專利名稱：合成孔徑激光成像雷達(dá)的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑激光成像雷達(dá)，特別是一種用于合成孔徑激光成像雷達(dá)的 雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡。雙向環(huán)路由轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的獨立的發(fā)射通道和接收通 道組成，用于連接激光光源、光電探測器和望遠(yuǎn)鏡。發(fā)射通道中設(shè)置離焦和發(fā)射相 位調(diào)制平板，接收通道中設(shè)置離焦和接收相位調(diào)制平板?？刂瓢l(fā)射離焦量、發(fā)射相 位調(diào)制函數(shù)、接收離焦量和接收相位調(diào)制函數(shù)，用同一個望遠(yuǎn)鏡可以實現(xiàn)空間二次 項相位附加偏置的激光發(fā)射和消除目標(biāo)回波接收波面像差的離焦光學(xué)接收，并產(chǎn)生 雷達(dá)運動方向上合適的和可控制的相位二次項歷程從而實現(xiàn)孔徑合成成像。
背景技術(shù)：
合成孔徑激光成像雷達(dá)的原理取之于射頻領(lǐng)域的合成孔徑雷達(dá)原理，是能夠在 遠(yuǎn)距離取得厘米量級分辨率的唯一的光學(xué)成像觀察手段。但是由于光頻波段的波長 比射頻短3 — 6個數(shù)量級，而且光學(xué)望遠(yuǎn)鏡主鏡的尺度大于波長3 — 6個數(shù)量級，其空 間發(fā)射和接收與射頻的發(fā)射和接收有原理性差別。合成孔徑激光成像雷達(dá)采用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡作為接收天線和發(fā)射天線，但是用作回 波信號接收和激光光束發(fā)射時對于望遠(yuǎn)鏡的要求也有所不同。因此，采用同一望遠(yuǎn) 鏡作為接收和發(fā)射天線時，望遠(yuǎn)鏡必須同時滿足光學(xué)接收要求和激光發(fā)射要求，保 證在回波外差接收信號中產(chǎn)生目標(biāo)的相位二次項歷程，以實現(xiàn)激光孔徑合成成像。在光學(xué)接收過程中，目標(biāo)的反射回波經(jīng)過距離衍射到達(dá)合成孔徑激光成像雷達(dá) 的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡時，將隨著距離變化產(chǎn)生不同的波面像差或者波前形狀，通過接收望 遠(yuǎn)鏡在光電探測器面上與激光本機振蕩器激光光束合成進(jìn)行外差探測時，波面像差 將極大影響外差光電探測效率，甚至導(dǎo)致探測失效。因此我們在合成孔徑激光成像 雷達(dá)的離焦接收望遠(yuǎn)鏡的發(fā)明申請中，提出了一種合成孔徑激光成像雷達(dá)的離焦望 遠(yuǎn)鏡的光學(xué)接收天線，采用望遠(yuǎn)鏡離焦或者附加空間相位平板的方法克服回波信號 的衍射波面像差保證外差探測要求，并產(chǎn)生回波的雷達(dá)運動方向上產(chǎn)生相位二次項 歷程。在激光發(fā)射過程中，望遠(yuǎn)鏡作為激光發(fā)射天線的基本要求是需要保證主鏡口徑 上的衍射極限發(fā)射，因此目標(biāo)距離上的激光照明光斑的波前特性取決于望遠(yuǎn)鏡發(fā)射 光場分布和衍射距離。在我們的合成孔徑激光成像雷達(dá)的空間相位偏置發(fā)射望遠(yuǎn)鏡 的發(fā)明申請中，提出了一種空間二次項相位偏置結(jié)構(gòu)的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，在發(fā)射望遠(yuǎn)鏡 內(nèi)放置相位調(diào)制平板，控制望遠(yuǎn)鏡的離焦量和位相調(diào)制函數(shù)，能夠在發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的 激光照明光斑上相對于原衍射波面產(chǎn)生一個附加的空間相位二次項，用于改變激光 照明波前，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮退璧哪繕?biāo)照明二次項波前。因此，實現(xiàn)合成孔徑激光成像的核心關(guān)鍵問題是用同一光學(xué)望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)不同離 焦量和不同的附加相位板的激光發(fā)射和光學(xué)接收。合成孔徑激光成像首先在實驗室實現(xiàn)驗證，但是這些實驗屬于細(xì)小光束的近距 離模擬，沒有采用真實光學(xué)望遠(yuǎn)鏡接收和發(fā)射天線。在美國國防先進(jìn)研究計劃局支 持下2006年美國雷聲公司和諾格公司分別實現(xiàn)了機載合成孔徑激光雷達(dá)試驗，但是 沒有考慮光學(xué)天線的接收波面像差或者波前形狀的影響，也沒有考慮光學(xué)天線的發(fā) 射時的附加空間相位偏置。請參閱下列文獻(xiàn)(1) M. Bashkansky， R. L. Lucke, F. Funk, L. J. Rickard, and J. Reintjes, "Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain," Oprics丄ete/"s, Vol. 27, ppl983-1985 (2002).(2) W. Buell, N. Marechal, J. Buck, R. Dickinson, D. Kozlowski, T.Wright, and S. Beck, "Demonstrationof synthetic aperture imaging ladar," iVoc. 5iVE, Vol. 5791, pp.152-166 (2005).(3) J. Ricklin, M. Dierking, S. Fuhrer, B. Schumm, and D. Tomlison, "Synthetic apertureladar for tactical imaging," DARPA Strategic Technology Office.一個合成孔徑激光成像雷達(dá)的光學(xué)接收系統(tǒng)主要由光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、光束合成器和光電探測器所組成。光學(xué)望遠(yuǎn)鏡用于收集回波信號波面并轉(zhuǎn)移到光電探測器，光束 合成器用于回波信號光束和本機振蕩器激光光束的空間合束，光電探測器進(jìn)行光強 探測并產(chǎn)生回波信號光束和本機光束的光學(xué)外差。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于提出一種合成孔徑激光成像雷達(dá)的雙向環(huán)路發(fā)射 接收望遠(yuǎn)鏡，即在同一光學(xué)望遠(yuǎn)鏡中實現(xiàn)空間相位偏置的激光發(fā)射和消回波像差的離焦光學(xué)接收的一種核心概論，并建議了一種簡單有效的合成孔徑激光成像雷達(dá)雙 向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡實施方案。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下本發(fā)明的合成孔徑激光成像雷達(dá)雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡的核心是在光學(xué)望 遠(yuǎn)鏡、激光光源和光電探測器之間設(shè)置雙向發(fā)射接收環(huán)路，在雙向發(fā)射接收環(huán)路中 具有獨立的發(fā)射通道和獨立的接收通道，并均為轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)。因此可以在雙向 環(huán)路的接收通道中進(jìn)行望遠(yuǎn)鏡發(fā)射所需的離焦操作或者附加相位設(shè)置，在發(fā)射通道 中進(jìn)行發(fā)射望遠(yuǎn)鏡所需的離焦操作和附加相位設(shè)置，因此能夠用同一個光學(xué)望遠(yuǎn)鏡 實現(xiàn)附加空間相位偏置的激光發(fā)射和消回波像差的離焦光學(xué)接收，得到合適的和可 以控制的雷達(dá)運動方向上的相位二次項歷程，從而實現(xiàn)孔徑合成成像。本發(fā)明的具體技術(shù)方案是一種合成孔徑激光成像雷達(dá)的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡，其特點是包括合成 孔徑激光成像雷達(dá)的激光光源，沿該激光光源發(fā)射的激光光束依次是第一半波片和 第一偏振分光棱鏡，所述的激光光束被第一偏振分光棱鏡分為反射和透射光束，該 第一偏振分光棱鏡反射光束作為本機振蕩激光光束，該本機振蕩激光光束經(jīng)過第一 四分之一波片并由第一反射鏡返回后到達(dá)并通過該第一偏振分光棱鏡輸出進(jìn)入第三 偏振分光棱鏡，該第一偏振分光棱鏡透射光束作為發(fā)射激光光束，該發(fā)射激光光束 依次經(jīng)第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡、發(fā)射離焦量、發(fā)射空間相位調(diào)制板、第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡、 第二偏振分光棱鏡、第二四分之一波片、望遠(yuǎn)鏡目鏡、望遠(yuǎn)鏡物鏡和望遠(yuǎn)鏡出入瞳 射向目標(biāo)，該目標(biāo)的回波激光光束經(jīng)原路返回，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡出入瞳、望遠(yuǎn)鏡物鏡、望 遠(yuǎn)鏡目鏡、第二四分之一波片至所述的第二偏振分光棱鏡，反射后再經(jīng)過接收空間 相位調(diào)制板、第二反射鏡、第一接收轉(zhuǎn)像透鏡、接收離焦量、第二接收轉(zhuǎn)像透鏡到 達(dá)第三偏振分光棱鏡，所述的回波激光光束和所述的本機振蕩激光光束通過第三偏 振分光棱鏡合束，再經(jīng)過第二半波片并通過第四偏振分光棱鏡偏振分光，都是水平 方向偏振的合成光束由第一光電探測器進(jìn)行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光 束由第二光電探測器進(jìn)行外差接收；所有偏振分光棱鏡設(shè)定為水平偏振方向光束通過而垂直偏振方向光束反射； 所述的第一四分之一波片的角度設(shè)置使得從第一偏振分光棱鏡反射出的本機振 蕩激光光束從第一反射鏡返回到第一偏振分光棱鏡上的偏振旋轉(zhuǎn)了 90。而能夠直接 通過該第一偏振分光棱鏡；所述的第二四分之一波片的角度設(shè)置使得透過第二偏振分光棱鏡的發(fā)射激光光 束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射，目標(biāo)反射的回波并由望遠(yuǎn)鏡接收的光束返回到第二偏振分光棱 鏡上的偏振旋轉(zhuǎn)了 90。而能夠被第二偏振分光棱鏡反射；所述的望遠(yuǎn)鏡物鏡和望遠(yuǎn)鏡目鏡組成用于激光發(fā)射和接收的天線望遠(yuǎn)鏡，該望 遠(yuǎn)鏡物鏡的焦距為乂和望遠(yuǎn)鏡目鏡的焦距為/2，望遠(yuǎn)鏡目鏡的后焦面和望遠(yuǎn)鏡物鏡的前焦面之間的距離為望遠(yuǎn)鏡的離焦量A/ = -l，式中Z為合成孔徑激光成Z + i 像雷達(dá)到目標(biāo)的距離，R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲率半徑；望遠(yuǎn)鏡的出入瞳位于望遠(yuǎn)鏡物鏡的外焦面上，所述的望遠(yuǎn)鏡的目鏡的外焦面為 望遠(yuǎn)鏡的入出瞳面，所述的望遠(yuǎn)鏡的出入瞳面與望遠(yuǎn)鏡的入出瞳面相互成像；所述的第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡組成一個發(fā)射4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡， 第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡的出瞳平面與天線望遠(yuǎn)鏡的入出瞳面重合，所述的發(fā)射空間位相 調(diào)制板放置在第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡的前焦面上，第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透 鏡的焦距為/3，所述的發(fā)射4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡的中間焦面的離焦量為<formula>formula see original document page 9</formula>式中Z為合成孔徑激光成像雷達(dá)到目標(biāo)的距離，而且該發(fā)射空間位相調(diào)制板的空 間相位二次項等效焦距為i 3=^F，式中F為空間位相二次項偏置的等效焦距，F(xiàn) = i;所述的第一接收轉(zhuǎn)像透鏡和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡組成一個接收4_f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡， 第一接收轉(zhuǎn)像透鏡的入瞳面與天線望遠(yuǎn)鏡的入出瞳面重合，所述的接收空間位相調(diào) 制板放置在該接收4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡的入瞳面上，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡的焦距為/4，所述的接收空間相位調(diào)制板的相位函數(shù)為<formula>formula see original document page 9</formula>
白)=-V ' 式中X、 y為接收空間相位調(diào)制板的位置坐標(biāo)，/l為激光波長；或者所述的接收4 一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡中間焦面離焦，離焦量為一種合成孔徑激光成像雷達(dá)的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡，其特點是包括合成孔徑激光成像雷達(dá)的激光光源，沿該激光光源發(fā)射的激光光束依次是第一半波片和 第一偏振分光棱鏡，所述的激光光束被第一偏振分光棱鏡分為反射和透射光束，該 第一偏振分光棱鏡反射光束作為本機振蕩激光光束，該本機振蕩激光光束經(jīng)過第一 四分之一波片并由第一反射鏡返回后到達(dá)并通過該第一偏振分光棱鏡輸出進(jìn)入第三 偏振分光棱鏡，該第一偏振分光棱鏡透射光束作為發(fā)射激光光束，該發(fā)射激光光束 依次經(jīng)第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡、發(fā)射離焦量、發(fā)射空間相位調(diào)制板、第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡、 第二偏振分光棱鏡、第二四分之一波片、望遠(yuǎn)鏡目鏡、望遠(yuǎn)鏡物鏡和望遠(yuǎn)鏡出入瞳 射向目標(biāo)，該目標(biāo)的回波激光光束經(jīng)原路返回，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡出入瞳、望遠(yuǎn)鏡物鏡、望 遠(yuǎn)鏡目鏡、第二四分之一波片至所述的第二偏振分光棱鏡，反射后再經(jīng)過接收空間 相位調(diào)制板、第二反射鏡、第一接收轉(zhuǎn)像透鏡、接收離焦量、第二接收轉(zhuǎn)像透鏡到 達(dá)第三偏振分光棱鏡，所述的回波激光光束和所述的本機振蕩激光光束通過第三偏 振分光棱鏡合束，再經(jīng)過第二半波片并通過第四偏振分光棱鏡偏振分光，都是水平 方向偏振的合成光束由第一光電探測器進(jìn)行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束由第二光電探測器進(jìn)行外差接收；所有偏振分光棱鏡設(shè)定為水平偏振方向光束通過而垂直偏振方向光束反射；所述的第一四分之一波片的角度設(shè)置使得從第一偏振分光棱鏡反射出的本機振 蕩激光光束從第一反射鏡返回到第一偏振分光棱鏡上的偏振旋轉(zhuǎn)了 90。而能夠直接 通過該第一偏振分光棱鏡；所述的第二四分之一波片的角度設(shè)置使得透過第二偏振分光棱鏡的發(fā)射激光光 束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射，目標(biāo)反射的回波并由望遠(yuǎn)鏡接收的光束返回到第二偏振分光棱 鏡上的偏振旋轉(zhuǎn)了 90。而能夠被第二偏振分光棱鏡反射；所述的望遠(yuǎn)鏡物鏡和望遠(yuǎn)鏡目鏡組成用于激光發(fā)射和接收的天線望遠(yuǎn)鏡，該望 遠(yuǎn)鏡物鏡的焦距為乂和望遠(yuǎn)鏡目鏡的焦距為/2，望遠(yuǎn)鏡目鏡的后焦面和望遠(yuǎn)鏡物鏡 的前焦面之間的距離為望遠(yuǎn)鏡的離焦量A/二0;所述的望遠(yuǎn)鏡的出入瞳位于望遠(yuǎn)鏡 物鏡的外焦面上，所述的望遠(yuǎn)鏡的目鏡的外焦面為望遠(yuǎn)鏡的入出瞳面，所述的望遠(yuǎn) 鏡的出入瞳面與望遠(yuǎn)鏡的入出瞳面相互成像；所述的第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡組成一個發(fā)射4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡， 第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡的出瞳平面與天線望遠(yuǎn)鏡的入出瞳面重合，所述的發(fā)射空間位相 調(diào)制板放置在第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡的前焦面上，第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透10鏡的焦距為/3，所述的發(fā)射4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡的中間焦面的離焦量為:<formula>formula see original document page 11</formula>式中Z為合成孔徑激光成像雷達(dá)到目標(biāo)的距離，而且該發(fā)射空間位相調(diào)制板的相 位調(diào)制函數(shù)產(chǎn)生的空間相位二次項偏置的等效焦距為<formula>formula see original document page 11</formula>式中Z為合成孔徑激光成像雷達(dá)到目標(biāo)的距離，R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲 率半徑；所述的第一接收轉(zhuǎn)像透鏡和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡組成一個接收4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡， 第一接收轉(zhuǎn)像透鏡的入瞳面與天線望遠(yuǎn)鏡的入出瞳面重合，所述的接收空間位相調(diào) 制板放置在該接收4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡的入瞳面上，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡的焦距為/4，所述的接收空間相位調(diào)制板的相位函數(shù)為<formula>formula see original document page 11</formula>式中X、 y為接收空間相位調(diào)制板的位置坐標(biāo)，義為激光波長；或者所述的接收4 一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡中間焦面離焦，離焦量為<formula>formula see original document page 11</formula>#2所述的第一半波片和第二半波片可改用四分之一波片。所述的望遠(yuǎn)鏡的出入瞳位于望遠(yuǎn)鏡物鏡的外焦面上，為一實的孔徑光闌，或僅 代表一個位置。本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明能利用同一個光學(xué)望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)附加空間相位偏置的激光發(fā)射和消回波像 差的離焦光學(xué)接收，得到合適的和可以控制的雷達(dá)運動方向上的相位二次項歷程， 實現(xiàn)合成孔徑激光成像雷達(dá)的合成成像。


圖l是本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達(dá)的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡一個實施例的具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一歩說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護 范圍。先請參閱圖l，圖l是本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達(dá)的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡 一個實施例的系統(tǒng)示意圖。由圖可見，本實施例主要用于高斯光束發(fā)射和目標(biāo)費涅 爾衍射接收。其結(jié)構(gòu)從合成孔徑激光成像雷達(dá)的激光光源l發(fā)射激光光束開始，然后是第一半波片(或四分之一波片)2和第一偏振分光棱鏡3，該第一偏振分光棱鏡3輸出的一路作為 本機振蕩激光光束經(jīng)過第一四分之一波片4并由第一反射鏡5返回后到達(dá)并通過第一 偏振分光棱鏡3輸出本機振蕩激光光束，該第一偏振分光棱鏡3輸出的另一路作為發(fā) 射激光光束依次經(jīng)過第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡6，發(fā)射離焦量7，發(fā)射空間相位調(diào)制板8、第 二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡9、第二偏振分光棱鏡IO、第二四分之一波片ll、望遠(yuǎn)鏡目鏡12、望 遠(yuǎn)鏡物鏡13和望遠(yuǎn)鏡出(入)瞳14射向目標(biāo)，回波激光光束經(jīng)原路返回至所述的第 二偏振分光棱鏡IO，反射后再經(jīng)過接收空間相位調(diào)制板15、第二反射鏡16、第一接 收轉(zhuǎn)像透鏡17、接收離焦量18、第二接收轉(zhuǎn)像透鏡19到達(dá)第三偏振分光棱鏡20，所 述的回波激光光束和所述的本機振蕩激光光束通過第三偏振分光棱鏡20合束，再經(jīng) 過第二半波片(或四分之一波片)21并通過第四偏振分光棱鏡22，將其分為兩束偏 振方向相同的接收光束，分別由第一光電探測器23和第二光電探測器24進(jìn)行外差平 衡接收。所有偏振分光棱鏡設(shè)定為水平偏振方向光束通過而垂直偏振方向光束反射。本 文以水平偏振方向為參考方向。第一半波片(或四分之一波片)2的角度設(shè)置以控制第一偏振分光棱鏡3的分 光強度比， 一般要求透過的發(fā)射光束光強遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于反射的本機振蕩激光光束光強。第一四分之一波片4的角度設(shè)置使得從第一偏振分光棱鏡3反射出的本機振蕩 激光光束從第一反射鏡5返回到第一偏振分光棱鏡3上的偏振旋轉(zhuǎn)了 90。而能夠直接 通過該第一偏振分光棱鏡3。第二四分之一波片11的角度設(shè)置使得透過第二偏振分光棱鏡10的發(fā)射激光光 束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射，目標(biāo)反射的回波并由望遠(yuǎn)鏡接收的光束返回到第二偏振分光棱 鏡10上的偏振旋轉(zhuǎn)了 90。而能夠被第二偏振分光棱鏡10反射。本機振蕩激光光束以水平偏振狀態(tài)入射并直接通過第三偏振分光棱鏡20，回波激光光束以垂直偏振狀態(tài)入射并經(jīng)過第三偏振分光棱鏡20反射，因此，本機振蕩激 光光束和回波激光光束通過第三偏振分光棱鏡20進(jìn)行了光束合束，偏振正交的合成 光束再經(jīng)過第二半波片(或四分之一波片)21旋轉(zhuǎn)偏振態(tài)45° (或者成為園偏振態(tài))， 經(jīng)第四偏振分光棱鏡22進(jìn)行偏振分光，都是水平方向偏振的合成光束用第一光電探 測器23進(jìn)行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束用第二光電探測器24進(jìn)行外 差接收。望遠(yuǎn)鏡物鏡13和望遠(yuǎn)鏡目鏡12組成用于激光發(fā)射和接收的天線望遠(yuǎn)鏡，設(shè)望 遠(yuǎn)鏡物鏡13的焦距為乂和望遠(yuǎn)鏡目鏡12的焦距為/2，則望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)為M = ^。望遠(yuǎn)鏡的出(入)瞳14位于物鏡13的外焦面上，可以設(shè)置一個實的孔徑 /2光闌，也可以無實物光闌而代表一個位置，望遠(yuǎn)鏡的目鏡12的外焦面為望遠(yuǎn)鏡的入 (出)瞳面，出(入)瞳面14與目鏡的入(出)瞳面相互成像。第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡6和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡9組成一個發(fā)射4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡，第 二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡9的出瞳平面與天線望遠(yuǎn)鏡的入(出)瞳面重合。該發(fā)射4一f轉(zhuǎn)像 望遠(yuǎn)鏡具有發(fā)射離焦量7，發(fā)射空間位相調(diào)制板8放置在第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡9的前 焦面上。第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡6和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡9的焦距設(shè)定為/3 。第一接收轉(zhuǎn)像透鏡17和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡19組成一個接收4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡， 第一接收轉(zhuǎn)像透鏡17的入瞳面與天線望遠(yuǎn)鏡的入(出)瞳面重合。該接收4一f轉(zhuǎn) 像望遠(yuǎn)鏡具有接收離焦量18，接收空間位相調(diào)制板15放置在該接收4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn) 鏡的入瞳面上。第一接收轉(zhuǎn)像透鏡17和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡19的焦距設(shè)定為/4 。第一半波片(或四分之一波片)2、第一偏振分光棱鏡3，第一四分之一波片4、 第一反射鏡5、第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡6，發(fā)射離焦量7，發(fā)射空間相位調(diào)制板8、第二 發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡9、第二偏振分光棱鏡IO、第二四分之一波片ll、接收空間相位調(diào)制 板15、第二反射鏡16、第一接收轉(zhuǎn)像透鏡17、接收離焦量18、第二接收轉(zhuǎn)像透鏡 19、第三偏振分光棱鏡20和第二半波片(或四分之一波片)21構(gòu)成了一個3端口 的雙向調(diào)制接收發(fā)射環(huán)路。其中第一半波片(或四分之一波片)2是激光光源入 射端口，第二四分之一波片11是發(fā)射激光輸出和回波接收端口，第二半波片(或四 分之一波片)21是探測光信號輸出端口。在雙向調(diào)制接收發(fā)射環(huán)路中，從第一偏振分光棱鏡3到第二偏振分光棱鏡10只 存在發(fā)射激光光束的光路，引入發(fā)射離焦量7和發(fā)射空間位相調(diào)制板8能夠在激光，為了消除入射波前的二次項像望遠(yuǎn)鏡的照明區(qū)產(chǎn)生附加空間相位二次項，改變發(fā)射激光照明波前。從第二偏振分光棱鏡10到第三偏振分光棱鏡20只存在回波激光光束的光路，引入接收空間位相調(diào)制板15或者接收離焦量18能夠?qū)邮胀h(yuǎn)鏡進(jìn)行等效離焦而消除接收光束離焦像差的目的在激光發(fā)射光路中，假設(shè)距離為z的目標(biāo)照明光場為^(x，力，要求在照明區(qū)產(chǎn)生附加空間相位二次項為exp，其中R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲率半徑。為了實現(xiàn)這一波前偏置，天線望遠(yuǎn)鏡的離焦量為A/^-"^，而空間相位二z + 7 次項偏置的等效焦距為尸=1。因此發(fā)射4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡的中間焦面的離焦量7應(yīng)2z當(dāng)為:<formula>formula see original document page 14</formula>而發(fā)射空間位相調(diào)制板8的空間相位二次項等效焦距應(yīng)當(dāng)為:<formula>formula see original document page 14</formula>在激光接收光路中，目標(biāo)的點衍射在天線望遠(yuǎn)鏡出(入)瞳14上產(chǎn)生的場強波差，應(yīng)當(dāng)控制天線望遠(yuǎn)鏡的離焦量達(dá)到A/、t。因此， 一種方法是在天線望遠(yuǎn)鏡出 瞳位置即接收轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡的入瞳位置上放置接收空間相位調(diào)制板15，其相位函數(shù)為:<formula>formula see original document page 14</formula>另外一種方法是使接收4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡中間焦面離焦，離焦量18應(yīng)當(dāng)為// 《 此外，發(fā)射空間位相調(diào)制板8和接收空間位相調(diào)制板15還可以進(jìn)行另外的專門 目的的設(shè)計。例如，可以設(shè)計發(fā)射位相調(diào)制函數(shù)產(chǎn)生柱面激光發(fā)射光束或/和設(shè)計接 收位相調(diào)制函數(shù)產(chǎn)生柱面接收相位偏置，以在合成孔徑激光成像雷達(dá)中產(chǎn)生距離方向和飛行方位方向的可分離變量的方位方向相位二次項歷程，降低成像算法的復(fù)雜 性。一般要求物鏡入瞳的直徑大于物鏡直徑，目鏡出瞳直徑大于目鏡直徑。 光電探測器一般應(yīng)當(dāng)放在接收望遠(yuǎn)鏡出瞳平面上，光電探測器可以離開望遠(yuǎn)鏡出瞳平面一定距離，當(dāng)光電探測器離開望遠(yuǎn)鏡出瞳平面距離較大時應(yīng)當(dāng)采用轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)。當(dāng)激光發(fā)射光源是光纖激光器或光纖放大器時，除了準(zhǔn)直使用外，激光光纖發(fā) 射端口或者再配以透鏡聚焦點可以直接放在第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡6的后焦面位置上。 當(dāng)光纖系統(tǒng)用于光學(xué)接收部件時，在第二接收轉(zhuǎn)像透鏡19后或者在第四偏振分光棱 鏡22后可以加聚光鏡，把出射光束匯集入光纖端口。本實施例的具體設(shè)計如下一個合成孔徑激光成像雷達(dá)的孔徑合成成像分辨率要求25皿，成像觀察距離為 4、 10、 20km。因此望遠(yuǎn)鏡物鏡入瞳面上的孔徑光闌直徑為+50mm。設(shè)計望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)為M=10，望遠(yuǎn)鏡物鏡13 口徑為(j)60mm(〉(()50mni)和焦距為 1000mm，望遠(yuǎn)鏡目鏡12的口徑為小7隨(〉(()5,)和焦距為100mm。第一接收轉(zhuǎn)像透鏡 17和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡19的焦距為100mm。第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡6和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透 鏡9的焦距為100mm。接收望遠(yuǎn)鏡為了消除入射波前的二次項像差應(yīng)當(dāng)控制望遠(yuǎn)鏡的等效離焦量，相 當(dāng)于接收轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡的離焦量為0.25、 0.1、 0.05mm，離焦的同時在接收信號中產(chǎn) 生相位二次項歷程，相當(dāng)于曲率為4、 10、 20km。在4、 10、 20km處的高斯光束波前曲率為4、 10、 20km，考慮回波接收的二次 項相位歷程，總的等效波前的曲率為2、 5、 10km,相當(dāng)于在照明半徑上的半波的波 高數(shù)目為1.786、 4.47、 8.93，為了便于正確采樣和反演可以要求半波波高數(shù)為20， 這時需要附加偏置一個等效曲率為0. 196、 1.437、 8.068km的二次項，即接收空間 相位調(diào)制平板15的二次項等效焦距應(yīng)當(dāng)為0. 049、 0. 05748、 0. 0807mm。
權(quán)利要求
1、一種合成孔徑激光成像雷達(dá)的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡，其特征在于包括合成孔徑激光成像雷達(dá)的激光光源(1)，沿該激光光源(1)發(fā)射的激光光束依次是第一半波片(2)和第一偏振分光棱鏡(3)，所述的激光光束被第一偏振分光棱鏡(3)分為反射和透射光束，該第一偏振分光棱鏡(3)反射光束作為本機振蕩激光光束，該本機振蕩激光光束經(jīng)過第一四分之一波片(4)并由第一反射鏡(5)返回后到達(dá)并通過該第一偏振分光棱鏡(3)輸出進(jìn)入第三偏振分光棱鏡(20)，該第一偏振分光棱鏡(3)透射光束作為發(fā)射激光光束，該發(fā)射激光光束依次經(jīng)第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(6)、發(fā)射離焦量(7)、發(fā)射空間相位調(diào)制板(8)、第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(9)、第二偏振分光棱鏡(10)、第二四分之一波片(11)、望遠(yuǎn)鏡目鏡(12)、望遠(yuǎn)鏡物鏡(13)和望遠(yuǎn)鏡出入瞳(14)射向目標(biāo)，該目標(biāo)的回波激光光束經(jīng)原路返回，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡出入瞳(14)、望遠(yuǎn)鏡物鏡(13)、望遠(yuǎn)鏡目鏡(12)、第二四分之一波片(11)至所述的第二偏振分光棱鏡(10)，反射后再經(jīng)過接收空間相位調(diào)制板(15)、第二反射鏡(16)、第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(17)、接收離焦量(18)、第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(19)到達(dá)第三偏振分光棱鏡(20)，所述的回波激光光束和所述的本機振蕩激光光束通過第三偏振分光棱鏡(20)合束，再經(jīng)過第二半波片(21)并通過第四偏振分光棱鏡(22)偏振分光，都是水平方向偏振的合成光束由第一光電探測器(23)進(jìn)行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束由第二光電探測器(24)進(jìn)行外差接收；所有偏振分光棱鏡設(shè)定為水平偏振方向光束通過而垂直偏振方向光束反射；所述的第一四分之一波片(4)的角度設(shè)置使得從第一偏振分光棱鏡(3)反射出的本機振蕩激光光束從第一反射鏡(5)返回到第一偏振分光棱鏡(3)上的偏振旋轉(zhuǎn)了90°而能夠直接通過該第一偏振分光棱鏡(3)；所述的第二四分之一波片(11)的角度設(shè)置使得透過第二偏振分光棱鏡(10)的發(fā)射激光光束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射，目標(biāo)反射的回波并由望遠(yuǎn)鏡接收的光束返回到第二偏振分光棱鏡(10)上的偏振旋轉(zhuǎn)了90°而能夠被第二偏振分光棱鏡(10)反射；所述的望遠(yuǎn)鏡物鏡(13)和望遠(yuǎn)鏡目鏡(12)組成用于激光發(fā)射和接收的天線望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡物鏡(13)的焦距為f1和望遠(yuǎn)鏡目鏡(12)的焦距為f2，望遠(yuǎn)鏡目鏡(12)的后焦面和望遠(yuǎn)鏡物鏡(13)的前焦面之間的距離為望遠(yuǎn)鏡的離焦量
2、 一種合成孔徑激光成像雷達(dá)的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡，其特征在于包括合成孔徑激光成像雷達(dá)的激光光源(1)，沿該激光光源(1)發(fā)射的激光光束依次是第一半波片(2)和第一偏振分光棱鏡(3)，所述的激光光束被第一偏振分光棱鏡(3) 分為反射和透射光束，該第一偏振分光棱鏡(3)反射光束作為本機振蕩激光光束，該本機振蕩激光光束經(jīng)過第一四分之一波片(4)并由第一反射鏡(5)返回后到達(dá) 并通過該第一偏振分光棱鏡(3)輸出進(jìn)入第三偏振分光棱鏡(20)，該第一偏振分 光棱鏡(3)透射光束作為發(fā)射激光光束，該發(fā)射激光光束依次經(jīng)第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡 (6)、發(fā)射離焦量(7)、發(fā)射空間相位調(diào)制板(8)、第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(9)、第二 偏振分光棱鏡(10)、第二四分之一波片(11)、望遠(yuǎn)鏡目鏡(12)、望遠(yuǎn)鏡物鏡(13) 和望遠(yuǎn)鏡出入瞳(14)射向目標(biāo)，該目標(biāo)的回波激光光束經(jīng)原路返回，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡出 入瞳(14)、望遠(yuǎn)鏡物鏡(13)、望遠(yuǎn)鏡目鏡(12)、第二四分之一波片(11)至所述 的第二偏振分光棱鏡(10)，反射后再經(jīng)過接收空間相位調(diào)制板(15)、第二反射鏡 (16)、第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(17)、接收離焦量(18)、第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(19)到達(dá) 第三偏振分光棱鏡(20)，所述的回波激光光束和所述的本機振蕩激光光束通過第三 偏振分光棱鏡(20)合束，再經(jīng)過第二半波片(21)并通過第四偏振分光棱鏡(22) 偏振分光，都是水平方向偏振的合成光束由第一光電探測器(23)進(jìn)行外差接收， 都是垂直方向偏振的合成光束由第二光電探測器(24)進(jìn)行外差接收；所有偏振分光棱鏡設(shè)定為水平偏振方向光束通過而垂直偏振方向光束反射；所述的第一四分之一波片(4)的角度設(shè)置使得從第一偏振分光棱鏡(3)反射 出的本機振蕩激光光束從第一反射鏡(5)返回到第一偏振分光棱鏡(3)上的偏振 旋轉(zhuǎn)了 90。而能夠直接通過該第一偏振分光棱鏡(3);所述的第二四分之一波片(11)的角度設(shè)置使得透過第二偏振分光棱鏡(10) 的發(fā)射激光光束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射，目標(biāo)反射的回波并由望遠(yuǎn)鏡接收的光束返回到第 二偏振分光棱鏡(10)上的偏振旋轉(zhuǎn)了 90。而能夠被第二偏振分光棱鏡(10)反射；所述的望遠(yuǎn)鏡物鏡(13)和望遠(yuǎn)鏡目鏡(12)組成用于激光發(fā)射和接收的天線 望遠(yuǎn)鏡，該望遠(yuǎn)鏡物鏡(13)的焦距為/,和望遠(yuǎn)鏡目鏡(12)的焦距為/2，望遠(yuǎn)鏡 目鏡(12)的后焦面和望遠(yuǎn)鏡物鏡(13)的前焦面之間的距離為望遠(yuǎn)鏡的離焦量 A/ = 0;所述的望遠(yuǎn)鏡的出入瞳(14)位于望遠(yuǎn)鏡物鏡(13)的外焦面上，所述的望 遠(yuǎn)鏡的目鏡(12)的外焦面為望遠(yuǎn)鏡的入出瞳面，所述的望遠(yuǎn)鏡的出入瞳面(14)與 望遠(yuǎn)鏡的入出瞳面相互成像；所述的第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(6)和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(9)組成一個發(fā)射4 —f轉(zhuǎn) 像望遠(yuǎn)鏡，第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(9)的出瞳平面與天線望遠(yuǎn)鏡的入出瞳面重合，所述 的發(fā)射空間位相調(diào)制板(8)放置在第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(9)的前焦面上，第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(6)和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(9)的焦距為/3，所述的發(fā)射4 —f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡 的中間焦面的離焦量(7)為-2A/3 = —式中Z為合成孔徑激光成像雷達(dá)到目標(biāo)的距離，而且該發(fā)射空間位相調(diào)制板(8) 的相位調(diào)制函數(shù)產(chǎn)生的空間相位二次項偏置的等效焦距為z2式中Z為合成孔徑激光成像雷達(dá)到目標(biāo)的距離，R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲 率半徑；所述的第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(17)和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(19)組成一個接收4一f 轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(17)的入瞳面與天線望遠(yuǎn)鏡的入出瞳面重合，所 述的接收空間位相調(diào)制板(15)放置在該接收4 —f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡的入瞳面上，第一接 收轉(zhuǎn)像透鏡(17)和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(19)的焦距為厶，所述的接收空間相位調(diào) 制板(15)的相位函數(shù)為式中x、 y為接收空間相位調(diào)制板(15)的位置坐標(biāo)，義為激光波長；或者所述的 接收4一f轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡中間焦面離焦，離焦量(18)為A乙=4《
3、 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡，其特征在于所述的第一半波片(2)和第二半波片(21)可改用四分之一波片。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡，其特征在于所述的 望遠(yuǎn)鏡的出入瞳(14)位于望遠(yuǎn)鏡物鏡(13)的外焦面上，為一實的孔徑光闌，或 僅代表一個位置。
全文摘要
一種合成孔徑激光成像雷達(dá)的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡，雙向環(huán)路由轉(zhuǎn)像望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的獨立的發(fā)射通道和接收通道組成，連接激光光源、光電探測器和望遠(yuǎn)鏡。發(fā)射通道中設(shè)置離焦和發(fā)射空間相位調(diào)制平板，接收通道中設(shè)置離焦和接收空間相位調(diào)制平板?？刂瓢l(fā)射離焦量，發(fā)射相位調(diào)制函數(shù)，接收離焦量，接收相位調(diào)制函數(shù)。本發(fā)明用同一個望遠(yuǎn)鏡可以實現(xiàn)空間二次項相位附加偏置的激光發(fā)射和消除目標(biāo)回波接收波面像差的光學(xué)離焦接收，并產(chǎn)生雷達(dá)運動方向上合適的和可控的相位二次項歷程，實現(xiàn)孔徑合成成像。
文檔編號G01S17/00GK101256233SQ200810034238
公開日2008年9月3日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者劉立人 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所