CN103293524A - 迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机 - Google Patents

Abstract

一种迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机，其构成包括激光光源、半波片、孔径光阑、柱面镜、电动机、发射偏振分束器、第一1/4波片、直角棱镜、第二1/4波片、柱面反射镜、发射望远镜主镜；所述的孔径光阑紧靠柱面镜，所述的柱面镜由相连接的电动机拉动做周期性扫描运动，所述的柱面镜位于发射望远镜主镜的前焦面。本发明结构轻巧紧凑、运动形式简单，可以实现在交轨向产生与目标点横向位置成正比的线性项相位，在顺轨向产生目标点纵向位置为中心的二次项相位历程，适用于直视合成孔径激光成像雷达发射系统。

Description

迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机

技术领域

本发明涉及激光雷达，特别是一种迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机，

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。传统的合成孔径激光成像雷达都是在侧视的条件下进行光波发射和数据接收，采用光学外差接收，受大气扰动、运动平台振动、目标散斑和激光雷达系统本身相位变化等影响很大，还要求拍频信号的初始相位严格同步并且需要长距离延时来控制相位的变化，在实际的应用中是很困难的。

在先技术[1]（直视合成孔径激光成像雷达原理，光学学报，Vol.32,0928002-1～8,2012）和先技术[2](刘立人，直视合成孔径激光成像雷达，公开号：CN102435996)所述的直视合成孔径激光成像雷达，采用波前变换原理对目标投射两个同轴同心且偏振正交的光束并且进行自差接收，在交轨向进行空间线性相位调制分辨成像，在顺轨向进行二次相位历程匹配滤波成像。其中，雷达搭载平台的运动方向为顺轨方向，顺轨的正交方向为交轨方向。

在先技术[1]和[2]所述的直视合成孔径激光成像雷达，具有能够自动消除大气、运动平台、光雷达系统和散斑产生的相位变化和干扰，允许使用低质量的接收光学系统，不需要光学延时线，无需进行实时拍频信号相位同步，成像无阴影，可以使用各种具有单模和单频性质的激光器，同时采用空间光桥接器实现相位的复数解调，电子设备简单等特点。但是该直视合成孔径激光成像雷达提出的发射系统方案是采用两个光束偏转器对两光束进行对向扫描并要求保持精确同步，要使两光束对向扫描的精确同步是比较困难和复杂的，同时，产生同轴双光束波前变换器结构是采用马赫曾德干型的透射变换结构，光路系统相对复杂，结构较大，不利于机载等应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述先技术在发射系统中存在的不足，提出一种迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机，该发射机结构轻巧紧凑、运动形式简单，可以实现在交轨向产生与目标点横向位置成正比的线性项相位，在顺轨向产生目标点纵向位置为中心的二次项相位历程，适用于直视合成孔径激光成像雷达发射系统。

本发明发射机采用迈克尔逊结构，采用两偏振光路等光程发射，其中，H-偏振光路经过直角棱镜对交轨向的波面进行反转，V-偏振光路经过柱面反射镜调制顺轨方向的波面相位，因此，通过柱面镜的周期运动扫描控制，就能在快时间轴上产生与目标交轨向位置有关的空间线性相位项调制，在慢时间轴上产生目标顺轨向的空间二次项相位历程。

本发明的技术解决方案如下：

一种迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机，其构成包括激光光源、半波片、孔径光阑、柱面镜、电动机、发射偏振分束器、第一1/4波片、直角棱镜、第二1/4波片、柱面反射镜和发射望远镜主镜；所述的孔径光阑紧靠柱面镜，所述的柱面镜由控制计算机连接的电动机拉动做周期性扫描运动，所述的柱面镜位于发射主镜的前焦面，上述部件的位置关系如下：

激光光源输出的光束方向依次是所述的半波片、孔径光阑、柱面镜、发射偏振分束器、第二1/4波片和柱面反射镜，在所述的发射偏振分束器的反射光束方向依次是第一1/4波片和直角棱镜，在所述的直角棱镜反射光方向依次是第一1/4波片、发射偏振分束器和发射望远镜主镜，所述的孔径光阑紧靠所述的柱面镜，所述的柱面镜位于所述的发射望远镜主镜的前焦面，所述的柱面镜由计算机驱动所述的电动机拉动做周期性扫描运动，所述的柱面镜和柱面反射镜的母线互相垂直，所述的直角棱镜的直角棱面与柱面镜的母线互相垂直。

激光光源输出的偏振光束经过所述的半波片后获得所需的45°方向的偏振光束，该偏振光束通过孔径光阑进入柱面镜，然后光束通过发射偏振分束器在空间上被偏振分解为两个等强度的偏振正交的H-偏振光束和V-偏振光束，所述的H-偏振光束经过第一1/4波片进入直角棱镜，经直角棱镜的反射后，再次进入第一1/4波片返回发射偏振分束器，所述的V-偏振光束经过第二1/4波片进入所述的柱面反射镜，经过柱面反射镜的反射后，再次进入第二1/4波片返回发射偏振分束器，该发射偏振分束器将返回的H-偏振光束和V-偏振光束重新组合为同轴同心且偏振正交的光束，由所述的发射望远镜主镜发射向目标。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明采用迈克尔逊型反射式对发射光波进行分束与合束，采用柱面镜和柱面反射镜对发射光束进行分离变量波面变换，对两光束的交轨向均波面调制，对H-偏振光路的交轨向波面进行反转，对V-偏振光路顺轨方向的波面相位进行调制，产生所需的等效二次波面相位，使得整体器件更加简单紧凑，降低了发射系统的复杂性，便于控制。

2、本发明采用直角棱镜对交轨向的波面进行反转，只需对柱面镜的周期扫描运动，就可以实现远场两波面在交轨向随时间反向变化，获得所需的目标交轨向与目标位置有关的空间线性相位项调制的数据收集，扫描方式简单，控制精度高。

附图说明

图1是本发明迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机的立体图。

图2是本发明迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机的俯视图。

图3是本发明迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机顺轨向的等效波面示意图。

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。

先参阅图1，图1为本发明迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机的立体图。由图可见，本发明迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机包括激光光源1、半波片2、孔径光阑3、柱面镜4、电动机5、发射偏振分束器6、第一1/4波片7、直角棱镜8、第二1/4波片9、柱面反射镜10和发射望远镜主镜11，上述部件的位置关系如下：

沿所述的激光光源1输出的光束方向依次是所述的半波片2、孔径光阑3、柱面镜4、发射偏振分束器6、第二1/4波片9和柱面反射镜10，在所述的发射偏振分束器6的反射光束方向依次是第一1/4波片7和直角棱镜8，在所述的直角棱镜8反射光方向依次是第一1/4波片7、发射偏振分束器6和发射望远镜主镜11，在所述的柱面反射镜10反射光方向依次是第二1/4波片9、发射偏振分束器6和发射望远镜主镜11，所述的孔径光阑3紧靠所述的柱面镜4，所述的柱面镜4位于所述的发射望远镜主镜11的前焦面，所述的柱面镜4由计算机驱动所述的电动机5拉动做周期性扫描运动，所述的柱面镜4和柱面反射镜10的母线互相垂直，所述的直角棱镜8的直角棱面与柱面镜4的母线垂直。

所述的激光光源1输出的偏振光束经过所述的半波片2后获得所需的45°方向的偏振光束，该偏振光束通过孔径光阑3进入柱面镜4，然后光束通过发射偏振分束器6在空间上被偏振分解为两个等强度的偏振正交的H-偏振光束和V-偏振光束，所述的H-偏振光束经过第一1/4波片7进入直角棱镜8，经直角棱镜8的反射后，再次进入第一1/4波片7返回发射偏振分束器6，所述的V-偏振光束经过第二1/4波片9进入所述的柱面反射镜10，经柱面反射镜10反射后，再次进入第二1/4波片9返回发射偏振分束器6，该发射偏振分束器6将返回的H-偏振光束和V-偏振光束重新组合为同轴同心且偏振正交的光束，由所述的发射望远镜主镜11发射向目标。

激光光源1出射的激光经过半波片2后产生45°偏振的偏振光束，然后采用孔径光阑3用以限制激光的振幅宽度，因为矩形光斑能够产生均匀的照明条幅，而且具有更好的成像分辨率，因此这里采用矩形孔径函数来分析和讨论，而其他孔径函数具有相类似的结论。其矩形孔径光阑3的窗口函数为：

$W(x,y)=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y^{\mathrm{in}}}\right)---\left(1\right)$

经过矩形孔径光阑3的光束通过柱面镜4后，在柱面镜4上产生的光场分布为

$e_1(x,y)=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \left\{j\frac{{\mathrm{\πx}}^2}{\mathrm{\λf}}\right\}---\left(2\right)$

当电动机5拉动柱面镜4做周期性扫描时，柱面镜4后的光场随时间变化，为

$e_1(x,y)=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}\right[\frac{{(x-v_x^{\mathrm{in}}{t}_f)}^2}{\mathrm{\λf}}\left]\right\}---\left(3\right)$

其中，为柱面镜4的运动速度，f为柱面镜的焦距。然后，光束通过发射偏振分束器6被偏振分为反射光束H-偏振光束和透射光束V-偏振光束。由发射偏振分束器6反射的H-偏振光束经过第一1/4波片7和直角棱镜8，在直角棱镜8的两直角面发生反射返回，使得x方向的波前发生反转，即e(x,y)→e(-x,y)，然后再次进入第一1/4波片7和发射偏振分束器6，前后经过了两次第一1/4波片，相当于一个1/2波片，因此其偏振方向产生90o旋转，再经过发射偏振分束器6时为透射光束，再由发射望远镜主镜11发射到远场目标处。其中，柱面镜4的位置为发射望远镜主镜11的前焦面，且发射望远镜主镜11的后焦面到目标远场的距离一般较远，属于夫琅禾费衍射，因此，光束从柱面镜4到目标远场的衍射可以看做是经过了两次傅里叶变换(第一次是柱面镜4上的光场到发射望远镜主镜11的后焦面，第二次是发射望远镜主镜11的后焦面衍射到目标远场处)，等效于一个共焦系统放大望远镜，其放大倍数是M=(Z-F)/F，Z是发射望远镜主镜11到远场目标面的距离。这时在目标面上形成H-偏振照明波前为：

$e_H^T(x,y)=\mathrm{CW}(\frac{x}{M},\frac{y}{M})\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right[\frac{{(-x-v_x{t}_f)}^2}{R_1}\left]\right\}\×\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}\right[{(-x)}^2+{(y-v_y{t}_s)}^2\left]\right\}---\left(4\right)$

式中，R₁＝M²f，

t_s为慢时间，v_y为飞机航线上慢时间的运动速度，公式中最后一项与Z有关的相位二次项是发射光束夫琅禾费衍射传播产生的远场背景相位二次项。

对于发射偏振分束器6透射的V-偏振光束经过第二1/4波片9和柱面反射镜10后反射返回，然后再次进入第二1/4波片9，前后经过了两次第二1/4波片，相当于一个1/2波片，因此其偏振方向产生90°旋转，再经过发射偏振分束器6时为反射光束，最后同样由发射望远镜主镜11发射到远场目标处。其中，柱面反射镜10与柱面镜4的母线互相垂直，因此柱面反射镜10只对y方向的波面进行变换，为了分析方便，我们把经过柱面反射镜10后的相位波面反推到柱面镜4位置(即发射望远镜主镜11前焦面)，如图3所示，因此，可以等效在发射望远镜主镜11前焦面的y方向的光场近似为

其中ε是等效振幅比例系数，

为等效二次项曲率半径。

这样，V-偏振光束在发射望远镜主镜11的前焦面上产生的等效发射光场分布为：

$e_V^{\mathrm{in}}(x,y)=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{{\mathrm{\ϵL}}_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}\right[\frac{{(x-v_x^{\mathrm{in}}{t}_f)}^2}{\mathrm{\λf}}+\frac{{(y-v_y{t}_s)}^2}{{\mathrm{\λR}}_2^{\mathrm{in}}}\left]\right\}---\left(5\right)$

通过发射望远镜主镜11发射到远场目标处，与H-偏振光路一样，其作用是光场放大M倍，这时在目标面上形成V-偏振的照明波前为：

$e_V^T(x,y)=\mathrm{rect}\left(\frac{x}{L_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{{\mathrm{\ϵL}}_y}\right)\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right[\frac{{(x-v_x{t}_f)}^2}{R_1}+\frac{{(y-v_y{t}_s)}^2}{R_2}\left]\right\}\×\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}\right[x^2+{(y-v_y{t}_s)}^2\left]\right\}$

                                                         (6)

式中，

两偏振光束的照明的公共区域为有效的照明条幅，一般设计的柱面反射变换器的焦距为负，此时，等效的ε＞1，这时的有效的照明光斑为

对于一个特定的慢时间，其相位分布随柱面镜4的快时间扫描变化，此时，有效照明光斑的空间相位差具有抛物等位线：

一般设计时采用R₂＝R₁/2，以保证顺轨向和交轨向的成像分辨率相等，由于最终的成像分辨率采用相干点扩散函数的最小值全宽度，有

这样就可以获得交轨向目标点横向位置的线性项相位调制，顺轨向目标点纵向位置为中心的二次项相位历程，是用以实现雷达二维平面目标成像的关键波面相位。

图1是本发明最佳实施例的立体图，其具体结构和参数如下：

本实施例性能指标要求为：飞机机载观察，平台运动速度为40m/s；观察高度Z=10km，要求激光照明有效条幅宽度为50m×50m，且分辨率全宽度为有d_x＝85mm，d_y＝85mm。

其中发射激光波长采用0.532μm，方形孔径3的尺寸为5mm×5mm(x×y)，柱面镜4只对交轨向x起作用，其焦距为f_x＝80mm，为了使柱面镜4便于运动扫描，柱面镜4与发射偏振分束器6的间隔保留5mm，发射偏振分束器6采用K9玻璃，其折射率n≈1.5，尺寸为15mm×15mm×15mm，因此，光束在发射偏振分束器里的衍射等效于空气中的衍射距离为10mm，柱面反射镜10只对顺轨向y起作用，其焦距为f_y＝-25mm，产生的ε＞1。因此，在发射望远镜主镜11的前焦面（位于柱面镜4上）产生尺寸为5mm×5mm的矩形内发射的有效光斑，其等效二次项曲率半径f＝80mm，

即在主镜前焦面上产生了等效象散波前为（单位:毫米）

$\stackrel{\→}{i}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{5}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{5}\right)\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{{0.532\×10}^{-3}}\right[\frac{x^2}{80}\left]\right\}+\stackrel{\→}{j}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{5}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{5}\right)\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{{0.532\×10}^{-3}}\right[\frac{x^2}{80}+\frac{y^2}{40}\left]\right\}$

其中，

表示H-偏振矢量，

表示V-偏振矢量。

发射望远镜主镜11的焦距设计为F=1m，因此距离放大倍数为M=10⁴，发射望远镜主镜口径应该为>200mm，柱面镜和柱面反射镜的口径>12mm，1/4波片的口径>12mm，直角棱镜的尺寸>10.6mm×10.6mm×15mm，目标面有效照明光斑尺寸为50m×50m。柱面镜4的运动范围为

据此，其成像分辨率的设计为d_x＝85mm，d_y＝85mm。

Claims (4)

1.一种迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机，其特征在于其构成包括激光光源(1)、半波片(2)、孔径光阑(3)、柱面镜(4)、电动机(5)、发射偏振分束器(6)、第一1/4波片(7)、直角棱镜(8)、第二1/4波片(9)、柱面反射镜(10)和发射望远镜主镜(11)，上述部件的位置关系如下：

沿所述的激光光源(1)输出的光束方向依次是所述的半波片(2)、孔径光阑(3)、柱面镜(4)、发射偏振分束器(6)、第二1/4波片(9)和柱面反射镜(10)，在所述的发射偏振分束器(6)的反射光束方向依次是第一1/4波片(7)和直角棱镜(8)，在所述的直角棱镜(8)反射光方向依次是第一1/4波片(7)、发射偏振分束器(6)和发射望远镜主镜(11)，所述的孔径光阑(3)紧靠所述的柱面镜(4)，所述的柱面镜(4)位于所述的发射望远镜主镜(11)的前焦面，所述的柱面镜(4)由计算机驱动所述的电动机(5)拉动做周期性扫描运动，所述的柱面镜(4)和柱面反射镜(10)的母线互相垂直，所述的直角棱镜(8)的直角棱面与所述的柱面镜(4)的母线垂直。

2.根据权利要求1所述的迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机，其特征在于所述的柱面镜(4)只对交轨向的波面相位进行变换，所述的柱面反射镜(10)只对顺轨向的波面相位进行变换。

3.根据权利要求1所述的迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机，其特征在于所述的直角棱镜(8)的直角棱面与柱面镜(4)的母线互相垂直，只对交轨向的波面相位产生反转。

4.根据权利要求1所述的迈克尔逊型直视合成孔径激光成像雷达发射机，其特征在于所述的孔径光阑(3)为方形孔径光阑。

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