CN103439702B - 直视合成孔径激光成像雷达反射式双面旋转发射装置 - Google Patents

Abstract

一种直视合成孔径激光成像雷达反射式双面旋转发射装置，该发射装置包括激光光源、发射偏振分束器、第一四分之一波片、第二四分之一波片、垂直偏振光路柱面反射镜、水平偏振光路平面反射镜、发射望远镜目镜和发射望远镜主镜。该发明通过水平偏振支路平面反射镜和垂直偏振支路柱面反射镜同方向同速率的往复同步旋转，实现雷达发射同心同轴正经偏振的双光束在远场目标面进行正向和方向扫描。本发明结构简单紧凑，不需要光学延迟线，满足光学相位实时同步，易于实现。

Description

直视合成孔径激光成像雷达反射式双面旋转发射装置

技术领域

本发明涉及直视合成空间激光成像雷达，特别是一种直视合成孔径激光成像雷达反射式双面旋转发射装置。该装置采用了同轴扫描像散波前发射原理。该装置结构简单紧凑，不需要光学延迟线，可以满足光学相位实时同步，易于实现，尺寸精确，原理可靠，具有广泛应用前景。

背景技术

先技术[1]（Two-dimensional synthetic aperture imaging in the opticaldomain[J].Opt.Lett.,2002,27(22):1983～1985）中所述的合成孔径激光成像雷达是能够在远距离得到厘米量级成像分辨率的唯一光学成像观察手段。其以侧视为必要工作条件，实施距离向（交轨方向）的距离分分辨成像，即傅立叶变换成像，方位向（顺轨方向）的孔径合成，即二次项相位历程的匹配滤波成像。但是需要采用啁啾激光发射，这容易将与任何相位相关的波面波动和相位畸变引入到传输信号中，导致雷达探测性能严重下降。文献[2]（Synthetic-aperture imaging ladar:laboratory demonstration and signal processing[J].Appl.Opt.,2005,44(35):7621～7629）中所述，采用干涉方法测量相位波动并补偿，但是实际操作难以实现。而且侧视情况为了降低拍频频率和非线性啁啾，需要复杂的延迟线技术，这点也不易实现，也需要线性扫频激光器，这限制成像雷达的应用。

此外，侧视合成孔径激光雷达有诸多缺点；文献[3]（尺度缩小合成孔径激光雷达的二维成像实验［J］.光学学报,2009,29(7):2030～2032）所述侧视合成孔径激光雷达需要采样光学望远镜，为了增大目标面光斑尺寸和匹配发射激光发散角、外差接收视场角，需要减小接收口径，但是这将减小接收强度，不利于外差探测。在文献[4]（直视合成孔径激光成像雷达原理[J].光学学报,2012,32(9):0928002）中提出了直视合成空间激光雷达的概念和原理结构示意图，基于抛物波前差动扫描和自差探测复数化接收方法，根据波前变换原理对目标投射同轴同心正经偏振的双光束，并进行自差接收。两偏振波前的合成相位差是抛物等位线分布，但是没有提出具体的原理结构示意图。本文将根据直视合成孔径激光成像雷达的基本发射原理，提出新的发射结构实施装置，通过同方向往复旋转垂直偏振光路柱面反射镜、水平偏振光路平面反射镜，实现偏振正交双光束在交轨向，具有相同符号的二次项相位波面以相同角速率反向扫描远场目标面，这是直视合成空间激光雷达发射系统的技术核心和难点。

发明内容

本发明是针对直视合成孔径激光成像雷达的发射系统，克服上述技术中的困难，提供一种直视合成孔径激光成像雷达反射式双面旋转装置,该装置通过水平偏振支路平面反射镜和垂直偏振支路柱面反射镜同方向同速率的往复同步旋转，实现雷达发射同心同轴正经偏振的双光束在远场目标面进行正向和方向扫描。该装置结构简单紧凑，不需要光学延迟线，满足光学相位实时同步，易于实现。

本发明的技术解决方案如下：

一种直视合成孔径激光成像雷达反射式双面旋转发射装置，其特点在于构成包括：激光光源、发射偏振分束器、第一四分之一波片、第二四分之一波片、垂直偏振光路柱面反射镜、水平偏振光路平面反射镜、发射望远镜目镜和发射望远镜主镜,位置关系如下：

沿激光光源输出激光方向，即负x方向是所述的偏振分束器，所述的激光光源输出的线偏振光束经过发射偏振分束器被分为两个等强度、偏振正交的透射的水平偏振光束和反射的垂直偏振光束：所述的透射的水平偏振光束方向，即直角坐标系的坐标Z轴负方向，先后经过第二四分之一波片、水平偏振支路平面反射镜后，反射光依次经过第二四分之一波片、偏转分束器、发射望远镜目镜和发射望远镜主镜；所述的反射的垂直偏振光束方向，即直角坐标系的坐标Z轴负方向，先后经过第一四分之一波片、垂直偏振光路柱面反射镜的反射后，又依次经过第一四分之一波片、偏振合束器、发射望远镜目镜和发射望远镜主镜；所述的第一四分之一波片的光轴和第二四分之一波片的光轴分别与各自的入射光的偏振方向成45°；所述的水平偏振支路平面反射镜、垂直偏振支路柱面反射镜分别到所述的偏振分束器的距离相等且为a，所述的偏振分束器到发射望远镜目镜距离为b，那么所述的水平偏振支路平面反射镜、垂直偏振支路柱面反射镜分别到发射望远镜目镜的光程等于所述的发射望远镜目镜的焦距f₂，即a+b＝f₂；所述的柱面反射镜在Z方向上的焦距为f₀；发射望远镜目镜与发射望远镜主镜之间距离等于f₁是发射望远镜主镜的焦距，是发射望远镜目镜前焦面与发射望远镜主镜后焦面的离焦距离；所述的平面反射镜和柱面反射镜，分别放置位于两个相同型号的高速旋转扫描平台上，该旋转扫描平台的初始位置保证平面反射镜和柱面反射镜的中心和各自光路的光轴中心重合，这两个高速旋转扫描平台分别驱使所述的平面反射镜和柱面反射镜以相同的角速率在垂直于光轴的方向做往复旋转运动，分别产生同轴同心正交偏振双光束在激光雷达的交轨向（X方向），对远场目标面做方向相反、速率相同的光学扫描。

本发明的具有如下的明显特点：

1、本发明是一种高分辨率二维成像的直视合成孔径激光成像雷达的发射端装置，水平偏振光路平面反射镜和垂直偏振光路柱面反射镜，同方向同速率往复旋转所采用的高速旋转扫描器为成熟产品和技术，可以购买或者委托研制。使得发射端向目远场标面发射出同轴同心偏振正交的垂直偏振光束和水平偏振光束，分别为球面波和像散波面，其波前合成相位差呈抛物等位相分布，满足直视合成孔径激光成像雷达在远场目标面扫描的要求。

2、所述的直视合成孔径激光成像雷达反射式双面旋转装置中，第一四分之一波片和第二四分之一波片的光轴与入射光偏振方向成45°，保证偏振光束两次经过波片后改变光束偏振态。

3、所述的直视合成孔径激光成像雷达反射式双面旋转装置中水平偏振支路平面镜、垂直偏振支路柱面反射镜分别到偏振分束器的距离相等，到发射望远镜目镜的光程等于目镜的焦距f₂，即如图有如下关系：a+b＝f₂；柱面镜的焦距f₀满足：发射望远镜目镜与发射望远镜主镜之间距离等于其中，f₁是发射望远镜主镜的焦距，是发射望远镜目镜前焦面与发射望远镜主镜后焦面的离焦距离，是垂直支路发射目镜聚焦处到主镜后焦面的距离。

4、在发射装置中考虑到矩形光斑能够产生均匀的照面条幅，具有更好的成像分辨率，可以采样矩形函数。

本方面技术效果如下：

1、本发明采用同轴同心偏振正交两光束发射，通过同方向同速率往复旋转水平偏振光路平面反射镜和垂直偏振光路柱面反射镜，偏振分束器和偏振合束器合二为一，简化实验结构，减小系统误差，且易于实现。

2、本发明由于在发射望远镜端的发射目镜和发射主镜采用离焦设计，使得远场照明光斑可以很大，考虑到在接收端自差探测的接收口径很大，所以能够同时实现大的光学足趾和强的回波接收强度。

附图说明

图1是本发明直视合成孔径激光成像雷达反射式双面旋转发射装置的结构示意图。

图2是本发明柱面反射镜的立体图

具体实施方式

下面结合原理图和实施结构附图对本发明进一步详细说明。

参阅图1，图1是本发明直视合成孔径激光成像雷达反射式双面旋转发射装置的结构示意图。由图可见，本发明直视合成孔径激光成像雷达反射式双面旋转发射装置，包括：激光光源1、发射偏振分束器2、第一四分之一波片3、第二四分之一波片4、垂直偏振光路柱面反射镜5、水平偏振光路平面反射镜6、发射望远镜目镜7和发射望远镜主镜8,位置关系如下：

沿激光光源1输出激光方向，即负x方向是所述的偏振分束器2，所述的激光光源1输出的线偏振光束经过发射偏振分束器2被分为两个等强度、偏振正交的透射的水平偏振光束和反射的垂直偏振光束：所述的透射的水平偏振光束方向，即直角坐标系的坐标Z轴负方向，先后经过第二四分之一波片4、水平偏振支路平面反射镜6后，反射光依次经过第二四分之一波片4、偏转分束器2、发射望远镜目镜7和发射望远镜主镜8；所述的反射的垂直偏振光束方向，即直角坐标系的坐标Z轴方向，先后经过第一四分之一波片3、垂直偏振光路柱面反射镜5的反射后，又依次经过第一四分之一波片3，偏振合束器2、发射望远镜目镜7和发射望远镜主镜8；所述的第一四分之一波片3的光轴和第二四分之一波片4的光轴分别与各自的入射光的偏振方向成45°；所述的水平偏振支路平面反射镜6、垂直偏振支路柱面反射镜5分别到所述的偏振分束器2的距离相等且为a，所述的偏振分束器2到发射望远镜目镜7距离为b，那么所述的水平偏振支路平面反射镜6、垂直偏振支路柱面反射镜5分别到发射望远镜目镜7的光程等于所述的发射望远镜目镜7的焦距f₂，即a+b＝f₂；所述的柱面反射镜5在Z方向上的焦距为f₀；发射望远镜目镜7与发射望远镜主镜8之间距离等于f₁是发射望远镜主镜8的焦距，是发射望远镜目镜7前焦面与发射望远镜主镜8后焦面的离焦距离；所述的平面反射镜6和柱面反射镜5，分别放置位于两个相同型号的高速旋转扫描平台上，该旋转扫描平台的初始位置保证平面反射镜和柱面反射镜的中心和各自光路的光轴中心重合，这两个高速旋转扫描平台分别驱使所述的平面反射镜和柱面反射镜以相同的角速率在垂直于光轴的方向做往复旋转运动，分别产生同轴同心正交偏振双光束在激光雷达的交轨向（X方向），对远场目标面做方向相反、速率相同的光学扫描。

由图1可以看到。线偏振光束经过发射偏振分束器后，入射光分为两个等强度的正交的偏振光束。由于水平偏振光路平面反射镜和垂直偏振光路柱面反射镜以相同角速率往复旋转，所以入射光场可以表示为：

$u_H(x_1,y_1)=\mathrm{rect}(\frac{x_1}{D_x},\frac{y_1}{D_y})\exp \left(\mathrm{jk\θ}{x}_1\right)$

$u_V=(x_1,y_1)=\mathrm{rect}(\frac{x_1}{D_x},\frac{y_1}{D_y})\exp (-\mathrm{jk\θ}{x}_1)\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λf}}_0}{y}^2\right)$

其中，D_X×D_Y表示入射口径尺寸，水平偏振光路平面反射镜和垂直偏振光路柱面反射镜的旋转角度为θ和-θ，垂直偏振光路在Y-Z方向上柱面反射镜焦距为-f₀。那么望远镜双光路内焦面发射光场（即目镜后焦面，如图示）分布为：

${e_H}^{\mathrm{in}}(x_{\mathrm{in}},y_{\mathrm{in}})=\frac{\exp \left({\mathrm{jkR}}_1^{\mathrm{in}}\right)}{{\mathrm{j\λR}}_1^{\mathrm{in}}}\frac{{\left({\mathrm{\λf}}_2\right)}^2}{{\mathrm{j\λf}}_2}\·\left\{\mathrm{rect}(\frac{f_2}{{\mathrm{DR}}_1^{\mathrm{in}}}(x_{\mathrm{in}}-{\mathrm{\α}}^{\mathrm{in}}{t}_f),\frac{f_2}{{\mathrm{DR}}_1^{\mathrm{in}}}{y}_{\mathrm{in}})\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\frac{{(x_{\mathrm{in}}-{\mathrm{\α}}^{\mathrm{in}}{t}_f)}^2}{R_1^{\mathrm{in}}}+\frac{{y_{\mathrm{in}}}^2}{R_1^{\mathrm{in}}})\right)\right\}$

${e_V}^{\mathrm{in}}(x_{\mathrm{in}},y_{\mathrm{in}})=\exp \left(\mathrm{jk}{R}_1^{\mathrm{in}}\right){\left({\mathrm{\λf}}_2\right)}^2\sqrt{\frac{R_1^{\mathrm{in}}}{R_2^{\mathrm{in}}}}\·\left\{\mathrm{rect}(\frac{f_2}{{\mathrm{DR}}_1^{\mathrm{in}}}(x_{\mathrm{in}}+{\mathrm{\α}}^{\mathrm{in}}{t}_f),\frac{f_2}{{\mathrm{DR}}_1^{\mathrm{in}}}{y}_{\mathrm{in}})\exp \left(j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}(\frac{{(x_{\mathrm{in}}+{\mathrm{\α}}^{\mathrm{in}}{t}_f)}^2}{R_1^{\mathrm{in}}}-\frac{{y_{\mathrm{in}}}^2}{R_2^{\mathrm{in}}})\right)\right\}$

其中，t_f为水平偏振光路平面反射镜和垂直偏振光路柱面反射镜的旋转扫描快时间，αⁱⁿ为与扫描器和光学系统结构有关的时间偏转参数，那么交轨向扫描的中心偏移量为αⁱⁿt_f＝θf₂，则得到同时，我们令为ts为慢时间，β是慢时间在平台运动顺轨向的照明光斑中心位置时间参数。此处，考虑矩形光斑能够产生均匀的照片条幅，并且有更好的成像分辨率，理想的内发射光场分布函数为矩形函数。可以看到，在公式e_H ⁱⁿ(x_in,y_in)表示H-偏振支路内发射光场分别是一个曲率半径为的球面波；公式e_V ⁱⁿ(x_in,y_in)表示V-偏振支路产生像散波面，在X-Z面产生一个曲率半径的二次项相位，在Y-Z面产生一个曲率半径为反符号的二次相位，得到的双光束波前合成相位差为：

其中由该波前相位差的表达式可以看出，该装置满足直视SAIL对于发射端内发射场波前相位差的要求。

Claims (1)

1.一种直视合成孔径激光成像雷达反射式双面旋转发射装置，其特征在于其光学元件包括：激光光源(1)，发射偏振分束器(2)、第一四分之一波片(3)、第二四分之一波片(4)、垂直偏振光路柱面反射镜(5)、水平偏振光路平面反射镜(6)、发射望远镜目镜(7)和发射望远镜主镜(8),位置关系如下：

沿激光光源(1)输出激光方向，即负X方向是所述的偏振分束器(2)，所述的激光光源(1)输出的线偏振光束经过发射偏振分束器(2)被分为两个等强度、偏振正交的透射的水平偏振光束和反射的垂直偏振光束：所述的透射的水平偏振光束方向，即直角坐标系的坐标Z轴负方向，先后经过第二四分之一波片(4)、水平偏振支路平面反射镜(6)后，反射光依次经过第二四分之一波片(4)、偏转分束器(2)、发射望远镜目镜(7)和发射望远镜主镜(8)；所述的反射的垂直偏振光束方向，即直角坐标系的坐标Z轴方向，先后经过第一四分之一波片(3)、垂直偏振光路柱面反射镜(5)的反射后，又依次经过第一四分之一波片(3)，偏振合束器(2)、发射望远镜目镜(7)和发射望远镜主镜(8)；所述的第一四分之一波片(3)的光轴和第二四分之一波片(4)的光轴分别与各自的入射光的偏振方向成45°；所述的水平偏振支路平面反射镜(6)、垂直偏振支路柱面反射镜(5)分别到所述的偏振分束器(2)的距离相等且为a，所述的偏振分束器(2)到发射望远镜目镜(7)距离为b，那么所述的水平偏振支路平面反射镜(6)、垂直偏振支路柱面反射镜(5)分别到发射望远镜目镜(7)的光程等于所述的发射望远镜目镜(7)的焦距f₂，即a+b＝f₂；所述的柱面反射镜(5)在Z方向上的焦距为f₀；发射望远镜目镜(7)与发射望远镜主镜(8)之间距离等于f₁是发射望远镜主镜(8)的焦距，是发射望远镜目镜(7)前焦面与发射望远镜主镜(8)后焦面的离焦距离；所述的平面反射镜(6)和柱面反射镜(5)，分别放置位于两个相同型号的高速旋转扫描平台上，该旋转扫描平台的初始位置保证平面反射镜和柱面反射镜的中心和各自光路的光轴中心重合，这两个高速旋转扫描平台分别驱使所述的平面反射镜和柱面反射镜以相同的角速率在垂直于光轴的方向做往复旋转运动，分别产生同轴同心正交偏振双光束在激光雷达的交轨向，即X方向，对远场目标面做方向相反、速率相同的光学扫描。