一种主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统的制作方法

本发明涉及一种主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统，适用于天基空间目标监视成像。

背景技术：

0、技术背景

1、开展新型天基空间目标监视系统研究，获取目标结构、几何尺寸、星体姿态、工作态势等信息，构建空间目标探测识别与信息传输体系，实现目标分类识别，推断目标战术意图，对保障我国太空安全具有重要意义。geo带内卫星主要包括通信广播卫星、数据中继卫星、导弹预警卫星、无线电侦察卫星等，其本体长宽在1.5m～3m范围内，高度在2m～ 8.5m范围内，太阳帆板或天线一般在米至百米量级。另外，geo轨道空间目标的光照面与阴影面动态范围大，存在地影区成像问题，同时在全球巡视过程中存在逆光成像时段，易造成监视漏洞。

2、地基望远镜和地基雷达的静止轨道(geo)面目标成像能力不足，且不能实现geo带全覆盖；现有传统的被动式大口径光学空间目标监视载荷对弱小目标的高分辨探测能力不足，且无法满足夜间成像需求，同时面临进一步增大口径带来的研制困难及运载能力限制的问题。

3、而采用万向反射镜方式的被动空间目标监视系统虽然可以实现视场扫描和持续锁定跟踪，但存在扫描速度慢，扫描精度低的问题；基于镜面拼接的被动合成孔径成像技术可避免超大口径、高精度光学反射镜加工的难题，但其共相位调整的精度要求高，工程实现难度大。

4、目前，基于傅里叶叠层成像主动相干光学合成孔径技术，从显微领域拓展到宏观成像领域后，经历了透射式和反射式两种模式的发展。该领域的研究多集中在可见波段，未见针对夜间成像需求的近红外主动相干光学合成孔径超分辨成像技术研究。

5、其傅里叶叠层频谱扫描方式主要有光源扫描、相机扫描和孔径扫描的方式。其中，采用光源安装在xyz位移台上扫描实现多角度照明的方式更适合显微成像，对于宏观应用则会存在扫描速度慢、精度低的问题。采用空间光调制器、微透镜阵列产生多角度照明的方式虽然能解决光源强度漂移以及强度不均匀问题，但目前仍然局限于显微应用。采用相机扫描方式的宏观透射式主动相干光学合成孔径系统，需要载荷频繁移动、快速调姿，并保持高精度定位，因此能耗极大、对平台控制精度要求高、扫描时间长，不适用于天基空间目标监视场景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提出一种主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统，解决夜间成像、逆光问题以及地影区成像问题。通过合理的轨道设计和轨道机动，利用主动相干光超分辨成像技术实现对空间目标的高分辨、全天时成像，进而可以对重点目标进行识别和分类，并根据需要对某些特定非合作目标进行长期的监视。

2、本发明的上述目的是通过如下技术解决方案予以实现的：

3、一种主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统，包括：主动相干光产生模块、光学成像模块、图像超分辨重构模块以及运动控制模块；

4、所述主动相干光产生模块包括激光器和光学相控阵；所述光学成像模块包括前端光学模块和面阵探测器；

5、激光器为光学相控阵提供激光光束，光学相控阵将激光光束以某一角度照射到空间目标上，前端光学模块接收空间目标反射光，在面阵探测器上形成低分辨图像；图像超分辨重构模块对所述低分辨图像进行预处理和超分辨重构；运动控制模块用于实现瞄准跟踪。

6、进一步的，还包括散热模块以及电源模块；电源模块为其他模块提供电源，散热模块用于激光器散热。

7、进一步的，所述光学相控阵包括光纤阵列、多模干涉分束器、移相器、光栅衍射阵列输出波导、驱动控制器；

8、光纤阵列将激光光束耦合进多模干涉分束器，多模干涉分束器通过级联方式将激光光束分为n路，与移相器内的n路波导阵元相连，驱动控制器对 n路波导阵元上的电极施加不同电压，使得相邻波导阵元间产生温差，通过波导阵元的热光效应在相邻波导阵元间产生相位差；

9、具有一定相位差的光束由光栅衍射阵列输出波导输出后在远场相干叠加，以某个角度输出，输出光束路数为n×n路，其中每路光束均指向空间目标，并均匀覆盖整个成像视场，在计算机程序控制下按照设计的“己”字形路径实现光束对目标的匀速扫描，匀速扫描速度为

10、进一步的，所述光学相控阵还包括系统位置反馈校正器；

11、当主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统运行在与目标不同的轨道高度时会具有一定的相对运动速度此时光学相控阵也具有同样的相对运动速度系统位置反馈校正器将光学相控阵的相对运动速度实时反馈给驱动控制器，驱动控制器将光束对目标的实际扫描速度调整为最终在轨道相对运动和实际扫描的共同作用下以实现对光束扫描速度和指向位置的实时校正。

12、进一步的，所述前端光学模块包括偏振片、窄带滤光片和成像镜头；

13、当具有高度相干性的激光光束照射到空间目标的粗糙表面时，产生的相干反射光场的波前相位被随机调制，经偏振片、窄带滤光片滤除工作谱段外的背景杂光，由成像镜头接收后在面阵探测器上形成一帧带有无规则分布散斑图样的低分辨初始图像。

14、进一步的，激光器为光学相控阵中的光纤阵列提供高功率、高相干性的近红外激光光束。

15、进一步的，图像超分辨重构模块在gpu上通过超分辨重构软件实现初始图像的降噪、位置校准预处理，并通过超分辨重构软件内部集成的傅里叶叠层约束频谱拼接算法进行超分辨重构，获取等效合成孔径分辨率的图像。

16、进一步的，所述主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统实现 geo轨道目标的全球巡视模式、区域巡视模式两种工作模式；

17、全球巡视模式是指：主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统运行于geo轨道下方，典型值geo-150km轨道，通过顺行位置相对漂移实现对全球geo带目标的捕获跟踪、成像监视；

18、区域巡视模式是指：利用与geo轨道的高度差形成的顺行漂移、退行漂移以及升、降轨运动，形成对指定区域的往返巡视，实现相应区域内目标的捕获跟踪、成像观测。

19、进一步的，当采用全球巡视模式时，主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统处于geo-150km轨道，相对于目标为顺行漂移，指向深空背景，可获得目标携带的主要有效载荷的精细图像；

20、此阶段主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统相对于geo 轨道目标的相对运动速度大小为3.62m/s，运动速度稍快于目标星；在顺行漂移阶段，同向扫描时光束的实际扫描速度为在反向扫描时光束的实际扫描速度为其中，为光束对目标的匀速扫描速度，为主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统处于geo-150km轨道时相对于 geo轨道目标的相对运动速度，

21、进一步的，当采用区域巡视模式时，共经历顺行漂移、退行漂移以及升、降轨四个阶段；

22、顺行漂移阶段光束实际扫描速度计算同采用全球巡视模式；

23、退行漂移阶段主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统处于geo+150km轨道，指向地球背景，此时可观测目标侧上方形态；此阶段主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统相对于geo轨道目标的相对运动速度大小为-3.61m/s，运动速度稍慢于目标星；

24、在退行漂移阶段，同向扫描时光束的实际扫描速度为在反向扫描时光束的实际扫描速度为其中，为光束对目标的匀速扫描速度，为主动相干光学合成孔径超分辨成像空间目标监视系统处于 geo+150km轨道时相对于geo轨道目标的相对运动速度，

25、在区域巡视模式下的升、降轨过程中，光束的实际扫描速度为仍为光束对目标的匀速扫描速度。

26、本发明与现有技术相比的有益效果是：

27、(1)本发明采用近红外激光主动照明，不受太阳光照影响，可满足夜间主动成像需求，实现对空间目标的全天时监视成像；能有效解决地影区成像问题，解决逆光成像监视漏洞问题。

28、(2)本发明将高精度、快速光学相控阵光束扫描技术及系统位置反馈校正技术应用于主动相干光学合成孔径系统；光学相控阵光束扫描技术具有小型化、集成化等优点，其扫描角度大、速度快，指向精度高、可控性好，能有效提高空间目标频谱的扫描精度和时效性。

29、(3)本发明采用的系统位置反馈校正器能对光学相控阵输出的光束指向进行实时校正，保证相干光束对空间目标的匀速扫描。

30、(4)本发明前端光学采用偏振片、窄带滤光片，能有效滤除工作谱段外的背景杂光，提高低分辨图像信噪比。

31、(5)本发明采用小孔径光学成像模块采集目标不同频谱的低分辨图像序列，通过傅里叶叠层频谱拼接算法重构出接近等效合成孔径倍率的超分辨图像，不仅可以大幅缩减口径需求，而且能有效提高目标探测概率和识别精度。

32、(6)本发明所采用的近红外激光光源需要覆盖整个成像视场，为保证相干光在光学系统入瞳处的能量密度，若采用0.5m口径光学成像模块通过 5倍超分实现520m幅宽0.1m分辨率，则激光器功率约需达到百瓦量级，因此本发明的应用依赖于未来小型化高功率天基激光器的发展。