CN103543442B - M-z型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统 - Google Patents

Abstract

一种M－Z型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统，其构成包括：激光器、半波片、孔径光阑、第一偏振分束器、第一反射平板、第一电光扫描器、第一柱面镜、第二反射平板、第二电光扫描器、第二柱面镜、第二偏振分束器、发射望远镜主镜，其中第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一反射平板和第二反射平板互相平行设置成Mach-Zehnder型结构，此外还有高压电源和控制计算机。本发明能够实现两偏振正交光束在远场目标处的抛物等位线差，用于扫描目标，且结构简单，无机械扫描，电光相位调制波面的响应速度快，达纳秒量级，体积小，重量轻，特别适合于机载或星载等高速运行搭载平台上的直视合成孔径激光成像雷达的发射系统。

Description

M-Z型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统

技术领域

本发明涉及激光雷达，特别是一种马赫-曾德尔型（简称为M-Z型）电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统。

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。而且传统的合成孔径激光成像雷达中激光发射光源频率的线性调制大都采用机械调制，其调制速度受到限制。

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）和在先技术[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]和在先技术[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是采用两个光束偏转器对两光束进行对向扫描使得内发射场的光场分布为空间相位二次项形式，这时只有要求保持精确同步才能获得交轨向的线性相位调制，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，其光束偏转器一般采用机械偏转扫描，响应速度慢，转动惯量大，不利于机载等高速搭载平台上的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服上述先技术发射系统中存在的不足，提出一种M－Z型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统，该发射系统采用马赫-曾德尔型结构，通过晶体电光扫描器对交轨向相位进行调制，通过柱面镜对顺轨向波面相位进行调制，就能直接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M－Z型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统，其构成包括激光器、半波片、孔径光阑、第一偏振分束器、第一反射平板、第一电光扫描器、第一柱面镜、第二反射平板、第二电光扫描器、第二柱面镜、第二偏振分束器、发射望远镜主镜，其中第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一反射平板和第二反射平板互相平行设置成Mach-Zehnder型结构，此外还有高压电源和信号发生器；所述的第一电光扫描器出射面紧靠第一柱面镜，所述的第二电光扫描器出射面紧靠第二柱面镜，所述的第一柱面镜和第二柱面镜均位于发射主镜的前焦面，所述的高压电源连接第一电光扫描器和第二电光扫描器，并由信号发生器产生线性脉冲信号用以控制高压电源产生线性变化的电压，所述的第一电光扫描器和第二电光扫描器均采用单块长方体电光晶体制成，其电光晶体的z方向为施加电场方向，每块电光晶体z方向表面采用两对互为反向平行的三角形电极施加电场，第一电光扫描器和第二电光扫描器所调制的相位符号相反。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、第一偏振分束器、第一反射平板、第一电光扫描器、第一柱面镜，第二偏振分束器，在所述的第一偏振分束器的反射光束方向依次是第二电光扫描器、第二柱面镜、第二反射平板、第二偏振分束器，所述的柱面镜位于所述的发射望远镜主镜的前焦面。

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和第一偏振分束器后在空间上被偏振分解为两个等强度的偏振正交的水平偏振光束和垂直偏振光束，所述的水平偏振光束经过第一反射平板后进入第一电光扫描器和第一柱面镜，然后达到第二偏振分束器，所述的垂直偏振光束经过第二电光扫描器和第二柱面镜后，由第二反射平板反射到达第二偏振分束器，该第二偏振分束器将水平偏振光束和垂直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、本发明采用马赫-曾德尔型结构对发射光波进行偏振分束与合束，采用电光扫描器对两偏振光束的交轨向波面进行直接的线性相位调制，利用柱面镜对两偏振光束的顺轨向波面相位进行二次相位调制，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、本发明采用的电光扫描器利用晶体的横向电光效应，通过改变晶体的长厚比增大线性相位调制，在晶体z轴施加两对反向平行电场，同时采用电压来调制交轨向的线性相位，控制简单，无机械扫描，无惯性，响应速度达纳秒量级，体积小，重量轻等优点，特别适用于机载或星载等高速运动的搭载平台。

附图说明

图1是本发明M－Z型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统结构图。

图2是本发明M－Z型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统中的电光扫描器的结构图。

图3是本发明M－Z型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统中的两偏振光束抛物波面的干涉图。

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M-Z型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统结构图。由图可见，本发明马赫-曾德尔型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统由激光器1、半波片2、孔径光阑3、第一偏振分束器4、第一反射平板5、第一电光扫描器6、第一柱面镜7、第二电光扫描器8、第二柱面镜9、第二反射平板10、第二偏振分束器11、发射望远镜主镜12，其中第一偏振分束器4、第二偏振分束器11、第一反射平板5和第二反射平板10互相平行设置成Mach-Zehnder型结构，此外还有高压电源13和信号发生器14；所述的第一电光扫描器6出射面紧靠第一柱面镜7，所述的第二电光扫描器8出射面紧靠第二柱面镜9，所述的第一柱面镜7和第二柱面镜9均位于发射望远镜主镜12的前焦面，所述的高压电源13连接第一电光扫描器6和第二电光扫描器8，并由信号发生器14产生线性脉冲信号用以控制高压电源13产生线性变化的电压，所述的第一电光扫描器6和第二电光扫描器8均采用单块长方体电光晶体制成，其电光晶体的z方向为施加电场方向，每块电光晶体z方向表面采用两对互为反向平行的三角形电极施加电场，并且第一电光扫描器6和第二电光扫描器8所调制的相位符号相反，上述部件的位置关系如下：

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、第一偏振分束器4、第一反射平板5、第一电光扫描器6、第一柱面镜7，第二偏振分束器11，在所述的第一偏振分束器4的反射光束方向依次是第二电光扫描器8、第二柱面镜9、第二反射平板10、第二偏振分束器11，所述的第一柱面镜7和第二柱面镜9均位于所述的发射望远镜主镜12的前焦面。

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，采用孔径光阑3用以限制该偏振光束的振幅宽度，而后该偏振光束被第一偏振分束器4分束为水平偏振光束和垂直偏振光束，光束从第一偏振分束器4透射的水平偏振光束经过第一电光扫描器6和第一柱面镜7，由于第一电光扫描器6由一块长方体晶块组成，其z方向上镀上两对三角形电极，如图2所示，并对这两对三角形电极施加相反的电压时，是采用电场平行于z轴的横向运用，当光沿着y方向传播，假设晶体的z轴即为垂直偏振光束的偏振态方向（取决于晶体的放置），则对于水平偏振光束，其偏振态垂直于晶体z轴，其折射率变化为

$\left\{\begin{array}{c}{n}_1=n_o+\frac{1}{2}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{13}{E}_3=n_o+\mathrm{\Δ}{n}^{\′}\\ n_2=n_o-\frac{1}{2}{n}_o^3{\mathrm{\γ}}_{13}{E}_3=n_o-\mathrm{\Δ}{n}^{\′}\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，n_o为晶体o光折射率，E₃为施加在晶体z方向上的电场，γ₁₃为在该方向上的电光系数。此时，经过有两施加反向的三角形电场的晶体电光扫描器后，其x方向的相位延迟为：

$\mathrm{\φ}\left(x\right)=k\frac{L}{D}x\·2\mathrm{\Δ}{n}^{\′}+\mathrm{kL}{n}_o---\left(2\right)$

因此当水平偏振光束从第一电光扫描器6和第一柱面镜7后，该位置为发射望远镜主镜12的前焦面，其发射场为：

$e_H^{\mathrm{in}}(x,y)=\mathrm{Crect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right[\frac{L}{D}x\·2\mathrm{\Δ}{n}^{\′}+L{n}_o+\frac{y^2}{2f_1}\left]\right\}---\left(3\right)$

其中，为入射光束的振幅宽度，L为晶体的长度，D为晶体的宽度，f₁为第一柱面镜的焦距。

而光束从第一偏振分束器4反射的垂直偏振光束经过第二电光扫描器8和第二柱面镜9，由于垂直偏振光束的偏振态平行于晶体z轴，其折射率变化为：

$\left\{\begin{array}{c}{n}_1=n_e+\frac{1}{2}{n}_e^3{\mathrm{\γ}}_{33}{E}_3=n_e+\mathrm{\Δn}\\ n_2=n_e-\frac{1}{2}{n}_e^3{\mathrm{\γ}}_{33}{E}_3=n_e-\mathrm{\Δn}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，n_e为晶体e光折射率，E₃为施加在晶体z方向上的电场，γ₃₃为在该方向上的电光系数。经过有两块施加电场反向的三角形LiNbO₃晶体棱镜后，并且第二电光扫描器8电场施加方向与第一电光扫描器6的两对电极刚好相反，其x方向的相位延迟为

$\mathrm{\φ}\left(x\right)=-k\frac{L}{D}x\·2\mathrm{\Δn}-\mathrm{kL}{n}_e---\left(5\right)$

因此当垂直偏振光束从第二电光扫描器8和第二柱面镜9后，该位置同样为发射望远镜主镜12的前焦面，其发射场为：

$e_V^{\mathrm{in}}(x,y)=\mathrm{Crect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right[-\frac{L}{D}x\·2\mathrm{\Δn}-L{n}_e-\frac{y^2}{2f_2}\left]\right\}---\left(6\right)$

式中，f₂为第二柱面镜焦距，因此必须保证第一柱面镜7与第二柱面镜9到达第二偏振分束器的光程相等，其由第二偏振分束器11合束为同轴同心的光束后，共同由发射望远镜主镜12发射至远场目标处，因发射望远镜主镜12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，光束从第一柱面镜7和第二柱面镜9到目标远场的衍射可以看作是经过了两次傅里叶变换，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12到远场目标面的距离。这时在目标面上形成水平偏振照明波前为：

$e_H^T(x,y)=\mathrm{Crect}\left(\frac{x}{L_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y}\right)\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right[\frac{L}{D}\frac{x}{M}\·2\mathrm{\Δ}{n}^{\′}+L{n}_o+\frac{{(y-v_y{t}_s)}^2}{2R_1}\left]\right\}\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}\right[x^2+{(y-v_y{t}_s)}^2\left]\right\}---\left(7\right)$

式中，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。

同样在目标面上形成垂直偏振光的照明波前为：

$e_V^T(x,y)=\mathrm{Crect}\left(\frac{x}{L_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y}\right)\exp \{-j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}[\frac{L}{D}\frac{x}{M}\·2\mathrm{\Δn}+L{n}_e-\frac{{(y-v_y{t}_s)}^2}{2R_2}\left]\right\}\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λZ}}\right[x^2+{(y-v_y{t}_s)}^2\left]\right\}---\left(8\right)$

式中，R₂＝M²f₂，两偏振光束的照明的公共区域为有效的照明条幅，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，由于其中h为所加电压方向晶体的厚度，U₃由线性脉冲调制，从折射率变化可以看出线性调制交轨向的相位与晶体的长厚比成正比，与电压U成正比，因此通过施加线性电压可获得高响应速度的线性相位调制，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抛物波面相位，图3为两偏振光束具有抛物波面相位差经过检偏器后的干涉图。

成像分辨率采用相干点扩散函数最小值半宽度来表达，由于照明光斑在交轨向的角度扫描范围为(-kθ_max,kθ_max)，k≤0.5为光束中心偏转的可能设计值，且目标面上可成像的有效条幅为L_x，积分范围为2kθ_max，因此交轨向的分辨率为

$d_x=\frac{\mathrm{\λM}}{4k{\mathrm{\θ}}_{\max }}---\left(10\right)$

同理，顺轨向的分辨率为

$d_y=\frac{\mathrm{\λ}{R}_3}{L_y}=\frac{\mathrm{M\λ}{R}_3^{\mathrm{in}}}{L_y^{\mathrm{in}}}---\left(11\right)$

一般情况下，设计x，y方向的分辨率相等，有d_x＝d_y，理想的设计最大偏向角为 ${\mathrm{\θ}}_{\max }=\frac{L_y^{\mathrm{in}}}{4k{R}_3^{\mathrm{in}}},$ 当k=0.5时， ${\mathrm{\θ}}_{\max }=\frac{L_y^{\mathrm{in}}}{2R_3^{\mathrm{in}}}.$

由此可见，表示成像分辨率的顺轨向的相干点扩展函数最小值半宽度由内发射光场的相对口径所决定，随工作距离增长而增大；而交轨向的相干点扩展函数最小值半宽度由内发射光场的相对口径和其电光晶体长厚比和晶体性质与所施加的电场所决定，同样随工作距离增长而增大。

图1是本发明最佳实施例的结构示意图，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=5km，要求激光照明有效条幅宽度为25m×25m，且分辨率全宽度为有d_x＝40mm，d_y＝40mm。

其中发射激光波长采用0.532μm，第一电光扫描器6和第二电光扫描器8均采用LiNbO₃晶体，他们的尺寸均为5mm×5mm×50mm，在其z方向制作两对平行对称的三角形电极，施加的最大电压为8000V，因此其可获得的最大线性调制角度为θ_max＝0.034rad，发射望远镜主镜12的焦距设计为F=1m，因此距离放大倍数为M=5×10³，发射望远镜主镜12口径大约为100mm，目标面有效照明光斑尺寸为50m×50m。第一电光扫描器6和第二电光扫描器8的扫描范围为(-0.5θ_max,0.5θ_max)，据此，其成像分辨率的设计为d_x＝40mm，设计x，y方向的分辨率相等，有d_x＝d_y，则这时第一柱面镜7与第二柱面镜9的焦距为f₁＝147mm，f₂＝-147mm。据此，可获得我们所需的成像分辨率、有效条幅宽度与电光扫描的抛物等位相差，用以直视合成孔径激光成像雷达的自差接收。

Claims (3)

1.一种M－Z型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统，特征在于其构成包括激光光源(1)、半波片(2)、孔径光阑(3)、第一偏振分束器(4)、第一反射平板(5)、第一电光扫描器(6)、第一柱面镜(7)、第二电光扫描器(8)、第二柱面镜(9)、第二反射平板(10)、第二偏振分束器(11)、发射望远镜主镜(12)、高压电源(13)和信号发生器(14)，沿激光光源(1)输出的光束方向依次是所述的半波片(2)、孔径光阑(3)、第一偏振分束器(4)、第一反射平板(5)、第一电光扫描器(6)、第一柱面镜(7)、第二偏振分束器(11)和发射望远镜主镜(12)，在所述的第一偏振分束器(4)的反射光束方向依次是第二电光扫描器(8)、第二柱面镜(9)、第二反射平板(10)和第二偏振分束器(11)，所述的第一反射平板(5)和第二反射平板(10)与光路成45°，所述的第一电光扫描器(6)出射面紧靠第一柱面镜(7)，所述的第二电光扫描器(8)出射面紧靠第二柱面镜(9)，所述的第一偏振分束器(4)、第二偏振分束器(11)、第一反射平板(5)和第二反射平板(10)互相平行设置成Mach-Zehnder型结构，所述的第一柱面镜(7)和第二柱面镜(9)均位于所述的发射望远镜主镜(12)的前焦面，所述的高压电源(13)连接第一电光扫描器(6)和第二电光扫描器(8)，并由信号发生器(14)产生线性脉冲信号用以控制高压电源(13)产生线性变化的电压，所述的第一电光扫描器(6)和第二电光扫描器(8)均采用单块长方体电光晶体制成，其电光晶体的z方向为施加电场方向，每块电光晶体z方向表面采用两对互为反向平行的三角形电极施加电场，并且第一电光扫描器(6)和第二电光扫描器(8)所调制的相位符号相反，所述的第一电光扫描器(6)和第二电光扫描器(8)扫描方向为交轨方向，第一柱面镜(7)和第二柱面镜(9)的调制波面为顺轨方向；

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)和第一偏振分束器(4)后在空间上被偏振分解为两个等强度的偏振正交的水平偏振光束和垂直偏振光束，所述的水平偏振光束经过第一反射平板(5)后进入第一电光扫描器(6)和第一柱面镜(7)，然后达到第二偏振分束器(11)，所述的垂直偏振光束经过第二电光扫描器(8)和第二柱面镜(9)后，由第二反射平板(10)反射进入第二偏振分束器(11)，该第二偏振分束器(11)将水平偏振光束和垂直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(12)发射向目标。

2.根据权利要求1所述的M－Z型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统，其特征在于所述的发射望远镜主镜(12)的前焦面即内发射场直接由第一电光扫描器(6)和第二电光扫描器(8)对合成孔径激光成像雷达的交轨方向相位线性调制，采用第一柱面镜(7)和第二柱面镜(9)对合成孔径激光成像雷达的顺轨方向二次项相位调制，即直接在内发射场产生波面随时间变化的抛物等位线相位。

3.根据权利要求1所述的M－Z型电光扫描直视合成孔径激光成像雷达发射系统，其特征在于所述的孔径光阑(3)为方形孔径光阑。