CN109597051A - 基于激光信号频率扫描的波束扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于激光信号频率扫描的衍射光学系统波束扫描方法，包括：通过用于聚焦的衍射器件在衍射光学系统中的衍射主镜不同位置处引入不同的光程差，补偿衍射主镜不同位置到焦点的光程差中的非线性分量，对激光信号进行聚焦；通过用于波束扫描的衍射器件在空间引入线性光程差，使得激光信号对应的波束指向角随激光信号频率的变化而变化，实现波束扫描。该方法通过激光信号频率扫描实现波束扫描，可替代传统的波束机械扫描，特别适用于口径较大不便于机械扫描的光学系统。实现该方法的系统中，衍射主镜可以是结构参数确定的曲面形状，其轻薄的特点可以满足光学系统共形布设要求，特别适用于对气动要求较高的工作平台。

Description

基于激光信号频率扫描的波束扫描方法
技术领域
本发明涉及激光雷达领域，尤其涉及一种基于激光信号频率扫描的衍射光学系统波束扫描方法。
背景技术
衍射光学系统可用于激光雷达，通过衍射器件(如菲涅尔透镜阵列和二元光学器件)引入较大的移相量实现波前控制，以减小焦距并实现系统的轻量化(刘丽萍,王骐,李绮.用二元光学器件简化相干激光雷达天线系统的光学设计[J].中国激光,2002,29(s1):251-253；王若秋,张志宇,薛栋林,张学军.用于空间望远镜的大口径高衍射效率薄膜菲涅尔衍射元件[J].红外与激光工程,2017,46(9):0920001)。
激光雷达对远距离目标进行成像时，为保证成像信噪比，接收望远镜口径应较大，为实现轻量化，可通过膜基衍射光学系统来形成较大的接收口径(焦建超,苏云,王保华,等.地球静止轨道膜基衍射光学成像系统的发展与应用[J].国际太空,2016(6):49-55.)，在口径较大情况下，通过机械扫描实现接收波束扫描存在较大困难，目前尚没有有效的解决方案。
频扫天线在微波雷达中广泛应用(宋小弟，汪伟，金谋平.一种新型X波段频扫天线阵的设计与实现[J].雷达科学与技术,2015,13(6):671:674)，其波束指向角随着信号频率的变化而变化。
本发明将频扫天线的思想应用于激光雷达衍射光学系统，实现接收波束指向角随激光频率变化。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对于现有的技术问题，本发明提供一种基于激光信号频率扫描的衍射光学系统波束扫描方法，用于解决基于大口径衍射光学系统的激光波束扫描问题，以及针对气动要求较高的工作平台，解决光学系统的共形布设问题。
(二)技术方案
本发明提供一种基于激光信号频率扫描的波束扫描方法，其包括：
S1，通过用于聚焦的衍射器件在衍射光学系统中的衍射主镜不同位置处引入不同的光程差，补偿衍射主镜不同位置到焦点的光程差中的非线性分量，对激光信号进行聚焦；
S2，通过用于波束扫描的衍射器件在空间引入线性光程差，使得激光信号对应的波束指向角随激光信号频率的变化而变化，实现波束扫描。
可选地，当焦点位于衍射主镜轴线上时，通过用于聚焦的衍射器件在空间引入的光程差满足：
其中，f为衍射光学系统的焦距，y为聚焦衍射器件到衍射主镜中心的距离。
可选地，通过用于波束扫描的相邻衍射器件在空间引入的线性光程差满足：
其中，L为线性光程差，d为相邻衍射器件之间的间隔，θi为波长为λi的激光信号对应的波速指向角，m为非负整数。
可选地，通过用于聚焦的衍射器件在衍射光学系统中的衍射主镜不同位置处引入不同的光程差包括：以激光信号中心波长的整数倍为周期对该光程差进行折叠。
可选地，将衍射光学系统的焦点设在偏离衍射主镜轴线一定角度的位置。
可选地，通过增大激光信号频率变化的范围增大所述波速扫描的范围。
可选地，衍射光学系统中衍射主镜为平面镜；和/或，衍射光学系统中衍射主镜为结构参数确定的曲面形状。
可选地，衍射光学系统由二元光学器件组成；和/或衍射光学系统为膜基衍射光学系统。
(三)有益效果
本发明提供一种基于激光信号频率扫描的衍射光学系统波束扫描方法，该方法可通过激光信号频率扫描实现波束扫描，可替代传统的波束机械扫描，特别适用于口径较大不便于机械扫描的光学系统。实现该方法的系统中，衍射主镜可以是结构参数确定的曲面形状，其轻薄的特点可以满足光学系统共形布设要求，特别适用于对气动要求较高的工作平台。
附图说明
图1为本发明实施例中焦点位于主镜轴线上时，用于波束扫描的衍射光学系统示意图。
图2A、2B分别为本发明实施例中焦点位于主镜轴线上时，用于聚焦和用于波束扫描的衍射器件引入的光程差。
图3A-3C分别为本发明实施例中焦点位于主镜轴线上时，1.014um、1.064um和1.114um波长对应的波束方向图。
图4为本发明实施例中焦点不在主镜轴线上时，用于接收波束扫描的衍射光学系统示意图。
图5A为本发明实施例中焦点不在主镜轴线上时，焦点偏置引入的线性光程差。
图5B为本发明实施例中焦点不在主镜轴线上时，用于聚焦的衍射器件引入的光程差。
图6A-6C分别为本发明实施例中焦点不在主镜轴线上时，1.014um、1.064um和1.114um波长对应的波束方向图。
图7为本发明实施例中主镜不为平面镜时，用于接收波束扫描的衍射光学系统示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提出一种基于激光信号频率扫描的衍射光学系统波束扫描方法，包括以下步骤：
S1，通过用于聚焦的衍射器件在衍射光学系统中的衍射主镜不同位置处引入光程差，补偿衍射主镜不同位置到焦点的光程差中的非线性分量，对激光信号进行聚焦；
S2，通过用于波束扫描的相邻衍射器件在空间引入线性光程差，使得激光信号对应的波束指向角随激光信号频率的变化而变化，实现波束扫描。
下面做详细描述：
图1示出了本发明实施例中焦点位于主镜轴线上时，用于波束扫描的衍射光学系统示意图，如图1所示，在衍射光学系统中的衍射主镜不同位置，通过用于波束内激光信号聚焦的衍射器件在空间引入高阶光程差：
其中，f为衍射光学系统的焦距，y为聚焦衍射器件到衍射主镜中心的距离。
通过光程差的引入，可以补偿衍射主镜不同位置到焦点的距离差中的非线性项，实现在接收状态下激光信号的聚焦，同时，根据收发互易原理，在发射状态下也可以实现激光信号的出射。
当焦点不在衍射主镜轴线上时，衍射主镜不同位置到焦点的距离差为：
其中，(x,y)为衍射器件的位置坐标，θ为焦点的偏角。为实现波束指向角随激光信号频率扫描，用衍射器件产生的光程差ΔR(y)对ΔR(x,y)中的非线性分量进行补偿，补偿后ΔR(x,y)中应只保留线性项。
同时，通过衍射光学系统中的用于波束扫描的相邻衍射器件在空间引入线性光程差：
其中，L为线性光程差，d为相邻衍射器件之间的间隔，θi为波长为λi的激光信号对应的波速指向角，m为非负整数。
通过线性光程差的引入，以实现接收或发射波束指向角随激光信号频率变化。
因激光信号的频率fi和λi波长满足关系：λi fi＝C，其中C为光在真空中传播的速度，因此，根据可知，在线性光程差L确定的情况下，可以通过增大激光信号频率变化范围来增大波束扫描范围。
假设衍射主镜口径5m，焦距10m，相邻衍射器件的间隔为1.064um，激光信号波长范围为1.014um到1.114um，若要求中心波长1.064um对应的波束扫描角为-8.1°，相邻衍射器件引入的光程差最小为0.9um，此时，1.014um对应的波束扫描角约-5.4°，1.114um对应的波束扫描角为-10.8°。用于聚焦和用于波束扫描的衍射器件引入的光程差如图2所示，不同波长对应的波束方向图如图3所示。
上述方案存在两个问题，下面分别进行阐述并给出解决方法。
1、采用用于波束扫描的衍射器件在空间引入线性光程差，会导致衍射主镜厚度增加，按照上述分析，用于波束扫描的衍射主镜厚度将超过4m，这显然不可实现。如图4所示，若焦点不在衍射主镜的轴线上，焦点到主镜上不同衍射器件的距离差中将存在较大的线性分量，该线性分量同样可使波束随频率的变化而扫描，扫描角度满足此时，用于波束内激光信号聚焦的衍射器件引入的光程差，应能够补偿焦点到主镜上不同衍射器件的距离差中的非线性分量，此时，用于波束扫描的衍射器件可以省略。当焦点偏角为60°时，焦点偏置引入的线性光程差如图5A所示，中心波长1.064um对应的波束扫描角为-8.1°，1.014um对应的波束扫描角约-5.4°，1.114um对应的波束扫描角为-10.8°。
2、用于聚焦的衍射器件需要引入的光程差如图5B所示，此时衍射器件厚度将达到8cm，这将影响到衍射光学系统的轻量化。可以中心波长(1.064mm)的整数倍为周期对该光程差进行折叠，折叠后，用于聚焦的衍射器件的厚度将被控制在1mm量级。当以中心波长的整数倍为周期对该光程差进行折叠后，对于非中心波长来说，折叠将导致其对应的波束方向图主瓣展宽且远区副瓣升高，可通过提高折叠周期的倍数以缓解该问题。
按照上述参数分析进行仿真，不同波长激光对应的波束方向如图6所示，与图3进行比较可知，不同波长激光对应波束角大小一致。
其中，上述方案中，衍射主镜为平面镜或者为结构参数确定的曲面形状，还可以是其他形状，本发明不加以限制。图7为主镜不为平面镜时，用于接收波束扫描的衍射光学系统示意图，不论衍射主镜是何种形状，经过衍射器件补偿后，从不同位置的衍射器件到达焦点的光程差在空间上都必须是线性变化的，波束扫描角与波长的关系同样满足即可。
其中，衍射光学系统可由二元光学器件组成，或为膜基衍射光学系统，本发明不加以限制。
综上所述，本发明实施例提出一种基于激光信号频率扫描的衍射光学系统波束扫描方法，通过在衍射主镜不同位置处引入光程差，补偿衍射主镜不同位置到焦点的距离差中的非线性项，实现在接收状态下激光信号的聚焦，并通过在空间引入线性光程差，使得激光信号对应的波束指向角随激光信号频率的变化而变化，实现波束扫描。该方法可通过激光信号频率扫描实现波束扫描，可替代传统的波束机械扫描，特别适用于口径较大不便于机械扫描的光学系统。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于激光信号频率扫描的波束扫描方法，其特征在于，包括：
S1，通过用于聚焦的衍射器件在衍射光学系统中的衍射主镜不同位置处引入不同的光程差，补偿所述衍射主镜不同位置到焦点的光程差中的非线性分量，对所述激光信号进行聚焦；
S2，通过用于波束扫描的衍射器件在空间引入线性光程差，使得所述激光信号对应的波束指向角随所述激光信号频率的变化而变化，实现波束扫描。
2.根据权利要求1所述的基于激光信号频率扫描的波束扫描方法，其特征在于，当焦点位于衍射主镜轴线上时，通过用于聚焦的衍射器件在空间引入的光程差满足：
其中，f为所述衍射光学系统的焦距，y为所述聚焦的衍射器件到所述衍射主镜中心的距离。
3.根据权利要求1所述的基于激光信号频率扫描的波束扫描方法，其特征在于，通过用于波束扫描的衍射器件在空间引入的线性光程差满足：
其中，L为所述线性光程差，d为相邻衍射器件之间的间隔，θi为波长为λi的激光信号对应的波速指向角，m为非负整数。
4.根据权利要求1所述的基于激光信号频率扫描的波束扫描方法，其特征在于，所述用于聚焦的衍射器件在衍射光学系统中的衍射主镜不同位置处引入不同的光程差包括：
以所述激光信号中心波长的整数倍为周期对所述光程差进行折叠。
5.根据权利要求1所述的基于激光信号频率扫描的波束扫描方法，其特征在于，也可将所述衍射光学系统的焦点设在偏离所述衍射主镜轴线一定角度的位置，使得焦点到衍射主镜不同位置的光程差中含有线性分量，所述线性分量被用于波束扫描。
6.根据权利要求3所述的基于激光信号频率扫描的波束扫描方法，其特征在于，通过增大所述激光信号频率变化的范围增大所述波速扫描的范围。
7.根据权利要求1所述的基于激光信号频率扫描的波束扫描方法，其特征在于，所述衍射主镜为平面镜；
和/或，所述衍射主镜为结构参数确定的曲面形状。
8.根据权利要求1所述的基于激光信号频率扫描的波束扫描方法，其特征在于，所述衍射光学系统由二元光学器件组成；
和/或所述衍射光学系统为膜基衍射光学系统。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN203013936U (zh) * 2013-01-18 2013-06-19 厦门大学 一种多波束平面贴片透镜天线

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