光学与雷达共孔径复合成像系统及方法

技术领域

本发明涉及航天遥感技术，具体涉及一种光学与雷达共孔径复合成像系统及方法。

背景技术

利用卫星平台对地实现高分辨率成像遥感可以使土地利用、城市规划、环境监测等民用领域获得更便利、更详细的数据来源。目前遥感卫星的光学成像已经具备较高的分辨率水平，但光学成像易受光照条件及天气影响，且无法给出距离信息，而合成孔径雷达具备测距、全天时全天候的工作能力，但是分辨率相对较低。

现有遥感卫星光学成像中，雷达和光学成像系统分别独立安装在遥感卫星中，雷达和光学成像系统空间体积庞大，自身具有较大重量，受到卫星平台安装体积限制，不利于遥感卫星的长时间运行，且雷达和光学成像系统同步探测时，图像误差大，导致合成得到的图像分辨率较低。

发明内容

本发明在于解决现有遥感卫星光学成像中，雷达和光学成像系统的体积大、质量重且合成图像分辨率较低的问题，而提供一种光学与雷达共孔径复合成像系统及方法。

本发明所采用的技术方案为：一种光学与雷达共孔径复合成像系统，其特殊之处在于，包括收发单元、分光分频单元、相控阵雷达收发系统和后光学成像系统；

所述收发单元包括主反射镜合成孔径雷达天线和次反射镜合成孔径雷达天线；

所述分光分频单元为透光反射微波分光分频器件；

所述相控阵雷达收发系统发出的微波信号依次经透光反射微波分光分频器件、次反射镜合成孔径雷达天线、主反射镜合成孔径雷达天线的反射后，发送至地面；

所述主反射镜合成孔径雷达天线将微波散射信号及地面被动光学波段收集并依次反射至次反射镜合成孔径雷达天线、透光反射微波分光分频器件；

所述相控阵雷达收发系统设置在透光反射微波分光分频器件的微波反射路线上；

所述后光学成像系统设置在透光反射微波分光分频器件的光学透射路线上。

进一步地，所述主反射镜合成孔径雷达天线的反射镜面为抛物面，反射镜面的口径为2m～5m，曲率半径为4.6m-10m；反射镜面的镜胚表面设置有50μm-100μm镍合金层。

进一步地，所述次反射镜合成孔径雷达天线的反射镜面为抛物面，反射镜面口径为0.5m～0.6m，曲率半径为1.5m～1.8m；反射镜面的镜胚表面设置有10μm-50μm镍合金层。

进一步地，所述后光学成像系统包括离轴三反消像差镜组和光学探测器，所述离轴三反消像差镜组用于将透光反射微波分光分频器件的透射光学波段反射汇聚至光学探测器上。

进一步地，所述相控阵雷达收发系统包括相控阵微波馈源、接收机及发射机，相控阵微波馈源用于产生的微波，接收机和发射机分别用于接收和发射微波信号。

进一步地，所述透光反射微波分光分频器件包括玻璃板和设置在玻璃板面上的金属丝网格，所述金属丝宽度为0～5μm，金属网格间距小于微波波长的1/20；所述金属丝刻蚀在玻璃板面上。

进一步地，所述玻璃板的基底材料为融石英玻璃，口径为0.75m～1.2m；所述金属丝网格为正交二维金属网格，金属丝网格的材料选用为金或铜。

本发明还提供了一种基于上述光学与雷达共孔径复合成像系统的成像方法，包括以下步骤：

1)微波信号的发射

1.1)相控阵雷达收发系统发射微波信号至透光反射微波分光分频器件；

1.2)微波信号依次通过透光反射微波分光分频器件、次反射镜合成孔径雷达天线、及主反射镜合成孔径雷达天线反射至地面；

2)光学波段和微波信号的接收

2.1)地面被动光学波段和经地面散射后的微波一同依次入射至主反射镜合成孔径雷达天线、次反射镜合成孔径雷达天线和透光反射微波分光分频器件；

2.2)微波经透光反射微波分光分频器件的反射后，进入相控阵雷达收发系统；

地面被动光学波段经透光反射微波分光分频器件的透射后，进入后光学成像系统；

3)光学波段和微波信号的处理

相控阵雷达收发系统将微波信号发送至地面信号处理机，后光学成像系统将光学波段发送至地面信号处理机，地面信号处理机对微波信号和光学波段进行异源图像融合。

进一步地，步骤1.1)中，所述透光反射微波分光分频器件的基底材料为融石英玻璃，玻璃表面刻蚀正交二维金属网格。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

一、本发明采用的一种光学与雷达共孔径复合成像系统，将光学与雷达进行共孔径设计，使雷达天线与可见光成像反射镜共孔径、共视场工作：微米尺度的光学波段和毫米尺度的微波在的成像方式上能够实现优势互补，增强了对目标的识别能力，优化了异源图像融合，提高了合成图像的分辨率，可广泛应用于城市建筑三维成像、地震洪水等地质灾害评估等领域。

二、本发明采用的一种光学与雷达共孔径复合成像系统，合成孔径雷达天线与光学成像反射镜共用，提高了系统的集成性，具有体积小，重量轻等优点，适应航天遥感成像环境，避免了卫星平台安装体积限制问题，延长了遥感卫星的运行时间。

三、本发明采用的一种光学与雷达共孔径复合成像系统，设置的透光反射微波分光分频器件，其光学透过率大于85％，毫米波反射率大于90％，500km距离能够实现可见光0.5m的分辨率，合成孔径雷达1m的分辨率。

四、本发明采用的一种光学与雷达共孔径复合成像系统，主、次反射镜合成孔径雷达天线反射镜面的镜胚表面设置有镍合金层，可同时保证对光学波段和微波具有高反射率。

五、本发明采用的一种光学与雷达共孔径复合成像系统，设置的后光学成像系统利用离轴成像结构，有效降低了微波能量衰减。

附图说明

图1为本发明一种光学与雷达共孔径复合成像系统的结构图。

图2为本发明中光学系统结构图。

图3为本发明中合成孔径雷达天线系统结构图。

图4为本发明中相控阵微波馈源的放大示意图。

图5为本发明中透光反射微波分光分频器件金属网格排布示意图。

图中：

1-主反射镜合成孔径雷达天线，2-次反射镜合成孔径雷达天线，3-透光反射微波分光分频器件，4-离轴三反消像差镜组，5-相控阵雷达收发系统，5.1-相控阵微波馈源，5.2-相控阵馈源焦点，6-光学探测器。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

如图1、图2和图3所示，本实施例中的一种光学与雷达共孔径复合成像系统，包括收发单元、分光分频单元、相控阵雷达收发系统5和后光学成像系统；

收发单元包括主反射镜合成孔径雷达天线1和次反射镜合成孔径雷达天线2；

所述分光分频单元为透光反射微波分光分频器件3；

所述相控阵雷达收发系统5发出的微波信号依次经透光反射微波分光分频器件3、次反射镜合成孔径雷达天线2、主反射镜合成孔径雷达天线1的反射后，经共同窗口发送至地面；

所述主反射镜合成孔径雷达天线1将微波散射信号及地面被动光学波段经共同窗口收集并依次反射至次反射镜合成孔径雷达天线2、透光反射微波分光分频器件3；所述相控阵雷达收发系统5设置在透光反射微波分光分频器件3的微波反射路线上；

所述后光学成像系统设置在透光反射微波分光分频器件3的光学透射路线上。

所述主反射镜合成孔径雷达天线1的反射镜面为抛物面，可以保证近地轨道合成孔径雷达收发能量，反射镜面的口径为2m，曲率半径为4.6m；可同时保证对光学和微波具有高反射率；

主反射镜合成孔径雷达天线1的基底材料为铝基碳化硅，镜胚机械加工后先镀上一层厚度为50μm-100μm左右(根据反射镜厚度优化)的镍合金，优选为50μm的镍合金层，抛光完成后表面再镀光学反射铝或银膜，银膜厚度可选为30nm。

所述次反射镜合成孔径雷达天线2的反射镜面为抛物面，反射镜面口径为0.5m～0.6m，曲率半径为1.5m～1.8m；反射镜面的镜胚材料为碳化硅或铝基碳化硅，镜胚机械加工后镀10μm-50μm左右(根据反射镜厚度优化)的镍合金，抛光完成后再镀光学反射铝或银膜。

所述后光学成像系统包括离轴三反消像差镜组4和光学探测器6，所述离轴三反消像差镜组4为离轴三反消像差结构，将由主、次反射镜合成孔径雷达天接收的平行压缩光束汇聚于光学探测器6上。

所述相控阵雷达收发系统5包括相控阵微波馈源5.1、接收机及发射机，如图4所示，相控阵微波馈源5.1由正交二维排列的组合馈源组成，其收发转换开关能够使单个馈源既能接收电磁波，又能发射电磁波；如图3所示，相控阵馈源焦点5.2为相控阵单个馈源焦点的位置；接收机和发射机分别用于接收和发射微波信号。

所述透光反射微波分光分频器件，其基底优选融石英玻璃，口径为0.75m，如图5所示，采用高导电率材料在玻璃表面刻蚀正交二维金属网格，金属丝网格材料采用金或铜，在保证网格强度的前提下金属丝宽度应小于5μm以保证光学透过率，金属丝网格间距应小于微波波长的1/20以保证微波反射率，金属网格间距可设置为500μm，金属丝宽度设置为5μm；该透光反射微波分光分频器件3能够保证微波的反射率大于90％，光学透过率大于85％。

本发明还提供了光学与合成孔径雷达共孔径复合成像方法，包括以下步骤：

1)微波信号的发射

1.1)相控阵雷达收发系统5发射微波信号至透光反射微波分光分频器件3；

1.2)微波信号依次通过透光反射微波分光分频器件3、次反射镜合成孔径雷达天线2、及主反射镜合成孔径雷达天线1反射至地面；

2)光学波段和微波信号的接收

2.1)地面被动光学波段和经地面散射后的微波一同依次入射至主反射镜合成孔径雷达天线1、次反射镜合成孔径雷达天线2和透光反射微波分光分频器件3；

2.2)微波经透光反射微波分光分频器件3的反射后，进入相控阵雷达收发系统5；

地面被动光学波段经透光反射微波分光分频器件3的透射后，进入后光学成像系统；

3)光学波段和微波信号的处理

相控阵雷达收发系统5将微波信号发送至地面信号处理机，后光学成像系统将光学波段发送至地面信号处理机，地面信号处理机对微波信号和光学波段进行异源图像融合。

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。