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介绍了一种新型被动综合孔径成像探测方法:视场辐射信号被接收和放大后,通过电光幅度调制将其幅度和相位信息加载到光波上,经光纤传输在末端形成阵列,通过光学系统直接成像,将视场实时恢复出来。该方法可实现工作在微波、毫米波和太赫兹波段的高分辨力实时成像探测的目的。深入分析了电光调制器在综合孔径成像探测中的应用,建立电光调制模型,讨论了在小信号调制下的电光幅度调制近似理论。通过数值计算与仿真分析,得到综合孔径成像探测中电光调制器的调制信号强度限制的有关结论。结果表明,利用上变频电光调制技术和光信息处理,所得到的成像仿真图的半峰全宽和信噪比性能都优于传统的基于下变频技术的成像仿真结果。
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书书书
第
28
卷
第
6
期
光
学
学
报
Vol.28
,
No.6
2008
年
6
月
犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃
犑狌狀犲
,
2008
文章编号:
02532239
(
2008
)
06120107
电光调制在被动综合孔径成像探测中的应用
何云涛
江月松
王长伟
(北京航空航天大学 电子信息工程学院,北京
100083
)
摘要
介绍了一种新型被动综合孔径成像探测方法:视 场辐 射 信号 被接 收 和放 大后,通过 电光 幅 度调 制将 其 幅度
和相位信息加载到光波上,经光纤传输在末端形成阵列,通过光学系统直接成像,将视 场实 时恢复 出来。该 方法 可
实现工作在微波、毫米波和太赫兹波段的高分辨力实时成像探测的目的。深入分 析了 电光调 制器 在综合 孔径 成像
探测中的应用,建立电光调制模型,讨论了在小信号调制下的电光幅度调制近似 理论。通 过数 值计算 与仿 真分析,
得到综合孔径成像探测中电光调制器的调制信号强度限制的有关结论。结果表 明,利 用上变 频电 光调制 技术 和光
信息处理
,所得到的成像仿真图的半峰全宽和信噪比性能都优于传统的基于下变频技术的成像仿真结果。
关键词
成像探测;综合孔径;电光调制;上变频
中图分类号
TH751.2
文献标识码
A
收稿日期:
20071008
;收到修改稿日期:
20071210
基金项目:武 器 装 备 预 研 基 金 (
9140A21041006HK0126
)、武 器 装 备 探 索 研 究 项 目 (
7130730
)和 航 天 创 新 基 金
(
06CASC02132
)资助课题。
作者简介:何云涛(
1982-
),男,博士研究生,主要从事综合孔径阵列成像等方面的研究。
Email
:
tao
y
unhe
@
ee.buaa.edu.cn
导师简介:江月松(
1959-
),男,教授,博士生导师,主要从事成 像信 息科学 与技 术、激 光空 间 信息 技术、红 外光 电 信息 获
取与处理技术等方面的研究。
Email
:
y
ueson
gj
ian
g
@
buaa.edu.cn
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犿犪狓犻犿狌犿
(
犉犠犎犕
)
犪狀犱 狊犻
犵
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(
犛犖犚
)
狑犻狋犺 狌
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;
狊
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犲狉狋狌狉犲
;
犲犾犲犮狋狉狅狅
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狋犻犮
(
犈犗
)
犿狅犱狌犾犪狋犻狅狀
;
狌
狆
犮狅狀狏犲狉狊犻狅狀
1
引
言
被动 综合孔径成 像技术一直 受到广泛关 注,目
前,研究的工作波段 覆 盖了从微 波 到太赫兹 波 的全
部波段。任 何 高 于 绝 对 零 度 的 物 体 都 会 辐 射 电 磁
波
,被动成像探测是利用探测物体的电磁辐射,并运
用特定的反演算法得到目标的亮温图。对被动式成
像系统
,要获得高的空间成像分辨力,综合孔径技术
是一种 有 效 的 方 法
[
1
~
3
]
。 该 技 术 利 用 若 干 个 体 积
小
、重量轻的小孔径天线按照载体形状和尺寸大小,
依据最小冗余空间 频率覆盖、最佳成像 质 量等规则
排列成稀疏孔径阵 列,通 过 两两天线 信 号组合复 互
相关运算和离散傅里叶变换运算而重构出所观测目
光
学
学
报
28
卷
标的图像。随着技 术的发展,部分系统 已 经开始应
用于环境检测、大气与海 洋 监测、遥 感成像、军事侦
察等诸多领域
[
4
~
6
]
。
在被 动综合孔径 成像系统中,由于 天线接收视
场目标辐射信号衰 减较大,在传输前 应 调制至更 适
合传输的频率
。选择之一是将其下变频至一中频信
号,通过同轴电 缆 传输。目 前 研究的被 动 综合孔径
成像系统基本都采用这种方法
[
1
~
6
]
。但对于现代遥
感、军事侦察以及反恐等应用而言,这种传统的成像
方法存在以下不足:
1
)系统复杂,成本高;
2
)难以实
现实时成像;
3
)易受电磁 干 扰,重 量 重,体 积 大。另
一种传输处理方式是将目标辐射信号经上变频至光
载波频率,由 光 纤 传 输
[
7
~
9
]
。光纤传输信号 具 有 高
带宽,低衰减和抗电磁干扰等优点。此外,将视场目
标的辐射信号加载 到光载波 上,在光纤 末 端形成阵
列,可采用光学综合孔径成像技术
[
10
~
13
]
,在光波频
率上直接成像,无需解调出毫米波信号;与传统的合
成孔径成像系统相 比,避 免 了采用大 量 的复相关 器
(其数目随天线数 目的增 加 呈几何增 长),代之以 高
效的光学系统
,整个设备简单有效,且成本较低。
在 上 变 频 传 输 技 术 的 被 动 综 合 孔 径 成 像 系 统
中,电光调制器是关键的一个器件,它将目标信号通
过电光效应转换到光载波中,然后通过光纤传输,将
电信号和光信号 联 系起来。 根据理论 分 析,在 被 动
综合孔径成像系统 中,进 入 电光调制 器 的辐射信 号
对光波是振 幅 调 制 (
AM
),调 制 后 的 光 信 号 经 滤 波
后得到第一级边带 光波,最 后通过该 光 波进行相 干
成像
[
7
]
。理论分析可知,实现振幅调制电光调制,要
求调制信号满足小信号近似
。在被动综合孔径成像
探测中,由于物体的自然辐射水平非常小,调制后的
边带信号过于微弱 而 给成像探 测 带来很大 的 困难。
在实际系统中,为了 提 高调制后 的 第一级光 波 边带
功率,需对接收的辐射信号先放大,再进入电光调制
器。因此,设置合适的 输 入调制功 率 非常重要。 目
前,关于电光调制器 的 研究与应 用 都集中在 光 通信
方面,且调制信号均为大信号电光调制。因此,不能
采样传统的电光相位调制理论和电光强度调制理论
进行分析,必须重新 讨 论被动综 合 孔径成像 中 的电
光调制理论和方法。
2
基于上变频的被动综合孔径成像技术
2.1
传统被动综合孔径成像原理
传统的被动 综合孔径阵 列成像探测 的原理是:
天线阵接收到的地面辐射信号在经过天线阵列中的
两两天线的复相关
,得到可视 度 函数
犞
(
狌
,
狏
),在远
场条件,与视场(
FOV
)的亮温
犜
(
ξ
,
η
),正好形成 一
对傅里叶变换,可通 过 求解这个 复 相关结果 来 反演
求出视场的亮温
[
1
~
3
]
。
如图
1
所示,
狅狓
狔
是视场坐标系,
犗犡犢
是天线阵
坐标系
,距视场的距离是
犣
,地面亮温是
犜
(
狋
,
狓
,
狔
)。
图
1
传统对地观测二元干涉仪示意图
Fi
g
.1 Traditionaltwoelementinterferometerof
earthobservation
当天线阵列 与视场之间 的距离满足 远场条件,
根据传统基于下变频技术的被动综合孔径阵列成像
理论,任意两天线信号的互相关可表示为
[
2
]
犞
(
狌
犻
犼
,
狏
犻
犼
)
=
犓
犛
犉
(
ξ
,
η
)
犜
(
ξ
,
η
)
×
ex
p
[
-j
2
π
(
狌
犻
犼
ξ
+
狏
犻
犼
η
)]
d
犛
, (
1
)
式中
狌
,
狏
是天线坐标差值对波长的归一化,
狌
犻
犼
=
(
犡
犻
-
犡
犼
)/
λ
,
狏
犻
犼
=
(
犢
犻
-
犢
犼
)/
λ
,
犓
是一 个 积 分 常 量;
犡
犻
、
犢
犻
都 是 天 线 对 应 的 坐 标;
(
ξ
,
η
)是在天线 坐 标(
犡
,
犢
)处 视 场 的 余 弦 方 向,对
应 (
sin
θ
cos
,
sin
θ
sin
);
犉
(
ξ
,
η
)为天线
犻
和
犼
的合成
方向函数。从(
1
)式可得,任意两根天线之 间进行复
相关得 到 的 可 视 度 函 数
犞
(
狌
,
狏
)与 视 场 中 的 亮 温
犜
(
ξ
,
η
)形成了 一 对傅里叶 变 换对。因 此,从 复 相 关
的结果进行 逆 傅 里 叶 变 换 可 得 到 原 视 场 的 亮 温 分
布,由于实际计算时都是离散化进行的,所以
^
犜
(
ξ
狆
,
η
狇
)
=
∑
犽
∑
犾
狑
(
狌
犽
,
狏
犾
)
犞
(
狌
犽
,
狏
犾
)
×
ex
p
[
j
2
π
(
狌
犽
ξ
狆
+
狏
犾
η
狇
)], (
2
)
式中(
ξ
狆
,
η
狇
)为视场 中 任意一点 的 坐标,
狑
(
狌
,
狏
)为
一窗函数
。
2.2
基于电光调制技术的被动综合孔径成像
上变 频 被 动 综 合 孔 径 成 像 二 元 系 统 如 图
2
所
示。天线接收辐射信号
犈
(
θ
,
狋
)
cos
(
ω
RF
狋
+
),通 过
与本振
(
LO
)系 统 进 行 混 频 后 变 为 中 频 信 号
犈
IF
=
犈
(
θ
,
狋
)
cos
[
ω
IF
狋
+
],然后 经 过 放 大 器 放 大 信 号,再
2021
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