CN103954955A - 合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，包括发射光学天线和接收光学天线，发射光学天线的发射光束经由反射镜与接收光学天线同光轴，望远镜系统后焦面处设有光调制器。本发明以合成孔径和外差接收技术为基础，发射天线与接收天线设计为一体结构，同轴收发，结构更紧促简单、更紧促牢靠，发射和接收更容易匹配，失配角要求变低，利用光调制器实时消除接收信号二次项相位影响，保证接收到较高的信噪比和较大的接收视场，实现合成孔径宽幅成像。

Description

合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线

技术领域

本发明属于合成孔径激光成像雷达技术领域，尤其涉及一种合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线。

背景技术

合成孔径激光成像雷达(SAIL)原理来源于微波合成孔径雷达，是能够在远距离实现厘米量级分辨率的唯一光学成像手段。但激光波长比微波波长小3－6个数量级，因此其信号发射和接收又具有了光学领域的新要求。合成孔径激光成像雷达方位向分辨率主要取决于光学发射天线的有效口径，并且与天线口径直径成正比，因此为了获得大的光学足趾和高的分辨率，发射天线口径一般较小；为了获得较高的回波信号强度及外差信号信噪比，要求外差接收的视场与激光发射的发散视场相同，且外差接收天线口径越大越好(参见[1]R.L.Lucke,L.J.Rickard,M.Bashkansky,J.Reintjes,E.E.Funk.Synthetic aperture ladar(SAL)-Fundamentaltheory,Design equations for a satellite system,and Laboratory demonstration2002,Naval Research Laboratory report NRL/FR/7218-02-10；[2]刘立人.合成孔径激光成像雷达(Ⅲ):双向环路发射接收望远镜[J].光学学报,2008,28(7),1405-1410.)。然而由于大口径加工工艺限制，接收口径总是有限，所能够接收到的目标回波信号很小，大的接收口径同时又带来接收视场降低，这将严重影响信号探测难度和雷达系统性能(参见[3]Steven M.Beck,Joseph R.Buck,Walter F.Buelletal..Synthetic-aperture imaging laser radar:laboratory demonstration and signalprocessing[J].Appl.Opt.,2005,44(35):7621-7629.)

先前技术[4](A.E.Siegman.The antenna properties of optical heterodynereceivers[J].Pro.IEEE,1966,54(10):1350-1356)曾给出了光学外差接收的天线理论：天线接收立体角和接收口径的有效面积乘积近似等于波长的平方，因此理论上接收视场和有效接收孔径总是此消彼长的关系。对于合成孔径激光成像雷达，先前技术[5](闫爱民，刘立人，周煜，孙建锋.通用的合成孔径激光成像雷达光学天线，实用新型专利，申请号：200920066851.0)提出了一种通用的合成孔径激光成像雷达光学天线结构，但是该装置发射望远镜和接收望远镜通过一个公用的主望远镜集装在一起，必须发射接收分时进行，且最大视场角仅由光学天线口径的衍射极限决定，视场有限。先前技术[6](刘立人.合成孔径激光成像雷达的透镜焦面阵列外差接收光学天线，发明专利，申请号：200910056646.0)提出采用透镜焦面处平衡阵列探测器实现宽幅多通道信号接收成像，可以突破文献[4]所述的光学外差接收天线理论的限制，获得较大接收视场；但是没有考虑消除回波信号的二次相位的影响，透镜口径尺寸依旧无法做到很大，且无法调整本振光斑、信号光光斑和阵列探测器单元的相对面积关系，接收的信号光强度利用率有限，最终成像信噪比较低；方案中实施例所提及的卡塞格伦望远系统，次镜是抛物面形反射镜，彗差很大，可用视场较小，实际应用中会限制阵列探测的有效视场，不适合大视场合成孔径激光成像雷达应用。

发明内容

发明目的：本发明旨在提供一种实时消除接收信号二次项相位影响、实现高质量合成孔径成像的合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线。

技术方案：一种合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，包括发射光学天线，包括光源、沿光源光路设置的发射天线孔径光阑和反射镜；

接收光学天线，包括目标回波、沿目标回波入射方向依次设有的接收天线孔径光阑、望远镜系统、会聚透镜、合束镜及平衡阵列探测系统；

发射光学天线的发射光束经由反射镜与接收光学天线同光轴，望远镜系统后焦面处设有光调制器。经过调制的本振光参考光与经过光调制器相位补偿后的会聚光于合束镜混频合束，由位于所述的会聚透镜后焦面处的平衡阵列探测系统外差接收。

所述光调制器为相位型液晶空间光调制器。

所述相位型液晶空间光调制器的调制信号的表达式为：

$I_0\exp (-\mathrm{j\π}{M}^2\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λz}})$

式中I₀为相应的常数项，z为目标面到接收望远镜入瞳的空间距离，由高度计实时测量或本振光延时换算获得。相位型空间光调制器发出的调制信号可以进行对回波信号的二次相位补偿。

所述会聚透镜的前焦面处设有会聚透镜光阑，会聚透镜光阑紧贴在所述光调制器上。

所述会聚透镜光阑、发射天线孔径光阑及接收天线孔径光阑同时为方形孔径或圆形孔径。所述会聚透镜光阑设有孔径尺寸调节机构。

所述平衡阵列探测系统包括波片、偏振分光棱镜、第一光电探测阵列、第二光电探测阵列、加法器和平衡接收阵列电路，波片为λ/2或λ/4波片，波片设置在偏振分光棱镜之前，第一光电探测阵列和第二光电探测阵列位于所述会聚透镜的后焦面处；加法器的输入端分别与所述的第一光电探测阵列和第二光电探测阵列的输出端相连；加法器的输出端与平衡接收阵列电路的输入端相连。

所述望远镜系统包括接收望远镜物镜主镜、接收望远镜物镜次镜、接收望远镜目镜，所述接收天线孔径光阑位于接收望远镜物镜主镜的前焦面处；接收望远镜物镜主镜的凹反射面与接收望远镜物镜次镜的凹反射面相对，接收望远镜物镜主镜的焦点和接收望远镜物镜次镜的前焦点重合，接收望远镜目镜的前焦点和接收望远镜物镜次镜的后焦点重合。接收光学天线采用的望远镜系统，加工工艺简单，能够实现比透镜口径大的多接收口径，接收到更多信号功率；且系统相差变形小，双凹的反射面结构具有比凹凸反射面结构大的多的可用视场，易于实现合成孔径激光成像雷达的大口径探测。所述接收望远镜物镜主镜为抛物面反射镜，所述接收望远镜物镜次镜为椭球面反射镜。

所述发射光学天线还包括用于隔离目标回波信号对光源干扰的光隔离系统，光隔离系统位于所述发射天线孔径光阑之前。采用光学隔离器或相应的偏振片及波片构成的光隔离系统消除了回波信号对激光源的影响，保证了系统收发的可行性。

工作原理：本发明所述的合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线以合成孔径和外差接收技术为基础，利用光调制器实时消除接收信号二次项相位影响，通过平衡阵列探测技术和可调的会聚透镜光阑，可以实现比普通的开普勒望远镜直接接收及光学天线口径衍射所决定的视场大得多的接收视场，且可以极大的抑制背景噪声和本振光噪声的影响，获得较高外差效率，保证接收到的信噪比。由于望远镜系统没有色差，且容易实现大口径加工，因此可以减小雷达所需要的频率啁啾信号的影响，增加接收到的信号光能量，结构上容易与相对较小口径的发射光学天线构成一个同轴的合成孔径激光成像雷达收发光学天线，实现高质量的合成孔径成像。

有益效果：本发明所述的合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，其中发射天线与接收天线设计为一体结构，同轴收发，结构更紧促简单、更紧促牢靠，发射和接收更容易匹配，失配角要求变低，采用光调制器可以实时消除接收信号波面二次位相差的影响，对应的调制信号简单易控。接收天线口径可远远大于发射天线口径，增加了接收到的信号功率。会聚透镜和平衡阵列探测器技术的使用，可以极大的抑制背景噪声和本振光噪声的影响，保证接收到较高的信噪比和较大的接收视场，实现合成孔径宽幅成像。

附图说明

图1是本发明的示意图；

图2是本发明中平衡阵列探测系统示意图；

图3是本发明中透镜焦面阵列外差探测与传统的透镜焦面面探测器外差探测的对比图示。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的一种合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，包括同轴的发射光学天线和接收光学天线，发射光学天线构成依次为光源1、光学隔离器2、发射天线孔径光阑3和反射镜4，接收光学天线构成依次为目标回波5、接收天线孔径光阑6、接收望远镜物镜主镜7、接收望远镜物镜次镜8、接收望远镜物镜主焦点9、接收望远镜目镜10、相位型液晶空间光调制器11、液晶空间光调制器调制信号12、会聚透镜光阑13、会聚透镜14、本振光参考光16、合束镜15及平衡阵列探测系统17。所述的发射天线中光学隔离器2用于隔离回波信号5对光源的干扰2接收望远镜物镜主镜7的焦点和接收望远镜物镜次镜8的椭球前焦点重合；所述的接收望远镜目镜10的前焦点和接收望远镜物镜次镜8的椭球后焦点重合，与所述的接收望远镜物镜主镜7一同构成望远镜系统。所述的空间光液晶调制器调制信号12用于控制相位型液晶空间光调制器11的相位分布，进行对回波信号的二次相位补偿。所述的相位型液晶空间光调制器11位于接收望远镜目镜10的后焦面处，且同时位于会聚透镜14的前焦面处；所述会聚透镜光阑13位于会聚透镜14的前焦面处，仅贴着相位型液晶空间光调制器11；所述的合束镜15位于会聚透镜14后的一倍焦距之内，经过调制的本振光16与经过相位型液晶空间光调制器11相位补偿后的会聚光于合束镜15混频合束，由位于所述的会聚透镜14后焦面处的平衡阵列探测系统17外差接收。

如图2所示，平衡阵列探测系统17依次由波片171、偏振分光棱镜172、第一光电探测阵列173、第二光电探测阵列174、加法器175和平衡接收阵列电路176构成。所述的波片171为λ/2和λ/4波片；所述的第一光电探测阵列173和第二光电探测阵列174结构及性能相同，位于所述的会聚透镜13的后焦面处；所述的加法器175的输入端分别与所述的第一光电探测阵列173和第二光电探测阵列174的输出端相连；所述的加法器175的输处端与所述的平衡接收阵列电路176的输入端相连，平衡接收阵列电路176输出光路177。

相位型液晶空间光调制器11进行回波信号的二次相位补偿，空间光液晶调制器调制信号12的表达式可简化为：

$I_0\exp (-\mathrm{j\π}{M}^2\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λz}})$

式中I₀为相应的常数项，z为目标面到接收望远镜入瞳的空间距离，实际中由高度计实时测量或本振光延时换算获得。

对于发射天线孔径光阑3，方形孔径仅限制了目标面的光学足趾为方形，圆形孔径决定了圆形的光学足趾。对于接收天线孔径光阑6，当孔径为方形时，通过望远镜系统之后，出瞳处的等效孔径函数表示为：

${P_r}^{\′}(x,y)=\mathrm{rect}(-\frac{\mathrm{Mx}}{L_{r,x}})\mathrm{rect}(-\frac{\mathrm{My}}{L_{r,y}}).$

式中L_r,x，L_r,y分别表示光阑两个方向的边长，M表示接收望远镜的放大倍数。

当接收望远镜入瞳为圆形孔径时，设孔径直径为D_r，通过望远镜之后，出瞳处的等效孔径函数表示为：

${{\stackrel{\‾}{P}}_r}^{\′}(x,y)=\mathrm{cyl}(-\frac{M\sqrt{x^2+y^2}}{D_r}),$

因此，对于理想的望远镜结构，望远镜仅起到波面扩束或缩束作用，本身不会带来相位差及波面畸变，方形孔径和圆形孔径处理方法相同，区别是方形孔径是在直角坐标系中计算，光场为方形分布，距离向和方位向数据分离变量处理，圆形孔径需变换到极坐标系中计算，光场为圆形光斑分布。

会聚透镜14的焦距为f₃，平衡阵列探测系统17位于该会聚透镜14的后焦面，则平衡阵列探测系统17表面的光场和会聚透镜14前焦面处的光场为准确的傅里叶变换关系，当会聚透镜光阑13为方形孔径时，边长分别为L_f,x，L_f,y，则会聚透镜14后焦面光学脉冲响应为：

$e_r(x,y)=\frac{L_{f,x}{L}_{f,y}}{\mathrm{j\λ}{f}_3}\·\frac{\sin \left(\mathrm{\π}\frac{L_{f,x}}{\mathrm{\λ}{f}_3}x\right)}{\mathrm{\π}\frac{L_{f,x}}{\mathrm{\λ}{f}_3}x}\·\frac{\sin \left(\mathrm{\π}\frac{L_{f,y}}{\mathrm{\λ}{f}_3}y\right)}{\mathrm{\π}\frac{L_{f,y}}{\mathrm{\λ}{f}_3}y}$

相应的光斑宽度为：

${\mathrm{\Δl}}_{f,x}=\frac{2\mathrm{\λ}{f}_3}{L_{f,x}},$

${\mathrm{\Δl}}_{f,y}=\frac{2\mathrm{\λ}{f}_3}{L_{f,y}}.$

当会聚透镜光阑13为圆形孔径时，设其直径为D_f,r，则有光学脉冲响应为：

${\stackrel{\‾}{e}}_r(x,y)=\frac{{\mathrm{\πD}}_{f,r}}{4\·\mathrm{j\λ}{f}_3}\·\frac{{2J}_1\left(\mathrm{\π}{D}_{f,r}\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{{\mathrm{\λf}}_3}\right)}{\mathrm{\π}{D}_{f,r}\frac{\sqrt{x^2+y^2}}{\mathrm{\λ}{f}_3}},$

相应的光斑宽度为：

$\mathrm{\Δ}{d}_{f,x}=3.44\frac{\mathrm{\λ}{f}_3}{D_{f,x}}.$

可以看到，探测器表面信号光斑的宽度与会聚透镜光阑13的孔径直径成反比，与会聚透镜14的焦距成正比，通过调节会聚透镜14孔径尺寸，即可控制信号光斑的宽度，保证信号光斑和探测器尺寸的匹配。

以下分析中，发射天线孔径光阑3、接收天线孔径光阑6、会聚透镜光阑13均以方形孔径分析，结论同样适用于圆形孔径。

所述的接收望远镜天线物镜的焦距为f_r，接收望远镜目镜10的焦距为f₂，接收望远镜天线的放大倍数为M=f_r/f₂。假设第n个目标分辨单元中心坐标为(x_n，y_n)，目标反射的回波信号经过空间z的传播距离入射到接收望远镜入瞳处，经过望远镜后出瞳处的光场e_n(x，y：t)为：

式中P(x，y)为入瞳处的孔径函数，E_n为望远镜出瞳处的振幅，为对应的时间相位项。式中第二个指数项为光束空间衍射的附加项，它会影响最终成像的分辨率，引起像点弥散，对于合成孔径激光成像雷达，雷达和目标之间的距离z一般会实时变换，之前依靠添加相位板或望远镜离焦方案很难实现实时消除该二次相位的影响。此处在望远镜出瞳处引进相位型空间光液晶调制器，通过控制液晶调制器的调制信号，可以实时消除该二次相位项的影响，对应的液晶调制器调制信号为：

$I_0\exp (-\mathrm{j\π}{M}^2\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λz}}),$

实际中只需根据高度计或本振光延时换算来实时更新调制信号的距离信息z即可。经过所述相位型空间光液晶调制器补偿和透镜会聚之后，被偏振分光棱镜分束后的两路光路在后焦面上的分布为:

此时第n个目标分辨单元入射到阵列光电探测器对应的阵列单元上，像点的中心位置处于：

$x=\frac{f_3{x}_n}{z}$

$y=\frac{f_3{y}_n}{z}.$

考虑平衡阵列探测单元组合进行接收，则第k个接收单元组合的对应中心坐标为(x_k，y_k)。若光学外差等效的本振信号为对应的每一探测器上的光场为:

合成孔径激光成像雷达一般本振光远强于信号光，考虑平衡探测技术及探测器的光强相应特性，对应的第k个平衡接收探测单元输出的中频信号为：

式中ΔS_k为每一个探测阵列对应单元的光敏面积，S为每一个阵列探测器总面积，α为阵列探测的响应度。

则平衡探测阵列上所有K个探测器组合的接收信号为：

若假设目标点和阵列探测单元有如下对应关系：

$\frac{f_3{x}_n}{z}=-x_k,\frac{f_3{y}_n}{z}=-y_k,$

最终全部平衡探测器组合输出的信号功率为合成孔径激光成像雷达光学足

趾内的所有N个目标单元的回波信号的叠加：

其中光学足趾为发射天线和接收天线在目标面共同覆盖的视场区域。

外差探测中，一般认为当探测器光敏面积小于等于接收信号光的主瓣宽度时，才能有比较高的外差混频效率，对于阵列探测也不例外。假设会聚透镜光阑为方形时，边长分别为L_f，x，L_f，y，则主瓣宽度为而面积为L_d，x×L_d，y？、阵列单元数为K_x×K_y的阵列探测器光敏面内信号光主瓣数最多无重叠为阵列探测器阵列数K最小值为阵列单元只占一个信号光主瓣，最大值为目标分辨单元数，即：

$\frac{L_{d,x}{L}_{f,x}}{2\mathrm{\λ}{f}_3}\left(\frac{L_{d,y}{L}_{f,y}}{2\mathrm{\λ}{f}_3}\right)\≤K_x\left(K_y\right)\≤N_x\left(N_y\right),$

式中N_x、N_y分别为目标面在距离向和方位向的目标分辨单元数。

如图3所示，可见信号光21和本振光24于合束器25混频合束，由探测器26外差接收，探测器261为阵列探测器组合，探测器262为传统的面探测器。若采用单个面探测器262接收信号，为了对信号光能量有较高利用率，定义光斑为接收信号艾里斑主瓣的全宽度，一般情况下探测器的面积总是大于等于回波信号的光斑大小。假设探测器面积为A_d，信号光斑尺寸为S_d，两者的面积比例系数为：K_d＝A_d/S_d。接收的信号光场和本振光场分别为E_r和Elo，相应的光功率P_r＝|E_r|²S_d/2＝|E_r|²A_d/2K_d和P_lo＝|E_lo|²A_d/2；由于本振光强远大于信号光强，外差接收的直流信号主要为本振光功率P_DC＝P_lo，相应的交流信号表示为 $P_{\mathrm{AC}}=\left|E_{\mathrm{lo}}\right|\left|E_r\right|S_d=2\sqrt{P_{\mathrm{lo}}{P}_r}/\sqrt{K_d}.$

散弹噪声主要来源于直流信号光子数的随机涨落，则均方根散弹噪声功率估计值为P_σ＝(hνP_lo/2τ_pul)^1/2，式中τ_pul为激光信号的脉冲持续时间。假设回波信号光功率对应于均方根散弹噪声功率有信噪比S_shot，那么P_r=S_shotP_σ，因此

$\sqrt{P_{\mathrm{lo}}}=\sqrt{{2\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pul}}/\mathrm{hv}}{P}_r/S_{\mathrm{shol}}.$

将本振光功率表达式带入，相应的交流信号可改为：

$P_{\mathrm{AC}}=2\sqrt{{2\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pul}}/\mathrm{hv}}{P}_r\sqrt{P_r}/\left(S_{\mathrm{shot}}\sqrt{K_d}\right).$

实际上，光电转换过程中探测器及后继放大电路也会引入相应的噪声项，可统一等效为探测器噪声P_n，由于该噪声项的限制，可定义一个最小可探测功率来表征系统对信号光的探测能力。假设信号交流部分对应于探测器噪声P_n有信噪比S_noise，那么

P_AC＝S_noiseP_n。

由上面两式得到单个面探测器可探测回波信号功率

$P_r={\left(\frac{\mathrm{hv}}{{2\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pul}}}\right)}^{1/3}{K}_d^{1/3}{\left(S_{\mathrm{noise}}{S}_{\mathrm{shot}}\right)}^{2/3}{\left(\frac{P_n}{2}\right)}^{2/3},$

转换到接收望远镜入瞳面，所期望的接收光强表示为：

$I_r={\left(\frac{\mathrm{hv}}{{2\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pul}}}\right)}^{1/3}{K}_d^{1/3}{\left(S_{\mathrm{noise}}{S}_{\mathrm{shot}}\right)}^{2/3}{\left(\frac{P_n}{2}\right)}^{2/3}\frac{2}{D^z},$

式中D为接收望远镜接收孔径光阑尺寸，实际中可以通过调节会聚透镜光阑大小来改变K_d的值，在可控范围内间接改变接收望远镜的探测能力，实现信号光斑、本振光斑和探测器光敏面的匹配。

对于261阵列探测器组合而言，若阵单元数为K，探测器总面积依然为A_d，则单个探测单元面积与信号光斑面积比例系数为K_d=A_d/(KS_d)。实际中阵列探测器接收应用时，本振光一般完全覆盖探测器全部光敏面，此时整个探测器的等效噪声功率因此阵列探测器单个探测单元可探测的回波信号光强

$P_r^1={\left(\frac{\mathrm{hv}}{{2\mathrm{\τ}}_{\mathrm{pul}}}\right)}^{1/3}{K}_d^{1/3}{K}^{2/3}{\left(S_{\mathrm{noise}}{S}_{\mathrm{shot}}\right)}^{2/3}{\left(\frac{P_n^1}{2}\right)}^{2/3}.$

同理转换到接收望远镜入瞳面，所期望的接收光强表示为：

$I_r^1=\frac{I_r}{K^{1/3}}.$

由上面分析可知，对于相同面积探测器和接收望远镜，阵列探测器接收有更高的探测能力，对目标面回波的期望光强要求更低，仅为面探测器接收结构期望光强的1/K^1/3倍。

考虑到透镜焦面接收结构及接收望远镜天线对视场角的缩小关系，所述两种探测器结构决定的实际视场角均为：

${\mathrm{\θ}}_r=\frac{L_d}{{\mathrm{Mf}}_3},$

式中L_d为方形探测器的边长。

考虑单个面探测器的接收结构接收到的交流功率为P_AC,统一等效的探测器噪声为P_n，则系统信噪比为：

$S_{\mathrm{NR}}=\frac{P_{\mathrm{AC}}}{P_n}=\frac{2\sqrt{P_{\mathrm{lo}}{P}_r}}{\sqrt{K_d}{P}_n}.$

而阵列探测器接收结构接收到的交流功率为探测器的总等效噪声实际为则此时系统信噪比表示为：

$S_{\mathrm{NR}}^1=\frac{P_{\mathrm{AC}}^1}{P_n^1}=\sqrt{K}{S}_{\mathrm{NR}}.$

明显看到，阵列接收结构具有更高信噪比，且信噪比理论上随着阵列单元数量的增大而增高。因此本发明所采用的平衡阵列探测技术具有比传统的面探测器结构更优良的探测性能，更适合于合成孔径激光成像雷达这种微弱信号探测系统。

下面以具体设计参数来验证本发明：一种机载合成孔径激光成像雷达的分辨率要求为20mm，成像观察距离为1000km，激光信号波长为1.55um。系统参数具体为：发射天线孔径光阑为50×50mm，目标处于夫琅禾费衍射区，相应的合成孔径天线长度为31m，对应的目标分辨单元数最少为1550。为了接收到更多回波信号能量，接收天线望远镜口径1m甚至更大，设计接收望远镜放大倍数M＝25，会聚透镜口径10mm，焦距为150mm，则会聚透镜后焦面光斑主瓣宽度为46.5×46.5um；若阵列探测器光敏面为方形，总面积为3×3mm，阵列探测器探测单元尺寸最大为46.5um，相应的阵列探测器阵列数量最小为K_x(K_y)＝65，目标分辨单元采样数取为N_x(N_y)＝2000。对应的接收视场角为0.80um，理想情况下比透镜焦面面探测器探测能力提高4倍，信噪比增加8倍以上。本发明以合成孔径和外差接收技术为基础，利用液晶空间光调制器实时消除接收信号二次项相位影响，通过平衡阵列探测技术和可调的会聚透镜光阑，可以实现比普通的开普勒望远镜直接接收及光学天线口径衍射所决定的视场大得多的接收视场，且可以极大的抑制背景噪声和本振光噪声的影响，获得较高外差效率，保证接收到的信噪比。由于反射镜系统没有色差，且容易实现大口径加工，因此可以减小雷达所需要的频率啁啾信号的影响，增加接收到的信号光能量，结构上容易与相对较小口径的发射光学天线构成一个同轴的合成孔径激光成像雷达收发光学天线，实现高质量的合成孔径成像。另外，格里高里接收望远镜天线与相对较小口径的发射光学天线构成了一个合成孔径激光成像雷达同轴发射接收光学天线。

Claims (10)

1.一种合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，包括：

发射光学天线，包括光源、沿光源光路设置的发射天线孔径光阑和反射镜；

接收光学天线，包括目标回波、沿目标回波入射方向依次设有的接收天线孔径光阑、望远镜系统、会聚透镜、合束镜及平衡阵列探测系统；

其特征在于，发射光学天线的发射光束经由反射镜与接收光学天线同光轴，望远镜系统后焦面处设有光调制器。

2.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，其特征在于，所述光调制器为相位型液晶空间光调制器。

3.根据权利要求2所述的合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，其特征在于，所述相位型液晶空间光调制器的调制信号的表达式为：

$I_0\exp (-\mathrm{j\π}{M}^2\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λz}})$

式中I₀为相应的常数项，z为目标面到接收望远镜入瞳的空间距离，由高度计实时测量或本振光延时换算获得。

4.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，其特征在于，所述会聚透镜的前焦面处设有会聚透镜光阑，会聚透镜光阑紧贴在所述光调制器上。

5.根据权利要求4所述的合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，其特征在于，所述会聚透镜光阑、发射天线孔径光阑及接收天线孔径光阑同时为方形孔径或圆形孔径。

6.根据权利要求5所述的合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，其特征在于，所述会聚透镜光阑设有孔径尺寸调节机构。

7.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，其特征在于，所述平衡阵列探测系统包括波片、偏振分光棱镜、第一光电探测阵列、第二光电探测阵列、加法器和平衡接收阵列电路，波片为λ/2或λ/4波片，波片设置在偏振分光棱镜之前，第一光电探测阵列和第二光电探测阵列位于所述会聚透镜的后焦面处；加法器的输入端分别与所述的第一光电探测阵列和第二光电探测阵列的输出端相连；加法器的输出端与平衡接收阵列电路的输入端相连。

8.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，其特征在于，所述望远镜系统包括接收望远镜物镜主镜、接收望远镜物镜次镜、接收望远镜目镜，所述接收天线孔径光阑位于接收望远镜物镜主镜的前焦面处；接收望远镜物镜主镜的凹反射面与接收望远镜物镜次镜的凹反射面相对，接收望远镜物镜主镜的焦点和接收望远镜物镜次镜的前焦点重合，接收望远镜目镜的前焦点和接收望远镜物镜次镜的后焦点重合。

9.根据权利要求8所述的合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，其特征在于，所述接收望远镜物镜主镜为抛物面反射镜，所述接收望远镜物镜次镜为椭球面反射镜。

10.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达收发同轴光学天线，其特征在于，所述发射光学天线还包括用于隔离目标回波信号对光源干扰的光隔离系统，光隔离系统位于所述发射天线孔径光阑之前。