CN103018735B - 合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置 - Google Patents

Abstract

一种合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，该装置以合成孔径及外差接收技术为基础，包括了准直透镜，分束镜，分离的发射望远镜和离焦接收望远镜，可调的会聚透镜光阑，聚焦透镜，外差接收合束镜及探测器。本发明利用接收望远镜天线离焦结构，能够消除接收信号波面相差的影响；接收望远镜孔径可远远大于发射望远镜孔径，增加了接收到的信号功率；会聚透镜的使用，实现了比望远镜直接接收及光学天线口径衍射所决定的视场大得多的接收视场，整个视场中外差效率相对恒定，能够接收到稳定的外差电流信号；可调的会聚透镜光阑，能控制信号光斑与探测器面积的匹配，增加本振光能量利用率，提高外差信号强度。

Description

合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置

技术领域

本发明涉及合成孔径激光成像雷达，特别是一种可以增大接收视场的合成孔径激光成像雷达外差探测装置，该装置以合成孔径及外差接收技术为基础，能够消除接收信号二次项相位影响，实现比望远镜直接接收及光学天线口径衍射所决定的视场大得多的接收视场，保证了外差效率恒定；大接收望远镜口径，可以增加接收到的信号能量，降低对探测器灵敏度的要求，聚焦透镜能够减小角度失配对外差效率的影响，扩大失配角度，降低信号对准难度；可调的聚焦透镜光阑，使信号光斑能够与探测器尺寸保持匹配，获得较高的外差效率，实现合成孔径成像。

背景技术

合成孔径激光成像雷达（ＳＡＬ）原理来源于微波合成孔径雷达，是目前所有报道中能够在远距离实现厘米量级分辨率的唯一光学手段。但波长从微波波段过渡到光波，波长小了3-6个数量级，而天线尺寸尺度大于波长3-6个数量级，因此其信号发射和接收与射频的信号发射和接收有原理性的差别。合成孔径激光成像雷达的天线一般都采用光学望远镜结构，但是具体的对发射天线和接收天线要求又有所不同（参见[1]刘立人，合成孔径激光成像雷达（I）：离焦和相位偏置望远镜接收天线[J]，光学学报，2008,28（5）：997-1000；[2]刘立人，合成孔径激光成像雷达（II）：空间相位偏置发射望远镜[J]，光学学报，2008,28（6）：1197-1200.）。

合成孔径激光雷达方位向分辨率主要决定于光学发射天线的有效口径，并且与天线口径直径成正比，当发射口径和接收口径一致时，理想情况下雷达分辨率等于天线口径的一半，因此在高分辨率成像设计条件下，由于接收口径限制，所能够接收到的回波信号很小，这将严重影响信号探测难度和雷达系统性能（参见[3]StevenM.Beck,Joseph R.Buck,Walter F.Buell etal..Synthetic-aperture imaging laser radar:laboratory demonstration and signal processing[J].Appl.Opt.,2005,44(35):7621-7629;[4]刘立人，合成孔径激光成像雷达（III）：双向环路发射接收望远镜[J]，光学学报，2008,28（7）：1405-1410.）。先前技术[4](A.E.Siegman.The antenna properties ofoptical heterodyne receivers[J].Pro.IEEE,1966,54(10):1350-1356)认为，用于光学外差接收的光学天线需满足天线理论：天线接收立体角和接收口径的有效面积乘积近似等于波长的平方，因此为了增大接收视场，必须减小口径。

先前技术[5](闫爱民，刘立人，周煜，孙建锋.通用的合成孔径激光成像雷达光学天线，实用新型专利，申请号：200920066851.0)提出了一种通用的合成孔径激光成像雷达雷达光学天线结构，实现了二次相位附加偏置的激光发射和消除回波信号波面相差的离焦光学接收，可用于远场或者近场情况，通过控制相应孔径大小调整发射波面和接受视场，但是这种装置，发射望远镜和接收望远镜通过一个公用的主望远镜集装在一起，必须发射接收分时进行，且最大视场角仅由光学天线口径的衍射决定，视场较小。本发明通过改进接收装置结构，远远增大了接收视场，且保证了接收信号不是太弱，能够实现合成孔径激光雷达宽幅成像。

发明内容

本发明的目的在于提供一种合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，该装置能够消除接收信号波面相差的影响，实现比望远镜直接接收及光学天线口径衍射所决定的视场大得多的接收视场，且外差效率与接收视场无关，使得能够接收到稳定的外差电流信号，接收望远镜孔径可远远大于发射望远镜孔径，增加了接收到的信号功率，保证了外差效率恒定，会聚透镜光阑能够实现信号光场与探测器的匹配调节，增加本振光能量利用率，实现合成孔径宽幅成像。

本发明的具体技术解决方案如下：

一种合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，特点在于其构成包括激光光源、准直透镜、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、发射望远镜目镜、发射望远镜物镜、发射望远镜孔径光阑、接收望远镜孔径光阑、接收望远镜物镜、接收望远镜目镜、透镜光阑、聚焦透镜、合束镜和探测器，上述元部件的位置关系如下：

沿所述的激光光源发射的激光信号经准直透镜达到分光镜，被该光镜分为反射光束和透射光束，所述的反射光束作为本振参考信号，经过第一反射镜，入射到时间延迟项，经过第二反射镜射向所述的合束镜，所述的透射光束依次经过发射望远镜目镜、发射望远镜物镜和发射望远镜孔径光阑射向目标，由目标面反射的回波信号又依次经过望远镜孔径光阑、接收望远镜物镜、接收望远镜目镜、透镜光阑和聚焦透镜形成会聚信号光束到达所述的合束镜，所述的合束镜位于聚焦透镜之后一倍焦距之内，该会聚信号光束在所述的合束镜与所述的本振参考信号光束合束，由位于所述的会聚透镜后焦面的探测器进行外差接收；

所述激光光源位于准直透镜的前焦面处，所述发射望远镜目镜、发射望远镜物镜和发射望远镜孔径光阑共同组成发射望远镜天线，发射望远镜目镜的后焦面和发射望远镜物镜的前焦面重合，所述的发射望远镜孔径光阑位于所述的发射望远镜物镜的外焦面上，作为发射望远镜的出瞳孔径；

所述的接收望远镜孔径光阑、接收望远镜物镜和接收望远镜目镜组成接收望远镜天线，接收望远镜孔径光阑位于接收望远镜物镜的外焦面上，接收望远镜目镜的前焦面和接收望远镜物镜的后焦面不重合，具有离焦量，所述的接收望远镜物镜的外焦面为接收望远镜入瞳面，接收望远镜目镜的外焦面为接收望远镜出瞳面，所述接收望远镜天线的入瞳面和出瞳面互为成像，所述的透镜光阑位于接收望远镜目镜的后焦面和会聚透镜的前焦面处，所述的透镜光阑面既作为接收望远镜天线的出瞳面，又作为会聚透镜的入瞳面。

所述的发射望远镜出瞳孔径和接收望远镜入瞳孔径同为方形孔径，或同为圆形孔径。

所述的时间延迟项为信号光通过发射望远镜、接受望远镜及两倍的目标面到接收望远镜的空间距离所用时间，具体为相同光程的光纤，或相应的空间距离。

所述的接收望远镜天线物镜的焦距为f₁，接收望远镜天线目镜的焦距为f₂，接收望远镜天线的放大倍数为M＝f₁/f₂，所述的离焦量Δl为：

$\mathrm{\Δl}=\frac{{f_1}^2}{z},$

式中：z为目标面到接收望远镜入瞳的空间距离。

所述的透镜光阑与所述的发射望远镜出瞳孔径、接收望远镜入瞳孔径同时为方形孔径，或圆形孔径，所述的透镜光阑具有孔径尺寸调节机构。

所述的探测器为面探测器，或列阵探测器。

所述的经过准直透镜的激光发射信号为平面波，或高斯光束。

对于发射望远镜出瞳孔径，方形孔径仅限制了目标面的光学足趾为方形，圆形孔径决定了圆形的光学足趾。对于接收望远镜入瞳孔径，当孔径为方形时，其孔径函数表示为：

$P_r(x,y)=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{L_{r,x}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_{r,y}}\right),$

式中L_r，x，L_r，y分别表示孔径两个方向的边长，M表示接收望远镜的放大倍数。

通过发射望远镜之后，出瞳处的等效孔径函数变为：

${P_r}^{\′}(x,y)=\mathrm{rect}(-\frac{\mathrm{Mx}}{L_{r,x}})\mathrm{rect}(-\frac{\mathrm{My}}{L_{r,y}}).$

当接收望远镜入瞳为圆形孔径时，设孔径直径为D_r，其孔径函数表示为：

${\stackrel{\‾}{P}}_r(x,y)=\mathrm{cy}\left(l\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{D_r}\right),$

通过接收望远镜之后，出瞳处的等效孔径函数变为：

${{\stackrel{\‾}{P}}_r}^{\′}(x,y)=\mathrm{cy}(l-\frac{M\sqrt{x^2+y^2}}{D_r}),$

因此，对于理想的望远镜结构，望远镜仅起到波面扩大或缩小作用，本身不会带来相位差及波面畸变，方形孔径和圆形孔径处理方法相同，区别是方形孔径是在直角坐标系中计算，光场为方形分布，可以将距离向和方位向数据分开处理，圆形孔径需变换到极坐标系中计算，光场为圆形分布。

以下分析中，发射望远镜孔径和接收望远镜孔径均以方形孔径分析，结论同样适用于圆形孔径。

所述的接收望远镜天线物镜的焦距为f₁，接收望远镜天线目镜的焦距为f₂，接收望远镜天线的放大倍数为M＝f₁/f₂，目标反射的回波信号经过空间z的传播距离入射到接收望远镜入瞳处，假设该入瞳处的信号光场为e₀(x,y)，经过接收望远镜及离焦量Δl到达接收望远镜出瞳处的光场e₁(x,y)为：

$e_1(x,y)=-\mathrm{Mexp}\left(\mathrm{jkl}\right)\exp [-j\frac{k}{2{f_2}^2/\mathrm{\Δl}}(x^2+y^2)]e_o\left(-\mathrm{Mx},-\mathrm{My}\right)P(-\mathrm{Mx},-\mathrm{My}),$

式中P(x,y)为入瞳处的孔径函数。

点目标衍射的回波信号在接收望远镜入瞳处的光场e₀(x,y)为：

$e_0(x,y)=E\frac{\exp \left(\mathrm{jkz}\right)}{\mathrm{j\λz}}\exp \left[j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{{(x-s_x)}^2+{(y-s_y)}^2}{z}\right].$

要消除波前的二次项位相差，应当控制接收望远镜的离焦量Δl为：

$\mathrm{\Δl}=\frac{{f_1}^2}{z}.$

所述的接收望远镜的入瞳孔径可以远远大于发射光学天线的口径，有利于接收更多的回波信号能量，提高中频信号功率，在结构上也很容易与相对较小口径的发射望远镜天线组合成一个同轴的合成孔径激光成像雷达光学天线系统。

所述的会聚透镜的焦距为f₃，会聚透镜的孔径光阑位于该会聚透镜的前焦面，所述的接收探测器位于该会聚透镜的后焦面，则探测器表面的光场和会聚透镜孔径光阑处的光场为准确的傅里叶变换关系，此处孔径光阑的形状应与前面发射望远镜出瞳和接收望远镜的入瞳形状一致，当发射望远镜出瞳和接收望远镜的入瞳为方形孔径时，该会聚透镜孔径光阑为方形，当发射望远镜出瞳和接收望远镜的入瞳为圆形孔径时，该会聚透镜孔径光阑为圆形。

当透镜孔径光阑为方形孔径时，边长分别为L_f，x，L_f，y，则会聚透镜后焦面光学脉冲响应为：

$e_r(x,y)=\frac{L_{f,x}{L}_{f,y}}{\mathrm{j\λ}{f}_3}\·\frac{\sin \left(\mathrm{\π}\frac{L_{f,x}}{\mathrm{\λ}{f}_3}x\right)}{\mathrm{\π}\frac{L_{f,x}}{\mathrm{\λ}{f}_3}x}\·\frac{\sin \left(\mathrm{\π}\frac{L_{f,y}}{\mathrm{\λ}{f}_3}y\right)}{\mathrm{\π}\frac{L_{f,y}}{\mathrm{\λ}{f}_3}y},$

相应的光斑宽度为：

$\mathrm{\Δ}{l}_{f,x}=\frac{2\mathrm{\λ}{f}_3}{L_{f,x}},$

$\mathrm{\Δ}{l}_{f,y}=\frac{2\mathrm{\λ}{f}_3}{L_{f,y}}.$

当该孔径光阑为圆形孔径时，设其直径为D_f，r，则有光学脉冲响应为：

${\stackrel{\‾}{e}}_r(x,y)=\frac{\mathrm{\π}{D}_{f,r}}{4\·\mathrm{j\λ}{f}_3}\·\frac{{2J}_1\left(\mathrm{\π}{D}_{f,r}\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{\mathrm{\λ}{f}_3}\right)}{\mathrm{\π}{D}_{f,r}\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{\mathrm{\λ}{f}_3}},$

相应的光斑宽度为：

$\mathrm{\Δ}{d}_{f,x}=2.44\frac{\mathrm{\λ}{f}_3}{D_{f,x}}.$

可以看到，探测器表面信号光斑的宽度与会聚透镜的孔径光阑直径成反比，与会聚透镜的焦距成正比，通过调节孔径光阑的尺寸，即可控制信号光斑的宽度，保证信号光斑和探测器尺寸的匹配。下面分析中，发射望远镜孔径和接收望远镜孔径均以方形孔径分析，同样会聚透镜孔径光阑也为方形孔径，结论同样适用于圆形孔径。

所述的合束镜位于会聚透镜后一倍焦距之内，将通过光纤延迟或相应空间延迟的本振参考信号与透镜会聚信号合束，由透镜后焦面的探测器外差接收，该合束镜与接收望远镜、会聚透镜、探测器中心轴成45度放置，使本振光束与探测器面完全垂直。

所述的接收探测器位于会聚透镜的后焦面，探测器光敏响应面也为方形孔径，孔径两个边长为L_d，x，L_d，y，此时光学外差探测的接收视场为：

${\mathrm{\θ}}_{d,x}=\frac{L_{d,x}}{f_3},$

${\mathrm{\θ}}_{d,y}=\frac{L_{d,y}}{f_3}.$

所述的激光光源可以是平面波，或高斯光束，对于远场衍射成像，平面波和高斯光场回波信号到达探测器表面分布相似，仅差一常数，因此，对于远距离合成孔径激光成像雷达，平面波信号和高斯光场信号可以归一化表示。

本发明的技术效果：

本发明合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，可以通过方形或圆形发射望远镜孔径产生方形和圆形光学足趾；利用接收望远镜天线离焦结构，能够消除接收信号波面相差的影响，接收望远镜孔径可远远大于发射望远镜孔径，增加了接收到的信号功率，保证了较高的外差效率；会聚透镜的使用，实现了比望远镜直接接收及光学天线口径衍射所决定的视场大得多的接收视场，且最终外差效率与接收视场无关，虽然在探测器中心处由于透镜的聚焦作用外差效率有所下降，但是在整个视场中外差效率保持恒定，使得能够接收到稳定的外差电流信号；可调的会聚透镜光阑，能够实现信号光斑与探测器尺寸的匹配，增加本振光能量利用率，降低本振光噪声的影响。

附图说明

图1是本发明合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置的具体结构示意图。

图2是本发明望远镜接收信号经过透镜聚焦后视场角变化示意图。

图3是本发明实施例外差效率随雷达方位向运动变化关系对比图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先参阅图1，图1是本发明合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置结构示意图。图1也是本发明的一个实施例的系统示意图。由图可见，该合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，其构成包括：

激光光源1，该激光光源1发射的激光信号依次通过准直透镜2和分光镜3，被分光镜3分为反射光束和透射光束两路信号，该反射光束作为本振参考信号经过第一反射镜4，入射到时间延迟项5，经过第二反射镜6射向合束镜17，所述透射光束依次经过发射望远镜目镜7，发射望远镜物镜8和发射望远镜孔径光阑9射向目标10，由目标10反射的回波信号又经过接收望远镜孔径光阑11，接收望远镜物镜12和接收望远镜目镜14到达接收望远镜目镜后焦面，所述焦面处信号光束经过透镜光阑15，聚焦透镜16到达合束镜17，该会聚信号光束经过合束镜17与所述本振参考信号光束合束，由探测器18外差接收；

所述激光光源1位于准直透镜2的前焦面处，所述发射望远镜目镜7、发射望远镜物镜8、发射望远镜孔径光阑9共同组成发射望远镜天线，望远镜目镜7的后焦面和望远镜物镜8的前焦面重合，所述的孔径光阑9位于发射望远镜物镜8的外焦面上，作为发射望远镜的出瞳孔径；

所述的接收望远镜孔径光阑11，接收望远镜物镜12和接收望远镜目镜14组成接收望远镜天线，孔径光阑11位于接收望远镜物镜12的外焦面上，接收望远镜目镜14的前焦面和接收望远镜物镜12的后焦面不重合，具有离焦量13，所述接收望远镜天线的物镜外焦面为望远镜入瞳面，接收望远镜天线的目镜外焦面为望远镜出瞳面，所述接收望远镜天线的入瞳面和出瞳面互为成像，透镜光阑15位于接收望远镜目镜14的后焦面和会聚透镜16的前焦面处，所述光阑面既作为接收望远镜天线的出瞳面，又作为会聚透镜的入瞳面，所述探测器18位于会聚透镜17的后焦面。

所述的发射望远镜出瞳孔径9、接收望远镜入瞳孔径11为方形或圆形，所述的会聚透镜光阑15同时为方形或圆形，且尺寸大小可调节，所述的探测器18为大面积探测器，或相应面积的列阵探测器。

下面以本实施例为例对本发明做详细分析说明：

本实施例的发射望远镜出瞳孔径，接收望远镜入瞳孔径，会聚透镜入瞳孔径光阑均为方形孔径，探测器为大面积探测器，时间延迟通过相应光程的光纤实现。

1、发射信号为平面波

设发射望远镜孔径光阑边长为D_x×D_y，对于发射的通过距离z的远场衍射照明光场信号为：

$E_t(x,y:z)=E_0{D}_x{D}_y\frac{\exp \left[\mathrm{jk}(z+l_t)\right]}{\mathrm{j\λz}}\mathrm{expj}\left(\mathrm{\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λz}}\right)\sin c\left(\frac{{\mathrm{xD}}_x}{\mathrm{\λz}}\right)\sin c\left(\frac{y{D}_y}{\mathrm{\λz}}\right),$

式中E₀表示平面波的振幅，l_t为发射望远镜的入瞳到出瞳的长度，l_t为信号光的空间传播距离。

经过目标平面分辨单元为Δx×Δy的点目标反射，回波信号依次通过相同空间传播距离z、接收望远镜入瞳、接收望远镜物镜、接收望远镜离焦量Δl＝f₁ ²/z、接收望远镜目镜到达接收望远镜出瞳处的光场为：

$E_r(s_x,s_y)=A\·\mathrm{rect}(-\frac{{\mathrm{Ms}}_x}{L_x})\mathrm{rect}(-\frac{{\mathrm{Ms}}_y}{L_y})\sin c\left(\frac{x_n{D}_x}{\mathrm{\λz}}\right)\sin c\left(\frac{y_n{D}_y}{\mathrm{\λz}}\right)\sin c[-\frac{({\mathrm{Ms}}_x+x_n)\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λz}}]\sin c[-\frac{({\mathrm{Ms}}_y+y_n)\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\λz}}].,$

$\exp \left[j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\ρ}}(x_n,y_n:z)\right]\exp \left[\mathrm{jk}(2z+l_t+l_r)\right]\exp \left(j2\mathrm{\πM}\frac{s_x{x}_n+s_y{y}_n}{\mathrm{\λz}}\right)\exp \left[j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λz}}({x_n}^2+{y_n}^2)\right]$

式中A表示所有的常数项，M表示接收望远镜的放大倍数，L_x,L_y表示接收望远镜入瞳孔径两个边长，表示目标点引入的相位，lr表示接收望远镜的整个长度，(x_n,y_n)表示目标点坐标，(s_x,s_y)表示接收望远镜出瞳面坐标。

2、发射信号为高斯光场

同样设发射望远镜孔径光阑边长为D_x×D_y，对于发射的通过距离z的远场衍射照明光场信号为：

$E_t(x,y:z)=A_0\frac{W_0}{\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{w}_0}\·z}\exp \left({\mathrm{jkl}}_t\right)\exp \left[j(\mathrm{kz}\±\frac{\mathrm{\π}}{2})\right]\exp (-\frac{x^2+y^2}{{(\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}{w}_0}\·z)}^2})\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λz}}\right),$

式中A₀表示高斯光场初始的中心振幅，w₀表示高斯光场的束腰半径。

同样经过目标平面分辨单元为Δx×Δy的点目标反射，回波信号依次通过相同空间传播距离z、接收望远镜入瞳、接收望远镜物镜、接收望远镜离焦量Δl＝f₁ ²/z、接收望远镜目镜到达接收望远镜出瞳处的光场为：

$E_r(\mathrm{\α},\mathrm{\β})=E\·\mathrm{rect}(-\frac{\mathrm{M\α}}{L_x})\mathrm{rect}(-\frac{\mathrm{M\β}}{L_y})\sin c\left(\frac{(\mathrm{M\α}+x_n)\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λz}}\right)\sin c\left(\frac{(\mathrm{M\β}+y_n)\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\λz}}\right)$

式中E表示所有的常数项，M表示接收望远镜的放大倍数，L_x,L_y表示接收望远镜入瞳孔径两个边长，表示目标点引入的相位，l_r表示接收望远镜的整个长度，(α，β)表示目标点坐标，(s_x,s_y)表示接收望远镜出瞳面坐标。

由上面两式可见，不管初始信号是平面波还是高斯光场，望远镜接收到的信号光场分布相似，均含有目标点(x_n,y_n)在方位向产生的二次项相位历程项—合成孔径激光雷达合成成像的关键数据，目标点(x_n,y_n)横向离轴产生的空间线性相位项—光学外差接收的方向性函数数据，及决定信号光场振幅分布的二维sinc函数项，其他的仅有常数项区别。

因此，对于所述的合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，初始信号光场不论是平面光场还是高斯光场，接收到的信号光场分布可以归一化表示。

假设此处初始发射信号为高斯光场，接收望远镜接收到的的光场再通过会聚透镜的聚焦，照射在探测器表面，设会聚透镜焦距为f₃，会聚透镜前焦面的孔径光阑尺寸为L_f，x×L_f，y，最终探测器表面光场为：

$E_r(s_x,s_y)=E_s(s_x,s_y)\·\exp \left[j{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{\ρ}}(x_n,y_n:z)\right]\exp \left[\mathrm{jk}(2z+2f_3+l_r+l_t)\right]\exp \left[j2\mathrm{\π}\frac{x_n^2+y_n^2}{\mathrm{\λz}}\right],$

对应的光场振幅：

$E_s(s_x,s_y)=A_0\frac{w_0^{2}M\·\mathrm{\Δx\Δy}{L}_{f,x}{L}_{f,y}\sqrt{\mathrm{\π}}}{{\mathrm{\λ}}^3{z}^2{f}_3}\·\mathrm{\ρ}(x_n,y_n:z)\exp [-\frac{x_n^2+y_n^2}{{\left(\frac{\mathrm{\λz}}{\mathrm{\π}{w}_0}\right)}^2}]\·\sin c\left[\frac{L_{f,x}}{\mathrm{\λ}}(\frac{{\mathrm{Mx}}_n}{z}-\frac{s_x}{f_3})\right]\sin c\left[\frac{L_{f,y}}{\mathrm{\λ}}(\frac{{\mathrm{My}}_n}{z}-\frac{s_y}{f_3})\right]$

由公式可见，目标点(x_n,y_n)横向离轴产生的空间线性相位项已经消失，即目标点偏离光轴所带来的角度失配影响减弱，理论上可以降低信号光和接收装置的对准难度。

3、外差效率

光学相干接收对于外差效率的定义：指信号光场和本振光场之间的波前匹配程度。

式中η(r)表示探测器的量子效率，E_s表示信号光场的复振幅，E_l表示本振参考光的复振幅，表示信号光场和本振光场的位相差，A表示探测器光敏面面积。

4、视场角

对于传统的衍射光学极限所决定的视场角或方向角为：

方形孔径： ${\mathrm{\θ}}_L=\frac{2\mathrm{\λ}}{l},$

圆形孔径： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_L=2.44\frac{\mathrm{\λ}}{d}.$

经过望远镜接收天线，望远镜对视场角有1/M倍的降低，此时视场角变为：

方形孔径： ${\mathrm{\θ}}_r=\frac{2\mathrm{\λ}}{\mathrm{Ml}},$

圆形孔径： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_r=2.44\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{Md}},$

式中M为接收望远镜的放大倍数，l为方形孔径的边长，d为圆形孔径的直径。

如图2所示，本装置的视场角完全脱离传统的天线口径衍射的影响，仅由探测器18的尺寸和会聚透镜17的焦距决定，考虑到接收望远镜天线对视场角的缩小关系，所述装置的实际视场角为：

方形孔径： ${\mathrm{\θ}}_r=\frac{L_d}{M{f}_3},$

圆形孔径： ${\stackrel{\‾}{\mathrm{\θ}}}_r=\frac{D_d}{M{f}_3},$

式中L_d为方形探测器的边长，D_d为圆形探测器的直径。

下面列举一个实施例的具体设计参数：

一个合成孔径激光成像雷达的分辨率要求为25mm，成像观察距离为1500km，相应的时间延迟项5通过光程为1500km的光纤实现，所用激光信号波长为1.55um，因此发射望远镜出瞳处孔径光阑9的直径为50×50mm，合成孔径长度为4.65m。为了接收到更多回波信号能量，设计接收望远镜放大倍数M＝25，接收望远镜物镜口径Φ100mm，焦距为1000mm，接收望远镜目镜口径Φ4mm，焦距为40mm，为了消除回波信号二次项相位差，离焦量13为0.0107mm。

会聚透镜16的口径Φ＝8mm，会聚透镜焦距f₃＝160mm，会聚透镜孔径光阑15的尺寸为4×4mm，探测器尺寸为3×3mm，经过计算得到，传统的衍射光学极限所决定的视场角为0.02068mrad，所述实施例所决定的外差视场角为0.75mrad，此时外差接收视场增大了几十倍。

图3为实施例参数下外差效率随雷达方位向运动的关系图例。发射信号选用高斯光场，本振参考信号选用平面波光场，图中纵坐标表示相应的外差效率，横坐标表示雷达方位向的运动距离，此处假设运动一个合成孔径的距离，曲线1表示传统的望远镜接收的外差效率曲线，曲线2表示该实施例参数下的外差效率曲线；由图可见，所述实施例虽然在探测器光敏面中心处由于透镜的聚焦作用外差效率峰值有所下降，但是在整个接收视场中外差效率保持相对恒定，即外差效率与接收视场无关，使得能够接收到稳定的外差电流信号。

Claims (6)

1.一种合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，特征在于其构成包括激光光源(1)、准直透镜(2)、分光镜(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(6)、发射望远镜目镜(7)、发射望远镜物镜(8)、发射望远镜孔径光阑(9)、接收望远镜孔径光阑(11)、接收望远镜物镜(12)、接收望远镜目镜(14)、透镜光阑(15)、会聚透镜(16)、合束镜(17)和探测器(18)，上述元部件的位置关系如下：

沿所述的激光光源(1)发射的激光信号经准直透镜(2)达到分光镜(3)，被该分光镜(3)分为反射光束和透射光束，所述的反射光束作为本振参考信号，经过第一反射镜(4)，入射到时间延迟项(5)，经过第二反射镜(6)射向所述的合束镜(17)，所述的透射光束依次经过发射望远镜目镜(7)、发射望远镜物镜(8)和发射望远镜孔径光阑(9)射向目标(10)，由目标面反射的回波信号又依次经过接收望远镜孔径光阑(11)、接收望远镜物镜(12)、接收望远镜目镜(14)、透镜光阑(15)和会聚透镜(16)形成会聚信号光束到达所述的合束镜(17)，所述的合束镜(17)位于会聚透镜(16)之后一倍焦距之内，该会聚信号光束在所述的合束镜(17)与所述的本振参考信号光束合束，由位于所述的会聚透镜(16)后焦面的探测器(18)外差接收；

所述激光光源(1)位于准直透镜(2)的前焦面处，所述发射望远镜目镜(7)、发射望远镜物镜(8)和发射望远镜孔径光阑(9)共同组成发射望远镜天线，发射望远镜目镜(7)的后焦面和发射望远镜物镜(8)的前焦面重合，所述的发射望远镜孔径光阑(9)位于所述的发射望远镜物镜(8)的外焦面上，作为发射望远镜的出瞳孔径；

所述的接收望远镜孔径光阑(11)、接收望远镜物镜(12)和接收望远镜目镜(14)组成接收望远镜天线，接收望远镜孔径光阑(11)位于接收望远镜物镜(12)的外焦面上，接收望远镜目镜(14)的前焦面和接收望远镜物镜(12)的后焦面不重合，具有离焦量(13)，所述的接收望远镜物镜(12)的外焦面为接收望远镜入瞳面，接收望远镜目镜(14)的外焦面为接收望远镜出瞳面，所述接收望远镜天线的入瞳面和出瞳面互为成像，所述的透镜光阑(15)位于接收望远镜目镜(14)的后焦面和会聚透镜(16)的前焦面处，所述的透镜光阑(15)面既作为接收望远镜天线的出瞳面，又作为会聚透镜(16)的入瞳面。

2.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，其特征在于所述的发射望远镜出瞳孔径(9)和接收望远镜入瞳孔径(11)同为方形孔径，或同为圆形孔径。

3.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，其特征在于所述的接收望远镜天线物镜(12)的焦距为f₁，接收望远镜天线目镜(14)的焦距为f₂，接收望远镜天线的放大倍数为M＝f₁/f₂，所述的离焦量(13)Δl为：

$\mathrm{\Δl}=\frac{{f_1}^2}{z},$

式中：z为目标面到接收望远镜入瞳的空间距离。

4.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，其特征在于所述的透镜光阑(15)与所述的发射望远镜出瞳孔径(9)、接收望远镜入瞳孔径(11)同时为方形孔径，或圆形孔径，所述的透镜光阑(15)具有孔径尺寸调节机构。

5.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，其特征在于所述的探测器(18)为面探测器，或列阵探测器。

6.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，其特征在于所述的经过准直透镜(2)的激光发射信号为平面波，或高斯光束。