CN101344594A - 扫描合成孔径激光成像雷达 - Google Patents

Abstract

一种扫描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，所述的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采用整体装置扫描或者附加光学偏转器扫描的方式扫描所述的光学足迹，并在被测物体平面实现直线扫描。本发明可以用于高轨静止卫星的对地高分辨率成像。

Description

扫描合成孔径激光成像雷达

技术领域

本发明涉及成孔径激光成像雷达，是一种扫描合成孔径激光成像雷达，工作时激光雷达和被观察面之间相对静止而采取雷达扫描方式进行孔径合成成像，方案上充分利用了光学的特点即能容易实现扫描和能灵活产生可控的相位历程，关键是解决了雷达扫描产生的本征相位二次项偏置问题，计算上成像坐标体系为径向距离方向和扫描角度方向，这种新型工作方式的的扫描合成孔径激光成像雷达开阔了合成孔径激光成像雷达的应用范围，例如可以用于高轨静止卫星的对地高分辨率成像。

背景技术

微波合成孔径雷达通常有两种工作方式：一种是雷达运动而被观察面静止；另外一种是雷达静止而观察目标运动，前者还分为条幅扫描模式和聚束模式，后者也称为逆合成孔径雷达。合成孔径激光成像雷达的原理取之微波合成孔径雷达，国外实验室已经验证了条幅扫描模式和逆条幅扫描模式【请参见M.Bashkansky，R.L.Lucke，F.Funk，L.J.Rickard，and J.Reintjes，“Two-dimensional synthetic apertureimaging 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 signalprocessing”Applied Optics，Vol.44，No.35，pp.7621-7629(2005)】，也实现了机载的条幅扫描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，”DARPAStrategic Technology Office.】。但是，上述合成孔径激光成像雷达都要求激光雷达和观察物体之间必须具有相对运动。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于雷达和被观察面之间相对静止的扫描合成孔径激光成像雷达，这一扫描合成孔径激光成像雷达提供了一种新的工作模式，开阔了合成孔径激光成像雷达的应用范围，例如可以用于高轨静止卫星的对地高分辨率成像，飞艇对地高分辨率成像，等等。

本发明的技术解决方案如下：

一种扫描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，所述的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，所述的合成孔径激光成像雷达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采用整体装置扫描或者附加光学偏转器扫描的方式扫描所述的光学足迹，并在被测物体平面实现直线扫描。

所述的发射光学系统是空间相位偏置发射望远镜。

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：

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

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。

所述的合成孔径激光成像雷达的接收光学系统是离焦接收望远镜，

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 $M=\frac{f_4}{f_5};$ 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：

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

所述的物镜后焦面与目镜前焦面之间的距离为 $\mathrm{\Δl}=\frac{f_4^2}{z},$ 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 $M=\frac{f_4}{f_5};$ 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：

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

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 $M=\frac{f_4}{f_5};$ 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：

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

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 $\mathrm{\Δl}=\frac{f_4^2}{z},$ 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 $M=\frac{f_4}{f_5};$ 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：

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

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f₅，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 $M=\frac{f_4}{f_5};$ 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：

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

本机激光振荡器的光束进行空间相位二次项偏置，到达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： $\mathrm{\Δl}=-\frac{f_7^2}{z+R},$ 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；

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：

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

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的空间相位二次项等效焦距为：

$R_3=\frac{f_9^2}{f_8^2}F,$ 式中F为空间位相二次项偏置的等效焦距， $F=\frac{f_7^2}{2z};$

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：

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

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：

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

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：

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

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是本发明扫描合成孔径激光成像雷达的工作示意图。

图2是本发明扫描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是本发明扫描合成孔径激光成像雷达的离焦接收望远镜的结构示意图。

图4是本发明扫描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

下面结合附图和实施例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，本发明的扫描合成孔径激光成像雷达的结构和工作方式如图1所示，从合成孔径激光成像雷达1发出的激光束照射在被测物体平面3上形成光学足迹2。

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，合成孔径激光成像雷达1采用整体装置扫描或者附加光学偏转器扫描的方法扫描光学足迹2，并在成像物体平面3实现直线扫描。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。以发射光斑和可接收面积之小者为光学足迹2。一般设计下，发射光束与接收视场同轴同心，光束发散度和外差接收视场角相等。

成像物体平面3上光学足迹2中心的扫描轨迹称为中心扫描线，定义激光雷达光轴与中心扫描线构成主平面，垂直于扫描线的光轴方向定义为整个系统的主轴方向，系统的主轴方向与中心扫描线的交点称为成像物体平面原点。中心扫描平面定义为垂直于系统主轴并包含中心扫描线的平面。成像物体平面3包含中心扫描线并与系统主轴有一定夹角α。

设发射光束在中心扫描平面上的光斑直径为D_t，接收视场在中心扫描平面上的等效可接收面积的直径为D_r，D_t＝D_r为光学足迹2的直径。光学足迹2的扫描步进数为M，步进量为

相应的步进扫描角度间隔为Δθ，步进时间间隔为Δt，以成像物体平面原点为相对时间参考点(t＝0和M＝0)，则扫描时间为t_m＝mΔt。

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 $\frac{1}{F_0}=\frac{1}{F_t}+\frac{1}{F_r}.$ 光束扫描的半径为R₀，扫描转动所产生的本征的一个曲面二次项为

在发射和接收过程中产生的实际二次项相位历程焦距为F₀，因此转动中心与二次项相位历程中心的距离为R₀-F₀。

被测物体平面3上的第n个目标散射点的坐标可以用(z_n，θ_n，x_n)表示，其中x_n是目标散射点到主平面投影的垂距，z_n是激光雷达光学中心到投影点的距离，θ_n是z_n方向线与系统主轴的夹角。因此与传统的合成孔径雷达不同，本发明定义的距离方向为径向距离z_n方向，方位方向为角度扫描θ_n方向。

因此在目标散射点上的发射波面为：

而等效的接收波面为：

发射和接收过程合成的目标波面为：

即

其中：

$\frac{1}{F_n}=\frac{1}{F_{t,n}}+\frac{1}{F_{r,n}}.---\left(4\right)$

而在目标散射点上由于扫描转动所产生的本征的一个双程曲面二次项为

因此角扫描产生的纯波面差为：

可以得到：

$\×\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\frac{1}{F_n}-\frac{2}{R_n})x_n^2\right)\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\frac{1}{F_n}-\frac{2}{R_n})R_n^2{(\mathrm{k\Δ\θ}-{\mathrm{\θ}}_n)}^2\right)$

其中，目标信号时间延迟 $\mathrm{\τ}=\frac{{2z}_n}{c}.$

上述式中：k＝0，±1，±2....±K(2K+1≤M)。

激光发射光源为频率线性调制 $f\left(t\right)=f_0+\stackrel{\·}{f}t$ 的啁啾信号：

$u_0\left(t\right)=\underset{p}{\mathrm{\Σ}}{E}_0\mathrm{rect}\left(\frac{t-\mathrm{pT}}{\mathrm{\ΔT}}\right)\exp \left(j2\mathrm{\π}(f_0(t-\mathrm{pT})+\frac{\stackrel{\·}{f}}{2}{(t-\mathrm{pT})}^2)\right),---\left(7\right)$

其中：T为激光脉冲周期，ΔT为激光脉冲宽度。

目标激光回波与本机激光振荡的外差信号为：

$i_{n,k}\left(t\right)=I_n\mathrm{rect}\left(\frac{t-\frac{T+{\mathrm{\τ}}_f}{2}}{T-{\mathrm{\τ}}_f}\right),---\left(8\right)$

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，第二项为与方位有关的二次相位调制项，后二项为固定相位项，可见已经产生了孔径合成的基本条件，实现了扫描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，径向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。

本发明的空间相位偏置发射望远镜的结构如图2所示，由图可见，本发明的空间相位偏置发射望远镜的结构包括：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3的焦距为f₁和物镜6的焦距为f₂，则望远镜的放大倍数为 $M=\frac{f_2}{f_1}.$ 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，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：

$F=\frac{f_2^2}{2z}.$

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Δl＝0时，则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：

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

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。

本发明的离焦接收望远镜的结构如图3所示，由图可见，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 $M=\frac{f_4}{f_5};$ 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：

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

所述的物镜后焦面124与目镜前焦面125之间的距离为 $\mathrm{\Δl}=\frac{f_4^2}{z},$ 式中：z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离。

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：

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

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

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。

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：

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

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

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：

$e_2(x,y)={\mathrm{Bp}}_1(-\mathrm{Mx},-\mathrm{My})\exp [-j2\mathrm{\πM}\frac{{\mathrm{xs}}_x+{\mathrm{ys}}_y}{\mathrm{\λz}}]\exp \left[\mathrm{j\π}\frac{{s_x}^2+{s_y}^2}{\mathrm{\λz}}\right].$

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：

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

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

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。本文以水平偏振方向为参考方向。第一半波片(或四分之一波片)132的角度设置以控制第一偏振分光棱镜133的分光强度比，一般要求透过的发射光束光强远远大于反射的本机振荡激光光束光强。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°而能够直接通过第一偏振分光棱镜133。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。

本机振荡激光光束以水平偏振状态入射并直接通过第三偏振分光棱镜1320，回波激光光束以垂直偏振状态入射并经过偏振分光棱镜1320反射，因此本机振荡激光光束和回波激光光束通过第三偏振分光棱镜1320进行了光束合束，偏振正交的合成光束再经过第二半波片(或四分之一波片)1321旋转偏振态45°(或者成为园偏振态)，第三偏振分光棱镜1322进行偏振分光，都是水平方向偏振的合成光束用第一光电探测器1323进行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束用第二光电探测器1324进行外差接收。

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，则望远镜的放大倍数为 $M=\frac{f_7}{f_8}.$ 望远镜的出(入)瞳1314位于物镜的外焦面上，望远镜的目镜1312的外焦面为望远镜的入(出)瞳面，出(入)瞳面与目镜入(出)瞳面相互成像。

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。这个发射4-f转像望远镜具有发射离焦量137，空间位相调制板138放置在第二发射转像透镜139的焦面上。第一发射转像透镜136和第二发射转像透镜139的焦距设定为f₉。

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。这个接收4-f转像望远镜具有接收离焦量1318，接收空间位相调制板1315放置在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的焦距设定为f₁₀。

第一半波片(或四分之一波片)132、第一偏振分光棱镜133，第一四分之一波片134、第一反射镜135、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、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、第三偏振分光棱镜1320和第二半波片(或四分之一波片)1321构成了一个3端口的双向调制接收发射环路。其中：第一半波片(或四分之一波片)132是激光光源入射端口，第二四分之一波片1311是发射激光输出和回波接收端口，第二半波片(或四分之一波片)1321是探测光信号输出端口。

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 $\mathrm{\Δl}=-\frac{f_7^2}{z+R},$ 而空间相位二次项偏置的等效焦距为 $F=\frac{f_7^2}{2z}.$ 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 $\mathrm{Eexp}\left[j\frac{k}{2}\frac{{(x-s_x)}^2+{(y-s_y)}^2}{z}\right],$ 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 $\mathrm{\Δl}=\frac{f_7^2}{z}.$ 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：

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

下面给出一个具体的设计：

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，相应的地面扫描尺寸10m×50m。脉冲双程渡越时间1ms。

望远镜与地面目标处于夫琅和费衍射区域，接收过程中F_r＝∞。发射光学系统采用高斯光束发射并加二次项偏置达到 $F_{t,n}=\frac{4}{7}{z}_n,$ 因此二次项相位为 $\exp (-j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{z_n}{4}{(\mathrm{k\Δ\θ}-{\mathrm{\θ}}_n)}^2),$ 其最大相对相位差为

即36π，属于合理的匹配滤波范围。这时一个光斑内的采样数取M＝100，因此目标扫描的距离间隔0.1m。

目标扫描速度100m/s，目标一个光斑扫描时间0.1s，步进为≤1ms，激光脉冲宽度500μs。距离方向成像弥散园带宽 $B=\frac{c}{\mathrm{\Δd}},$ 即15GHz，啁啾速率 $\stackrel{\·}{f}=3\×{10}^{13}\mathrm{Hz}/s^2,$ 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36π最大相对相位的二次相位项的匹配滤波压缩取得。

发射光学也可以采用高斯光束发射而无二次项偏置，则F_t，n＝z_n，因此二次项相位为 $\exp (-j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{z_n(\mathrm{k\Δ\θ}-{\mathrm{\θ}}_n)}^2),$ 其最大相对相位差为即144π。这时一个光斑内的采样数可取M＝300。目标一个光斑扫描时间0.1s，步进为≤0.33ms，激光脉冲宽度160μs。距离方向成像弥散园带宽 $B=\frac{c}{\mathrm{\Δd}},$ 即15GHz，啁啾速率 $\stackrel{\·}{f}=9\×{10}^{13}\mathrm{Hz}/s^2,$ 距离项快时间延迟的最大值控制在1μs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144π最大相对相位的二次相位项的匹配滤波压缩取得。

Claims (14)

1、一种扫描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，所述的合成孔径激光成像雷达(1)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)采用整体装置扫描或者附加光学偏转器扫描的方式扫描所述的光学足迹(2)，并在被测物体平面(3)实现直线扫描。

2、根据权利要求1所述的扫描合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的发射光学系统(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)的接收光学系统(12)是离焦接收望远镜。

3、根据权利要求2所述的扫描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和物镜(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所述的扫描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和物镜(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所述的扫描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和物镜(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所述的扫描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 $M=\frac{f_4}{f_5};$ 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：

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

所述的物镜后焦面(124)与目镜前焦面(125)之间的距离为 $\mathrm{\Δl}=\frac{f_4^2}{z},$ 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所述的扫描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 $M=\frac{f_4}{f_5};$ 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：

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

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所述的扫描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 $M=\frac{f_4}{f_5};$ 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：

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

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：

9、根据权利要求7或8所述的扫描合成孔径激光成像雷达，其特征在于所述的物镜后焦面(124)与目镜前焦面(125)之间的距离为 $\mathrm{\Δl}=\frac{f_4^2}{z},$ 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所述的扫描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 $M=\frac{f_4}{f_5};$ 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：

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

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

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

11、根据权利要求2所述的扫描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 $M=\frac{f_4}{f_5};$ 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：

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

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

12、根据权利要求1所述的扫描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： $\mathrm{\Δl}=-\frac{f_7^2}{z+R},$ 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；

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：

$R_3=\frac{f_9^2}{f_8^2}F,$ 式中F为空间位相二次项偏置的等效焦距， $F=\frac{f_7^2}{2z};$

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：

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

13、根据权利要求1所述的扫描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，离焦量(1318)为：

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

14、根据权利要求12或13所述的扫描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)可改用四分之一波片。

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