CN103954954B - 直视合成孔径激光成像雷达反射式电光扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种置于激光光源和发射主镜之间的直视合成孔径激光成像雷达反射式电光扫描装置，其构成包括：半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一法拉第旋光器、第一电光扫描器、第一反射镜、第一柱面镜、第三偏振分束器、第二法拉第旋光器、第二电光扫描器、第二发射镜、第二柱面镜、第四偏振分束器。本发明能够通过反射式电光扫描器产生两倍于透射式的电光线性扫描范围，最终实现两偏振正交光束在远场目标处的抛物等位线波面相位差分布，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，体积小，重量轻，适合于机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

直视合成孔径激光成像雷达反射式电光扫描装置

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，特别是一种置于激光光源和发射主镜之间的直视合成孔径激光成像雷达反射式电光晶体扫描装置。该装置通过两路反射式电光扫描器在交轨向进行线性的电光扫描，产生交轨向目标点横向位置的线性项相位调制，通过柱面镜在顺轨向进行相位调制，产生顺轨向目标点纵向位置为中心的二次项相位历程，最终获得的偏振正交的抛物等位线相位差波面，是用以实现雷达二维平面目标成像的关键技术。

背景技术

合成孔径激光成像雷达(以下简称为SAIL)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。其成像方式主要有传统利用啁啾激光测距分辨的侧视SAIL和两光束同轴相对扫描横向分辨的直视SAIL。侧视SAIL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。而且传统的侧视SAIL中激光发射光源频率的线性调制大都采用机械调制，其调制速度受到严重的限制。

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）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，实现一维傅里叶变换聚焦成像，在顺轨向进行二次相位历程，实现共轭二次项相位匹配滤波成像。这种直视SAIL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。但先技术[1]所考虑的采用相对旋转偏转系统进行两光束的对向扫描并使光束以空间衍射传播的方式获得内发射光场波前的空间抛物波面相位差，系统体积庞大，而且是基于机械扫描的相对旋转偏转进行设计，其振动影响大，扫描速度扫描到机械转动惯量的影响，速度慢。

在先技术[2]（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）和先技术[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）所述的直视合成孔径激光成像雷达波面变换发射装置中，仍然考虑的是采用柱面镜直接在内发射场平动扫描或者利用反射振镜机械扫描，扫描精度有限、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在发射系统中存在的不足，提出一种置于激光光源和发射主镜之间的直视合成孔径激光成像雷达反射式电光扫描装置，该扫描装置采用反射式电光扫描，无机械扫描，扫描速度快，同时使光束在电光晶体经历的光程为晶体尺寸的两倍，这样可以增大电光扫描器对交轨向相位调制范围，同时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：

一种置于激光光源和发射主镜之间的直视合成孔径激光成像雷达反射式电光扫描装置，其构成包括：半波片、第一偏振分束器、第二偏振分束器、第一法拉第旋光器、第一电光扫描器、第一反射镜、第一柱面镜、第三偏振分束器、第二法拉第旋光器、第二电光扫描器、第二发射镜、第二柱面镜、第四偏振分束器。所述的第一电光扫描器和第二电光扫描器由电源控制产生线性扫描，所述的第一电光扫描器和第二电光扫描器扫描的方向相反，所述的第一电光扫描器和第二电光扫描器扫描方向为交轨向，第一柱面镜和第二柱面镜的调制波面为顺轨向。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后获得所需的45°方向的偏振光束，该偏振光束通过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，所述透射的偏振光束为水平偏振光束，反射偏振光束为垂直偏振光束，透射的水平偏振光束经过第二偏振分束器透射后依次进入第一法拉第旋光器、第一电光扫描器、第一反射镜，光路由第一反射镜反射返回重新进入第一电光扫描器、第一法拉第旋光器，这时原来的水平偏振光束偏振态旋转90°变为垂直偏振光束，该垂直偏振光束再次进入第二偏振分束器为反射光束，该反射的垂直偏振光束进入第一柱面镜，然后通过第四偏振分束器反射；所述的第一偏振分束器反射的垂直偏振光束经过第三偏振分束器反射后依次进入第二法拉第旋光器、第二电光扫描器、第二反射镜，光路由第二反射镜反射返回重新进入第二电光扫描器、第二法拉第旋光器，这时原来的垂直偏振光束偏振态旋转90°变为水平偏振光束，该水平偏振光束再次进入第三偏振分束器为透射光束，该透射的水平偏振光束进入第二柱面镜，然后通过第四偏振分束器透射，由第四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。

所述的第一电光扫描器和第二电光扫描器的电光晶体c轴沿45°方向，即与水平偏振方向和垂直偏振方向均成45°；所述的第一柱面镜和第二柱面镜的调制方向与第一、第二电光扫描器的偏转方向正交。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明采用四个偏振分束器对发射光波进行偏振分束与合束，并采用法拉第旋光器产生45°方向的偏振态，在均为45°方向偏振态的两支路上采用反射式电光扫描器对两光束交轨向波面进行线性相位调制，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，使得每路交轨向的线性调制为透射式电光扫描器的两倍，整体器件更加简单紧凑，电光调制范围更加大，降低了发射系统的复杂性，便于控制。

2、本发明采用的反射式电光扫描器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，特别适用于机载等高速运动的搭载平台。

3、采用法拉第旋光器对45°旋转，使得反射光束两次经历法拉第旋光器而产生90°偏振态旋转，使得回波从水平偏振态转为垂直偏振，或从垂直偏振态转变为水平偏振态，实现对偏振态的灵活控制，同时充分利用45°偏振下的较大电光系数，实现45°方向的交轨向光束扫描。

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电光扫描装置结构图。

图2是本发明采用的三角形电极的体结构电光扫描器。

图3为本发明采用的四曲面电极结构的电光扫描器。

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反射式电光扫描装置结构图。由图可见，本发明直视合成孔径激光成像雷达反射式电光扫描装置由半波片1、第一偏振分束器2、第二偏振分束器3、第一法拉第旋光器4、第一电光扫描器5、第一反射镜6、第一柱面镜7、第三偏振分束器8、第二法拉第旋光器9、第二电光扫描器10、第二发射镜11、第二柱面镜12和第四偏振分束器13构成。所述的第一电光扫描器5和第二电光扫描器10由电源控制产生线性扫描，所述的第一电光扫描器5和第二电光扫描器10扫描的方向相反，所述的第一电光扫描器5和第二电光扫描器10扫描方向为交轨向，第一柱面镜7和第二柱面镜12的调制波面为顺轨向。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，该偏振光束通过第一偏振分束器2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，所述透射的偏振光束为水平偏振光束，反射偏振光束为垂直偏振光束，透射的水平偏振光束经过第二偏振分束器3透射后依次进入第一法拉第旋光器4、第一电光扫描器5、第一反射镜6，光路由第一反射镜6反射返回重新进入第一电光扫描器5、第一法拉第旋光器4，这时原来的水平偏振光束偏振态旋转90°变为垂直偏振光束，该垂直偏振光束再次进入第二偏振分束器3为反射光束，该反射的垂直偏振光束进入第一柱面镜7，然后通过第四偏振分束器13反射；所述的第一偏振分束器2反射的垂直偏振光束经过第三偏振分束器8反射后依次进入第二法拉第旋光器9、第二电光扫描器10、第二反射镜11，光路由第二反射镜11反射返回重新进入第二电光扫描器10、第二法拉第旋光器9，这时原来的垂直偏振光束偏振态旋转90°变为水平偏振光束，该水平偏振光束再次进入第三偏振分束器8为透射光束，该透射的水平偏振光束进入第二柱面镜12，然后通过第四偏振分束器13透射，由第四偏振分束器13将从第二柱面镜12出射的水平偏振光束和第一柱面镜7出射的垂直偏振光束重新组合为同轴同心且偏振正交的光束。

所述的第一电光扫描器5和第二电光扫描器10的电光晶体c轴沿45°方向(与水平偏振方向和垂直偏振方向均成45°)；所述的第一柱面镜7和第二柱面镜12的调制方向与第一电光扫描器5、第二电光扫描器10的偏转方向正交。所述的第一电光扫描器5和第二电光扫描器10扫描方向为交轨向，设为x方向，第一柱面镜7和第二柱面镜12的调制波面为顺轨向，设为y方向。

激光光源出射的激光经过半波片1后产生45°偏振的偏振光束，该偏振光束被第一偏振分束器2分束为水平偏振光束和垂直偏振光束，其中水平偏振光束进入第二偏振分束器3后透射进入第一法拉第旋光器4，第一法拉第旋光器4使得水平偏振光束旋转45°产生45°的线偏振光，该线偏振光进入第一电光扫描器5和第一反射镜6反射后再次进入第一电光扫描器5，保证了两次经过第一电光扫描器的偏振态一致，且两次经过第一电光扫描器5产生了2θ的扫描角度（经过一次产生θ角度），然后该45°的线偏振光再次经过第一法拉第旋光器4，其偏振态继续旋转45°变为垂直偏振光，经过第二偏振分束器3反射进入第一柱面镜7，设第一电光扫描器5到第一柱面镜7的光路距离为l，则该垂直偏振光束在第一柱面镜7位置的光场为：

$e_V^{\mathrm{in}}(x,y)=\mathrm{Crect}\left(\frac{x+2\mathrm{l\θ}}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right[x\·2\mathrm{\θ}+\frac{y^2}{2f_1}\left]\right\}$

该位置为直视合成孔径激光成像雷达发射的内发射场，其中，为入射光束的振幅宽度，f₁为第一柱面镜7的焦距。

由第一偏振分束器2反射的垂直偏振光束经过第三偏振分束器8反射后进入第二法拉第旋光器9，其垂直偏振光的偏振态旋转45°后进入第二电光扫描器10和第二反射镜11反射，反射光束再次进入第二电光扫描器10，保证了光束两次经历电光扫描器的偏振态一致，且第二电光扫描器10的扫描角度与第一电光扫描器5的扫描角相反，即两次经过第二电光扫描器10产生了-2θ的扫描角度，然后该45°的线偏振光再次经过第二法拉第旋光器9，其偏振态继续旋转45°变为水平偏振光，经过第三偏振分束器8透射进入第二柱面镜12，设第二电光扫描器10到第二柱面镜12的光路距离也为l，则该水平偏振光束在第二柱面镜12位置的光场为：

$e_H^{\mathrm{in}}(x,y)=\mathrm{Crect}\left(\frac{x-2\mathrm{l\θ}}{L_x^{\mathrm{in}}}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{L_y^{\mathrm{in}}}\right)\exp \left\{j\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\right[-x\·2\mathrm{\θ}+\frac{y^2}{2f_2}\left]\right\}$

该位置同样为直视合成孔径激光成像雷达发射的内发射场，其中，为入射光束的振幅宽度，f₂为第二柱面镜12的焦距。

后从第一柱面镜7透射的垂直偏振光束经过第四偏振分束器13反射后，与由第二柱面镜12和第四偏振分束器13透射的水平偏振光束重新合束为同轴同心偏振正交的光束，由发射望远镜主镜发射至远场目标处，其中内发射场位置位于发射望远镜主镜的后焦面，设发射望远镜主镜的焦距为F，发射望远镜主镜距远场目标的距离为Z，其远场满足夫琅禾费衍射距离，则在远场目标处的光场为内发射场的放大光场，其放大倍数是M=(Z-F)/F。这时在目标面上形成的两偏振正交偏振照明波前为：

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

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

式中，R₁=M²f₁，R₂=M²f₂，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。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：

式中，1/R₃=1/R₂+1/R₁，一般设计时采用R₂=R₁。其中电光扫描器可以采用体结构上镀三角形电极产生线性相位，也可以采用四曲面电极结构的电光偏转器，如图2所示为采用三角形电极的体结构电光扫描器，图3为四曲面电极结构的电光扫描器，对于图2所示的电光扫描器，其单次经过扫描器的偏转角度θ可以写为

$\mathrm{\θ}=\frac{L}{D}{n}_0^3\mathrm{\γ}\frac{U}{h}$

其四曲面电极结构电光扫描器的角度在通光口径内角度一样，其中L为电光晶体的长度，D为通光口径，h为施加电场方向的晶体厚度，n₀为未加电场的晶体折射率，U为施加的电压。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。

直视合成孔径激光成像雷达的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-8kMlθ_max，积分范围为2kθ_max，因此交轨向的分辨率为：

$d_x=\frac{\mathrm{\λM}}{8k{\mathrm{\θ}}_{\max }}$

同理，顺轨向的分辨率为：

$d_y=\frac{\mathrm{\λ}{R}_3}{L_y}=\frac{\mathrm{M\λ}{R}_3^{\mathrm{in}}}{L_y^{\mathrm{in}}}$

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 ${\mathrm{\θ}}_{\max }=\frac{L_y^{\mathrm{in}}}{8k{R}_3^{\mathrm{in}}},$ 当k=0.5时， ${\mathrm{\θ}}_{\max }=\frac{L_y^{\mathrm{in}}}{4R_3^{\mathrm{in}}}.$

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=2km，要求激光照明有效条幅宽度为8m×10m，且分辨率最小值半宽度为有d_x=80mm，d_y=80mm。其中发射激光波长采用1μm，第一电光扫描器5和第二电光扫描器10均采用LiNbO₃晶体，他们的尺寸均为5mm×5mm×50mm(宽×高×长)，通光口径为5mm×5mm，第一电光扫描器5和第二电光扫描器10均采用体结构上施加4个三角形电极，如图2中的第一种情况，在采用e偏振光对电光晶体调制时，其折射率n_e为2.203，电光系数γ₃₃为30.8pV/m，当施加的最大电压为4783V，因此其可获得的最大线性调制角度为θ_max=0.0063rad，发射望远镜主镜的焦距设计为F=1m，因此距离放大倍数为M=2×10³，在电光扫描器与柱面镜的距离l为40mm时，目标面有效照明光斑尺寸为8m×10m。第一电光扫描器5和第二电光扫描器10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=80mm，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12的焦距为f₁=396mm，f₂=-396mm。据此，可获得我们所需的成像分辨率、有效条幅宽度与电光调制的抛物等位相差，用以直视合成孔径激光成像雷达的自差接收。

Claims (2)

1.一种直视合成孔径激光成像雷达反射式电光扫描装置，其特征包括半波片(1)、第一偏振分束器(2)、第二偏振分束器(3)、第一法拉第旋光器(4)、第一电光扫描器(5)、第一反射镜(6)、第一柱面镜(7)、第三偏振分束器(8)、第二法拉第旋光器(9)、第二电光扫描器(10)、第二反射镜(11)、第二柱面镜(12)、第四偏振分束器(13)，所述的第一电光扫描器(5)和第二电光扫描器(10)由电源控制产生线性扫描，所述的第一电光扫描器(5)和第二电光扫描器(10)扫描的方向相反，所述的第一电光扫描器(5)和第二电光扫描器(10)扫描方向为交轨向，第一柱面镜(7)和第二柱面镜(12)的调制波面为顺轨向，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，该偏振光束通过第一偏振分束器(2)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1和垂直偏振光束1，透射的偏振光束为水平偏振光束1，反射的偏振光束为垂直偏振光束1，透射的水平偏振光束1经过第二偏振分束器(3)透射后依次进入第一法拉第旋光器(4)、第一电光扫描器(5)、第一反射镜(6)，光路由第一反射镜(6)反射返回重新进入第一电光扫描器(5)、第一法拉第旋光器(4)，这时原来的水平偏振光束1偏振态旋转90°变为垂直偏振光束2，该垂直偏振光束2再次进入第二偏振分束器(3)为反射光束，该反射的垂直偏振光束2进入第一柱面镜(7)，然后通过第四偏振分束器(13)反射；所述的第一偏振分束器(2)反射的垂直偏振光束1经过第三偏振分束器(8)反射后依次进入第二法拉第旋光器(9)、第二电光扫描器(10)、第二反射镜(11)，光路由第二反射镜(11)反射返回重新进入第二电光扫描器(10)、第二法拉第旋光器(9)，这时原来的垂直偏振光束1偏振态旋转90°变为水平偏振光束2，该水平偏振光束2再次进入第三偏振分束器(8)为透射光束，该透射的水平偏振光束2进入第二柱面镜(12)，然后通过第四偏振分束器(13)透射，由第四偏振分束器(13)将从第二柱面镜(12)出射的水平偏振光束2和第一柱面镜(7)出射的垂直偏振光束2重新组合为同轴同心且偏振正交的光束；

所述的第一电光扫描器(5)和第二电光扫描器(10)的电光晶体c轴沿45°方向与水平偏振方向和垂直偏振方向均成45°；所述的第一柱面镜(7)和第二柱面镜(12)的调制方向与第一电光扫描器(5)、第二电光扫描器(10)的偏转方向正交；所述的第一法拉第旋光器(4)和第二法拉第旋光器(9)使得偏振光的偏振态旋转45°。

2.根据权利要求1所述的直视合成孔径激光成像雷达反射式电光扫描装置，其特征在于内发射场位于第一柱面镜(7)和第二柱面镜(12)位置，所述的第一电光扫描器(5)和第二电光扫描器(10)对直视合成孔径激光成像雷达的交轨向产生线性调制，所述的第一柱面镜(7)和第二柱面镜(12)对直视合成孔径激光成像雷达的顺轨方向二次相位调制。