CN103245939B - 直视合成孔径激光成像雷达发射光束直接波面变换扫描器 - Google Patents

Abstract

一种直视合成孔径激光成像雷达发射光束的直接波面变换扫描器，其原理是采用马赫－曾得尔偏振干涉仪结构将入射光束分为正交偏振分离的两个空间通道，在每一个通道中安置顺轨向相位二次项历程所需的柱面镜和交轨向相位线性项调制所需的柱面镜，交轨向柱面镜带有扫描驱动器，两个通道的柱面镜组合对光束进行波面变换从而产生两个同轴偏振正交的扫描发射波面，并通过发射光学主镜成像到目标面。本发明的优点是：结构简单可靠、体积小、传输损失小、抗振动；采用高精度非球面光学元件可以实现精确的相位二次项；不改变整体结构而采用不同焦距的柱面镜和不同的扫描方向就可以变化雷达的工作模式和运行性能参数。

Description

直视合成孔径激光成像雷达发射光束直接波面变换扫描器

技术领域

本发明涉及直视合成孔径激光成像雷达的激光发射系统，特别是一种直接使用光学元件对于光束进行波面变换和扫描的系统，具有双驱动和单驱动扫描两种结构，原理是采用马赫－程得尔偏振干涉仪结构将入射光束分为正交偏振分离的两个空间通道，在每一个通道中安置顺轨向相位二次项历程所需的柱面镜和交轨向相位线性项调制所需的柱面镜，交轨向柱面镜带有扫描驱动器，两个通道的柱面镜组合对光束进行波面变换从而产生两个同轴偏振正交的扫描发射波面，并通过发射光学主镜直接成像到目标面，实现包括一维距离分辨/一维孔径合成和二维孔径合成的两种工作模式的直视合成孔径激光成像雷达所需的照明波面。

背景技术

合成孔径激光成像雷达的原理取之于射频领域的合成孔径雷达原理，是能够在远距离得到厘米量级成像分辨率的唯一的光学成像观察手段。相干合成孔径激光成像雷达有两种基本成像原理（参考文献1）：第一种是以侧视为必要条件的侧视合成孔径激光成像雷达（参考文献2－8），在交轨方向上实施直线距离上的分辨成像，即采用距离测量原理，在顺轨方向上实施孔径合成成像，即采用相位二次项历程共轭匹配原理；第二种是以直视为必要条件的直视合成孔径激光成像雷达，包括两种工作模式，第一种是一维距离分辨/一维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达（参考文献9，10），在交轨方向上实施目标面横向距离上的分辨成像，在顺轨方向上实施孔径合成成像，第二种是二维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达（参考文献1，11），在交轨方向和顺轨方向上均实施孔径合成成像，其中横向距离分辨成像采用相位线性项调制原理，孔径合成成像采用相位二次项历程共轭匹配原理。直视合成孔径激光成像雷达具有如下优点：能够自动消除大气、运动平台、光雷达系统和散斑的相位变化和干扰，在较大的光学足趾下和较大的接收孔径下具有高分辨率成像，不需要光学延时线，无需实时外差拍频信号相位同步，因此具有更高的实用性。直视合成孔径激光成像雷达的照明光斑是由雷达机内发射系统的光场通过发射主镜和目标距离传播的联合作用放大成像产生的，这个发射系统内光场是一个可扫描的复杂相位二次项波面组合，在实际设计中采用了光束以空间衍射传播的方式通过多个柱面镜光学元件的方法产生。这种基于柱面镜空间传播设计的波面变换扫描器存在如下问题：（1）由于采用空间衍射传播，整个发射光束的波面变换扫描器的体积庞大，传输损失大，机载平台的振动影响大；（2）由于所需相位二次项是通过柱面镜的空间衍射产生，因此所得到波面的二次项误差大；（3）一维距离分辨/一维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达和二维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达的基于空间传播设计的波面变换扫描器的结构不同，缺乏通用性；（3）雷达工作模式和运行性能的改变需要变化发射系统内光场的相位分布函数，这时必须改动整个波面变换扫描器的光学和机械结构，适用性差。

下面是现有的有关参考文献：

(1)M.Bashkansky,R.L.Lucke,E.Funk,L.J.Rickard,and J.Reintjes.Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain.Optics Letters,2002,27(22):1983～1985.

(2)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:laboratorydemonstration and signal processing.Applied Optics,2005,44(35):7621～7629.

(3)J.Ricklin,M.Dierking,S.Fuhrer,B.Schumm,and D.Tomlison.Synthetic apertureladar for tactical imaging.DARPA Strategic Technology Office,Nov.14,2007.

(4)R.L.Lucke,M.Bashkansky,J.Reintjes,and E.Funk,Synthetic aperture ladar(SAL):fundamental theory,design equations for a satellite system,and laboratorydemonstration,Naval Research Laboratory Report NRL/FR/7218-02-10,051(2002).

(5)B.Krause,J.Buck,C.Ryan,D.Hwang,P.Kondratko,A.Malm,A.Gleason,and S.Ashby,"Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration,"in CLEO:2011-LaserApplications to Photonic Applications,OSA Technical Digest(CD)(Optical Societyof America,2011),paper PDPB7.

(6)周煜，许楠，栾竹，闫爱民，王利娟，孙建锋，刘立人，尺度缩小合成孔径激光雷达的二维成像实验,光学学报，2009，29(7)：2030-2032.

(7)刘立人，周煜，职亚楠，孙建锋，吴亚鹏，栾竹，闫爱民，王立娟，戴恩文，鲁伟，大口径合成孔径激光成像雷达演示样机及其实验室验证，光学学报，2011，37（9）：09001121-5.

(8)刘立人，菲涅耳望远镜全孔径合成成像激光雷达原理，光学学报，2011,31(1):0128001-1～8.

(9)戴恩文，孙建锋，闫爱民，职亚楠，周煜，吴亚鹏，刘立人，菲涅耳望远镜合成孔径激光成像雷达实验室验证，光学学报，2012,32(5):0528003-1～6.

(10)刘立人，直视合成孔径激光成像雷达原理，光学学报，2012,32(9):0920002-1～8.

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的困难，提供一种直视合成孔径激光成像雷达发射光束直接波面变换扫描器，该扫描器的优点是：结构简单可靠、体积小、传输损失小、抗振动；采用高精度非球面光学元件可以实现精确的相位二次项；不改变整体结构而采用不同焦距的柱面镜和不同的扫描方向就可以变化雷达的工作模式和运行性能参数。

本发明的原理是采用马赫－曾得尔偏振干涉仪结构将入射光束分为正交偏振分离的两个空间通道，在每一个通道中安置产生顺轨向相位二次项历程所需的柱面镜和交轨向相位线性项调制所需的柱面镜，两个通道的柱面镜组合对光束进行波面变换从而产生两个同轴偏振正交的扫描发射波面，并通过发射光学主镜成像到目标面，实现包括一维距离分辨/一维孔径合成和二维孔径合成两种各种原理的直视合成孔径激光成像雷达所需的照明波面。

本发明的技术解决方案如下：

一种放置在激光光源和发射主镜之间的直视合成孔径激光成像雷达发射光束直接波面变换扫描器，其特点在于该扫描器由偏振分光马赫－曾得尔干涉仪结构、左通道波面变换及扫描组合结构和右通道波面变换及扫描组合结构所构成，所述的偏振分光马赫－曾得尔干涉仪结构包括入射偏振分束组件、左通道反射镜、右通道反射镜和出射偏振合束组件；所述的左通道波面变换及扫描组合结构包括左通道交轨向柱面镜及左通道交轨向柱面镜扫描驱动器、左通道光阑和左通道顺轨向柱面镜；所述的右通道波面变换及扫描组合结构包括右通道交轨向柱面镜及右通道交轨向柱面镜扫描驱动器、右通道光阑和右通道顺轨向柱面镜；上述部件的位置关系如下：

激光光源发射的偏振激光光束首先通过所述的入射偏振分束组件分解为偏振正交的垂直偏振分离的左通道光束和水平偏振分离的右通道光束，所述的垂直偏振分离的左通道光束依次通过左通道交轨向柱面镜、左通道光阑、左通道顺轨向柱面镜、左通道反射镜到达出射偏振合束组件，所述的左通道光阑位于发射主镜的焦面上，左通道交轨向柱面镜和左通道顺轨向柱面镜紧靠所述的左通道光阑；所述的水平偏振分离的右通道光束依次通过右通道反射镜、右通道交轨向柱面镜、右通道光阑、右通道顺轨向柱面镜到达所述的出射偏振合束组件，右通道光阑位于发射主镜的焦面上，所述的右通道交轨向柱面镜和右通道顺轨向柱面镜紧靠所述的右通道光阑，所述的左右通道的偏振正交光束通过所述的出射偏振合束组件合束为同轴同心光束并且射向发射主镜。

所述的左通道光阑经左通道反射镜到出射偏振合束组件的光轴路径长度等于右通道光阑经出射反射镜回到出射偏振合束组件的光轴路径长度。

本发明的技术效果如下：

1、本发明由于采用了光学元件成像放大为照明波面相位分布的方法，结构简单可靠、体积小、传输损失小、抗振动。

2、由于精密光学加工技术可以制作高精度非球面光学元件，本发明因此可以采用非球面柱面镜实现精确的相位二次项波面。

3、单驱动直接波面变换扫描器的优点是确保交轨向双光束扫描的同步精度，而双驱动直接波面变换扫描器的优点是具有较多的驱动方式和安置空间选择。

4、在相同的直接波面变换扫描器总体结构下，简单的改变交轨向柱面镜和驱动方向就可以实现不同的一维距离分辨/一维孔径合成或者二维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达工作模式，具有良好的通用性。

5、同一个直接波面变换扫描器只需采用不同焦距的柱面镜就可以变化雷达的运行性能参数，具有良好的适用性。

6、由于精密光学加工技术可以制作高精度非球面光学元件，本发明可以在相位二次项基础上产生其它任何相位分布函数，因此能够在发射波面上直接进行各种补偿修正，例如补偿运动平台产生的多普勒频移。

综上所述，本发明具有很强的实用性。

附图说明

图1是本发明实施例1直视合成孔径激光成像雷达发射光束的双驱动直接波面变换扫描器的结构图

图2是本发明实施例2直视合成孔径激光成像雷达发射光束的单驱动直接波面变换扫描器的结构图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明实施例1直视合成孔径激光成像雷达发射光束的双驱动直接波面变换扫描器的结构图，由图可见，本发明直视合成孔径激光成像雷达发射光束的双驱动直接波面变换扫描器，其放置在激光光源和发射主镜之间，其特点在于由偏振分光马赫－曾得尔干涉仪结构、左通道波面变换及扫描组合结构和右通道波面变换及扫描组合结构所构成，所述的偏振分光马赫－曾得尔干涉仪结构包括入射偏振分束器102，左通道反射镜107，左通道波片108，右通道反射镜109，右通道波片114和出射偏振合束器115；所述的左通道波面变换及扫描组合结构包括左通道交轨向柱面镜103，左通道交轨向柱面镜扫描驱动器104，左通道光阑105和左通道顺轨向柱面镜106；所述的右通道波面变换及扫描组合结构包括右通道交轨向柱面镜110，右通道交轨向柱面镜扫描驱动器111，右通道光阑112和右通道顺轨向柱面镜113；上述部件的位置关系如下：

激光光源发射的偏振激光光束101首先通过入射偏振分束器102分解为偏振正交的两路光束。其中左通道的垂直偏振光束先后通过左通道交轨向柱面镜103，左通道光阑105，左通道顺轨向柱面镜106，左通道反射镜107和左通道波片108到达出射偏振合束器115，左通道光阑105位于发射主镜的焦面上，左通道交轨向柱面镜103和左通道顺轨向柱面镜106紧密靠近于左通道光阑105，左通道波片108为四分之一波片或者半波片，它使得垂直偏振变为水平偏振。其中右通道的水平偏振光束先后通过右通道反射镜109，右通道交轨向柱面镜110，右通道光阑112，右通道顺轨向柱面镜113和右通道波片114到达出射偏振合束器115，右通道光阑112位于发射主镜的焦面上，右通道交轨向柱面镜110和右通道顺轨向柱面镜113紧密靠近于右通道光阑112，右通道波片114为四分之一波波片或者半波波片，它使得水平偏振变为垂直偏振。左右通道的偏振正交光束通过出射偏振合束器115合束为同轴同心光束，即为出射光束116并且射向发射主镜。

设定直视合成孔径激光成像雷达具有如下条件。

图1所示的纸面垂直方向为垂直偏振方向，纸面内为水平偏振方向；同时纸面垂直方向为顺轨方向并且定义为y轴，而纸面内垂直于顺轨方向和光束传播轴方向的方向为交轨方向并且定义为x轴；

左通道光阑105和右通道光阑112为矩形孔径，边长为D_x和D_y，即透过函数为 $\mathrm{rect}\left(\frac{x}{D_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{D_y}\right);$

使用激光波长为λ，两偏振通道的光束场强为E，输入光束直径大于或等于D_x×D_y；

左通道顺轨向柱面镜106的设计为，其中f_y为柱面镜焦距，右通道顺轨向柱面镜113的设计为，左通道顺轨向柱面镜106和右通道顺轨向柱面镜113的有效口径尺寸大于或等于D_x×D_y；

发射主镜的焦距为f，目标面等于雷达的距离为Z，发射主镜到目标面的传播相当于夫琅和费衍射，因此在目标面上产生发射主镜前焦面上物体的倒像，其成像放大倍数为 $M=-\frac{Z}{f}$ 并附有相位二次项

对于一维距离分辨/一维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达，左通道交轨向柱面镜103与右通道交轨向柱面镜110作反向移动，左通道交轨向柱面镜103的设计为，右通道交轨向柱面镜110的设计为，其中f_x为柱面镜焦距，α(t)为左通道交轨向柱面镜103的扫描驱动器104和右通道交轨向柱面镜110的扫描驱动器111产生的时间线性扫描位移，扫描时间宽度为T，扫描时间范围为，扫描距离宽度为D_x，扫描距离范围为，由此要求垂直偏振通道交轨向柱面镜和水平偏振通道交轨向柱面镜的宽度L_x×L_y为(L_x≥2D_x,L_y≥D_y)。

对于二维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达，左通道交轨向柱面镜103与右通道交轨向柱面镜110作同向移动，左通道交轨向柱面镜103的设计为，右通道交轨向柱面镜110的设计为，其中f_x为柱面镜焦距，α(t)为左通道交轨向柱面镜103的扫描驱动器104和右通道交轨向柱面镜110的扫描驱动器111产生的时间位移，扫描时间宽度为T，扫描时间范围为，扫描距离宽度为D_x，扫描距离范围为，由此要求垂直偏振通道交轨向柱面镜和水平偏振通道交轨向柱面镜的宽度L_x×L_y为(L_x≥2D_x,L_y≥D_y)。

因此在发射主镜焦面上即左通道光阑105面上的水平偏振光束的复场强和右通道光阑112面上的水平偏振光束的复场强分别为：

$e_{\mathrm{trns}}^V(x,y:t)=\mathrm{Erect}\left(\frac{x}{D_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{D_y}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{y^2}{{\mathrm{\λf}}_y}\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{[x-\mathrm{\α}\left(t\right)]}^2}{{\mathrm{\λf}}_x}\right\}$

$e_{\mathrm{trans}}^H(x,y:t)=\mathrm{Erect}\left(\frac{x}{D_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{D_y}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{y^2}{-{\mathrm{\λf}}_y}\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{[x\±\mathrm{\α}\left(t\right)]}^2}{{\±\mathrm{\λf}}_x}\right\},$

其中，±符号中取“加”为一维距离分辨/一维孔径合成的工作方式，±符号中取“减”为二维孔径合成的工作方式。

最终在目标面上得到所需的水平偏振照明光斑和垂直偏振照明光斑分别为：

$e_{t\arg \mathrm{et}}^H(x,y:t)=\frac{E}{M}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{{\mathrm{MD}}_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{{\mathrm{MD}}_y}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{y^2}{{\mathrm{\λM}}^2{f}_y}\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{[x-\mathrm{M\α}\left(t\right)]}^2}{{\mathrm{\λM}}^2{f}_x}\right\}\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right).$

$e_{t\arg \mathrm{et}}^V(x,y:t)=\frac{E}{M}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{{\mathrm{MD}}_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{{\mathrm{MD}}_y}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{y^2}{-{\mathrm{\λM}}^2{f}_y}\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{[x\±\mathrm{M\α}\left(t\right)]}^2}{\±{\mathrm{\λM}}^2{f}_x}\right\}\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right)$

上述的双驱动直接波面变换扫描器两个偏振通道中的交轨向柱面镜和顺轨向柱面镜组合可以同时旋转90°使用，这时雷达系统的交轨向和顺轨向相应旋转了90°，这种空间安置能够给柱面镜扫描驱动器提供另外一种的安装方式。

请参阅图2，图2是本发明实施例2直视合成孔径激光成像雷达发射光束的单驱动直接波面变换扫描器的结构图，本发明直视合成孔径激光成像雷达发射光束的单驱动直接波面变换扫描器实施例2由偏振分光马赫－曾得尔干涉仪结构、左通道波面变换及扫描组合结构和右通道波面变换及扫描组合结构所构成，所述的偏振分光马赫－曾得尔干涉仪结构包括入射偏振分束器202，入射四分之一波波片203，入射反射镜204，左通道反射镜209，右通道反射镜210，出射四分之一波波片214，出射反射镜215和出射偏振合束器216；所述的左通道波面变换及扫描组合结构包括左通道交轨向柱面镜205，交轨向柱面镜扫描驱动器206，左通道光阑207和左通道顺轨向柱面镜208；所述的右通道波面变换及扫描组合结构包括右通道交轨向柱面镜211，右通道光阑212和右通道顺轨向柱面镜213，其中右通道交轨向柱面镜211同时由交轨向柱面镜扫描驱动器206驱动；上述部件的位置关系如下：

激光光源发射的偏振激光光束201首先通过入射偏振分束器202分解为偏振正交的两路光束。两路光束之一的垂直偏振光束先后通过入射四分之一波波片203和入射反射镜204变成水平偏振光返回再通过入射偏振分束器202形成水平偏振的左通道光束，其通过左通道交轨向柱面镜205，左通道光阑207，左通道顺轨向柱面镜208和左通道反射镜209到达出射偏振合束器115并且以水平偏振状态直接出射，左通道光阑207位于发射主镜的焦面上，左通道交轨向柱面镜205和左通道顺轨向柱面镜208紧密靠近于左通道光阑207。两路光束之二为水平偏振光并形成右通道光束，其通过右通道反射镜210，右通道交轨向柱面镜211，右通道光阑212和右通道顺轨向柱面镜213到达出射偏振合束器216，该水平偏振光束直接通过出射偏振合束器216，再通过出射四分之一波波片214和出射反射镜215返回变成垂直偏振光，最后又通过出射偏振合束器216反射出，右通道光阑212位于发射主镜的焦面上，右通道交轨向柱面镜211和右通道顺轨向柱面镜213紧密靠近于右通道光阑212。左右通道的偏振正交的出射光束合束为同轴同心光束出射光束217，并且射向发射主镜。

实现单驱动的必要条件是左通道光阑207经左通道反射镜209到出射偏振合束器216的光轴路径长度等于右通道光阑212经出射反射镜215回到出射偏振合束器216的光轴路径长度，这时左通道光阑207和右通道光阑212处于同一平面。

使用单驱动直接波面变换扫描器的直视合成孔径激光成像雷达运行在一维距离分辨/一维孔径合成的工作模式时，交轨向柱面镜扫描驱动器206沿纸面内水平方向移动，其对于左通道交轨向柱面镜205和右通道交轨向柱面镜211虽然产生相同方向的运动但是在出射光束217内是反向移动的，定义纸面垂直方向为顺轨方向并且记作为y-轴，而纸面内垂直于顺轨方向和光束传播轴方向的方向为交轨方向并且记作为x-轴；

使用单驱动直接波面变换扫描器的直视合成孔径激光成像雷达运行在二维孔径合成的工作模式时，交轨向柱面镜扫描驱动器206沿纸面的垂直方向移动，其对于左通道交轨向柱面镜205和右通道交轨向柱面镜211产生相同方向的运动同时在出射光束217内也是同向移动的，定义纸面垂直方向为交轨方向并且记作为x-轴，而纸面内垂直于交轨方向和光束传播轴方向的方向为顺轨方向并且记作为y-轴；

设定直视合成孔径激光成像雷达具有如下条件。

左通道光阑207和右通道光阑212为矩形孔径，边长为D_x和D_y，即透过函数为 $\mathrm{rect}\left(\frac{x}{D_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{D_y}\right);$

使用激光波长为λ，两偏振通道的光束场强为E，输入光束直径大于或等于D_x×D_y；

左通道顺轨向柱面镜208的设计为，右通道顺轨向柱面镜213的设计为，其中f_y为柱面焦距，左通道顺轨向柱面镜208和右通道顺轨向柱面镜213的有效口径尺寸大于或等于D_x×D_y；

发射主镜的焦距为f，目标面到雷达的距离为Z，发射主镜到目标面的传播相当于夫琅和费衍射，因此在目标面上产生发射主镜前焦面上物体的倒像，其成像放大倍数为 $M=-\frac{Z}{f}$ 并附有相位二次项

对于一维距离分辨/一维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达，左通道交轨向柱面镜205的设计为，右通道交轨向柱面镜211的设计为，其中f_x为柱面焦距，α(t)为交轨向柱面镜扫描驱动器206产生的时间线性扫描位移，扫描时间宽度为T，扫描时间范围为，扫描距离宽度为D_x，扫描距离范围为，由此要求垂直偏振通道交轨向柱面镜和水平偏振通道交轨向柱面镜的宽度L_x×L_y为(L_x≥2D_x,L_y≥D_y)。

对于二维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达，左通道交轨向柱面镜205的设计为，右通道交轨向柱面镜211的设计为，其中f_x为柱面焦距，α(t)为交轨向柱面镜扫描驱动器206产生的时间线性扫描位移，扫描时间宽度为T，扫描时间范围为，扫描距离宽度为D_x，扫描距离范围为，由此要求垂直偏振通道交轨向柱面镜和水平偏振通道交轨向柱面镜的宽度L_x×L_y为(L_x≥2D_x,L_y≥D_y)。

因此在发射主镜焦面上即左通道光阑105面上的垂直偏振光束的复场强和右通道光阑112面上的水平偏振光束的复场强分别为：

$e_{\mathrm{trns}}^H(x,y:t)=\mathrm{Erect}\left(\frac{x}{D_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{D_y}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{y^2}{{\mathrm{\λf}}_y}\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{[x-\mathrm{\α}\left(t\right)]}^2}{{\mathrm{\λf}}_x}\right\}$

$e_{\mathrm{trans}}^H(x,y:t)=\mathrm{Erect}\left(\frac{x}{D_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{D_y}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{y^2}{-{\mathrm{\λf}}_y}\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{[x\±\mathrm{\α}\left(t\right)]}^2}{\±\mathrm{\λ}{f}_x}\right\},$

其中，±符号中取“加”为一维距离分辨/一维孔径合成的工作方式，±符号中取“减”为二维孔径合成的工作方式。

最终在目标面上得到所需的垂直偏振照明光斑和水平偏振照明光斑分别为：

$e_{t\arg \mathrm{et}}^H(x,y:t)=\frac{E}{M}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{{\mathrm{MD}}_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{{\mathrm{MD}}_y}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{y^2}{{\mathrm{\λM}}^2{f}_y}\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{[x-\mathrm{M\α}\left(t\right)]}^2}{{\mathrm{\λM}}^2{f}_x}\right\}\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right).$

$e_{t\arg \mathrm{et}}^V(x,y:t)=\frac{E}{M}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{{\mathrm{MD}}_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{{\mathrm{MD}}_y}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{y^2}{-{\mathrm{\λM}}^2{f}_y}\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{[x\±\mathrm{M\α}\left(t\right)]}^2}{\±{\mathrm{\λM}}^2{f}_x}\right\}\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right)$

直视合成孔径激光成像雷达系统的设计要素是照明光斑尺度为|M|D_x×|M|MD_y，交轨向成像分辨率为，顺轨向成像分辨率为

上述的直接波面变换扫描器也可以使用园孔径光阑和园口径激光光束。

上述的直接波面变换扫描器结构中还可以进行多种修改，例如在两通道中加入或者不加入波片来改变偏振方向以改变偏振合束器的输出光束方向。

下面是一个实施例的具体参数：一维距离分辨/一维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达的运行要求为成像距离8km，交轨向和顺轨向成像分辨率均为2cm，照明光斑尺寸20×20m。采用水平方向双驱动直接波面变换扫描器，相应结构设计为左通道光阑和右通道光阑的尺寸为5×5cm，左通道顺轨向柱面镜和右通道顺轨向柱面镜的有效口径均为5×5cm，焦距分别为25cm和-25cm，左通道交轨向柱面镜和右通道交轨向柱面镜的有效口径均为10×5cm，焦距均为25cm，驱动方向相反，输入激光光束的口径为5×5cm，偏振分束器和偏振合束器的有效口径可以为10×10cm。

本发明有如下的明显特点：

1、本发明的直接波面变换扫描器是以成像方法将雷达光学天线内的相位二次项柱面镜的相位分布直接放大为照明光斑的二次项相位分布，这不同于侧视合成孔径激光成像雷达其照明光斑的二次项相位分布是采用发射天线孔径的远场衍射传播产生的原理，也不同于以前的直视合成孔径激光成像雷达其光学天线内的相位二次项是采用二次项柱面镜的空间衍射传播产生的原理。

2、本发明的双驱动直接波面变换扫描器可以有水平和垂直两种驱动方向，每种驱动方向都能够以相同的结构实现一维距离分辨/一维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达和二维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达，前者的交轨向柱面镜符号相同但是运动方向相反，后者的交轨向柱面镜符号相反但是运动方向相同。

3、本发明的单驱动直接波面变换扫描器可以有水平和垂直两种驱动方向，水平驱动适用于一维距离分辨/一维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达，垂直驱动适用于二维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达，但是能够以相同结构实现一维距离分辨/一维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达和二维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达，前者的交轨向柱面镜的符号相同但水平驱动，后者的交轨向柱面镜符号相反但垂直驱动。

4、本发明的直接波面变换扫描器不改动整体结构，只需采用不同符号柱面镜和驱动方向就可以改变工作模式，只需采用不同焦距的柱面镜就可以变化雷达的运行性能参数。

Claims (2)

1.一种放置在激光光源和发射主镜之间的直视合成孔径激光成像雷达发射光束直接波面变换扫描器，其特征在于该扫描器由偏振分光马赫－曾得尔干涉仪结构、左通道波面变换及扫描组合结构和右通道波面变换及扫描组合结构所构成，所述的偏振分光马赫－曾得尔干涉仪结构包括入射偏振分束组件、左通道反射镜、右通道反射镜和出射偏振合束组件；所述的左通道波面变换及扫描组合结构包括左通道交轨向柱面镜及左通道交轨向柱面镜扫描驱动器、左通道光阑和左通道顺轨向柱面镜；所述的右通道波面变换及扫描组合结构包括右通道交轨向柱面镜及右通道交轨向柱面镜扫描驱动器、右通道光阑和右通道顺轨向柱面镜；上述部件的位置关系如下：

激光光源发射的偏振激光光束首先通过所述的入射偏振分束组件分解为偏振正交的垂直偏振分离的左通道光束和水平偏振分离的右通道光束，所述的垂直偏振分离的左通道光束依次通过左通道交轨向柱面镜、左通道光阑、左通道顺轨向柱面镜、左通道反射镜到达出射偏振合束组件，所述的左通道光阑位于发射主镜的焦面上，左通道交轨向柱面镜和左通道顺轨向柱面镜紧靠所述的左通道光阑；所述的水平偏振分离的右通道光束依次通过右通道反射镜、右通道交轨向柱面镜、右通道光阑、右通道顺轨向柱面镜到达所述的出射偏振合束组件，右通道光阑位于发射主镜的焦面上，所述的右通道交轨向柱面镜和右通道顺轨向柱面镜紧靠所述的右通道光阑，所述的左右通道的偏振正交光束通过所述的出射偏振合束组件合束为同轴同心光束并且射向发射主镜。

2.根据权利要求1所述的直视合成孔径激光成像雷达发射光束直接波面变换扫描器，其特征在于所述的左通道光阑到出射偏振合束组件的光轴路径长度等于右通道光阑到出射偏振合束组件的光轴路径长度。