CN103744070A - 直视合成孔径激光成像雷达单支路扫描发射装置 - Google Patents

Abstract

一种直视合成孔径激光成像雷达单支路扫描发射装置，其构成包括：半波片、相位板、偏振分束器、第一1/4波片、线性偏转扫描器、第二1/4波片、反射镜和发射望远镜主镜。本发明通过对两分离支路中的一支路线性扫描，两支路的不等距离衍射，最终实现远场目标面的一维距离分辨所需的线性项相位调制和一维孔径合成的二次项相位历程。本发明结构简单可靠、体积小、抗振动、单个扫描器实现目标位置的线性扫描。

Description

直视合成孔径激光成像雷达单支路扫描发射装置

技术领域

本发明涉及直视合成孔径激光成像雷达，是一种利用相位板衍射不同距离进行波面变换和直接线性扫描的装置，该装置的顺轨向相位波面由相位板变换后分解为正交偏振分量的两个通道，通过两通过不同距离衍射产生不同波面相位，交轨向直接对两分离支路中的一支路光束线性扫描，而后再合成为两个同轴偏振正交的扫描发射波面，最后由发射光学主镜直接成像到目标面，实现一维距离分辨所需的线性项相位调制和一维孔径合成的二次项相位历程。

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](Coherent and incoherent synthetic aperture imaging ladars and laboratory-spaceexperimental demonstrations[Invited],Applied Optics，Vol.54,579-599,2013)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通过多个柱面镜光学元件经过自由空间衍射传播的方式产生。主要存在的问题是：整个发射光束的波面变换扫描装置体积庞大，传输损失大，机载平台振动影响大；雷达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；两偏振正交的分离光路所经过的光学元件不同，使得两支路的波前相位容易造成较大的误差。

在先技术[3](刘立人，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，公开号：CN103245939A)和[4](刘立人，直视合成孔径激光成像雷达分离式波面变换扫描装置，公开号：CN103344952A)所述的直视合成孔径激光成像雷达的扫描装置，两偏振正交分离光束的所经过的器件不同，容易引起不等光程，造成较大的波前相位误差；而且器件较多，结构复杂。

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，提出一种直视合成孔径激光成像雷达单支路扫描发射装置，该装置的顺轨向相位波面由相位板变换后分解为正交偏振分量的两个通道，通过两通过不同距离衍射产生不同波面相位，交轨向直接对两分离支路中的一支路光束线性扫描，而后再合成为两个同轴偏振正交的扫描发射波面，最后由发射光学主镜直接成像到目标面，实现一维距离分辨所需的线性项相位调制和一维孔径合成的二次项相位历程。

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单支路扫描发射装置，其特点在于由半波片、相位板、偏振分束器、第一1/4波片、线性偏转扫描器、第二1/4波片、反射镜和发射望远镜主镜构成，在激光光源输出的偏振光束方向依次是所述的半波片、相位板、偏振分束器、第二1/4波片和反射镜，在所述的偏振分束器的反射光方向是所述的第一1/4波片和线性偏转扫描器，沿所述的线性偏转扫描器的反射光方向依次是所述的第一1/4波片、偏振分束器和发射望远镜主镜，所述的线性偏转扫描器位于所述的发射望远镜主镜的前焦面，所述的激光光源输出的偏振光束经所述的半波片后获得所需的45°方向的偏振光束，该偏振光束经过所述的相位板后通过偏振分束器在空间上被偏振分解为两个偏振正交的垂直偏振左通道光束和水平偏振右通道光束，所述的垂直偏振左通道光束经过第一1/4波片后进入线性偏转扫描器，然后由该扫描器反射再经过第一1/4波片到达偏振分束器，所述的水平偏振右通道光束经过第二1/4波片后由反射镜反射，然后再次进入第二1/4波片到达偏振分束器，该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(8)放大成像至目标面。

所述的线性偏转扫描器只对交轨向进行扫描。

所述的相位板是球面镜、柱面镜或非球面镜。

所述的反射镜位于所述的相位板的焦平面。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明采用单支路光束偏转线性扫描器在发射望远镜主镜的前焦面线性扫描，通过单块相位板的不同距离衍射在发射主镜前焦面产生不同曲率的二次波前相位，实施方式简单，器件少，结构简单可靠、体积小、重量轻、抗振动。

2、由于精密光学加工技术可以制作高精度的相位光学元件，本发明可以采用非球面柱面镜或球面镜实现精确的相位二次项波面，采用非平面反射扫描器实现线性扫描。

3、同一个扫描发射装置只要同时移动相位板和反射镜或者改变相位板并移动反射镜就可以轻易地改变雷达的运行性能参数，特别是其条幅比例的变化可以轻易的调节。

4、本发明两支路均经过了一个相位板、偏振分束器、1/4波片、反射镜，后由发射主镜发射至目标面，所经历的器件相同，引起的相位误差一致，在自差接收中可互相抵消。

附图说明

图1是本发明直视合成孔径激光成像雷达单支路扫描发射装置的结构图。

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为本发明直视合成孔径激光成像雷达单支路扫描发射装置结构图。由图可见，本发明直视合成孔径激光成像雷达单支路扫描发射装置由半波片1、相位板2、偏振分束器3、第一1/4波片4、线性偏转扫描器5、第二1/4波片6、反射镜7和发射望远镜主镜8构成；所述的线性偏转扫描器5位于发射望远镜主镜8的前焦面，上述部件的位置关系如下：

激光光源输出的偏振光束经过所述的半波片1后获得所需的45°方向的偏振光束，该偏振光束经过相位板2后通过偏振分束器3在空间上被偏振分解为两个偏振正交的垂直偏振左通道光束和水平偏振右通道光束，所述的垂直偏振左通道光束经过第一1/4波片4后进入线性偏转扫描器5，然后由该扫描器5反射再经过第一1/4波片4到达偏振分束器3，所述的水平偏振右通道光束经过第二1/4波片6后由反射镜7反射，然后再次进入第二1/4波片6到达偏振分束器3，该偏振分束器3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8放大成像至目标面。

所述的线性偏转扫描器5只对交轨向进行扫描，所述的相位板是球面镜、柱面镜或者非球面镜。

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向并且定义为y轴，而纸面内垂直于顺轨向的方向为交轨向并且定义为x轴；

当相位板2为柱面镜时，其调制函数为

$p(x,y)=\exp \{-\mathrm{j\π}\frac{y^2}{\mathrm{\λ}{f}_y}\}---\left(1\right)$

其中，f_y为柱面镜2的焦距，且扫描器5位于发射望远镜主镜8的前焦面上，即内发射场位置，且垂直偏振左通道光束和水平偏振右通道光束离内发射场的距离分别为

线性偏转扫描器5产生的角度偏转为θ(t)，其扫描相位函数为扫描时间宽度为T，扫描时间范围为

扫描角度宽度为Δθ，扫描距离范围为

要求扫描的反射镜宽度大于光束振幅宽度，采用菲涅耳原理，可以得到内发射场的光场

$e_V^{\mathrm{in}}(x,y)=E\frac{\exp \left\{\mathrm{jk}(f_y-R_1^{\mathrm{in}})\right\}}{\mathrm{j\λ}(f_y-R_1^{\mathrm{in}})}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \{-\mathrm{j\π}\frac{y^2}{\mathrm{\λ}{f}_y}\}\⊗\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{x^2+y^2}{f_y-R_1^{\mathrm{in}}}\right\}\×\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{x\θ}\left(t\right)\right\}---\left(2a\right)$

$e_H^{\mathrm{in}}(x,y)=E\frac{\exp \left\{\mathrm{jk}(f_y+R_1^{\mathrm{in}})\right\}}{\mathrm{j\λ}(f_y+R_1^{\mathrm{in}})}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \{-\mathrm{j\π}\frac{y^2}{\mathrm{\λ}{f}_y}\}\⊗\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{x^2+y^2}{f_y+R_2^{\mathrm{in}}}\right\}---\left(2b\right)$

上述公式近似有

$e_V^{\mathrm{in}}(x,y)=\mathrm{Crect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{f_{y}y}{R_1^{\mathrm{in}}{L}_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{x\θ}\left(t\right)\right\}\exp \{-j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{y^2}{R_1^{\mathrm{in}}}\}---\left(2a\right)$

$e_H^{\mathrm{in}}(x,y)=\mathrm{Crect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}(-\frac{f_{y}y}{R_2^{\mathrm{in}}{L}_y^{\mathrm{in}}})\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{y^2}{R_2^{\mathrm{in}}}\right\}---\left(2b\right)$

然后，该内发射场位置的光场通过发射望远镜主镜8放大发射至远场目标处，发射主镜8的焦距为F，目标面到雷达的距离为Z，发射主镜8到目标面的传播相当于夫琅禾费衍射，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

并附有空间相位二次项

因此，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：

$e_V(x,y)=\mathrm{Crecr}\left(\frac{x}{M{L}_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{f_{y}y}{M{R}_1^{\mathrm{in}}{L}_1^{\mathrm{in}}}\right)\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{x}{M}\mathrm{\θ}\left(t\right)\right\}\exp \{-j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{y^2}{M^2{R}_1^{\mathrm{in}}}\}---\left(2a\right)$

$e_H(x,y)=\mathrm{Crecr}\left(\frac{x}{M{L}_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}(-\frac{f_{y}y}{M{R}_2^{\mathrm{in}}{L}_y^{\mathrm{in}}})\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{y^2}{M^2{R}_2^{\mathrm{in}}}\right\}$

上述两偏振正交光束的相位差为

式中 $1/R_3^{\mathrm{in}}=1/R_1^{\mathrm{in}}+1/R_2^{\mathrm{in}},$ 一般设计时，采用 $R_1^{\mathrm{in}}=R_2^{\mathrm{in}},$ 这时 $R_3^{\mathrm{in}}=R_1^{\mathrm{in}}/2.$

满足直视合成孔径激光成像雷达的发射波面要求。

两偏振正交光束的内发射场的振幅为 $\mathrm{rect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{f_{y}y}{R_1^{\mathrm{in}}{L}_y^{\mathrm{in}}}\right)$ 和 $\mathrm{rect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}(-\frac{f_{y}y}{R_2^{\mathrm{in}}{L}_y^{\mathrm{in}}}),$ 当

时，两光束的振幅基本重合，且顺轨向的条幅宽度与柱面镜焦距f_y和曲率半径

有关，因此通过更换柱面镜或者移动柱面镜的位置(即产生不同内发射位置曲率半径)，均可以改变顺轨向的条幅宽度，在柱面镜焦距不变的情况下，只需同时移动柱面镜和反射镜，就可以改变顺轨向的条幅宽度，实现不同宽长条幅比的内发射光场，进而在远场也产生不同的条幅比。

当相位板2为球面镜时，其调制函数为

$p(x,y)=\exp \{-\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λ}{f}_y}\}$

其中f_y为球面镜的焦距，同理可以得到内发射场的光场为

$e_V^{\mathrm{in}}(x,y)=E\frac{\exp \left\{\mathrm{jk}(f_y-R_1^{\mathrm{in}})\right\}}{\mathrm{j\λ}(f_y-R_1^{\mathrm{in}})}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \{-\mathrm{j\π}\frac{{x^2+y}^2}{\mathrm{\λ}{f}_y}\}\⊗\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{x^2+y^2}{f_y-R_1^{\mathrm{in}}}\right\}\×\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{x\θ}\left(t\right)\right\}---\left(2a\right)$

$e_H^{\mathrm{in}}(x,y)=E\frac{\exp \left\{\mathrm{jk}(f_y+R_1^{\mathrm{in}})\right\}}{\mathrm{j\λ}(f_y+R_1^{\mathrm{in}})}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \{-\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λ}{f}_y}\}\⊗\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{x^2+y^2}{f_y+R_2^{\mathrm{in}}}\right\}---\left(2b\right)$

上述公式近似有

$e_V^{\mathrm{in}}(x,y)=\mathrm{Crect}\left(\frac{f_{y}x}{{R_1^{\mathrm{in}}L}_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{f_{y}y}{R_1^{\mathrm{in}}{L}_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{x\θ}\left(t\right)\right\}\exp \{-j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{x^2+y^2}{R_1^{\mathrm{in}}}\}---\left(2a\right)$

$e_H^{\mathrm{in}}(x,y)=\mathrm{Crect}(-\frac{f_{y}x}{{R_2^{\mathrm{in}}L}_x^{\mathrm{in}}})\mathrm{rect}(-\frac{f_{y}y}{R_2^{\mathrm{in}}{L}_y^{\mathrm{in}}})\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{{x^2+y}^2}{R_2^{\mathrm{in}}}\right\}---\left(2b\right)$

然后，该内发射场位置的光场通过发射望远镜主镜放大发射至远场目标处，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禾费衍射，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

并附有空间相位二次项

因此，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：

$e_V(x,y)=\mathrm{Crecr}\left(\frac{f_{y}x}{M{R_1^{\mathrm{in}}L}_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{f_{y}y}{M{R}_1^{\mathrm{in}}{L}_1^{\mathrm{in}}}\right)\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{x}{M}\mathrm{\θ}\left(t\right)\right\}\exp \{-j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{x^2+y^2}{M^2{R}_1^{\mathrm{in}}}\}---\left(2a\right)$

$e_H(x,y)=\mathrm{Crecr}(-\frac{f_{y}x}{M{R_2^{\mathrm{in}}L}_x^{\mathrm{in}}})\mathrm{rect}(-\frac{f_{y}y}{M{R}_2^{\mathrm{in}}{L}_y^{\mathrm{in}}})\exp \left\{j\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\frac{x^2+y^2}{M^2{R}_2^{\mathrm{in}}}\right\}$

上述两偏振正交光束的相位差为

式中 $1/R_3^{\mathrm{in}}=1/R_1^{\mathrm{in}}+1/R_2^{\mathrm{in}},$ 一般设计时，采用 $R_1^{\mathrm{in}}=R_2^{\mathrm{in}},$ 这时 $R_3^{\mathrm{in}}=R_1^{\mathrm{in}}/2.$ 其中交轨方向除了产生随时间线性变化的相位因子外，还产生了空间的二次波面相位，属于目标点的固定相位项，对成像并无影响，满足直视合成孔径激光成像雷达的发射波面要求。

成像分辨率采用相干点扩散函数最小值全宽度来表达，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，θ_max=ωT_f，T_f为扫描宽度，积分范围为kθ_max，因此交轨向的分辨率为

$d_x=\frac{2\mathrm{\λM}}{2k{\mathrm{\θ}}_{\max }}---\left(10\right)$

同理，顺轨向的分辨率为

$d_y=\frac{2\mathrm{\λ}{R}_1}{L_y}=\frac{2\mathrm{M\λ}{R}_1^{\mathrm{in}}}{L_y^{\mathrm{in}}}---\left(11\right)$

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 ${\mathrm{\θ}}_{\max }=\frac{L_y^{\mathrm{in}}}{2k{R}_1^{\mathrm{in}}},$ 当k=0.5时， ${\mathrm{\θ}}_{\max }=\frac{L_y^{\mathrm{in}}}{R_1^{\mathrm{in}}}.$

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，观察高度Z=4km，相位板2采用柱面镜，则要求激光照明有效条幅宽度为20m×10m，且分辨率为有d_x=1cm，d_y=1cm。

其中发射激光波长采用1μm，光束的振幅宽度为10mm×10mm，柱面镜的焦距为f_y=50mm，尺寸为20mm×20mm，发射望远镜主镜8的焦距设计为F=2m，线性偏转扫描器5位于发射望远镜主镜8前焦面，柱面镜2到线性偏转扫描器5的距离为l₁=25mm，到反射镜7的距离l₂=50mm，且距离放大倍数为M=2×10³，发射望远镜主镜8口径大约为450mm，目标面有效照明光斑尺寸为20m×10m，则扫描振镜的最大扫描角度θ_max=200mrad，据此，可获得我们所需的成像分辨率、有效条幅宽度，用以直视合成孔径激光成像雷达的自差接收。

Claims (4)

1.一种直视合成孔径激光成像雷达单支路扫描发射装置，其特征在于由半波片(1)、相位板(2)、偏振分束器(3)、第一1/4波片(4)、线性偏转扫描器(5)、第二1/4波片(6)、反射镜(7)和发射望远镜主镜(8)构成，在激光光源输出的偏振光束方向依次是所述的半波片(1)、相位板(2)、偏振分束器(3)、第二1/4波片(6)和反射镜(7)，在所述的偏振分束器(3)的反射光方向是所述的第一1/4波片(4)和线性偏转扫描器(5)，沿所述的线性偏转扫描器(5)的反射光方向依次是所述的第一1/4波片(4)、偏振分束器(3)和发射望远镜主镜(8)，所述的线性偏转扫描器(5)位于所述的发射望远镜主镜(8)的前焦面，所述的激光光源输出的偏振光束经所述的半波片(1)后获得所需的45°方向的偏振光束，该偏振光束经过所述的相位板(2)后通过偏振分束器(3)在空间上被偏振分解为两个偏振正交的垂直偏振左通道光束和水平偏振右通道光束，所述的垂直偏振左通道光束经过第一1/4波片(4)后进入线性偏转扫描器(5)，然后由该扫描器(5)反射再经过第一1/4波片(4)到达偏振分束器(3)，所述的水平偏振右通道光束经过第二1/4波片(6)后由反射镜(7)反射，然后再次进入第二1/4波片(6)到达偏振分束器(3)，该偏振分束器(3)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(8)放大成像至目标面。

2.根据权利要求1所述的直视合成孔径激光成像雷达单支路扫描发射装置，其特征在于所述的线性偏转扫描器(5)只对交轨向进行扫描。

3.根据权利要求1所述的直视合成孔径激光成像雷达单支路扫描发射装置，其特征在于所述的相位板(2)是球面镜、柱面镜或非球面镜。

4.根据权利要求1至3任一项所述的直视合成孔径激光成像雷达单支路扫描发射装置，其特征在于其所述的反射镜（7）位于所述的相位板(2)的焦平面。

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