WO2020228256A1

WO2020228256A1 - 一种雷达和角度调整装置

Info

Publication number: WO2020228256A1
Application number: PCT/CN2019/114588
Authority: WO
Inventors: 杨峥; 郑凯; 李�远
Original assignee: 北醒（北京）光子科技有限公司
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2020-11-19

Abstract

一种雷达和角度调整装置，角度调整装置包括依次层叠的第一环形球面镜（100）和第二环形球面镜（200），第一环形球面镜（100）和第二环形球面镜（200）的曲率半径相同，且内表面为球面，第一环形球面镜（100）的侧壁上形成有通光孔（101），第二环形球面镜（200）的侧壁上形成有第一通光口（201），初始光束可以通过通光孔（101）入射到第一环形球面镜（100）的腔体中，在第一环形球面镜（100）的内表面反射N-1次后，在第二环形球面镜（200）的内表面上反射一次，经过第一通光口（201）出射，由于初始光束经过球面镜的内表面反射，根据几何光学原理，出射的初始光束的视场角范围比入射的初始光束的视场角范围大，因此可以扩大视场角范围，将角度调整装置应用于雷达中，可以扩大雷达的视场角范围。

Description

一种雷达和角度调整装置

本申请要求于2019年09月23日提交中国专利局、申请号为201910900956.X、发明创造名称为“一种雷达和角度调整装置”以及于2019年05月15日提交中国专利局、申请号为201910403114.3、发明创造名称为“一种雷达和角度调整装置”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及一种雷达和角度调整装置。

背景技术

雷达是用来测距的设备，具体的，雷达发射的初始信号经物体反射形成回波信号，将回波信号与初始信号进行比较，从而获得被测物体距离的精确信息。其中，初始信号可以是激光信号，激光具有束散角小、能量集中、指向性好、重频高等优点，使得激光雷达可以实现对被测物体的远距离、高精度测量。目前，激光雷达在航空航天、遥感探测、测量和智能驾驶等领域都有广泛的应用。

通常情况下，雷达的视场范围有限。传统的雷达可以使用微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)扫描的方式扩大视场角，利用MEMS微镜可以完成垂直扫描，通过旋转机身完成水平扫描，这样存在装配、调试难度大的问题，若利用多个MEMS微镜联立以覆盖较大的视场范围，则产生较大的成本，且视场之间的拼接较为麻烦。

传统的扩大视场角的方式有两种，第一种，通过旋转棱镜法扩大视场角，即初始光束经过一个一直旋转的反射棱镜被反射到各个视场角，该方法可以实现120°视场角扫描，但是棱镜所需的驱动电路较大，棱镜器件的宏观转动，导致系统稳定性和可靠性较差；第二种，利用普通物镜和鱼眼镜头，实现放大后极限150～160°的扫描，然而扫描放大倍率从中心视场到边缘视场变化具有显著的非线性特征，通光比也具有很大的差异，同时鱼眼镜头属于大像差系统，因此边缘视场角的像差非常显著，使得边缘视场的发散角较大。

因此上述扩大视场角的方式均不适合用于雷达中，如何以较低的成本，实现较大的视场角，是雷达在实际应用中的一个重要问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种雷达和角度调整装置，用于扩大视场角。

为实现上述目的，本发明有如下技术方案：

本申请实施例提供了一种角度调整装置，包括：

依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面；

所述第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，初始光束通过所述通光孔入射到所述第一环形球面镜的腔体中；所述第二环形球面镜的侧壁上形成有第一通光口，所述初始光束在所述第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在所述第二环形球面镜的内表面上反射一次，并经所述第一通光口出射，所述N为大于1的整数。

可选的，所述第二环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，与所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离的比值为(N+1)。

可选的，所述第一环形球面镜的球心相比于所述通光孔的中心更接近所述第二环形球面镜，所述通光孔和所述第一通光口位于不同侧，则所述N为偶数；所述通光孔的中心相比于所述第一环形球面镜的球心更接近所述第二环形球面镜，所述通光孔和所述第一通光口位于相同侧，则所述N为奇数。

可选的，所述第一通光口在两球心连线方向上贯穿所述第二环形球面镜，所述第二环形球面镜在两球的接合面上构成小于或等于半圆的圆弧。

可选的，所述第一环形球面反射镜上形成有第二通光口，所述第二通光口和所述第一通光口在平行于所述接合面的平面内的尺度一致。

可选的，所述通光孔的中心与所述第一环形球面镜与所述接合面相对的边缘的距离H ₁、所述通光孔的中心与接合面的距离H ₂、所述第二环形球面镜的侧壁高度H ₃，所述第一环形球面镜在所述第二通光口处的侧壁高度H ₄，满足以下条件：

所述c为所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，所述R为所述第一环形球面经和所述第二环形球面镜的曲率半径，所述a为所述初始光束的初始直径，所述α _max为垂直所述接合面的方向上所述初始光束与所述接合面之间的最大夹角。

可选的，所述R的范围为20mm～150mm，所述c的范围为R/20～R/50，所述a小于或等于10mm，所述α _max的范围为0～15°。

本申请实施例提供了另一种角度调整装置，包括：

所述第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，初始光束通过所述通光孔入射到所述第一环形球面镜的腔体中；所述第二环形球面镜的腔体中形成有反射镜，所述初始光束在所述第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在所述第二环形球面镜的内表面上反射一次，并在所述反射镜上反射一次后从所述第一环形球面镜或所述第二环形球面镜的出口处出射，所述N为大于1的整数。

可选的，所述第一环形球面镜的球心相比于所述通光孔的中心更接近所述第二环形球面镜，所述反射镜朝向所述通光孔所在方向，所述N为偶数；所述通光孔的中心相比于所述第一环形球面镜的球心更接近所述第二环形球面镜，所述反射镜背向所述通光孔所在方向，则所述N为奇数。

可选的，所述反射镜的中心点位于所述通光孔的中心点与两球心确定的平面中，且所述反射镜的中心点与所述通光孔的中心点在垂直两球心连线方向的平面内的投影距离为F，所述反射镜的中心点与所述通光孔的中心点在所述两球心连线方向上的距离为2Nc，所述c为所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，所述F满足以下条件：

所述R为所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径。

可选的，所述通光孔的中心与所述第一环形球面镜的出口的距离H ₁、所述通光孔的中心与所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜接合面的距离H ₂、所述第二环形球面镜的侧壁高度H ₃，满足以下条件：

所述c为所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，所述R为所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径，所述a为所述初始光束的初始直径，所述α _max为垂直所述接合面的方向上所述初始光束与所述接合面之间的最大夹角。

可选的，所述R的范围为20mm～150mm，所述c的范围为R/20～R/100，所述a小于或等于10mm，所述α _max的范围为0～20°。

本申请实施例提供了一种雷达，包括：初始光束产生装置、角度调整装置、回波光束接收装置和数据分析装置；

所述初始光束产生装置，用于产生初始光束；

所述角度调整装置，包括：依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面；所述第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，初始光束通过所述通光孔入射到所述第一环形球面镜的腔体中；所述第二环形球面镜的侧壁上形成有第一通光口，所述初始光束在所述第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在所述第二环形球面镜的内表面上反射一次，并经所述第一通光口出射，所述N为大于1的整数；将所述角度调整装置出射的光束作为测试光束；

所述回波光束接收装置，用于接收所述测试光束经待检测物体反射形成的回波光束；

所述数据分析装置，用于根据所述初始光束和所述回波光束确定所述待检测物体的位置。

本申请实施例提供了另一种雷达，包括：初始光束产生装置、角度调整装置、回波光束接收装置和数据分析装置；

所述初始光束产生装置，用于产生初始光束；

所述角度调整装置，包括：依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面；所述第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，初始光束通过所述通光孔入射到所述第一环形球面镜的腔体中；所述第二环形球面镜的腔体中形成有反射镜，所述初始光束在所述第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在所述第二环形球面镜的内表面上反射一次，并在所述反射镜上反射一次后从所述第一环形球面镜或所述第二环形球面镜的出口处出射，所述N为大于1的整数；将所述角度调整装置出射的光束作为测试光束；

本发明实施例提供了一种雷达和角度调整装置，角度调整装置包括依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，第二环形球面镜的侧壁上形成有第一通光口，初始光束可以通过通光孔入射到第一环形球面镜的腔体中，在第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在第二环形球面镜的内表面上反射一次，经过第一通光口出射，由于初始光束经过球面镜的内表面反射，根据几何光学原理，出射的初始光束的视场角范围比入射的初始光束的视场角范围大，因此可以扩大视场角范围，将角度调整装置应用于雷达中，可以扩大雷达的视场角范围。

本发明实施例提供了另一种雷达和角度调整装置，角度调整装置包括依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面，第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，第二环形球面镜的腔体内形成有反射镜，初始光束可以通过通光孔入射到第一环形球面镜的腔体中，在第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在第二环形球面镜的内表面上反射一次，并在反射镜上反射一次后从第一环形球面镜或第二环形球面镜的出口处出射，由于初始光束经过球面镜的内表面反射，根据几何光学原理，出射的初始光束的视场角范围比入射的初始光束的视场角范围大，因此可以扩大视场角范围，而第一环形球面镜和第二环形球面镜的出口处对出射光束的视场角范围的约束作用较小，能够得到较大的视场角范围，将角度调整装置应用于雷达中，可以扩大雷达的视场角范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1-3分别示出了本申请实施例提供的一种角度调整装置在不同角度上的结构示意图；

图4-6示出了本申请实施例提供的一种角度调整装置在应用过程中不同角度上的结构示意图；

图7和图8示出了本申请实施例提供的一种角度调整装置不同角度上的工作原理示意图；

图9和图10示出了本申请实施例提供的另一种角度调整装置不同角度上的工作原理示意图；

图11示出了本申请实施例提供的一种初始光束在角度调整装置中的路径仿真示意图；

图12示出了本申请实施例提供的一种雷达的结构框图；

图13-15分别示出了本申请实施例提供的另一种角度调整装置在不同角度上的结构示意图；

图16-18示出了本申请实施例提供的一种角度调整装置在应用过程中不同角度上的结构示意图；

图19、图20和图21示出了本申请实施例提供的一种角度调整装置不同角度上的工作原理示意图；

图22、图23和图24示出了本申请实施例提供的另一种角度调整装置不同角度上的工作原理示意图；

图25和图26示出了本申请实施例提供的一种角度调整装置在光束准直方面的工作原理示意图；

图27示出了本申请实施例提供的一种初始光束在角度调整装置中的路径仿真示意图；

图28示出了本申请实施例提供的另一种雷达的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

正如背景技术中的描述，目前雷达的视场范围有限，通过MEMS扫描的方式扩大视场角，存在装配难度大和调试难度大的问题，而多个MEMS微镜联立以覆盖较大的视场范围，又会产生较大的成本。而其他扩大视场角的方式同样存在问题，因此，如何利用有限的成本实现较大的视场角，是雷达在实际应用中的一个重要问题。

基于此，本申请实施例提供了一种雷达和角度调整装置，角度调整装置包括依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面，第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，第二环形球面镜的侧壁上形成有第一通光口，初始光束可以通过通光孔入射到第一环形球面镜的腔体中，在第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在第二环形球面镜的内表面上反射一次，经过第一通光口出射，由于初始光束经过球面镜的内表面反射，根据几何光学原理，出射的初始光束的视场角范围比入射的初始光束的视场角范围大，因此可以扩大视场角范围，将角度调整装置应用于雷达中，可以扩大雷达的视场角范围。

为了更好的理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述和说明。

本申请实施例提供的一种角度调整装置，可以包括依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，可以理解的是，第一环形球面镜和第二环形球面镜构成接合面，接合面的一侧为第一环形球面镜，另一侧为第二环形球面镜，而第一环形球面镜与第二环形球面镜的上下左右位置关系可以根据该装置的放置方向确定，例如该装置竖直放置时，第一环形球面镜可以位于第二环形球面镜的下方或者下方，该装置水平放置时，第一环形球面镜可以位于第二环形球面镜的左侧或右侧，前侧或后侧等。

下面以第一环形球面镜位于第二环形球面镜的下方为例进行说明，参考图1、图2和图3所示，为本申请实施例提供的一种角度调整装置在不同角度上的结构示意图，其中，图1、图2和图3分别为本申请实施例提供的一种角度调整装置的俯视图、侧视图和主视图。

该装置包括第一环形球面镜100和第二环形球面镜200，第一环形球面镜100和第二环形球面镜200依次层叠，二者之间形成接合面1001。两环形球面镜的内表面为球面，其曲率半径相同，用R表示。在层叠第一环形球面镜100和第二环形球面镜120时，可以令两环形球面镜的球心P _C1和P _C2的连线与接合面1001垂直，接合面1001内的第一环形球面镜100和第二环形球面镜200的半径可以不同。

两环形球面镜的外表面可以为圆柱面，基于两环形球面镜在水平面内的直径可以不同，则二者的外表面在与接合面平行的平面内的直径也可以不一致，例如第二环形球面镜200的外表面在平行于接合面的平面内的直径可以小于第一环形球面镜100的外表面在平行于接合面的平面内的直径，参考图2所示，第一环形球面镜的外表面的直径为D；当然，两环形球面镜的外表面在于接合面平行的平面内的直径也可以一致。

当然，两环形球面镜的外表面也可以根据实际情况设定为其他形状，例如可以是棱柱面、不规则曲面等。具体的，两环形球面镜的外表面可以构成六面体、八面体等，在此不做限定。

第一环形球面镜100的侧壁上可以形成有通光孔101，该通光孔101用于使初始光束通过通光孔101入射到第一环形球面镜100的腔体中，这样初始光束可以在第一环形球面镜100的腔体内进行N-1次反射后进入第二环形球面镜120的腔体中，N为大于1的正整数。通光孔101可以是圆孔，也可以是矩形孔，通光孔可以是贯穿第一环形球面镜100的侧壁的通光孔，也可以是填充有透光材料的光通道，还可以设置有透光部件的光通道，例如设置有滤光膜等透光部件。

第二环形球面镜120的侧壁上形成有第一通光口201，初始光束在第二环形球面镜120的腔体内反射一次后可以从第一通光口201中出射。

建立直角坐标系，过通光孔101的中心，作平行于接合面的第一平面，将两球心的连线与第一平面的交点作为坐标原点，将两球心的连线作为y轴，将通光孔101的中心与原点的连线作为z轴，将第一平面内与z轴垂直的方向作为x轴。参考图1所示，令向右为z轴正方向，令向上为x轴正方向，参考图2所示，令向上为y轴正方向。

根据几何光学原理，初始光束在第一环形球面镜100和第二环形球面镜200中的反射，符合反射定律，则出射的初始光束的视场角范围比入射的初始光束的视场角范围大，因此对初始光束的视场角范围进行了扩大。举例来说，初始光束的视场角范围在x轴方向上可以扩大(2N+1)倍，在y轴方向上也可以近似扩大(2N+1)倍。

可以理解的是，初始光束在第一环形球面镜100的腔体内反射N-1次，在第二环形球面镜200的腔体内反射1次，若N为奇数，则初始光束共反射N次后出射，即共反射偶数次出射，因此入射初始光束的通光孔101和出射初始光束的第一通光口201可以设置于该装置的不同侧，例如分别设置于装置的左侧和右侧，便于初始光束从第一通光口201中出射，参考图3所示；若N为偶数，则初始光束共反射奇数次出射，因此入射初始光束的通光孔101和出射初始光束的第一通光口201可以设置于装置的同一侧，例如均设置于装置的左侧或右侧(图未示出)，便于初始光束从第一通光口201中出射。

在实际操作中，为了使N为偶数，可以令第一环形球面镜100的球心P _C1相比于通光孔101的中心更接近第二环形球面镜200，以第一环形球面镜100位于第二环形球面镜200的下方为例，第一环形球面镜100的球心P _C1可以位于通光孔101中心的上侧，参考图3所示；类似的，为了使N为奇数，可以令通光孔101的中心相比于第一环形球面镜100的球心P _C1更接近第二环形球面镜200，以第一环形球面镜100位于第二环形球面镜200的下方为例，第一环形球面镜100的球心可以位于通光孔101中心的下侧(图未示出)。

在本申请实施例中，第二环形球面镜上200的第一通光口201可以在两球心连线方向上贯穿第二环形球面镜200，也就是说，第二环形球面镜200可以是非闭合的环形。由于在x轴方向上初始光束的出射视场角得到了扩大，为了使初始光束能够顺利出射，在两球面镜的接合面1001上，第二环形球面镜200可以构成小于或等于半圆的圆弧状，这样可以令多个方向的初始光束从第一通光口201处出射，而不会令初始光束持续在第二环形球面镜200中来回反射。参考图3所示，第二环形球面镜200仅覆盖第一环形球面镜100的左侧部分，且第二环形球面镜200在右侧的切面在第二环形球面镜200的球心P _C2的左侧，切面与球心P _C2的距离可以用l表示。

在本申请实施例中，在y轴方向上初始光束的出射视场角也得到了扩大，为了使初始光束能够顺利出射，第一环形球面镜100上还可以形成第二通光口102，第二通光口102可以形成于第一环形球面镜100的接合面，且第一通光口201和第二通光口102在接合面内的形状可以相同。可以理解的是，第二通光口102并不贯穿第一环形球面镜100，而是仅在第一环形球面镜100的接合面一侧形成凹槽，利于在出射角度较大时使初始光束出射。

可以理解的是，第一通光口201和第二通光口102是用于使初始光束出射的，因此第一通光口201和第二通光口102处还可以设置透光材料，例如玻璃罩、滤光膜等，不影响本申请实施例的实现。

参考图3所示，通光孔101中心与第一环形球面镜100与接合面1001相对的下边缘的距离为H ₁，通光孔101中心与接合面1001的距离为H ₂，第二环形球面镜200的侧壁高度为H ₃，第一环形球面镜100在右侧的侧壁高度为H ₄，即第二通光口102的深度为(H ₁+H ₂-H ₄)，第一环形球面镜100的外壁圆柱面的直径为D，第一环形球面镜100的球心P _C1位于通光孔101中心的上方且与通光孔101中心在y轴方向的距离为c，第二环形球面镜200的球心P _C2位于通光孔101中心的上方且与通光孔101中心在y轴方向的距离为c'。

需要说明的是，通常情况下，令c远远小于R，这样初始光束的视场角范围在y轴方向上也可以近似扩大(2N+1)倍。具体实施时，第一环形球面镜100和第二环形球面镜200的曲率半径R的范围可以为20mm～150mm，c的范围一般可以为R/20～R/50，c'大于c，D的范围可以是2R～5R，具体的，D可以为2.08R～2.2R。

此外，可以在通光孔101处设置光源，从而产生初始光束，初始光束从通光孔101进入第一环形球面镜100的腔体内。参考图4、图5、图6所示，为本申请实施例提供的一种角度调整装置在应用过程中不同角度上的结构示意图，其中，光源在x轴方向的尺寸为A，在y方向的尺寸为B，光源与通光孔中心的距离为d，在本申请实施例中，可以令d远远小于R，因此可以在后续的过程分析过程中认为初始光束的中心在通光孔的中心处，可以令d小于或等于R/10，光源出射的初始光束的初始直径为a，可以认为进入第一环形球面镜100的腔体的初始光束的初始直径为a，通常来说，a可以小于或等于10mm。

若初始光束过通光孔的中心和坐标原点，将该入射方向作为零位方向，为了方便该装置的调试，可以使沿零位方向入射的初始光束能沿零位方向出射，此时可以令c'为(N+1)c，而c远远小于R。这样，在初始光束的入射方向与零位方向在水平方向上的夹角为θ时，初始光束的初始方向与零位方向在水平方向上的夹角为(2N+1)θ，在初始光束的入射方向与零位方向在竖直方向上的夹角为α时，初始光束的初始方向与零位方向在竖直方向上的夹角为(2N+1)α。

因此，参考图4所示，可以记初始光束的出射方向与零位方向在水平方向的最大夹角为θ _max，θ _max的范围可以为0～90°，在θ _max为90°时，意味着可以实现正前方接近180°的视场角；相应的，初始光束的入射方向与零位方向在水平方向的最大夹角为θ _max/(2N+1)，该角度范围与光源的特征、以及光源与通光孔的距离相关，通常可以为0～10°。参考图6所示，光源300发出初始光束，可以记初始光束的出射方向与零位方向在竖直方向的最大夹角为α _max，其范围为0～15°；相应的，初始光束的入射方向与零位方向在竖直方向的最大夹角为α _max/(2N+1)，其范围为0～15/(2N+1)°。

初始光束的入射方向与零位方向分别在水平方向和竖直方向上的夹角范围，与光源的特征、以及光源与通光孔的距离相关，这样在N确定时，初始光束的出射方向与零位方向在水平方向和竖直方向上的夹角的范围也随之确定，为了使该装置能够使初始光束进行反射和出射，H ₁、H ₂、H ₃和H ₄的值需要经过设计。具体的，记通过通光孔101的光束的初始直径为a。则通过以下公式确定H ₁、H ₂、H ₃和H ₄的值：

为了便于理解，下面以N＝2为例，对上述角度调整装置的工作原理进行说明。

参考图7和图8所示，为本申请实施例提供的一种角度调整装置的工作原理示意图，初始光束在角度调整装置中反射2次，即在第一环形球面镜100中反射1次，在第二环形球面镜200中反射1次，虚线方向为零位方向的初始光束的路径，实线箭头表示水平方向的入射角度为θ _i，竖直方向的入射角度为α _i的初始光束的路径。

在水平方向上，参考图7所示，沿着零位方向入射的初始光束的路径通过虚线表示，经过反射后依然沿零位方向出射。而在水平方向入射角度为θ _i的初始光束的路径通过实线表示，连续两次反射的反射光束与各自的反射之前的光束的夹角为2θ _i，根据几何知识可知，第2次反射后的初始光束与入射的初始光束之间的夹角为4θ _i，而最初入射的出射光束与零位方向之间的夹角为θ _i，则出射的初始光束与零位方向之间的夹角为5θ _i，即出射视场角相对于入射视场角在水平方向上扩大了5倍。

在竖直方向上，参考图8所示，沿着零位方向入射的初始光束的路径通过虚线表示，第一次反射的反射光线和入射光线的夹角记为β，根据几何知识可知，第二次反射的反射光线和入射光线之间的夹角也为β，在经过2次反射后，仍然沿着零位方向出射。而在竖直方向入射角度为α _i的初始光束的路径通过实线表示，在满足c远远小于R时，第一次反射的反射光线和入射光线的夹角约为β+2α _i。又由于第1次入射的光线本身和零位方向有α _i的夹角，因此，第1次反射的反射光线和零位方向的夹角约为β+3α _i；而第2次反射的反射光线与入射光线(即第1次反射的反射光线)的夹角约为β-2α _i，而第2次入射的光线本身与零位方向有约β+3α _i的夹角，则第2次反射的光线和零位方向的夹角为5α _i，即出射视场角相对于入射视场角在竖直方向上扩大了5倍。

为了更进一步了解本申请中角度调整装置，下面以N＝4为例，对角度调整装置的工作原理进行说明。

参考图9和图10所示，为本申请实施例提供的另一种角度调整装置的工作原理示意图，初始光束在角度调整装置中反射4次，即在第一环形球面镜100中反射3次，在第二环形球面镜200中反射1次，其水平方向的偏转示意图参考图9所示，竖直方向的偏转示意图参考图10所示，虚线方向为零位方向的初始光束的路径，实线箭头表示水平方向的入射角度为θ _i，竖直方向的入射角度为α _i的初始光束的路径。

在水平方向上，参考图9所示，沿着零位方向入射的初始光束的路径通过虚线表示，经过反射后依然沿零位方向出射。而在水平方向入射角度为θ _i的初始光束的路径通过实线表示，连续的4次反射的反射光束与各自反射之前的光束的夹角均为2θ _i，根据几何知识可得，第4次反射后的初始光束与入射的初始光束之间的夹角为8θ _i，而最初入射的出射光束与零位方向之间的夹角为θ _i，因此最终的出射光束和零位方向之间的夹角为9θ _i，即出射视场角相对于入射视场角在水平方向上扩大了9倍。

在竖直方向上，参考图10所示，沿着零位方向入射的初始光束的路径通过虚线表示，第一次反射的反射光线和入射光线的夹角记为β，根据几何知识可知，第二次和第三次反射的反射光线和入射光线之间的夹角也为β，而第4次反射的反射光线与入射光线的夹角则为3β，因此在经过4次反射后，仍然沿着零位方向出射。

而在竖直方向入射角度为α _i的初始光束的路径通过实线表示，在满足c远远小于R时，第一次反射的反射光线和入射光线的夹角约为β+2α _i。又由于第1次入射的光线本身和零位方向有α _i的夹角，因此，第1次反射的反射光线和零位方向的夹角约为β+3α _i；其第2、3次反射的反射光线和入射光线(即为第1、2次反射的反射光线)的夹角也约为β+2α _i，从而第3次反射的反射光线与第1次反射的反射光线之间的夹角约为2β+4α _i，而第1次反射的光线本身与零位方向之间的夹角约为β+3α _i，因此，第3次反射的反射光线和零位方向的夹角约为β+7α _i，其第4次反射的反射光线和入射光线(即为第3次反射的反射光线)夹角约为3β-2α _i，又由于第3次反射光线和零位方向的夹角约约为3β+7α _i，因此第4次反射后最终出射的光线和零位方向的夹角即为9α _i，即出射视场角相对于入射视场角在竖直方向上扩大了9倍。

参考图11所示，为本申请实施例提供的一种初始光束在角度调整装置中的路径仿真示意图，其中，光束11和光束21为初始光束的入射视场角中位于边界处的入射光束，两入射光束之间构成入射视场角γ，光束11经反射成为光束12，再经反射成为光束13，光束21经反射成为光束22，再经反射成为光束23，光束13和光束23为初始光束的出射视场角中位于边界处的出射光束，两出射光束之间构成出射视场角γ'，出射视场角γ'大于入射视场角γ，通常为γ的(2N+1)倍，N大于1。

基于以上角度调整装置，本申请实施例还提供了一种雷达，参考图12所示，本申请实施例提供的一种雷达，包括：初始光束产生装置401、角度调整装置402、回波光束接收装置403和数据分析装置404；

所述初始光束产生装置401，用于产生初始光束；

所述角度调整装置402，包括：依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面；所述第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，初始光束通过所述通光孔入射到所述第一环形球面镜的腔体中；所述第二环形球面镜的侧壁上形成有第一通光口，所述初始光束在所述第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在所述第二环形球面镜的内表面上反射一次，并经所述第一通光口出射，所述N为大于1的整数；将所述角度调整装置出射的光束作为测试光束；

所述回波光束接收装置403，用于接收所述测试光束经待检测物体反射形成的回波光束；

所述数据分析装置404，用于根据所述初始光束和所述回波光束确定所述待检测物体的位置。

本发明实施例提供的一种雷达中，角度调整装置包括依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面，第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，第二环形球面镜的侧壁上形成有第一通光口，初始光束可以通过通光孔入射到第一环形球面镜的腔体中，在第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在第二环形球面镜的内表面上反射一次，经过第一通光口出射，由于初始光束经过球面镜的内表面反射，根据几何光学原理，出射的初始光束的视场角范围比入射的初始光束的视场角范围大，因此可以扩大视场角范围，将角度调整装置应用于雷达中，可以扩大雷达的视场角范围。

本申请实施例还提供了另一种角度调整装置，可以包括依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，可以理解的是，第一环形球面镜和第二环形球面镜构成接合面，接合面的一侧为第一环形球面镜，另一侧为第二环形球面镜，而第一环形球面镜与第二环形球面镜的相对位置关系可以根据该装置的放置方向确定，例如该装置竖直放置时，第一环形球面镜可以位于第二环形球面镜的下方或者下方，该装置水平放置时，第一环形球面镜可以位于第二环形球面镜的左侧或右侧，前侧或后侧等。

下面以第一环形球面镜位于第二环形球面镜的下方为例进行说明，参考图13、图14和图15所示，为本申请实施例提供的一种角度调整装置在不同角度上的结构示意图，其中，图13、图14和图15分别为本申请实施例提供的一种角度调整装置的俯视图、侧视图和主视图。

该装置包括第一环形球面镜100和第二环形球面镜200，第一环形球面镜100和第二环形球面镜200依次层叠，二者之间形成接合面1001。两环形球面镜的内表面为球面，其曲率半径相同，用R表示。在层叠第一环形球面镜100和第二环形球面镜120时，可以令两环形球面镜的球心P _C1和P _C2的连线与接合面1001垂直，接合面1001内的第一环形球面镜100和第二环形球面镜200的半径可以相同，也可以不同，参考图14所示。

需要说明的是，接合面1001是一个平面，该平面是用来界定第一环形球面镜100和第二环形球面镜200的分界面的，因此可以是第一环形球面镜100和第二环形球面镜200的接合处构成的虚拟的平面，也可以是形成有透光平面结构的接合平面。在第一环形球面镜100与接合面1001相对的另一表面作为第一环形球面镜100的出口，该表面处可以形成有透光平面结构从而构成封闭结构，也可以不做其他设置而保持开口结构，在第二环形球面镜200与接合面1001相对的另一表面作为第二环形球面镜200的出口，该表面处可以形成有透光平面结构从而构成封闭结构，也可以不做额外设置而保持开口结构，也就是说，本申请实施例提供的角度调整装置可以是两头封闭的空心结构，也可以是贯通的开口结构。

两环形球面镜的外表面可以为圆柱面，基于两环形球面镜在水平面内的直径可以不同，则二者的外表面在与接合面平行的平面内的直径也可以不一致，例如第二环形球面镜200的外表面在平行于接合面的平面内的直径可以小于第一环形球面镜100的外表面在平行于接合面的平面内的直径，参考图14所示，第一环形球面镜的外表面的直径为D；当然，两环形球面镜的外表面在与接合面平行的平面内的直径也可以一致。此外，两环形球面镜的外表面也可以根据实际情况设定为其他形状，例如可以是棱柱面、不规则曲面等。

第一环形球面镜100的侧壁上可以形成有通光孔101，该通光孔101用于使初始光束通过通光孔101入射到第一环形球面镜100的腔体中，这样初始光束可以在第一环形球面镜100的侧壁上进行N-1次反射后进入第二环形球面镜120的腔体中，N为大于1的正整数。通光孔101可以是圆孔，也可以是矩形孔，通光孔101可以是贯穿第一环形球面镜100的侧壁的通光孔，也可以是在第一环形球面镜100的侧壁上形成的填充有透光材料的光通道，还可以在第一环形球面镜100的侧壁上形成的设置有透光部件的光通道，例如设置有滤光膜等透光部件。

第二环形球面镜200的腔体内形成有反射镜202，反射镜202可以是平面反射镜，也可以是具有扩散光束视场角的凸面反射镜，本申请实施例以平面反射镜为例进行详细说明。初始光束在进入第二环形球面镜200的腔体后，可以在第二环形球面镜200的侧壁上反射一次，再在反射镜202上反射一次，然后从第一环形球面镜100的出口处或从第二环形球面镜200的出口处出射，也就是说，初始光束在第二环形球面镜200中经过反射镜202反射后可以从上出口出射，也可以从下出口出射。

下面建立直角坐标系对本申请实施例提供的角度调整装置进行详细说明，具体的，过通光孔101的中心，作平行于接合面1001的第一平面，将两球心的连线与第一平面的交点作为坐标原点，将两球心的连线作为y轴，将通光孔101的中心与原点的连线作为z轴，将第一平面内与z轴垂直的方向作为x轴。参考图13所示，令向右为z轴正方向，令向上为x轴正方向，垂直纸面向外为y轴正方向；参考图14所示，令向上为y轴正方向，左侧为x轴正方向，垂直纸面向里为z轴正方向；参考图15所示，令向上为y轴正方向，右侧为z轴正方向，垂直纸面向里为x轴正方向。这样，初始光束的入射零位方向可以为z轴正方向，初始光束的出射零位方向可以为y轴正方向或y轴负方向。

根据几何光学原理，初始光束在第一环形球面镜100和第二环形球面镜200中的反射，符合反射定律，则出射的初始光束的视场角范围比入射的初始光束的视场角范围大，因此对初始光束的视场角范围进行了扩大。举例来说，出射光束的视场角范围在x轴方向上可以扩大(2N+1)倍，出射光束在z轴方向上的视场角对应入射光束在y轴方向上的视场角，可以近似扩大(2N+1)倍。此外，第一环形球面镜100和第二环形球面镜200的出口尺径相对较大，对出射光束的视场角范围的限制作用较小，因此能够得到的最大视场角范围也较大。

可以理解的是，经第二环形球面镜200的侧壁反射的光束在经过反射镜202反射后得到出射光束，根据反射定律，反射镜202的平面与经第二环形球面镜200的侧壁反射的光束和出射光束的夹角平分线垂直，因此为了使被反射镜202反射的光能够从第一环形球面镜100的出口处或第二环形球面镜200的出口处出射，反射镜202的设置位置和方向可以根据通光孔101位置、初始光束反射次数和出口位置进行调整。

具体的，初始光束在第一环形球面镜100的侧壁上反射N-1次，在第二环形球面镜200的侧壁上反射1次。若N为奇数，则初始光束共在侧壁上反射N次后出射，即共反射偶数次出射，因此为了能够让反射光出射，反射镜202可以朝向通光孔101所在方向和出射方向，例如通光孔101位于反射镜202的左下方，出射方向位于反射镜的下方，则反射镜202可以朝向左下方，经过反射镜202反射的光束从位于下方的第二环形球面镜200的出口处出射，参考图15所示；当然若出射方向位于反射镜的上方，则反射镜202可以朝向左上方(图未示出)。若N为偶数，则初始光束在侧壁上共反射奇数次出射，因此为了能够让反射光出射，反射镜202可以背向通光孔所在方向，朝向出射方向，例如通光孔位于反射镜202的左下方，出射方向位于反射镜的下方，则反射镜202可以朝向右下方，经过反射镜202反射的光束从位于下方的第二环形球面镜200的出口处出射；当然若出射方向位于反射镜202的上方，则反射镜202可以朝向右上方。

具体的，反射镜202的位置可以根据光束在腔内的汇聚位置确定，若反射镜202设置在不同方向的初始光束的汇聚点，则可以利用较小尺寸的反射镜202实现初始光束的反射，反射镜202的形状可以是矩形，反射镜202在x轴方向的边长用w表示，另一边长用v表示，参考图14和图15所示。通常来说，反射镜202的设置位置在第二环形球面镜200的较中心的区域，这样经反射镜202反射的光束较少受到第一环形球面镜100或第二环形球面镜200的内壁的约束，具体的，反射镜202的中心点的x轴坐标可以为零，即反射镜202在入射零位线上方，参考图14所示。

为了方便设置和调整反射镜，在第二环形球面镜上还可以形成开口，该开口可以在y轴方向上贯穿第二环形球面镜200，也就是说，第二环形球面镜200可以是非闭合的环形，该开口的形成位置可以根据设置反射镜202的位置确定，通常在反射镜的背面一侧。举例来说，第二环形球面镜200可以形成于反射镜的正面一侧，构成小于或等于半圆的圆弧状，参考图15所示，反射镜202可以朝向左下方，反射镜202中心点与通光孔101的中心在z轴上的距离可以用F表示，即反射镜的中心点与通光孔的中心点在垂直两球心连线方向的平面内的投影距离为F，第二环形球面镜200仅覆盖第一环形球面镜100的左侧部分，且第二环形球面镜200在右侧的切面在第二环形球面镜200的球心P _C2的左侧，切面与球心P _C2的距离可以用l表示。可以理解的是，反射镜202位于第二环形球面镜200的腔体内，在第二环形球面镜200覆盖第一环形球面镜100的左侧部分时，反射镜202可以位于第二环形球面镜200的切面的左侧。在第二环形球面镜200的切面处可以设置透光材料或不透光材料的平面结构，用于固定反射镜202，当然，反射镜202也可以通过其他方式固定，在此不做限定。

在实际操作中，为了使N为偶数，可以令第一环形球面镜100的球心P _C1相比于通光孔101的中心更接近第二环形球面镜200，以第一环形球面镜100位于第二环形球面镜200的下方为例，第一环形球面镜100的球心P _C1可以位于通光孔101中心的上侧，参考图15所示；类似的，为了使N为奇数，可以令通光孔101的中心相比于第一环形球面镜100的球心P _C1更接近第二环形球面镜200，以第一环形球面镜100位于第二环形球面镜200的下方为例，第一环形球面镜100的球心可以位于通光孔101中心的下侧(图未示出)。

参考图15所示，通光孔101中心与第一环形球面镜100的出口处的距离为H ₁，通光孔101中心与接合面1001的距离为H ₂，第二环形球面镜200的侧壁高度为H ₃，第一环形球面镜100的外壁圆柱面的直径为D，第一环形球面镜100的球心P _C1位于通光孔101中心的上方且与通光孔101中心在y轴方向的距离为c，第二环形球面镜200的球心P _C2位于通光孔101中心的上方且与通光孔101中心在y轴方向的距离为c'。

需要说明的是，通常情况下，令c远远小于R，这样初始光束在y轴方向上的视场角范围在转换为出射光束在z轴方向上的视场角范围后，也可以近似扩大(2N+1)倍。具体实施时，第一环形球面镜100和第二环形球面镜200的曲率半径R的范围可以为20mm～150mm，c的范围一般可以为R/20～R/100，c'大于c，D的范围可以是2R～5R，具体的，D可以为2.08R～2.2R，反射镜的边长w可以大于或等于10mm，边长v可以大于或等于5mm。根据几何光学原理，不同入射角度的初始光束在坐标为(0,2Nc,F)处汇聚，则反射镜的中心点可以设置在该汇聚点处。

此外，可以在通光孔101处设置光源，从而产生初始光束，初始光束从通光孔101进入第一环形球面镜100的腔体内。参考图16、图17、图18所示，为本申请实施例提供的一种角度调整装置在应用过程中不同角度上的结构示意图，其中，光源在x轴方向的尺寸为A，在y方向的尺寸为B，光源与通光孔中心的距离为d，在本申请实施例中，可以令d远远小于R，因此可以在后续的过程分析过程中认为初始光束的中心在通光孔的中心处，可以令d小于或等于R/10，光源出射的初始光束的初始直径为a，可以认为进入第一环形球面镜100的腔体的初始光束的初始直径为a，a可以小于或等于10mm。

若初始光束过通光孔101的中心和坐标原点，将该入射方向作为入射零位方向，为了方便该装置的调试，可以使沿入射零位方向入射的初始光束能沿出射零位方向出射，出射零位方向为垂直向上或垂直向下的方向，此时可以令c'为(N+1)c，而c远远小于R。

这样，在初始光束的入射方向与入射零位方向(z轴正方向)在x轴方向上的夹角为θ时，参考图16所示，光源300发出初始光束，初始光束的出射方向与出射零位方向(y轴负方向或y轴正方向)在x轴方向上的夹角为(2N+1)θ，可以记为x轴出射视场角度。参考图17所示，x轴出射视场角度的最大值可以记为θ _max，θ _max的范围可以为0～90°，在θ _max为90°时，意味着可以实现x轴方向上接近180°的视场角。相应的，初始光束的入射方向与入射零位方向(z轴正方向)在x轴方向上的的最大夹角为θ _max/(2N+1)，该角度范围与光源的特征、以及光源与通光孔的距离相关，通常可以为0～10°。

同理，在初始光束的入射方向与入射零位方向(z轴正方向)在y轴方向上的夹角为α时，初始光束的出射方向与出射零位方向(y轴正方向或y轴负方向)在z轴方向上的夹角为(2N+1)α，可以记为z轴出射视场角度。参考图18所示，z轴出射视场角度的最大值记为α _max，其范围为0～20°；相应的，初始光束的入射方向与入射零位方向在y轴方向的最大夹角为α _max/(2N+1)，其范围为0～20/(2N+1)°。

初始光束的入射方向与入射零位方向分别在水平方向和竖直方向上的夹角范围，与光源的特征、以及光源与通光孔的距离相关，这样在N确定时，初始光束的出射方向与入射零位方向在水平方向和竖直方向上的夹角的范围也随之确定，为了使该装置能够使初始光束进行反射和出射，H ₁、H ₂、H ₃、l、A和B的值需要经过设计。具体的，记通过通光孔101的光束的初始直径为a。则通过以下公式确定H ₁、H ₂、H ₃、l、A和B的值：

参考图19、图20和图21所示，为本申请实施例提供的一种角度调整装置的工作原理示意图，其中反射镜202朝向左下方，且与水平方向的夹角为45°，初始光束在角度调整装置中的侧壁上反射2次，即在第一环形球面镜100的侧壁上反射1次，在第二环形球面镜200的侧壁上反射1次，然后在反射镜202上反射1次，其水平方向的偏转示意图参考图19和图20所示，竖直方向的偏转示意图参考图21所示，虚线箭头表示入射方向为入射零位方向的第一初始光束的路径，实线箭头表示水平方向(x轴方向)的入射角度为θ _i，竖直方向(y轴方向)的入射角度为α _i的第二初始光束的路径。

在水平方向上，参考图19和图20所示，沿着入射零位方向入射的第一初始光束的路径通过虚线表示，在经过侧壁反射和反射镜反射后，将其经过反射后出射方向作为出射零位方向，入射零位方向可以为水平向右(即z轴正方向)的方向，出射零位方向可以为竖直向下(即y轴负方向)的方向。而在水平方向入射角度为θ _i的第二初始光束的路径通过实线表示，由于连续两次反射的反射光束与各自的反射之前的光束的夹角为2θ _i，根据几何知识可知，第2次反射后的第二初始光束与入射的第二初始光束之间的夹角为4θ _i，而最初入射的第二初始光束与入射零位方向之间的夹角为θ _i，则第2次反射后的第二初始光束与入射零位方向之间的夹角为5θ _i，参考图19所示。也就是说，入射到反射镜的第一初始光束和第二初始光束之间的夹角为5θ _i，因此经过反射镜反射的第二初始光束与出射零位方向之间的夹角也为5θ _i，参考图20所示，即出射视场角相对于入射视场角在x轴方向上扩大了5倍。

在竖直方向上，参考图21所示，沿着入射零位方向(z轴正方向)入射的第一初始光束的路径通过虚线表示，第一次反射的反射光线和反射之前的光束的夹角记为β，根据几何知识可知，第二次反射的反射光线和反射之前的光束之间的夹角也为β，在经过2次侧壁反射后的第一初始光束沿着入射零位方向，在经过1次反射镜反射后从出射零位方向(y轴负方向)出射。而在竖直方向(y轴方向)入射角度为α _i的第三初始光束的路径通过实线表示，在满足c远远小于R时，第一次反射的反射光线和反射之前的光束的夹角约为β+2α _i。又由于第1次入射的光线本身和入射零位方向有α _i的夹角，因此，第1次反射的反射光线和入射零位方向的夹角约为β+3α _i；而第2次反射的反射光线与入射光线(即第1次反射的反射光线)的夹角约为β-2α _i，而第2次入射的光线本身与入射零位方向有约β+3α _i的夹角，则第2次反射的光线和入射零位方向的夹角为5α _i。也就是说，入射到反射镜的第一初始光束和第三初始光束在y轴上之间的夹角为5α _i，因此经过反射镜反射的第三初始光束与出射零位方向之间在z轴上的夹角也为5α _i，参考图21所示，即在z轴上的出射视场角相对于在y轴上的入射视场角扩大了5倍。

参考图22、图23和图24所示，为本申请实施例提供的另一种角度调整装置的工作原理示意图，其中反射镜202朝向左下方，与水平方向的夹角为45°，初始光束在角度调整装置中的侧壁上反射4次，即在第一环形球面镜100的侧壁上反射3次，在第二环形球面镜200的侧壁上反射1次，然后在反射镜202上反射1次，其水平方向的偏转示意图参考图22和图23所示，竖直方向的偏转示意图参考图24所示，虚线箭头表示入射方向为入射零位方向的第四初始光束的路径，实线箭头表示水平方向(x轴方向)的入射角度为θ _i，竖直方向(y轴方向)的入射角度为α _i的第五初始光束的路径。

在水平方向上，参考图22和图23所示，沿着入射零位方向入射的第四初始光束的路径通过虚线表示，在经过侧壁反射和反射镜反射后，将其经过反射后出射方向作为出射零位方向，入射零位方向可以为水平向右(即z轴正方向)的方向，出射零位方向可以为竖直向下(即y轴负方向)的方向。而在水平方向入射角度为θ _i的第五初始光束的路径通过实线表示，由于连续的4次反射的反射光束与各自反射之前的光束的夹角均为2θ _i，根据几何知识可得，第4次反射后的第五初始光束与最初入射的第五初始光束之间的夹角为8θ _i，而最初入射的第五出射光束与入射零位方向之间的夹角为θ _i，因此第4次反射后的第五初始光束和入射零位方向之间的夹角为9θ _i，参考图22所示。也就是说，入射到反射镜的第四初始光束和第五初始光束之间的夹角为9θ _i，因此经过反射镜反射的第五初始光束与出射零位方向之间的夹角也为9θ _i，参考图23所示，即出射视场角相对于入射视场角在x轴方向上扩大了9倍。

在竖直方向上，参考图24所示，沿着入射零位方向(z轴正方向)入射的第四初始光束的路径通过虚线表示，第一次反射的反射光线和反射之前的光束的夹角记为β，根据几何知识可知，第二次和第三次反射的反射光线和反射之前的光束之间的夹角也为β，而第4次反射的反射光线与反射之前的光束的夹角则为3β，因此在经过4次侧壁反射后，第四初始光束的方向沿着入射零位方向，经过1次反射镜反射后从出射零位方向(y轴负方向)出射。

而在竖直方向(y轴方向)入射角度为α _i的第六初始光束的路径通过实线表示，在满足c远远小于R时，第一次反射的反射光线和反射之前的光束的夹角约为β+2α _i。又由于第1次入射的光线本身和入射零位方向有α _i的夹角，因此，第1次反射的反射光线和入射零位方向的夹角约为β+3α _i；其第2、3次反射的反射光线和入射光线(即为第1、2次反射的反射光线)的夹角也约为β+2α _i，从而第3次反射的反射光线与第1次反射的反射光线之间的夹角约为2β+4α _i，而第1次反射的光线本身与入射零位方向之间的夹角约为β+3α _i，因此，第3次反射的反射光线和入射零位方向的夹角约为β+7α _i，其第4次反射的反射光线和入射光线(即为第3次反射的反射光线)夹角约为3β-2α _i，又由于第3次反射光线和入射零位方向的夹角约约为3β+7α _i，因此第4次反射后最终出射的光线和入射零位方向的夹角即为9α _i。也就是说，入射到反射镜的第四初始光束和第六初始光束在y轴上之间的夹角为9α _i，因此经过反射镜反射的第六初始光束与出射零位方向之间在z轴上的夹角也为9α _i，参考图24所示，即在z轴上的出射视场角相对于在y轴上的入射视场角扩大了9倍。

本发明实施例提供了另一种角度调整装置，角度调整装置包括依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面，第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，第二环形球面镜的腔体内形成有反射镜，初始光束可以通过通光孔入射到第一环形球面镜的腔体中，在第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在第二环形球面镜的内表面上反射一次，并在反射镜上反射一次后从第一环形球面镜或第二环形球面镜的出口处出射，由于初始光束经过球面镜的内表面反射，根据几何光学原理，出射的初始光束的视场角范围比入射的初始光束的视场角范围大，因此可以扩大视场角范围，而且能够得到等倍率线性放大的视场角，系统通光比在中心视场和边缘视场基本保持均匀，每次球面反射的离轴角较小，整个光学过程可以视为在近轴区域中，像差较小，同时第一环形球面镜和第二环形球面镜的出口处对出射光束的视场角范围的约束作用较小，能够得到较大的视场角范围，而且通过反射镜使入射光束和出射光束大体垂直，避免了光束之间的相互干扰作用，将角度调整装置应用于雷达中，可以扩大雷达的视场角范围。

此外，在通光孔处可以设置聚焦透镜，令初始光束在经过通光孔后被聚焦到距离通光孔中心点的(2N+1)·R/(2N)处，然后在第一环形球面镜100不同高度的侧壁上反射(N-1)次后，入射到第二环形球面镜200的侧壁上反射后，得到直径为a/(2N+1)的准直光束，在反射镜上反射，从第一环形球面镜100或第二环形球面镜200的出口处出射，因此最终出射的光束为直径为a/(2N+1)的准直光束，也就是说，本申请实施例提供的角度调整装置在扩大视场角范围的同时不会显著影响初始光束的准直性，甚至还大幅压缩初始光束的出射光斑直径。

下面以沿入射零位方向入射的初始光束为例，对光束在角度调整装置中的聚焦和发散过程进行说明。

参考图25所示，为N＝2时角度调整装置在光束准直方面的工作原理示意图，其中反射镜202朝向左下方，且与水平方向的夹角为45°，初始光束沿着入射零位方向(水平向右)入射，在第一环形球面镜100的侧壁上反射1次，在第二环形球面镜200的侧壁上反射1次，然后在反射镜202上反射1次，从出射零位方向(竖直向下)出射。

由于光源出射的初始光束的初始直径为a，可以认为进而第一环形球面镜100的腔体的初始光束的初始直径为a，在通光孔处可以设置聚焦透镜，令初始光束首先聚焦在距离通光孔5R/4处，该处距离第一次反射点处的距离约为3R/4，从而根据相似三角形知识可知，第一次反射点处的光斑直径a ₁＝3a/5，根据几何光学知识，反射球面的焦距约为R/2，而第1次反射的物距约为3R/4，从而第1次反射后初始光束的汇聚点位置即为3R/2；第2次反射时，初始光束首先汇聚在距离第1次反射点约3R/2处，即距离第2次反射点约R/2处，根据相似三角形知识可知第2次反射点处的光斑直径a ₂＝a/5，根据几何光学知识，第2次反射的物距约为R/2，从而第2次反射后的初始光束最终的汇聚点位置为无限远处，即初始光束被近似准直，直径压缩为入射时的1/(2×2+1)＝1/5；随后初始光束在反射镜处发生反射后从第一环形球面镜的出口处出射，平面镜反射不会改变初始光束的聚焦/发散作用，也就是说，最终出射的初始光束的直径为入射时直径的1/5。

参考图26所示，为N＝4时角度调整装置在光束准直方面的工作原理示意图，其中反射镜202朝向左下方，且与水平方向的夹角为45°，初始光束沿着入射零位方向(水平向右)入射，在第一环形球面镜100的侧壁上反射3次，在第二环形球面镜200的侧壁上反射1次，然后在反射镜202上反射1次，从出射零位方向(竖直向下)出射。

由于光源出射的初始光束的初始直径为a，可以认为进而第一环形球面镜100的腔体的初始光束的初始直径为a，在通光孔处可以设置聚焦透镜，令初始光束首先聚焦在距离通光孔9R/8处，该处距离与第1次反射点的距离约为7R/8，从而根据相似三角形知识可知第1次反射点处的光斑直径a ₁＝7a/9；根据几何光学知识，反射球面镜的焦距约为R/2，而第1次反射的物距约为7R/8，从而第1次反射后光束的汇聚点位置即为7R/6；第2次反射时，光束首先汇聚在距离第1次反射点约7R/6处，即距离第2次反射点约5R/6处，根据相似三角形知识可知第2次反射点处的光斑直径a ₂＝5a ₁/7＝5a/9，根据几何光学知识，第2次反射的物距约为5R/6，从而第2次反射后光束的汇聚点位置即为5R/4；第3次反射时，光束首先汇聚在距离第2次反射点约5R/4处，即距离第2次反射点约3R/4处，根据相似三角形知识可知第3次反射点处的光斑直径a ₃＝3a ₂/5＝a/3，根据几何光学知识，第3次反射的物距约为3R/4，从而第3次反射后光束的汇聚点位置即为3R/2；第4次反射时，光束首先汇聚在距离第2次反射点约5R/4处，即距离第2次反射点约3R/2处，根据相似三角形知识可知第4次反射点处的光斑直径a ₄＝1a ₂/3＝a/9，根据几何光学知识，第4次反射的物距约为R/2，从而第2次反射后出射光束最终的汇聚点位置为无限远处，即光束被近似准直，直径压缩为入射时的1/(2×4+1)＝1/9；随后初始光束在反射镜处发生反射后从第一环形球面镜的出口处出射，平面镜反射不会改变初始光束的聚焦/发散作用，也就是说，最终出射的初始光束的直径为入射时的1/9。

根据以上示例可知，在第i次反射的聚焦点与反射点的距离通式为：

第i次反射点处的光斑半径通式为：

为了减小反射镜的几何尺寸，可以将反射镜安装在各个角度入射的光束的最后一个汇聚的位置，因此当d远远小于R时，F满足以下公式：

参考图27所示，为本申请实施例提供的一种初始光束在角度调整装置中的路径仿真示意图，其中，N为2，初始光束从通光孔入射到角度调整装置中，经过角度调整装置中的侧壁和反射镜反射后从下方出射，出射视场角为入射视场角为5倍。

基于以上角度调整装置，本申请实施例还提供了一种雷达，参考图28所示，本申请实施例提供的另一种雷达，包括：初始光束产生装置501、角度调整装置502、回波光束接收装置503和数据分析装置504；

所述初始光束产生装置501，用于产生初始光束；

所述角度调整装置502，包括：依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面；所述第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，初始光束通过所述通光孔入射到所述第一环形球面镜的腔体中；所述第二环形球面镜的腔体中形成有反射镜，所述初始光束在所述第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在所述第二环形球面镜的内表面上反射一次，并在所述反射镜上反射一次后从所述第一环形球面镜或所述第二环形球面镜的出口处出射，所述N为大于1的整数；将所述角度调整装置出射的光束作为测试光束；

所述回波光束接收装置503，用于接收所述测试光束经待检测物体反射形成的回波光束；

所述数据分析装置504，用于根据所述初始光束和所述回波光束确定所述待检测物体的位置。

本发明实施例提供的另一种雷达中，角度调整装置包括依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，第一环形球面镜和第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面，第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，第二环形球面镜的腔体内形成有反射镜，初始光束可以通过通光孔入射到第一环形球面镜的腔体中，在第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在第二环形球面镜的内表面上反射一次，并在反射镜上反射一次后从第一环形球面镜或第二环形球面镜的出口处出射，由于初始光束经过球面镜的内表面反射，根据几何光学原理，出射的初始光束的视场角范围比入射的初始光束的视场角范围大，因此可以扩大视场角范围，而第一环形球面镜和第二环形球面镜的出口处对出射光束的视场角范围的约束作用较小，能够得到较大的视场角范围，将角度调整装置应用于雷达中，可以扩大雷达的视场角范围。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处。尤其，对于存储器件实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何的简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims

一种角度调整装置，其特征在于，包括：

依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面；

所述第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，初始光束通过所述通光孔入射到所述第一环形球面镜的腔体中；所述第二环形球面镜的侧壁上形成有第一通光口，所述初始光束在所述第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在所述第二环形球面镜的内表面上反射一次，并经所述第一通光口出射，所述N为大于1的整数。
根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第二环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，与所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离的比值为(N+1)。
根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一环形球面镜的球心相比于所述通光孔的中心更接近所述第二环形球面镜，所述通光孔和所述第一通光口位于不同侧，则所述N为偶数；所述通光孔的中心相比于所述第一环形球面镜的球心更接近所述第二环形球面镜，所述通光孔和所述第一通光口位于相同侧，则所述N为奇数。
根据权利要求1-3任意一项所述的装置，其特征在于，所述第一通光口在两球心连线方向上贯穿所述第二环形球面镜，所述第二环形球面镜在两球的接合面上构成小于或等于半圆的圆弧。
根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述第一环形球面反射镜上形成有第二通光口，所述第二通光口和所述第一通光口在平行于所述接合面的平面内的尺度一致。
根据权利要求1-5任意一项所述的装置，其特征在于，所述通光孔的中心与所述第一环形球面镜与所述接合面相对的边缘的距离H ₁、所述通光孔的中心与接合面的距离H ₂、所述第二环形球面镜的侧壁高度H ₃，所述第一环形球面镜在所述第二通光口处的侧壁高度H ₄，满足以下条件：

所述c为所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，所述R为所述第一环形球面经和所述第二环形球面镜的曲率半径，所述a为所述初始光束的初始直径，所述α _max为垂直所述接合面的方向上所述初始光束与所述接合面之间的最大夹角。
根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述R的范围为20mm～150mm，所述c的范围为R/20～R/50，所述a小于或等于10mm，所述α _max的范围为0～15°。
一种角度调整装置，其特征在于，包括：

依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面；

所述第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，初始光束通过所述通光孔入射到所述第一环形球面镜的腔体中；所述第二环形球面镜的腔体中形成有反射镜，所述初始光束在所述第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在所述第二环形球面镜的内表面上反射一次，并在所述反射镜上反射一次后从所述第一环形球面镜或所述第二环形球面镜的出口处出射，所述N为大于1的整数。
根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第二环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，与所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离的比值为(N+1)。
根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述第一环形球面镜的球心相比于所述通光孔的中心更接近所述第二环形球面镜，所述反射镜朝向所述通光孔所在方向，所述N为偶数；所述通光孔的中心相比于所述第一环形球面镜的球心更接近所述第二环形球面镜，所述反射镜背向所述通光孔所在方向，则所述N为奇数。
根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述反射镜的中心点位于所述通光孔的中心点与两球心确定的平面中，且所述反射镜的中心点与所述通光孔的中心点在垂直两球心连线方向的平面内的投影距离为F，所述反射镜的中心点与所述通光孔的中心点在所述两球心连线方向上的距离为2Nc，所述c为所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，所述F满足以下条件：

所述R为所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径。
根据权利要求8-11任意一项所述的装置，其特征在于，所述通光孔的中心与所述第一环形球面镜的出口的距离H ₁、所述通光孔的中心与所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜接合面的距离H ₂、所述第二环形球面镜的侧壁高度H ₃，满足以下条件：

所述c为所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，所述R为所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径，所述a为所述初始光束的初始直径，所述α _max为垂直所述接合面的方向上所述初始光束与所述接合面之间的最大夹角。
根据权利要求12所述的装置，其特征在于，所述R的范围为20mm～150mm，所述c的范围为R/20～R/100，所述a小于或等于10mm，所述α _max的范围为0～20°。
一种雷达，其特征在于，包括：初始光束产生装置、角度调整装置、回波光束接收装置和数据分析装置；

所述初始光束产生装置，用于产生初始光束；

所述角度调整装置，包括：依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面；所述第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，初始光束通过所述通光孔入射到所述第一环形球面镜的腔体中；所述第二环形球面镜的侧壁上形成有第一通光口，所述初始光束在所述第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在所述第二环形球面镜的内表面上反射一次，并经所述第一通光口出射，所述N为大于1的整数；将所述角度调整装置出射的光束作为测试光束；

所述回波光束接收装置，用于接收所述测试光束经待检测物体反射形成的回波光束；

所述数据分析装置，用于根据所述初始光束和所述回波光束确定所述待检测物体的位置。
根据权利要求14所述的雷达，其特征在于，所述第二环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，与所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离的比值为(N+1)。
根据权利要求14所述的雷达，其特征在于，所述第一环形球面镜的球心相比于所述通光孔的中心更接近所述第二环形球面镜，所述通光孔和所述第一通光口位于不同侧，则所述N为偶数；所述通光孔的中心相比于所述第一环形球面镜的球心更接近所述第二环形球面镜，所述通光孔和所述第一通光口位于相同侧，则所述N为奇数。
根据权利要求14-16任意一项所述的雷达，其特征在于，所述第一通光口在两球心连线方向上贯穿所述第二环形球面镜，所述第二环形球面镜在两球的接合面上构成小于或等于半圆的圆弧。
根据权利要求17所述的雷达，其特征在于，所述第一环形球面反射镜上形成有第二通光口，所述第二通光口和所述第一通光口在平行于所述接合面的平面内的尺度一致。
根据权利要求14-18任意一项所述的雷达，其特征在于，所述通光孔的中心与所述第一环形球面镜与所述接合面相对的边缘的距离H ₁、所述通光孔的中心与接合面的距离H ₂、所述第二环形球面镜的侧壁高度H ₃，所述第一环形球面镜在所述第二通光口处的侧壁高度H ₄，满足以下条件：

所述c为所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，所述R为所述第一环形球面经和所述第二环形球面镜的曲率半径，所述a为所述初始光束的初始直径，所述α _max为垂直所述接合面的方向上所述初始光束与所述接合面之间的最大夹角。
根据权利要求19所述的雷达，其特征在于，所述R的范围为20mm～150mm，所述c的范围为R/20～R/50，所述a小于或等于10mm，所述α _max的范围为0～15°。
一种雷达，其特征在于，包括：初始光束产生装置、角度调整装置、回波光束接收装置和数据分析装置；

所述初始光束产生装置，用于产生初始光束；

所述角度调整装置，包括：依次层叠的第一环形球面镜和第二环形球面镜，所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径相同，且内表面为球面；所述第一环形球面镜的侧壁上形成有通光孔，初始光束通过所述通光孔入射到所述第一环形球面镜的腔体中；所述第二环形球面镜的腔体中形成有反射镜，所述初始光束在所述第一环形球面镜的内表面反射N-1次后，在所述第二环形球面镜的内表面上反射一次，并在所述反射镜上反射一次后从所述第一环形球面镜或所述第二环形球面镜的出口处出射，所述N为大于1的整数；将所述角度调整装置出射的光束作为测试光束；

所述回波光束接收装置，用于接收所述测试光束经待检测物体反射形成的回波光束；

所述数据分析装置，用于根据所述初始光束和所述回波光束确定所述待检测物体的位置。
根据权利要求21所述的雷达，其特征在于，所述第二环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，与所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离的比值为(N+1)。
根据权利要求21所述的雷达，其特征在于，所述第一环形球面镜的球心相比于所述通光孔的中心更接近所述第二环形球面镜，所述反射镜朝向所述通光孔所在方向，所述N为偶数；所述通光孔的中心相比于所述第一环形球面镜的球心更接近所述第二环形球面镜，所述反射镜背向所述通光孔所在方向，则所述N为奇数。
根据权利要求21所述的雷达，其特征在于，所述反射镜的中心点位于所述通光孔的中心点与两球心确定的平面中，且所述反射镜的中心点与所述通光孔的中心点在垂直两球心连线方向的平面内的投影距离为F，所述反射镜的中心点与所述通光孔的中心点在所述两球心连线方向上的距离为2Nc，所述c为所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，所述F满足以下条件：

所述R为所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径。
根据权利要求21-24任意一项所述的雷达，其特征在于，所述通光孔的中心与所述第一环形球面镜的出口的距离H ₁、所述通光孔的中心与所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜接合面的距离H ₂、所述第二环形球面镜的侧壁高度H ₃，满足以下条件：

所述c为所述第一环形球面镜的球心与所述通光孔的中心在两球心连线方向上的距离，所述R为所述第一环形球面镜和所述第二环形球面镜的曲率半径，所述a为所述初始光束的初始直径，所述α _max为垂直所述接合面的方向上所述初始光束与所述接合面之间的最大夹角。
根据权利要求25所述的雷达，其特征在于，所述R的范围为20mm～150mm，所述c的范围为R/20～R/100，所述a小于或等于10mm，所述α _max的范围为0～20°。