[发明专利]宽带综合孔径上变频成像系统

说明书

技术领域

本发明主要涉及宽带上交频电光调制和光子晶体全息术的被动综合孔径成像技术，尤其是运用电光调制的光载波信号进行干涉成像，通过冗余基线校正(RSC)技术进行光纤系统的相位保持，最终利用线性调频光束读出光子晶体中目标的宽带图像的一种新的成像系统。 

背景技术

被动微波、毫米波成像系统广泛应用于射电天文学研究、遥感和军事等领域。任何高于绝对零度的物体都会辐射各种波段的电磁波，被动成像探测是探测目标的电磁辐射和散射，并运用各种信号处理技术恢复出目标的温度分布图或散射特征图。 

为了提高成像系统的分辨率，目前广泛应用综合孔径技术，首先出现的是下变频成像系统。自从1988年美国麻萨诸塞大学微波遥感实验室研制出一台L波段(1-2GHz)下变频综合孔径成像系统以来，被动综合孔径成像技术不断向前发展，先后出现了MIRAS、2D-STAR等下变频成像系统。但基于下变频综合孔径成像方法存在系统复杂度太高、体积大、质量重、易受电磁干扰等不足之处，近几年出现了一种基于上变频电光调制技术的综合孔径成像方法。2002年以来，美国科罗拉多大学和特拉华大学先后通过将接收到的窄带辐射信号经电光调制技术加载到光波上，利用调制后的边带光束形成阵列进行光学成像，从而得到目标的窄带温度分布图。 

上述几种被动综合孔径成像方法和系统都是对目标辐射的一个窄带频率进行成像，最终只能得到目标在某个特定波长处的辐射温度图，也即得到的只是目标的在该波长处的强度分布图。为了进一步获取目标更加丰富的信息，需要提高系统的成像带宽，也即实现宽带的成像。如果仍采用前述的上变频综合孔径成像系统进行宽带成像，主要会存在以下两个问题：(1)携带宽带信号的光束直接在傅里叶变换透镜焦平面成像，这些则宽带图像无法提取并进行图像的融合处理；(2)由于傅里叶变换透镜对于不同波长的光束，其焦距不同，因此在成像过程过存在相差，这会导致成像的质量下降。因此必须提出一种新的成 像方法和系统来实现宽带综合孔径成像。 

光子晶体和光谱烧孔技术出现已经多年，所谓的光谱烧孔效应，就是在某些物质中存在着一组能级包含一个基态与一个受激态，在其间有一介稳态的能阶。当有入射光将电子由基态激发至受激态时，受激发的电子会在几个皮秒的时间内跃迁到亚稳态。在经过约长达几个毫秒后，电子才会回到基态并释放出波长与入射光波长相近的光子。而在该物质的吸收/穿透光谱上在特定的波长附近便会形成一个空区意味着该特定波长的光无法通过。当一束强的单频激光通过这种光子晶体时，它可以选择性地将一群与共振频率相对应的原子激发至饱和状态，这时若有另一束频率扫描的弱探测光通过该介质，则在它的吸收光谱的相应位置上将出现一个凹陷。 

目前，基于永久光谱烧孔技术的数字光盘存储技术已经广泛现实并广泛应用。光谱烧孔光子晶体还可用于宽带图像信号的存储与读取中，光子晶体的光谱烧孔过程与信号的读取过程如图2所示。图2(1)表明了光子晶体的原始吸收频谱曲线图，在一定的频率范围内存在一系列独立吸收频谱点，具有很强的吸收。由于其间隔很小，因此通过一个扫频激光器照射光子晶体，可被用于实现对在该频率范围内的宽带信号的窄带采样功能；图2(2)显示了一幅输入的宽带调制光束的频谱图；图2(3)是光子晶体被光谱烧孔后的吸收频谱图，光子晶体的频谱吸收包络曲线记录了输入信号的频谱；图2(4)是一强度微弱的线性调频激光光束通过光子晶体后得到的谱图，由于不同频率处的透射强度与输入信号在该频率处的分量对应，因此通过线性调频的激光束扫描后，用探测器得到的时域波形就是输入信号的频谱，通过积分即可得到完整的宽带信号。 

在上变频被动综合孔径成像系统中，如各通道光路不等，则在光载波之间存在相位误差，这个误差也会被传递到调制边带中，而不对含有目标信息的边带信号进行相位误差校正，就无法获得任何有意义的图像。光纤系统的通道相位误差来源主要有以下几种：(1)温度变化引起光纤长度变化，这种误差通常在微米量级，但由于光束波长也是微米量级，因此会产生无法预测的相位误差；(2)光纤连接误差，外力作用引入的相位误差，这种误差更大，一般达到毫米量级，对1.55um的光束，1mm的误差导致大约666.7个2π的相位误差。(3)大气扰动对辐射信号的相位误差，最终也通过电光调制器被引入到光纤系统中， 其误差量受到大气环境不同变化不同。