模数转换,再由现场可编程门阵列采集,分别进行多普勒频移测量和距离测量: 首先,两通道数据分别进行快速傅里叶变换,同相信号通道傅里叶变换表示为: 正交信号通道傅里叶变换表示为: 两通道进行互谱处理: 最后仅取虚部得到 Img=δ 2(f-f n)-δ 2(f+f n), 通过重心法提取频谱峰值位置和正负,分别得到正向调频和负向调频过程中的频率值f n: 由上式可以得到: 其中f n-up为正向调频过程中频率值,f n-down为负向调频过程中的频率值;由于多普勒频移大小与雷达平台与目标相对运动的速度成正比,多普勒频移正负与相对运动径向速度的方向有关,正频移代表雷达平台与目标相向运动,负频移代表雷达平台与目标相背运动; 因此由多普勒频移可以得到雷达平台与目标T n相对运动径向速度的大小和方向,表示为 其中λ是输出光束波长; 由上式得到目标平面上第n个散射目标T n的距离S n: 目标平面上第n个散射目标T n的回波光束偏角为θ S-n,则光学外差接收方向性函数η n为: 其中,J 1为一阶贝塞尔函数,K为光学望远镜的放大倍数,D 0是光电探测单元的直径,因此接收视场角表示为: M×N为双通道焦平面阵列平衡探测器单个通道像元数;M为256,N为256; 本实施例中的接收视场角为55.5°×55.5°; 距离分辨率表示为: 其中,c是光速,B是线性调频带宽; 本实施例中的距离分辨率3cm; 速度分辨率表示为: 其中,T为调频周期,f 0为调频初始频率,λ 0为调频初始波长,F为调频速率。 本实施例中的速度分辨率0.775mm/s。 在对目标距离和速度的并行同步测量后,结合图像处理器分别构建距离-强度三维点云图像和距离-速度三维点云图像,图像处理器一方面通过预先设计好的被测目标的采样范围和采样间隔,利用上述相干探测获取每一个目标釆样点处的探测强度,通过强度与目标探测的关系反推出被测目标的灰度信息,同时测量釆样点处激光调频脉冲往返飞行时间和探测像元对应的二维空间位置,得到目标点的三维距离像;再由目标点灰度图像和距离像,重构目标的距离-强度三维点云图像,不同点云颜色代表不同的距离,通过图像显示器显示出来;另一方面,利用上述相干探测获取每一个目标釆样点处的速度大小和方向,结合目标点的距离像,重构目标的距离-速度三维点云图像,点云的颜色只采用红色和蓝色,红色代表雷达平台与目标相向运动,蓝色代表雷达平台与目标相背运动,颜色的深浅代表速度大小,通过图像显示器显示出来。图6为本实施例20米距离测得的运动人体距离-强度三维点云图像和距离-速度三维点云图像,从图6中可以看出,本发明的三维成像图具有高分辨率和高精度的特点,而且动态目标图像无失真现象。本发明不仅能获得包含远距离目标灰度信息和空间三维几何位置关系的距离-强度像,还能同时获得雷达平台与目标相对运动径向速度的大小和方向,具有体积小、质量轻、高分辨率、高精度和对动态目标无失真三维成像等优点。

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