CN101344592B - 聚束合成孔径激光成像雷达 - Google Patents

Abstract

一种聚束合成孔径激光成像雷达，其特点是包括一台由光学发射系统和光学接收系统构成的合成孔径激光成像雷达，所述的光学接收系统具有消除回波波面像差的机构，光学发射系统具有照明光斑控制的相位二次项偏置机构，该合成孔径激光成像雷达与被测物体平面的相对位置不变，被测物体平面与合成孔径激光成像雷达的主轴有一定夹角，所述的光学发射系统发射具有一定发散度的发射信号光束，而光学接收系统具有一定的外差接收视场，所述的发射信号光束与外差接收视场同轴同心，光束发散度和外差接收视场角相等，所述的合成孔径激光成像雷达运动中光学主轴严格对准目标同一点。本发明提供了一种新的工作方式，开阔了合成孔径激光成像雷达的应用范围。

Description

聚束合成孔径激光成像雷达

技术领域

本发明涉及合成孔径激光成像雷达，特别是一种聚束合成孔径激光成像雷达，激光雷达作直线运动其波束指向以较长时间恒定照射在所关注的成像区域。本专利在解决接收波面像差补偿的基础上充分利用光学特性，提出了聚束合成孔径激光成像雷达的技术方案，特点是方位方向的相位历程是激光雷达运动平台在运动过程中的斜距变化所造成的，而不是由照明波前和接收等效波前所产生的。聚束合成孔径激光成像雷达提供了一种新的工作方式，开阔了合成孔径激光成像雷达的应用范围。

背景技术

微波合成孔径雷达通常有两种工作模式：一种是条带扫描模式，另一种是聚束模式，聚束模式的优点是具有较高的成像分辨率。合成孔径激光成像雷达的原理来自于微波合成孔径雷达，国外实验室已经给出了条带模式的验证(参见M.Bashkansky，R.L.Lucke，F.Funk，L.J.Rickard，and J.Reintjes，“Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain，”Optics Letters，Vol.27，pp1983-1985(2002).和S.M.Beck，J.R.Buck，W.F.Buell，R.P.Dickinson，D.A.Kozlowski，N.J.Marechal，and T.J.Wright，“Synthetic-aperture imaging ladar：laboratory demonstration and signal processing”Applied Optics，Vol.44，No.35，pp.7621-7629(2005))，也实现了机载的条带模式的合成孔径激光成像雷达试验(参见J.Ricklin，M.Dierking，S.Fuhrer，B.Schumm，and D.Tomlison，“Synthetic aperture ladar for tactical imaging，”DARPA Strategic Technology Office)。

发明内容

本发明的目的在于提供一种聚束合成孔径激光成像雷达，该成像雷达仍然保留较高成像分辨率外，更具有如下的明显特点：在观察角方向(即方位方向)的相位历程是激光雷达运动平台在运动过程中的斜距变化所造成的，这与条带式合成孔径激光成像雷达和扫描式合成孔径激光成像雷达的方位向相位历程的产生原因完全不同，它们是由照明波前和接收等效波前所产生的，这一特点具有重要应用价值。本发明聚束合成孔径激光成像雷达提供了一种新的工作方式，开阔了合成孔径激光成像雷达的应用范围。

本发明的技术解决方案如下：

一种聚束合成孔径激光成像雷达，其特点是包括一台合成孔径激光成像雷达，该合成孔径激光成像雷达由光学发射系统和光学接收系统构成，所述的光学接收系统具有消除回波波面像差的机构，光学发射系统具有照明光斑控制的相位二次项偏置机构，该合成孔径激光成像雷达与被测物体平面的相对位置不变，被测物体平面与合成孔径激光成像雷达的主轴有一定夹角，所述的光学发射系统发射具有一定发散度的发射信号光束，在被测物体平面形成一定直径的发射光斑；而光学接收系统具有一定的外差接收视场，在被测物体平面形成一定直径的可接收面积，以发射光斑和可接收面积之小者为光学足迹，所述的发射信号光束与外差接收视场同轴同心，光束发散度和外差接收视场角相等，所述的合成孔径激光成像雷达运动中光学主轴严格对准目标同一点。

所述的光学发射系统是空间相位偏置发射望远镜，所述的光学接收系统是离焦接收望远镜。

所述的空间相位偏置发射望远镜的构成包括从发射激光光束依次的望远镜入瞳、目镜、目镜后焦面、相位调制平板、物镜和望远镜出瞳，所述的望远镜目镜的焦距为f₁和物镜的焦距为f₂，所述的望远镜入瞳的平面位于所述的目镜的前焦面，所述的望远镜出瞳位于物镜的后焦面，目镜的后焦面和物镜的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量：

$\mathrm{\Δl}=-\frac{f_2^2}{Z+R},$

所述的物镜的前焦面上放置所述的相位调制平板，该相位调制平板的相位调制函数产生的空间相位二次项偏置的等效焦距为：

$F=\frac{f_2^2}{2Z},$

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。

所述的空间相位偏置发射望远镜的构成包括从发射激光光束依次的望远镜入瞳、目镜、目镜后焦面、相位调制平板、物镜和望远镜出瞳，所述的望远镜目镜的焦距为f₁和物镜的焦距为f₂，所述的望远镜入瞳的平面位于所述的目镜的前焦面，所述的望远镜出瞳位于物镜的后焦面，目镜的后焦面和物镜的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量Δl＝0，所述的物镜的前焦面上放置所述的相位调制平板，该相位调制平板的相位调制函数产生的空间相位二次项偏置的等效焦距为：

$F=\frac{f_2^2}{Z^2}R,$

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。

所述的空间相位偏置发射望远镜的构成包括从发射激光光束依次的望远镜入瞳、目镜、目镜后焦面、物镜和望远镜出瞳，所述的望远镜目镜的焦距为f₁和物镜的焦距为f₂，所述的望远镜入瞳的平面位于所述的目镜的前焦面，所述的望远镜出瞳位于物镜的后焦面，目镜的后焦面和物镜的前焦面之间的距离为0，在所述的望远镜出瞳连接一个4-f转像光学系统，该4-f转像光学系统的中间焦面上进行离焦和空间相位二次项偏置，中间焦面的离焦量为：

$\mathrm{\Δ}{l}_3=-\frac{f_3^2}{Z+R},$

空间相位二次项偏置的等效焦距应当为：

$R_3=\frac{f_3^2}{2Z},$

式中：f₃为所述的4-f转像光学系统的焦距，Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。

所述的离焦接收望远镜的构成包括沿入射光束依次的望远镜入瞳平面(122)、物镜、物镜后焦面、目镜前焦面、目镜和望远镜出瞳平面，所述的物镜的焦距为f₄，目镜的焦距为f₅，则望远镜的放大倍数为

所述的望远镜入瞳平面相对于所述的物镜的前焦面的距离为ΔL₁，所述的望远镜出瞳平面相对于所述的目镜的后焦面的距离为ΔL₂，所述的望远镜入瞳平面与望远镜出瞳平面相互成像，满足：

$\frac{\mathrm{\Δ}{L}_1}{\mathrm{\Δ}{L}_2}=-M^2,$

所述的物镜后焦面与目镜前焦面之间的距离为

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离。

所述的离焦接收望远镜的构成包括沿入射光束依次的望远镜入瞳平面、物镜、物镜后焦面、目镜前焦面、目镜、望远镜出瞳平面和补偿相位平板，所述的物镜的焦距为f₄，目镜的焦距为f₅，则望远镜的放大倍数为

所述的望远镜入瞳平面相对于所述的物镜的前焦面的距离为ΔL₁，所述的望远镜出瞳平面相对于所述的目镜的后焦面的距离为ΔL₂，所述的物镜后焦面与目镜前焦面之间的距离为Δl＝0，所述的望远镜入瞳平面与望远镜出瞳平面相互成像，满足：

$\frac{\mathrm{\Δ}{L}_1}{\mathrm{\Δ}{L}_2}=-M^2,$

在望远镜出瞳平面设置所述的补偿相位平板，该补偿相位平板的相位调制函数为：

式中：x，y为目镜输出孔径光阑平面上的横向坐标，λ为激光波长，Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离。

所述的离焦接收望远镜的构成包括沿入射光束依次的补偿相位平板、望远镜入瞳平面、物镜、物镜后焦面、目镜前焦面、目镜和望远镜出瞳平面，所述的物镜的焦距为f₄，目镜的焦距为f₅，则望远镜的放大倍数为

所述的望远镜入瞳平面相对于所述的物镜的前焦面的距离为ΔL₁，所述的望远镜出瞳平面相对于所述的目镜的后焦面的距离为ΔL₂，所述的物镜后焦面与目镜前焦面之间的距离为Δl＝0，所述的望远镜入瞳平面与望远镜出瞳平面相互成像，满足：

$\frac{\mathrm{\Δ}{L}_1}{\mathrm{\Δ}{L}_2}=-M^2,$

在所述的望远镜入瞳平面设置所述的补偿相位平板，该补偿相位平板的相位调制函数为：

所述的物镜后焦面与目镜前焦面之间的距离为

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离。

所述的离焦接收望远镜的构成包括沿入射光束依次的补偿相位平板、望远镜入瞳平面、物镜、物镜后焦面、目镜前焦面、目镜和望远镜出瞳平面，所述的物镜的焦距为f₄，目镜的焦距为f₅，则望远镜的放大倍数为

所述的望远镜入瞳平面相对于所述的物镜的前焦面的距离为ΔL₁，所述的望远镜出瞳平面相对于所述的目镜的后焦面的距离为ΔL₂，所述的望远镜入瞳平面与望远镜出瞳平面相互成像，满足：

$\frac{\mathrm{\Δ}{L}_1}{\mathrm{\Δ}{L}_2}=-M^2,$

在所述的望远镜出瞳平面的光路上连接一个4-f转像光学系统，该4-f转像光学系统的中间焦面离焦，该4-f转像光学系统的焦距为f₆，则中间焦面的离焦量为

$\mathrm{\Δ}{l}_3=\frac{f_6^2{f}_4^2}{Z{f}_5^2}.$

所述的离焦接收望远镜的构成包括沿入射光束依次的望远镜入瞳平面、物镜、物镜后焦面、目镜前焦面、目镜、望远镜出瞳平面和补偿相位平板，所述的物镜的焦距为f₄，目镜的焦距为f₅，则望远镜的放大倍数为所述的望远镜入瞳平面相对于所述的物镜的前焦面的距离为ΔL₁，所述的望远镜出瞳平面相对于所述的目镜的后焦面的距离为ΔL₂，望远镜入瞳平面与望远镜出瞳平面相互成像，满足：

$\frac{\mathrm{\Δ}{L}_1}{\mathrm{\Δ}{L}_2}=-M^2,$

本机激光振荡器的光束进行空间相位二次项偏置，在望远镜出瞳或光电探测器上的相位函数为：

所述的合成孔径激光成像雷达采用双向环路发射接收望远镜，包括合成孔径激光成像雷达的激光光源，沿该激光光源发射的激光光束依次是第一半波片和第一偏振分光棱镜，所述的激光光束被第一偏振分光棱镜分为反射和透射光束，该第一偏振分光棱镜反射光束作为本机振荡激光光束，该本机振荡激光光束经过第一四分之一波片并由第一反射镜返回后到达并通过该第一偏振分光棱镜输出进入第三偏振分光棱镜，该第一偏振分光棱镜透射光束作为发射激光光束，该发射激光光束依次经第一发射转像透镜、发射离焦量、发射空间相位调制板、第二发射转像透镜、第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片、望远镜目镜、望远镜物镜和望远镜出入瞳射向目标，该目标的回波激光光束经原路返回，经望远镜出入瞳、望远镜物镜、望远镜目镜、第二四分之一波片至所述的第二偏振分光棱镜，反射后再经过接收空间相位调制板、第二反射镜、第一接收转像透镜、接收离焦量、第二接收转像透镜到达第三偏振分光棱镜，所述的回波激光光束和所述的本机振荡激光光束通过第三偏振分光棱镜合束，再经过第二半波片并通过第四偏振分光棱镜偏振分光，都是水平方向偏振的合成光束由第一光电探测器进行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束由第二光电探测器进行外差接收；

所有偏振分光棱镜设定为水平偏振方向光束通过而垂直偏振方向光束反射；

所述的第一四分之一波片的角度设置使得从第一偏振分光棱镜反射出的本机振荡激光光束从第一反射镜返回到第一偏振分光棱镜上的偏振旋转了90°而能够直接通过该第一偏振分光棱镜；

所述的第二四分之一波片的角度设置使得透过第二偏振分光棱镜的发射激光光束经过望远镜发射，目标反射的回波并由望远镜接收的光束返回到第二偏振分光棱镜上的偏振旋转了90°而能够被第二偏振分光棱镜反射；

所述的望远镜物镜和望远镜目镜组成用于激光发射和接收的天线望远镜，该望远镜物镜的焦距为f₇和望远镜目镜的焦距为f₈，望远镜目镜的后焦面和望远镜物镜的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量：

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径；

望远镜的出入瞳位于望远镜物镜的外焦面上，所述的望远镜的目镜的外焦面为望远镜的入出瞳面，所述的望远镜的出入瞳面与望远镜的入出瞳面相互成像；

所述的第一发射转像透镜和第二发射转像透镜组成一个发射4-f转像望远镜，第二发射转像透镜的出瞳平面与天线望远镜的入出瞳面重合，所述的发射空间位相调制板放置在第二发射转像透镜的前焦面上，第一发射转像透镜和第二发射转像透镜的焦距为f₉，所述的发射4-f转像望远镜的中间焦面的离焦量为：

$\mathrm{\Δ}{l}_3=-\frac{f_7^2{f}_9^2}{(Z+R)f_8^2},$

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，而且该发射空间位相调制板的空间相位二次项等效焦距为：

式中F为空间位相二次项偏置的等效焦距，

所述的第一接收转像透镜和第二接收转像透镜组成一个接收4-f转像望远镜，第一接收转像透镜的入瞳面与天线望远镜的入出瞳面重合，所述的接收空间位相调制板放置在该接收4-f转像望远镜的入瞳面上，第一接收转像透镜和第二接收转像透镜的焦距为f₁₀，所述的接收空间相位调制板的相位函数为：

式中：x、y为接收空间相位调制板的位置坐标，λ为激光波长；或者所述的接收4-f转像望远镜中间焦面离焦，离焦量为：

$F=\frac{f_7^2{f}_{10}^2}{Z{f}_8^2}.$

所述的合成孔径激光成像雷达采用双向环路发射接收望远镜，包括合成孔径激光成像雷达的激光光源，沿该激光光源发射的激光光束依次是第一半波片和第一偏振分光棱镜，所述的激光光束被第一偏振分光棱镜分为反射和透射光束，该第一偏振分光棱镜反射光束作为本机振荡激光光束，该本机振荡激光光束经过第一四分之一波片并由第一反射镜返回后到达并通过该第一偏振分光棱镜输出进入第三偏振分光棱镜，该第一偏振分光棱镜透射光束作为发射激光光束，该发射激光光束依次经第一发射转像透镜、发射离焦量、发射空间相位调制板、第二发射转像透镜、第二偏振分光棱镜、第二四分之一波片、望远镜目镜、望远镜物镜和望远镜出入瞳射向目标，该目标的回波激光光束经原路返回，经望远镜出入瞳、望远镜物镜、望远镜目镜、第二四分之一波片至所述的第二偏振分光棱镜，反射后再经过接收空间相位调制板、第二反射镜、第一接收转像透镜、接收离焦量、第二接收转像透镜到达第三偏振分光棱镜，所述的回波激光光束和所述的本机振荡激光光束通过第三偏振分光棱镜合束，再经过第二半波片并通过第四偏振分光棱镜偏振分光，都是水平方向偏振的合成光束由第一光电探测器进行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束由第二光电探测器进行外差接收；

所有偏振分光棱镜设定为水平偏振方向光束通过而垂直偏振方向光束反射；

所述的第一四分之一波片的角度设置使得从第一偏振分光棱镜反射出的本机振荡激光光束从第一反射镜返回到第一偏振分光棱镜上的偏振旋转了90°而能够直接通过该第一偏振分光棱镜；

所述的第二四分之一波片的角度设置使得透过第二偏振分光棱镜的发射激光光束经过望远镜发射，目标反射的回波并由望远镜接收的光束返回到第二偏振分光棱镜上的偏振旋转了90°而能够被第二偏振分光棱镜反射；

所述的望远镜物镜和望远镜目镜组成用于激光发射和接收的天线望远镜，该望远镜物镜的焦距为f₇和望远镜目镜的焦距为f₈，望远镜目镜的后焦面和望远镜物镜的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量Δl＝0；所述的望远镜的出入瞳位于望远镜物镜的外焦面上，所述的望远镜的目镜的外焦面为望远镜的入出瞳面，所述的望远镜的出入瞳面与望远镜的入出瞳面相互成像；

所述的第一发射转像透镜和第二发射转像透镜组成一个发射4-f转像望远镜，第二发射转像透镜的出瞳平面与天线望远镜的入出瞳面重合，所述的发射空间位相调制板)放置在第二发射转像透镜的前焦面上，第一发射转像透镜和第二发射转像透镜的焦距为f₉，所述的发射4-f转像望远镜的中间焦面的离焦量为：

$\mathrm{\Δ}{l}_3=-\frac{f_7^2{f}_9^2}{(Z+R)f_8^2},$

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，而且该发射空间位相调制板(138)的相位调制函数产生的空间相位二次项偏置的等效焦距为：

$F=\frac{f_8^2}{Z^2}R,$

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径；

所述的第一接收转像透镜和第二接收转像透镜组成一个接收4-f转像望远镜，第一接收转像透镜的入瞳面与天线望远镜的入出瞳面重合，所述的接收空间位相调制板放置在该接收4-f转像望远镜的入瞳面上，第一接收转像透镜和第二接收转像透镜的焦距为f₁₀，所述的接收空间相位调制板的相位函数为：

式中：x、y为接收空间相位调制板的位置坐标，λ为激光波长；或者所述的接收4-f转像望远镜中间焦面离焦，离焦量为：

$\mathrm{\Δ}{l}_4=\frac{f_7^2{f}_{10}^2}{Z{f}_8^2}.$

所述的第一半波片和第二半波片可改用四分之一波片。

附图说明

图1是本发明聚束合成孔径激光成像雷达的原理图。

图2是本发明聚束合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜的结构示意图

图3是本发明聚束合成孔径激光成像雷达的离焦望远镜光学接收天线的结构示意图

图4是本发明聚束合成孔径激光成像雷达的双向环路发射接收望远镜的结构示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，本发明聚束合成孔径激光成像雷达的工作原理如图1所示，聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于包括一台合成孔径激光成像雷达1，该合成孔径激光成像雷达1由光学发射系统和光学接收系统构成，所述的光学接收系统具有消除回波波面像差的机构，光学发射系统具有照明光斑控制的相位二次项偏置机构，所述的合成孔径激光成像雷达1与被测物体平面3的相对位置不变，被测物体平面3与合成孔径激光成像雷达1的主轴有一定夹角，所述的光学发射系统发射具有一定发散度的发射信号光束，在被测物体平面3形成一定直径的发射光斑；而光学接收系统具有一定的外差接收视场，在被测物体平面3形成一定直径的可接收面积，以发射光斑和可接收面积之小者为光学足迹2，所述的发射信号光束与外差接收视场同轴同心，光束发散度和外差接收视场角相等，所述的合成孔径激光成像雷达1运动中光学主轴严格对准目标同一点。

我们把激光照明光斑和外差接收视场共同作用于被测物体平面3的可成像面积定义为光学足迹2。合成孔径激光成像雷达1的光学发射系统发射一定发散度的信号光束，在被测物体平面3形成一定直径的发射光斑；而光学接收系统具有一定的外差接收视场，在被测物体平面3形成一定直径的可接收面积。发射光斑和可接收面积之小者为物面可成像面积，即光学足迹2。合成孔径激光成像雷达(以下简称为本雷达)1作直线运动，在运动中光学足迹2恒定作用在被测物体平面3内所关注的成像区域。定义包含本雷达光学主轴的平面为主平面，光学足迹2的中心到本雷达直线运动轨迹的垂线称为聚束中心线。聚束中心线与成像物体平面3的交点即光学足迹2的中心，并定义为成像物体平面3的坐标原点，而聚束中心线与雷达运动轨迹的交点为雷达时间原点。物面坐标原点与雷达时间原点之间距离是本雷达到目标的最短距离，并称为特征工作距离。被测物体平面3与主平面有一定夹角，其交线是本雷达运动轨迹在物面上的轨迹投影。

定义光学足迹2的中心到雷达的连线与聚束中心线的夹角为本雷达的观察角，最大观察角范围为Θ，最大步进数为M，则角步进量为

步进时间间隔为Δt，以雷达时间原点为相对时间参考点(t＝0和m＝0)，则观察角度的时间变换为θ_m＝mΔθ。设光学足迹2的直径为D。合成孔径激光成像雷达的接收光学系统满足消除回波波面像差条件，发射光学系统能够进行照明光斑可控制的相位二次项偏置。因此具有波面曲率半径为F_t的照明光斑的波面方程为

而具有等效焦距为F_r的接收等效波前的二次项相位的波面方程为

总的二次项相位历程等效焦距为：

被测物体平面3上的第n个目标散射点的坐标可以用(x_n，y_n，z_n)表示，其中x_n是目标散射点到主平面投影的垂距，y_n是投影点到聚束中心线的距离，z_n是投影点到轨迹投影交线的距离。目标散射点(x_n，y_n，z_n)在轨迹投影交线上的投影点到本雷达参考点方向与聚束中心线的夹角为目标视角

因此，在聚束中心线上本雷达到目标投影(z_n)的距离为

R_0，n＝z₀+z_n。         (1)

相应地在观察角θ_m上，本雷达到目标垂线投影(z′_n)的距离为

$R_n={z^{\′}}_0+{z^{\′}}_n=z_0+z_n+\frac{z_0{{\mathrm{\θ}}_m}^2}{2}-{\mathrm{\θ}}_m{y}_n.---\left(2\right)$

其中本雷达到坐标原点的距离为

而坐标原点到点目标垂线距离为z′_n＝z_n-y_nθ_m。点目标垂线距离为y′_n＝y_n-θ_mz_n。

因此在目标散射点上的发射波前为：

其中

F_t，n为发射波面的总的波面相位二次项焦距，F_tb，n为采用望远镜离焦和相位判断可控制二次项相位偏置，R_t，n为发射光束由衍射产生的本身具有的波前曲率，在夫琅和费衍射条件下R_t，n＝R_n。

而等效的接收波面为：

其中F_r，n为接收波面相位二次项等效焦距，有

因此发射和接收过程合成的目标波面方程为：

即有：

其中

为雷达坐标原点对目标点的视角。

激光发射光源为频率线性调制的啁啾信号：

$u_0\left(t\right)=\underset{p}{\mathrm{\Σ}}{E}_0\mathrm{rect}\left(\frac{t-\mathrm{pT}}{\mathrm{\ΔT}}\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}(f_0(t-\mathrm{pT})+\frac{\stackrel{\·}{f}}{2}{(t-\mathrm{pT})}^2)\right),---\left(6\right)$

其中：T为激光脉冲周期，ΔT为激光脉冲宽度。

点目标激光回波与本机激光振荡的外差信号为：

$i_{n,m}\left(t\right)=I_n\mathrm{rect}\left(\frac{t-\frac{T+{\mathrm{\τ}}_f}{2}}{T-{\mathrm{\τ}}_f}\right),---\left(7\right)$

其中τ_f是τ的快时间延迟，即目标信号时间延迟扣除整数倍激光脉冲周期后的余数延迟时间，I_n是与散射点反射率和系统参数有关的常数，

为剩余固定相位。

上述三角函数中的第一项为与距离信息的线性相位调制项，第二项为与观察角(方位)方向有关的二次相位调制项，其中心位于第三项及以后为固定相位项。从上述公式可见已经产生了孔径合成的基本条件，实现了聚束合成孔径激光成像雷达的原理。成像处理可以采用传统的算法，距离方向的聚焦像可以通过线性相位调制项的傅立叶变换压缩取得。角度方位方向的聚焦像可以通过二次相位项的匹配滤波压缩取得。

同时可见，聚束合成孔径激光成像雷达的观察角方向(即方位方向)的相位历程并不是照明波前和接收等效波前所产生的，而是运动平台距离聚束中心线的斜距变化所造成的，这是与条带合成孔径激光成像雷达和扫描式合成孔径激光成像雷达的关键性不同之处。进一步相比较可见，聚束合成孔径激光成像雷达要求雷达运动中本雷达的光学主轴严格对准目标同一点，光学主轴定向精度应当高于成像分辨率要求。

本发明聚束合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜的结构如图2所示，从发射激光光束111开始依次是望远镜入瞳112、目镜113、目镜后焦面114、相位调制平板115、物镜116和望远镜出瞳117。

设望远镜目镜113的焦距为f₁和物镜116的焦距为f₂，则望远镜的放大倍数为

目镜后焦面114和物镜前焦面之间的距离为Δl，表示望远镜的离焦量，当Δl＝0时望远镜无离焦即处于对焦状态。物镜前焦面上放置相位调制平板115，其相位调制函数为：

$\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λF}}\right),$

其中F为等效球面波曲率。

假设合成孔径激光成像雷达到目标的距离为Z，望远镜出瞳112或者望远镜物镜116的直径为D，目标最大尺度为L，使用的激光波长为λ，则满足：

${\left|Z\right|}^3>>\frac{\mathrm{\π}{(D+L)}^4}{4\mathrm{\λ}}$

时，本雷达位于目标的费涅尔衍射区域。

望远镜的发射激光光束111在入瞳面112上的波前为e₀(x，y)，则目标照明波前为费涅尔衍射：

$e_z(x,y)=A[e_0(-\frac{x}{M},-\frac{y}{M})\⊗\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right)].$

要求衍射照明光场偏置一个空间相位二次项

则相对于的望远镜出瞳波前则要求为：

$e_3(x,y)=B\left\{\right[e_0(-\frac{x}{M},-\frac{y}{M})\⊗\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right)]\×\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λR}}\right)\}.$

$\⊗\exp (-\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}})$

为了实现这一波前偏置，望远镜的离焦量应当为：

$\mathrm{\Δl}=-\frac{f_2^2}{Z+R}.$

而空间相位二次项偏置的等效焦距应当为：

$\mathrm{\Δl}=\frac{f_2^2}{2Z}.$

当目标处于夫琅和费衍射区域。达到空间相位二次项

偏置的要求离焦量为Δl＝0，而空间相位二次项偏置的等效焦距应当为：

$F=\frac{f_2^2}{Z^2}R.$

最终照明光场波前为：

$e_z(x,y)=\mathrm{CF}\underset{z}{F}\left\{e_0(-\frac{x}{M},-\frac{y}{M})\right\}\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λR}}\right),$

其中

代表在距离Z上的傅立叶变换。上述表达式中A，B和C为复常数。

望远镜在不离焦和不附加相位调制平板的状态下也可以在望远镜之外采用光学附件达到等效的离焦和相位偏置。其方法是联接一个4-f转像光学系统，在其中间焦面上进行离焦和相位偏置。

本发明的离焦望远镜光学接收天线的结构如图3所示，从入射光束121开始依次是望远镜入瞳122、物镜123、物镜后焦面124、目镜前焦面125、目镜126、望远镜出瞳127和补偿相位平板128。

设所述的物镜123的焦距为f₄，目镜126的焦距为f₅，则望远镜的放大倍数为

一般情况下，望远镜入瞳122位于物镜123的前焦面，望远镜出瞳127位于目镜6的后焦面。

物镜后焦面124和目镜前焦面125之间的距离为Δl，表示望远镜的离焦量，当Δl＝0时望远镜无离焦即处于对焦状态。设望远镜在入瞳面上的输入孔径函数为p₁(x，y)，入射到望远镜入瞳面上的目标光束的场强为e₂(x，y)，则在望远镜出瞳面上的场强波前表达为：

$e_7(x,y)=(-M)\exp [-\frac{\mathrm{j\π}(x^2+y^2)}{\mathrm{\λ}{f}_2/\mathrm{\Δl}}].$

$\×p(-\mathrm{Mx},-\mathrm{My})e_2(-\mathrm{Mx},-\mathrm{My})$

假设合成孔径激光成像雷达到目标的距离为Z，望远镜入瞳122或者望远镜物镜123的直径为D，目标最大尺度为L，使用的激光波长为λ，则满足：

${\left|Z\right|}^3>>\frac{\mathrm{\π}{(D+L)}^4}{4\mathrm{\λ}}$

时，雷达位于目标的费涅尔衍射区域。这时目标的点衍射在望远镜入瞳122上产生的场强的波前表达为：

$e_2(x,y)=\mathrm{Eexp}\left[j\frac{k}{2}\frac{{(x-s_x)}^2+{(y-s_y)}^2}{Z}\right].$

其中，(s_x，s_y)为目标点的横向位置。

利用望远镜离焦的波面变换消除回波信号的衍射波面像差的具体方法有如下三种：

(1)真实的望远镜离焦方法：

望远镜出瞳面上即接收面上的相应场强的波前表达为：

$e_7(x,y)=B{p}_1(-\mathrm{Mx},-\mathrm{My})\exp \left[\mathrm{j\π}{M}^2\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right]\exp [-j2\mathrm{\πM}\frac{{\mathrm{xs}}_x+{\mathrm{ys}}_y}{\mathrm{\λZ}}]\×$

$\×\exp \left[\mathrm{j\π}\frac{{s_x}^2+{s_y}^2}{\mathrm{\λZ}}\right]\exp [-\mathrm{j\π}\frac{(x^2+y^2)}{{\mathrm{\λf}}_2^2/\mathrm{\Δl}}].$

左边第一项表示入瞳函数的缩小成像，第二项表示目标点衍射产生的波前二次项像差，第三项表示目标点位置横向离轴产生的空间线性相位移，第四项表示目标点位置横向离轴产生的相位二次项延迟，第五项表示望远镜离焦产生的相位二次项波前偏置。

控制离焦量使得：

$\mathrm{\Δl}=\frac{f_4^2}{Z},$

可以消除入射波前的二次项像差，得到：

$e_2(x,y)=B{p}_1(-\mathrm{Mx},-\mathrm{My})\exp [-\mathrm{j\π}M\frac{x{s}_x+y{s}_y}{\mathrm{\λZ}}]\exp \left[j\mathrm{\π}\frac{{s_x}^2+{s_y}^2}{\mathrm{\λZ}}\right].$

可见只存在了必要的目标点位置横向离轴产生的相位二次项延迟以及线性相位移，后者应当小于等于光学外差接收机的接收视角。

上述表达式中E和B为复常数。

(2)补偿相位平板进行等效离焦操作：

望远镜不离焦时出瞳面上的相应场强的波前表达为：

$e_7(x,y)=B{p}_1(-\mathrm{Mx},-\mathrm{My})\exp \left[\mathrm{j\π}{M}^2\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right]\exp [-j2\mathrm{\πM}\frac{{\mathrm{xs}}_x+{\mathrm{ys}}_y}{\mathrm{\λZ}}]\×$

$\×\exp \left[\mathrm{j\π}\frac{{s_x}^2+{s_y}^2}{\mathrm{\λZ}}\right].$

因此当望远镜出瞳位置上的补偿相位平板128的相位调制函数为

可以消除入射波前的二次项像差。

也可以把补偿相位平板放在望远镜入瞳2的位置上，这时补偿相位平板的相位调制函数为

可以消除入射波前的二次项像差。

(3)望远镜真实离焦和补偿相位平板相结合方法：

例如波前二次项像差即离焦像差采用真实离焦解决，而球面像差以及高阶像差采用补偿相位平板解决。

当目标处于夫琅和费衍射区域时，不产生目标点位置横向离轴产生的相位二次项延迟。

望远镜在不离焦的状态下也可以在望远镜之外采用光学系统或附件达到等效的离焦。有两种方法：联接一个4-f转像光学系统，其中间焦面离焦；对本机激光振荡器的光束进行空间相位二次项偏置。

本发明的双向环路发射接收望远镜的结构如图4所示，由图可见，本发明的双向环路发射接收望远镜包括，包括合成孔径激光成像雷达的激光光源131，沿该激光光源131发射的激光光束依次是第一半波片132和第一偏振分光棱镜133，所述的激光光束被第一偏振分光棱镜133分为反射和透射光束，该第一偏振分光棱镜133反射光束作为本机振荡激光光束，该本机振荡激光光束经过第一四分之一波片134并由第一反射镜135返回后到达并通过该第一偏振分光棱镜133输出进入第三偏振分光棱镜1320，该第一偏振分光棱镜133透射光束作为发射激光光束，该发射激光光束依次经第一发射转像透镜136、发射离焦量137、发射空间相位调制板138、第二发射转像透镜139、第二偏振分光棱镜1310、第二四分之一波片1311、望远镜目镜1312、望远镜物镜1313和望远镜出入瞳1314射向目标，该目标的回波激光光束经原路返回，经望远镜出入瞳1314、望远镜物镜1313、望远镜目镜1312、第二四分之一波片1311至所述的第二偏振分光棱镜1310，反射后再经过接收空间相位调制板1315、第二反射镜1316、第一接收转像透镜1317、接收离焦量1318、第二接收转像透镜1319到达第三偏振分光棱镜1320，所述的回波激光光束和所述的本机振荡激光光束通过第三偏振分光棱镜1320合束，再经过第二半波片1321并通过第四偏振分光棱镜1322偏振分光，都是水平方向偏振的合成光束由第一光电探测器1323进行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束由第二光电探测器1324进行外差接收；

所有偏振分光棱镜设定为水平偏振方向光束通过而垂直偏振方向光束反射；

所述的第一四分之一波片134的角度设置使得从第一偏振分光棱镜133反射出的本机振荡激光光束从第一反射镜135返回到第一偏振分光棱镜133上的偏振旋转了90°而能够直接通过该第一偏振分光棱镜133；

所述的第二四分之一波片1311的角度设置使得透过第二偏振分光棱镜1310的发射激光光束经过望远镜发射，目标反射的回波并由望远镜接收的光束返回到第二偏振分光棱镜1310上的偏振旋转了90°而能够被第二偏振分光棱镜1310反射；

所述的望远镜物镜1313和望远镜目镜1312组成用于激光发射和接收的天线望远镜，该望远镜物镜1313的焦距为f₇和望远镜目镜1312的焦距为f₈，望远镜目镜1312的后焦面和望远镜物镜1313的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量：

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径；

望远镜的出入瞳1314位于望远镜物镜1313的外焦面上，所述的望远镜的目镜1312的外焦面为望远镜的入出瞳面，所述的望远镜的出入瞳面1314与望远镜的入出瞳面相互成像；

所述的第一发射转像透镜136和第二发射转像透镜139组成一个发射4-f转像望远镜，第二发射转像透镜139的出瞳平面与天线望远镜的入出瞳面重合，所述的发射空间位相调制板138放置在第二发射转像透镜139的前焦面上，第一发射转像透镜136和第二发射转像透镜139的焦距为f₉，所述的发射4-f转像望远镜的中间焦面的离焦量137为：

$\mathrm{\Δ}{l}_3=-\frac{f_7^2{f}_9^2}{(Z+R)f_8^2},$

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，而且该发射空间位相调制板138的空间相位二次项等效焦距为：

式中F为空间位相二次项偏置的等效焦距，

所述的第一接收转像透镜1317和第二接收转像透镜1319组成一个接收4-f转像望远镜，第一接收转像透镜1317的入瞳面与天线望远镜的入出瞳面重合，所述的接收空间位相调制板1315放置在该接收4-f转像望远镜的入瞳面上，第一接收转像透镜1317和第二接收转像透镜1319的焦距为f₁₀，所述的接收空间相位调制板1315的相位函数为：

式中：x、y为接收空间相位调制板1315的位置坐标，λ为激光波长；或者所述的接收4-f转像望远镜中间焦面离焦，离焦量1318为：

$\mathrm{\Δ}{l}_4=\frac{f_7^2{f}_{10}^2}{Z{f}_8^2}.$

在双向调制接收发射环路中，从第一偏振分光棱镜133到第二偏振分光棱镜1310是只存在发射激光光束的光路，引入发射离焦量137和发射空间位相调制板138能够在激光望远镜的照明区产生附加空间相位二次项，改变发射激光照明波前。

从第二偏振分光棱镜1310到第三偏振分光棱镜1320是只存在回波激光光束的光路，引入接收空间位相调制板1315或者接收离焦量1318能够对接收望远镜进行等效离焦而消除接收光束离焦像差的目的。

在激光发射光路中，假设距离为z的目标照明光场为e_z(x，y)，要求在照明区产生附加空间相位二次项为

则为了实现这一波前偏置，天线望远镜的离焦量为

而空间相位二次项偏置的等效焦距为

因此发射4-f转像望远镜的中间焦面的离焦量137应当为：

$\mathrm{\Δ}{l}_3=\frac{f_9^2}{f_8^2}\mathrm{\Δl},$

而发射空间位相调制板138的空间相位二次项等效焦距应当为：

$R_3=\frac{f_9^2}{f_8^2}F.$

在激光接收光路中，目标的点衍射在天线望远镜出(入)瞳1314上产生的场强波前一般可以表达为

为了消除入射波前的二次项像差应当控制天线望远镜的离焦量达到

因此，一种方法是在天线望远镜出瞳位置即接收转像望远镜的入瞳位置上放置接收空间相位调制板1315，其相位函数为：

另外一种方法是使接收4-f转像望远镜中间焦面离焦，离焦量1318应当为：

$\mathrm{\Δ}{l}_4=\frac{f_{10}^2}{f_8^2}\mathrm{\Δl}.$

下面给出一个具体的设计参数：

定义位面坐标中心到雷达方向与聚束中心线的夹角为激光雷达观察角，最大观察角范围为Θ，最大步进数为M，角步进量为

步进时间间隔为Δt，以雷达时间原点为相对时间参考点，设光学足迹2的直径为D。

假设合成孔径激光成像雷达的高度为20km，对地面观察的成像距离为150km，成像弥散园为20mm，工作波长1.55μm。设计激光雷达的光学接收和发射望远镜主镜的口径为40mm，光束发散度和光学外差接收视场均为100μrad，光斑直径10m(D)，脉冲双程渡越时间1ms，激光脉冲宽度500μ。距离方向成像弥散园带宽15GHz，啁啾速率

雷达运动速度100m/s，取样范围±5m，最大观察角66.7μrad(Θ)，采样数200(M)，步进为0.5ms，相当于相位历程二次项最大相对相位差107×2π。距离项快时间延迟的最大值控制在3μs以内，距离向最大差频频率为f_max＝90MHz。

因此径向距离方向的聚焦像可以通过90MHz左右的线性相位调制项的傅立叶变换压缩取得。角度方位方向的聚焦像可以通过即约107×2π最大相对相位差的二次相位项的匹配滤波压缩取得。

Claims (13)

1.一种聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于包括一台合成孔径激光成像雷达(1)，该合成孔径激光成像雷达(1)由光学发射系统(11)和光学接收系统(12)构成，所述的光学接收系统(12)具有消除回波波面像差的机构，光学发射系统(11)具有照明光斑控制的相位二次项偏置机构，所述的合成孔径激光成像雷达(1)与被测物体平面(3)的相对位置不变，被测物体平面(3)与合成孔径激光成像雷达(1)的主轴有一定夹角，所述的光学发射系统(11)发射具有一定发散度的发射信号光束，在被测物体平面(3)形成一定直径的发射光斑；而光学接收系统(12)具有一定的外差接收视场，在被测物体平面(3)形成一定直径的可接收面积，以发射光斑和可接收面积之小者为光学足迹(2)，所述的发射信号光束与外差接收视场同轴同心，光束发散度和外差接收视场角相等，所述的合成孔径激光成像雷达(1)运动中光学主轴严格对准目标同一点。

2.根据权利要求1所述的聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的光学发射系统(11)是空间相位偏置发射望远镜，所述的合成孔径激光成像雷达(1)的光学接收系统(12)是离焦接收望远镜。

3.根据权利要求2所述的聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的空间相位偏置发射望远镜的构成包括从发射激光光束(111)依次的望远镜入瞳(112)、目镜(113)、目镜后焦面(114)、相位调制平板(115)、物镜(116)和望远镜出瞳(117)，所述的望远镜目镜(113)的焦距为f₁，物镜(116)的焦距为f₂，所述的望远镜入瞳(112)的平面位于所述的目镜(113)的前焦面，所述的望远镜出瞳(117)位于物镜(116)的后焦面，目镜(113)的后焦面(114)和物镜(116)的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量：

$\mathrm{\Δl}=-\frac{f_2^2}{Z+R},$

所述的物镜(116)的前焦面上放置所述的相位调制平板(115)，该相位调制平板(115)的相位调制函数产生的空间相位二次项偏置的等效焦距为：

$F=\frac{f_2^2}{2Z},$

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。

4.根据权利要求2所述的聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的空间相位偏置发射望远镜的构成包括从发射激光光束(111)依次的望远镜入瞳(112)、目镜(113)、目镜后焦面(114)、相位调制平板(115)、物镜(116)和望远镜出瞳(117)，所述的望远镜目镜(113)的焦距为f₁，物镜(116)的焦距为f₂，所述的望远镜入瞳(112)的平面位于所述的目镜(113)的前焦面，所述的望远镜出瞳(117)位于物镜(116)的后焦面，目镜(113)的后焦面(114)和物镜(116)的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量：

Δl＝0，

所述的物镜(116)的前焦面上放置所述的相位调制平板(115)，该相位调制平板(115)的相位调制函数产生的空间相位二次项偏置的等效焦距为：

$F=\frac{f_2^2}{Z^2}R,$

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。

5.根据权利要求2所述的聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的空间相位偏置发射望远镜的构成包括从发射激光光束(111)依次的望远镜入瞳(112)、目镜(113)、目镜后焦面(114)、物镜(116)和望远镜出瞳(117)，所述的望远镜目镜(113)的焦距为f₁，物镜(116)的焦距为f₂，所述的望远镜入瞳(112)的平面位于所述的目镜(113)的前焦面，所述的望远镜出瞳(117)位于物镜(116)的后焦面，目镜(113)的后焦面(114)和物镜(116)的前焦面之间的距离为0，在所述的望远镜出瞳(117)连接一个4-f转像光学系统，该4-f转像光学系统的中间焦面上进行离焦和空间相位二次项偏置，中间焦面的离焦量为：

${\mathrm{\Δl}}_3=-\frac{f_3^2}{Z+R},$

空间相位二次项偏置的等效焦距应当为：

$R_3=\frac{f_3^2}{2Z},$

式中：f₃为所述的4-f转像光学系统的焦距，Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。

6.根据权利要求2所述的聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的离焦接收望远镜的构成包括沿入射光束(121)依次的望远镜入瞳平面(122)、物镜(123)、物镜后焦面(124)、目镜前焦面(125)、目镜(126)和望远镜出瞳平面(127)，所述的物镜(123)的焦距为f₄，目镜(126)的焦距为f₅，则望远镜的放大倍数为

所述的望远镜入瞳平面(122)相对于所述的物镜(123)的前焦面的距离为ΔL₁，所述的望远镜出瞳平面(127)相对于所述的目镜(126)的后焦面的距离为ΔL₂，所述的望远镜入瞳平面(122)与望远镜出瞳平面(127)相互成像，满足：

$\frac{{\mathrm{\ΔL}}_1}{\mathrm{\Δ}{L}_2}=-M^2,$

所述的物镜后焦面(124)与目镜前焦面(125)之间的距离为

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离。

7.根据权利要求2所述的聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的离焦接收望远镜的构成包括沿入射光束(121)依次的望远镜入瞳平面(122)、物镜(123)、物镜后焦面(124)、目镜前焦面(125)、目镜(126)、望远镜出瞳平面(127)和补偿相位平板(128)，所述的物镜(123)的焦距为f₄，目镜(126)的焦距为f₅，则望远镜的放大倍数为

所述的望远镜入瞳平面(122)相对于所述的物镜(123)的前焦面的距离为ΔL₁，所述的望远镜出瞳平面(127)相对于所述的目镜(126)的后焦面的距离为ΔL₂，所述的物镜后焦面与目镜前焦面之间的距离为Δl＝0，所述的望远镜入瞳平面(122)与望远镜出瞳平面(127)相互成像，满足：

$\frac{{\mathrm{\ΔL}}_1}{\mathrm{\Δ}{L}_2}=-M^2,$

在望远镜出瞳平面(127)设置所述的补偿相位平板(128)，该补偿相位平板(128)的相位调制函数为：

式中：x，y为目镜输出孔径光阑平面上的横向坐标，λ为激光波长，Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离。

8.根据权利要求2所述的聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的离焦接收望远镜的构成包括沿入射光束(121)依次的补偿相位平板(128)、望远镜入瞳平面(122)、物镜(123)、物镜后焦面(124)、目镜前焦面(125)、目镜(126)和望远镜出瞳平面(127)，所述的物镜(123)的焦距为f₄，目镜(126)的焦距为f₅，则望远镜的放大倍数为

所述的望远镜入瞳平面(122)相对于所述的物镜(123)的前焦面的距离为ΔL₁，所述的望远镜出瞳平面(127)相对于所述的目镜(126)的后焦面的距离为ΔL₂，所述的物镜后焦面与目镜前焦面之间的距离为Δl＝0，所述的望远镜入瞳平面(122)与望远镜出瞳平面(127)相互成像，满足：

$\frac{{\mathrm{\ΔL}}_1}{\mathrm{\Δ}{L}_2}=-M^2,$

在所述的望远镜入瞳平面(122)设置所述的补偿相位平板(128)，该补偿相位平板(128)的相位调制函数为：

式中：x，y为望远镜入瞳平面上的横向坐标，λ为激光波长，Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离。

9.根据权利要求2所述的聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的离焦接收望远镜的构成包括沿入射光束(121)依次的补偿相位平板(128)、望远镜入瞳平面(122)、物镜(123)、物镜后焦面(124)、目镜前焦面(125)、目镜(126)和望远镜出瞳平面(127)，所述的物镜(123)的焦距为f₄，目镜(126)的焦距为f₅，则望远镜的放大倍数为所述的望远镜入瞳平面(122)相对于所述的物镜(123)的前焦面的距离为ΔL₁，所述的望远镜出瞳平面(127)相对于所述的目镜(126)的后焦面的距离为ΔL₂，所述的望远镜入瞳平面(122)与望远镜出瞳平面(127)相互成像，满足：

$\frac{{\mathrm{\ΔL}}_1}{\mathrm{\Δ}{L}_2}=-M^2,$

在所述的望远镜出瞳平面(127)的光路上连接一个4-f转像光学系统，该4-f转像光学系统的中间焦面离焦，该4-f转像光学系统的焦距为f₆，则中间焦面的离焦量为

${\mathrm{\Δl}}_3=\frac{f_6^2{f}_4^2}{{\mathrm{Zf}}_5^2}.$

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离。

10.根据权利要求2所述的聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的离焦接收望远镜的构成包括沿入射光束(121)依次的望远镜入瞳平面(122)、物镜(123)、物镜后焦面(124)、目镜前焦面(125)、目镜(126)、望远镜出瞳平面(127)和补偿相位平板(128)，所述的物镜(123)的焦距为f₄，目镜(126)的焦距为f₅，则望远镜的放大倍数为

所述的望远镜入瞳平面(122)相对于所述的物镜(123)的前焦面的距离为ΔL₁，所述的望远镜出瞳平面(127)相对于所述的目镜(126)的后焦面的距离为ΔL₂，望远镜入瞳平面(122)与望远镜出瞳平面(127)相互成像，满足：

$\frac{{\mathrm{\ΔL}}_1}{\mathrm{\Δ}{L}_2}=-M^2,$

本机激光振荡器的光束进行空间相位二次项偏置，在望远镜出瞳或光电探测器上的相位函数为：

式中：x，y为望远镜出瞳平面上的横向坐标，λ为激光波长，Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离。

11.根据权利要求1所述的聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的合成孔径激光成像雷达采用双向环路发射接收望远镜，包括合成孔径激光成像雷达的激光光源(131)，沿该激光光源(131)发射的激光光束依次是第一半波片(132)和第一偏振分光棱镜(133)，所述的激光光束被第一偏振分光棱镜(133)分为反射和透射光束，该第一偏振分光棱镜(133)反射光束作为本机振荡激光光束，该本机振荡激光光束经过第一四分之一波片(134)并由第一反射镜(135)返回后到达并通过该第一偏振分光棱镜(133)输出进入第三偏振分光棱镜(1320)，该第一偏振分光棱镜(133)透射光束作为发射激光光束，该发射激光光束依次经第一发射转像透镜(136)、发射离焦量(137)、发射空间相位调制板(138)、第二发射转像透镜(139)、第二偏振分光棱镜(1310)、第二四分之一波片(1311)、望远镜目镜(1312)、望远镜物镜(1313)和望远镜出入瞳(1314)射向目标，该目标的回波激光光束经原路返回，经望远镜出入瞳(1314)、望远镜物镜(1313)、望远镜目镜(1312)、第二四分之一波片(1311)至所述的第二偏振分光棱镜(1310)，反射后再经过接收空间相位调制板(1315)、第二反射镜(1316)、第一接收转像透镜(1317)、接收离焦量(1318)、第二接收转像透镜(1319)到达第三偏振分光棱镜(1320)，所述的回波激光光束和所述的本机振荡激光光束通过第三偏振分光棱镜(1320)合束，再经过第二半波片(1321)并通过第四偏振分光棱镜(1322)偏振分光，都是水平方向偏振的合成光束由第一光电探测器(1323)进行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束由第二光电探测器(1324)进行外差接收；

所有偏振分光棱镜设定为水平偏振方向光束通过而垂直偏振方向光束反射；

所述的第一四分之一波片(134)的角度设置使得从第一偏振分光棱镜(133)反射出的本机振荡激光光束从第一反射镜(135)返回到第一偏振分光棱镜(133)上的偏振旋转了90°而能够直接通过该第一偏振分光棱镜(133)；

所述的第二四分之一波片(1311)的角度设置使得透过第二偏振分光棱镜(1310)的发射激光光束经过望远镜发射，目标反射的回波并由望远镜接收的光束返回到第二偏振分光棱镜(1310)上的偏振旋转了90°而能够被第二偏振分光棱镜(1310)反射；

所述的望远镜物镜(1313)和望远镜目镜(1312)组成用于激光发射和接收的天线望远镜，该望远镜物镜(1313)的焦距为f₇和望远镜目镜(1312)的焦距为f₈，望远镜目镜(1312)的后焦面和望远镜物镜(1313)的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量：

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径；

望远镜的出入瞳(1314)位于望远镜物镜(1313)的外焦面上，所述的望远镜的目镜(1312)的外焦面为望远镜的入出瞳面，所述的望远镜的出入瞳面(1314)与望远镜的入出瞳面相互成像；

所述的第一发射转像透镜(136)和第二发射转像透镜(139)组成一个发射4-f转像望远镜，第二发射转像透镜(139)的出瞳平面与天线望远镜的入出瞳面重合，所述的发射空间位相调制板(138)放置在第二发射转像透镜(139)的前焦面上，第一发射转像透镜(136)和第二发射转像透镜(139)的焦距为f₉，所述的发射4-f转像望远镜的中间焦面的离焦量(137)为：

${\mathrm{\Δl}}_3=-\frac{f_7^2{f}_9^2}{(Z+R)f_8^2},$

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，而且该发射空间位相调制板(138)的空间相位二次项等效焦距为：

式中F为空间位相二次项偏置的等效焦距，

所述的第一接收转像透镜(1317)和第二接收转像透镜(1319)组成一个接收4-f转像望远镜，第一接收转像透镜(1317)的入瞳面与天线望远镜的入出瞳面重合，所述的接收空间位相调制板(1315)放置在该接收4-f转像望远镜的入瞳面上，第一接收转像透镜(1317)和第二接收转像透镜(1319)的焦距为f₁₀；

所述的接收空间相位调制板(1315)的相位函数为：

式中：x、y为接收空间相位调制板(1315)的位置坐标，λ为激光波长；或者所述的接收4-f转像望远镜中间焦面离焦，其接收离焦量(1318)为：

${\mathrm{\Δl}}_4=\frac{f_7^2{f}_{10}^2}{{\mathrm{Zf}}_8^2}.$

12.根据权利要求1所述的聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的合成孔径激光成像雷达采用双向环路发射接收望远镜，包括合成孔径激光成像雷达的激光光源(131)，沿该激光光源(131)发射的激光光束依次是第一半波片(132)和第一偏振分光棱镜(133)，所述的激光光束被第一偏振分光棱镜(133)分为反射和透射光束，该第一偏振分光棱镜(133)反射光束作为本机振荡激光光束，该本机振荡激光光束经过第一四分之一波片(134)并由第一反射镜(135)返回后到达并通过该第一偏振分光棱镜(133)输出进入第三偏振分光棱镜(1320)，该第一偏振分光棱镜(133)透射光束作为发射激光光束，该发射激光光束依次经第一发射转像透镜(136)、发射离焦量(137)、发射空间相位调制板(138)、第二发射转像透镜(139)、第二偏振分光棱镜(1310)、第二四分之一波片(1311)、望远镜目镜(1312)、望远镜物镜(1313)和望远镜出入瞳(1314)射向目标，该目标的回波激光光束经原路返回，经望远镜出入瞳(1314)、望远镜物镜(1313)、望远镜目镜(1312)、第二四分之一波片(1311)至所述的第二偏振分光棱镜(1310)，反射后再经过接收空间相位调制板(1315)、第二反射镜(1316)、第一接收转像透镜(1317)、接收离焦量(1318)、第二接收转像透镜(1319)到达第三偏振分光棱镜(1320)，所述的回波激光光束和所述的本机振荡激光光束通过第三偏振分光棱镜(1320)合束，再经过第二半波片(1321)并通过第四偏振分光棱镜(1322)偏振分光，都是水平方向偏振的合成光束由第一光电探测器(1323)进行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束由第二光电探测器(1324)进行外差接收；

所有偏振分光棱镜设定为水平偏振方向光束通过而垂直偏振方向光束反射；

所述的第一四分之一波片(134)的角度设置使得从第一偏振分光棱镜(133)反射出的本机振荡激光光束从第一反射镜(135)返回到第一偏振分光棱镜(133)上的偏振旋转了90°而能够直接通过该第一偏振分光棱镜(133)；

所述的第二四分之一波片(1311)的角度设置使得透过第二偏振分光棱镜(1310)的发射激光光束经过望远镜发射，目标反射的回波并由望远镜接收的光束返回到第二偏振分光棱镜(1310)上的偏振旋转了90°而能够被第二偏振分光棱镜(1310)反射；

所述的望远镜物镜(1313)和望远镜目镜(1312)组成用于激光发射和接收的天线望远镜，该望远镜物镜(1313)的焦距为f₇和望远镜目镜(1312)的焦距为f₈，望远镜目镜(1312)的后焦面和望远镜物镜(1313)的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量Δl＝0；所述的望远镜的出入瞳(1314)位于望远镜物镜(1313)的外焦面上，所述的望远镜的目镜(1312)的外焦面为望远镜的入出瞳面，所述的望远镜的出入瞳面(1314)与望远镜的入出瞳面相互成像；

所述的第一发射转像透镜(136)和第二发射转像透镜(139)组成一个发射4-f转像望远镜，第二发射转像透镜(139)的出瞳平面与天线望远镜的入出瞳面重合，所述的发射空间位相调制板(138)放置在第二发射转像透镜(139)的前焦面上，第一发射转像透镜(136)和第二发射转像透镜(139)的焦距为f₉，所述的发射4-f转像望远镜的中间焦面的离焦量(137)为：

${\mathrm{\Δl}}_3=-\frac{f_7^2{f}_9^2}{(Z+R)f_8^2},$

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，而且该发射空间位相调制板(138)的相位调制函数产生的空间相位二次项偏置的等效焦距为：

$F=\frac{f_8^2}{Z^2}R,$

式中：Z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径；

所述的第一接收转像透镜(1317)和第二接收转像透镜(1319)组成一个接收4-f转像望远镜，第一接收转像透镜(1317)的入瞳面与天线望远镜的入出瞳面重合，所述的接收空间位相调制板(1315)放置在该接收4-f转像望远镜的入瞳面上，第一接收转像透镜(1317)和第二接收转像透镜(1319)的焦距为f₁₀；

所述的接收空间相位调制板(1315)的相位函数为：

式中：x、y为接收空间相位调制板(1315)的位置坐标，λ为激光波长；或者所述的接收4-f转像望远镜中间焦面离焦，其接收离焦量(1318)为：

${\mathrm{\Δl}}_4=\frac{f_7^2{f}_{10}^2}{{\mathrm{Zf}}_8^2}.$

13.根据权利要求11或12所述的聚束合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的第一半波片(132)和第二半波片(1321)改用四分之一波片。

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