專利名稱：滑動聚束合成孔徑激光成像雷達的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑激光成像雷達，特別是一種滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，激光雷達作直線運動的光學足跡以較慢的速度掃描被測目標平面內(nèi)所關(guān)注的成像區(qū)域。最主要的特點和優(yōu)點是改變激光雷達移動步進間隔和光學足跡移動步進間隔可以有效改變整個相位歷程二次項的大小，從而進行合理的總體設(shè)計，具有重要應用價值。

背景技術(shù)：
微波合成孔徑雷達通常有兩種主要工作模式，即條帶掃描模式和聚束模式。在條帶掃描模式中雷達直線運動，雷達向目標區(qū)平行發(fā)射波束和接收回波。在聚束模式中雷達作直線運動，雷達恒定指向被測目標平面內(nèi)所關(guān)注的成像區(qū)域。后來發(fā)展了一種滑動聚束工作模式(參見J.Mittermayer，R.Lord，and E.Boerner，“Slidingspotlight SAR processing for TerraSAR-X using a new formulation of the extended chirpscaling algorithm，”Proc.IGARSS(Toulouse France)，pp1462-1464(2003))，雷達作直線運動，其光學足跡以較慢的速度掃描被測目標平面內(nèi)所關(guān)注的成像區(qū)域。滑動聚束模式相對于條帶掃描模式具有較高的成像分辨率，而相對于聚束模式具有較短的目標照明駐留時間，具有突出的應用特點。
合成孔徑激光成像雷達的原理來自于微波合成孔徑雷達，國外實驗室已經(jīng)給出了條帶模式的驗證(參見M.Bashkansky，R.L.Lucke，F(xiàn).Funk，L.J.Rickard，and J.Reintjes，“Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain，”O(jiān)pticsLetters，Vol.27，pp1983-1985(2002)和S.M.Beck，J.R.Buck，W.F.Buell，R.P.Dickinson，D.A.Kozlowski，N.J.Marechal，and T.J.Wright，“Synthetic-apertureimaging ladarlaboratory demonstration and signal processing”Applied Optics，Vol.44，No.35，pp.7621-7629(2005))，也實現(xiàn)了機載的條帶模式的合成孔徑激光成像雷達試驗(參見J.Ricklin，M.Dierking，S.Fuhrer，B.Schumm，and D.Tomlison，“Syntheticaperture ladar for tactical imaging，”DARPA Strategic Technology Office.)。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于基于微波的滑動聚束合成孔徑雷達的工作模式，提出一種滑動聚束合成孔徑激光成像雷達?；瑒泳凼铣煽讖郊す獬上窭走_相對于條帶掃描模式合成孔徑激光成像雷達具有較高成像分辨率，相對于聚束模式合成孔徑激光成像雷達具有較短的目標照明駐留時間，特別是改變激光雷達移動步進間隔和光學足跡移動步進間隔可以有效改變整個相位歷程二次項的大小，從而進行合理的總體設(shè)計?；瑒泳凼铣煽讖郊す獬上窭走_具有重要應用價值。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 一種滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特點是包括一臺合成孔徑激光成像雷達，該合成孔徑激光成像雷達由光學發(fā)射系統(tǒng)和光學接收系統(tǒng)構(gòu)成，所述的光學接收系統(tǒng)具有消除回波波面像差的機構(gòu)，光學發(fā)射系統(tǒng)具有照明光斑控制的相位二次項偏置機構(gòu)，所述的合成孔徑激光成像雷達作直線運動，在運動中光學發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射具有一定發(fā)散度的發(fā)射信號光束，在被測目標平面形成一定直徑的發(fā)射光斑；而光學接收系統(tǒng)具有一定的外差接收視場，在被測目標平面形成一定直徑的可接收面積，發(fā)射光斑和可接收面積之小者為物面可成像面積即光學足跡，該光學足跡以較慢的速度掃描被測目標平面內(nèi)所關(guān)注的成像區(qū)域，所述的發(fā)射光束與接收視場同軸同心，光束發(fā)散度和外差接收視場角相等。
所述的發(fā)射光學系統(tǒng)是空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，所述的接收光學系統(tǒng)是離焦接收望遠鏡。
所述的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡的構(gòu)成包括從發(fā)射激光光束依次的望遠鏡入瞳、目鏡、目鏡后焦面、相位調(diào)制平板、物鏡和望遠鏡出瞳，所述的望遠鏡目鏡的焦距為f1和物鏡的焦距為f2，所述的望遠鏡入瞳的平面位于所述的目鏡的前焦面，所述的望遠鏡出瞳位于物鏡的后焦面，目鏡的后焦面和物鏡的前焦面之間的距離為望遠鏡的離焦量 所述的物鏡的前焦面上放置所述的相位調(diào)制平板，該相位調(diào)制平板的相位調(diào)制函數(shù)產(chǎn)生的空間相位二次項偏置的等效焦距為 式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲率半徑。
所述的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡的構(gòu)成包括從發(fā)射激光光束依次的望遠鏡入瞳、目鏡、目鏡后焦面、相位調(diào)制平板、物鏡和望遠鏡出瞳，所述的望遠鏡目鏡的焦距為f1和物鏡的焦距為f2，所述的望遠鏡入瞳的平面位于所述的目鏡的前焦面，所述的望遠鏡出瞳位于物鏡的后焦面，目鏡的后焦面和物鏡的前焦面之間的距離為望遠鏡的離焦量Δl＝0，所述的物鏡的前焦面上放置所述的相位調(diào)制平板，該相位調(diào)制平板的相位調(diào)制函數(shù)產(chǎn)生的空間相位二次項偏置的等效焦距為 式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲率半徑。
所述的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡的構(gòu)成包括從發(fā)射激光光束依次的望遠鏡入瞳、目鏡、目鏡后焦面、物鏡和望遠鏡出瞳，所述的望遠鏡目鏡的焦距為f1和物鏡的焦距為f2，所述的望遠鏡入瞳的平面位于所述的目鏡的前焦面，所述的望遠鏡出瞳位于物鏡的后焦面，目鏡的后焦面和物鏡的前焦面之間的距離為0，在所述的望遠鏡出瞳連接一個4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)，該4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)的中間焦面上進行離焦和空間相位二次項偏置，中間焦面的離焦量為 空間相位二次項偏置的等效焦距應當為 式中f3為所述的4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)的焦距，z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲率半徑。
所述的離焦接收望遠鏡的構(gòu)成包括沿入射光束依次的望遠鏡入瞳平面(122)、物鏡、物鏡后焦面、目鏡前焦面、目鏡和望遠鏡出瞳平面，所述的物鏡的焦距為f4，目鏡的焦距為f5，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面相對于所述的物鏡的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面相對于所述的目鏡的后焦面的距離為ΔL2，所述的望遠鏡入瞳平面與望遠鏡出瞳平面相互成像，滿足 所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
所述的離焦接收望遠鏡的構(gòu)成包括沿入射光束依次的望遠鏡入瞳平面、物鏡、物鏡后焦面、目鏡前焦面、目鏡、望遠鏡出瞳平面和補償相位平板，所述的物鏡的焦距為f4，目鏡的焦距為f5，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面相對于所述的物鏡的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面相對于所述的目鏡的后焦面的距離為ΔL2，所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為Δl＝0，所述的望遠鏡入瞳平面與望遠鏡出瞳平面相互成像，滿足 在望遠鏡出瞳平面設(shè)置所述的補償相位平板，該補償相位平板的相位調(diào)制函數(shù)為
式中x，y為目鏡輸出孔徑光闌平面上的橫向坐標，λ為激光波長，z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
所述的離焦接收望遠鏡的構(gòu)成包括沿入射光束依次的補償相位平板、望遠鏡入瞳平面、物鏡、物鏡后焦面、目鏡前焦面、目鏡和望遠鏡出瞳平面，所述的物鏡的焦距為f4，目鏡的焦距為f5，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面相對于所述的物鏡的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面相對于所述的目鏡的后焦面的距離為ΔL2，所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為Δl＝0，所述的望遠鏡入瞳平面與望遠鏡出瞳平面相互成像，滿足 在所述的望遠鏡入瞳平面設(shè)置所述的補償相位平板，該補償相位平板的相位調(diào)制函數(shù)為
所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
所述的離焦接收望遠鏡的構(gòu)成包括沿入射光束依次的補償相位平板、望遠鏡入瞳平面、物鏡、物鏡后焦面、目鏡前焦面、目鏡和望遠鏡出瞳平面，所述的物鏡的焦距為f4，目鏡的焦距為f5，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面相對于所述的物鏡的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面相對于所述的目鏡的后焦面的距離為ΔL2，所述的望遠鏡入瞳平面與望遠鏡出瞳平面相互成像，滿足 在所述的望遠鏡出瞳平面的光路上連接一個4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)，該4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)的中間焦面離焦，該4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)的焦距為f6，則中間焦面的離焦量為 所述的離焦接收望遠鏡的構(gòu)成包括沿入射光束依次的望遠鏡入瞳平面、物鏡、物鏡后焦面、目鏡前焦面、目鏡、望遠鏡出瞳平面和補償相位平板，所述的物鏡的焦距為f4，目鏡的焦距為f5，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面相對于所述的物鏡的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面相對于所述的目鏡的后焦面的距離為ΔL2，望遠鏡入瞳平面與望遠鏡出瞳平面相互成像，滿足 本機激光振蕩器的光束進行空間相位二次項偏置，到達望遠鏡出瞳或光電探測器上的相位函數(shù)為
所述的合成孔徑激光成像雷達采用雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠鏡，包括合成孔徑激光成像雷達的激光光源，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并通過該第一偏振分光棱鏡輸出進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、望遠鏡目鏡、望遠鏡物鏡和望遠鏡出入瞳射向目標，該目標的回波激光光束經(jīng)原路返回，經(jīng)望遠鏡出入瞳、望遠鏡物鏡、望遠鏡目鏡、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)過望遠鏡發(fā)射，目標反射的回波并由望遠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； 所述的望遠鏡物鏡和望遠鏡目鏡組成用于激光發(fā)射和接收的天線望遠鏡，該望遠鏡物鏡的焦距為f7和望遠鏡目鏡的焦距為f8，望遠鏡目鏡的后焦面和望遠鏡物鏡的前焦面之間的距離為望遠鏡的離焦量式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲率半徑； 望遠鏡的出入瞳位于望遠鏡物鏡的外焦面上，所述的望遠鏡的目鏡的外焦面為望遠鏡的入出瞳面，所述的望遠鏡的出入瞳面與望遠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-f轉(zhuǎn)像望遠鏡，第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡的出瞳平面與天線望遠鏡的入出瞳面重合，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f9，所述的發(fā)射4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡的中間焦面的離焦量為 式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，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 式中F為空間位相二次項偏置的等效焦距， 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)像望遠鏡，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡的入瞳面與天線望遠鏡的入出瞳面重合，所述的接收空間位相調(diào)制板放置在該接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡的入瞳面上，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡的焦距為f10，所述的接收空間相位調(diào)制板的相位函數(shù)為
式中x、y為接收空間相位調(diào)制板的位置坐標，λ為激光波長；或者所述的接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡中間焦面離焦，離焦量為 所述的合成孔徑激光成像雷達采用雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠鏡，包括合成孔徑激光成像雷達的激光光源，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并通過該第一偏振分光棱鏡輸出進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、望遠鏡目鏡、望遠鏡物鏡和望遠鏡出入瞳射向目標，該目標的回波激光光束經(jīng)原路返回，經(jīng)望遠鏡出入瞳、望遠鏡物鏡、望遠鏡目鏡、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)過望遠鏡發(fā)射，目標反射的回波并由望遠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； 所述的望遠鏡物鏡和望遠鏡目鏡組成用于激光發(fā)射和接收的天線望遠鏡，該望遠鏡物鏡的焦距為f7和望遠鏡目鏡的焦距為f8，望遠鏡目鏡的后焦面和望遠鏡物鏡的前焦面之間的距離為望遠鏡的離焦量Δl＝0；所述的望遠鏡的出入瞳位于望遠鏡物鏡的外焦面上，所述的望遠鏡的目鏡的外焦面為望遠鏡的入出瞳面，所述的望遠鏡的出入瞳面與望遠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-f轉(zhuǎn)像望遠鏡，第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡的出瞳平面與天線望遠鏡的入出瞳面重合，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f9，所述的發(fā)射4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡的中間焦面的離焦量為 式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，而且該發(fā)射空間位相調(diào)制板(138)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 式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，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-f轉(zhuǎn)像望遠鏡，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡的入瞳面與天線望遠鏡的入出瞳面重合，所述的接收空間位相調(diào)制板放置在該接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡的入瞳面上，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡的焦距為f10，所述的接收空間相位調(diào)制板的相位函數(shù)為
式中x、y為接收空間相位調(diào)制板的位置坐標，λ為激光波長；或者所述的接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡中間焦面離焦，離焦量為 所述的第一半波片和第二半波片可改用四分之一波片。
本發(fā)明的技術(shù)效果 本發(fā)明滑動聚束合成孔徑激光成像雷達相對于條帶掃描模式合成孔徑激光成像雷達具有較高成像分辨率，相對于聚束模式合成孔徑激光成像雷達具有較短的目標照明駐留時間，特別是改變激光雷達移動步進間隔和光學足跡移動步進間隔可以有效改變整個相位歷程二次項的大小，從而進行合理的總體設(shè)計，具有重要的應用價值。



圖1是本發(fā)明滑動聚束合成孔徑激光成像雷達的原理圖。
圖2是本發(fā)明滑動聚束合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡的結(jié)構(gòu)示意圖 圖3是本發(fā)明滑動聚束合成孔徑激光成像雷達的離焦望遠鏡光學接收天線的結(jié)構(gòu)示意圖 圖4是本發(fā)明滑動聚束合成孔徑激光成像雷達的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠鏡的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明滑動聚束合成孔徑激光成像雷達的原理圖。由圖可見，本發(fā)明滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，包括一臺合成孔徑激光成像雷達1，該合成孔徑激光成像雷達1由光學發(fā)射系統(tǒng)和光學接收系統(tǒng)構(gòu)成，所述的光學接收系統(tǒng)具有消除回波波面像差的機構(gòu)，光學發(fā)射系統(tǒng)具有照明光斑控制的相位二次項偏置機構(gòu)，所述的合成孔徑激光成像雷達1作直線運動，在運動中光學發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射具有一定發(fā)散度的發(fā)射信號光束，在被測目標平面形成一定直徑的發(fā)射光斑；而光學接收系統(tǒng)具有一定的外差接收視場，在被測目標平面3形成一定直徑的可接收面積，發(fā)射光斑和可接收面積之小者為物面可成像面積即光學足跡2，該光學足跡2以較慢的速度掃描被測目標平面3內(nèi)所關(guān)注的成像區(qū)域，所述的發(fā)射光束與接收視場同軸同心，光束發(fā)散度和外差接收視場角相等。
光學足跡2是激光照明光斑和外差接收視場共同作用的物面可成像面積。合成孔徑激光成像雷達1作直線運動，在運動中光學足跡2以較慢的速度掃描被測目標平面3內(nèi)所關(guān)注的成像區(qū)域。定義包含雷達光學主軸的平面為主平面，光學足跡2的中心到雷達直線運動軌跡垂線稱為聚束中心線，其垂足為空間和時間的參考原點，聚束中心線上的光學足跡2的中心定義為成像目標平面3的坐標原點，而聚束中心線與雷達運動軌跡的交點為雷達的時間參考原點，兩中心的距離為z0。被測物體平面3與主平面有一定夾角，其交線是雷達運動軌跡在物面上的軌跡投影。
定義合成孔徑激光成像雷達1的移動步進間隔為ΔL1，光學足跡2的移動步進間隔為ΔL2，步進時間間隔為Δt，在滑動聚束模式下ΔL1＞ΔL2。以合成孔徑激光成像雷達時間原點為相對時間參考點(t＝0和m＝0)，則合成孔徑激光成像雷達1的移動距離mΔL1和光學足跡2的移動距離mΔL2。
合成孔徑激光成像雷達的接收光學系統(tǒng)滿足消除回波波面像差條件，發(fā)射光學系統(tǒng)能夠進行照明光斑可控制的相位二次項偏置。因此具有波面曲率半徑為Ft的照明光斑的波面方程為

而具有等效焦距為Fr的接收等效波前的二次項相位的波面方程為

總的二次項相位歷程等效焦距為 在被測物體平面3上第n個目標散射點的坐標可以用(xn，yn，zn)表示，其中xn是目標散射點到主平面投影的垂距，yn是投影點到聚束中心線的距離，zn是投影點到軌跡投影交線的距離。目標散射點(xn，yn，zn)在軌跡投影交線上的投影點yn到激光雷達坐標中心的目標視角為 定義 對于第m個合成孔徑激光成像雷達和光學足跡位置連線的光學足跡上，目標散射點在主平面內(nèi)的投影的波面到物面上的軌跡投影線的距離為 z2，n，m＝zn-ynmΔθ。(2) 而其距離為 在目標點(xn，yn，zn)點上對應的相位為
對于第m個合成孔徑激光成像雷達和光學足跡位置連線的合成孔徑激光成像雷達上，產(chǎn)生距離變化有 因此，對于發(fā)射過程具有的單程光程為
而對于接收過程具有的單程光程為
所以發(fā)射和接收過程后的波面相位為

可以得到滑動聚束模式的波前相位的通用公式
其中 可見，對于一個目標點(yn)在方位方向所產(chǎn)生的相位歷程是一個如下的二次項 其中ΔFss為滑動聚束合成孔徑激光成像雷達的二次項相位歷程的等效焦距，而ΔLss為等效步進距離。因此有 可見除了控制Fequ值外，改變激光雷達移動步進間隔ΔL1和光學足跡移動步進間隔ΔL2可以有效改變整個相位歷程二次項的大小，從而進行合理的設(shè)計。這是滑動聚束合成孔徑激光成像雷達的最主要的特點和優(yōu)點。
設(shè)光學足跡2的直徑為D，一個目標點的光學足跡最大掃描數(shù)為 激光發(fā)射光源為頻率線性調(diào)制的啁啾信號 其中T為激光脈沖周期，ΔT為激光脈沖寬度。
點目標激光回波與本機激光振蕩的平衡外差接收信號為
其中τf是的快時間延遲，即目標信號時間延遲扣除整數(shù)倍激光脈沖周期后的余數(shù)延遲時間，In是與散射點反射率、系統(tǒng)參數(shù)、外差接收方向性等有關(guān)的系數(shù)，

為剩余固定相位。由上述公式可見已經(jīng)產(chǎn)生了孔徑合成的基本條件，實現(xiàn)了掃描合成孔徑激光成像雷達的原理。成像處理可以采用傳統(tǒng)的算法，距離方向的聚焦像可以通過線性相位調(diào)制項的傅立葉變換壓縮取得。角度方位方向的聚焦像可以通過二次相位項的匹配濾波壓縮取得。
條帶掃描模式需要合成孔徑激光成像雷達作直線運動，聚束模式和滑動聚束模式不僅要求合成孔徑激光成像雷達作直線運動而且要求合成孔徑激光成像雷達本身作轉(zhuǎn)動，因此滑動聚束模式相對于條帶掃描模式需要更多的一個活動自由度。在光學上滑動聚束模式的實現(xiàn)可以采樣雷達本身轉(zhuǎn)動的方案，也可以采用附加光束掃描器實現(xiàn)光學足跡偏轉(zhuǎn)的方案。
本發(fā)明滑動聚束合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡的結(jié)構(gòu)如圖2所示，從發(fā)射激光光束111開始依次是望遠鏡入瞳112、目鏡113、目鏡后焦面114、相位調(diào)制平板115、物鏡116和望遠鏡出瞳117。
設(shè)望遠鏡目鏡113的焦距為f1和物鏡116的焦距為f2，則望遠鏡的放大倍數(shù)為目鏡后焦面114和物鏡前焦面之間的距離為Δl，表示望遠鏡的離焦量，當Δl＝0時望遠鏡無離焦即處于對焦狀態(tài)。物鏡前焦面上放置相位調(diào)制平板115，其相位調(diào)制函數(shù)為 其中F為等效球面波曲率。
假設(shè)合成孔徑激光成像雷達到目標的距離為z，望遠鏡出瞳112或者望遠鏡物鏡116的直徑為D，目標最大尺度為L，使用的激光波長為λ，則滿足 時，本雷達位于目標的費涅爾衍射區(qū)域。
望遠鏡的發(fā)射激光光束111在入瞳面112上的波前為e0(x，y)，則目標照明波前為費涅爾衍射 要求衍射照明光場偏置一個空間相位二次項

則相對于的望遠鏡出瞳波前則要求為 為了實現(xiàn)這一波前偏置，望遠鏡的離焦量應當為 而空間相位二次項偏置的等效焦距應當為 當目標處于夫瑯和費衍射區(qū)域。達到空間相位二次項

偏置的要求離焦量為Δl＝0，而空間相位二次項偏置的等效焦距應當為 最終照明光場波前為 其中

代表在距離z上的傅立葉變換。上述表達式中A，B和C為復常數(shù)。
望遠鏡在不離焦和不附加相位調(diào)制平板的狀態(tài)下也可以在望遠鏡之外采用光學附件達到等效的離焦和相位偏置。其方法是聯(lián)接一個4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)，在其中間焦面上進行離焦和相位偏置。
本發(fā)明的離焦望遠鏡光學接收天線的結(jié)構(gòu)如圖3所示，從入射光束121開始依次是望遠鏡入瞳122、物鏡123、物鏡后焦面124、目鏡前焦面125、目鏡126、望遠鏡出瞳127和補償相位平板128。
設(shè)所述的物鏡123的焦距為f4，目鏡126的焦距為f5，則望遠鏡的放大倍數(shù)為一般情況下，望遠鏡入瞳122位于物鏡123的前焦面，望遠鏡出瞳127位于目鏡6的后焦面。
物鏡后焦面124和目鏡前焦面125之間的距離為Δl，表示望遠鏡的離焦量，當Δl＝0時望遠鏡無離焦即處于對焦狀態(tài)。設(shè)望遠鏡在入瞳面上的輸入孔徑函數(shù)為p1(x，y)，入射到望遠鏡入瞳面上的目標光束的場強為e2(x，y)，則在望遠鏡出瞳面上的場強波前表達為 假設(shè)合成孔徑激光成像雷達到目標的距離為z，望遠鏡入瞳122或者望遠鏡物鏡123的直徑為D，目標最大尺度為L，使用的激光波長為λ，則滿足 時，雷達位于目標的費涅爾衍射區(qū)域。這時目標的點衍射在望遠鏡入瞳122上產(chǎn)生的場強的波前表達為 其中，(sx，sy)為目標點的橫向位置。
利用望遠鏡離焦的波面變換消除回波信號的衍射波面像差的具體方法有如下三種 (1)真實的望遠鏡離焦方法 望遠鏡出瞳面上即接收面上的相應場強的波前表達為 左邊第一項表示入瞳函數(shù)的縮小成像，第二項表示目標點衍射產(chǎn)生的波前二次項像差，第三項表示目標點位置橫向離軸產(chǎn)生的空間線性相位移，第四項表示目標點位置橫向離軸產(chǎn)生的相位二次項延遲，第五項表示望遠鏡離焦產(chǎn)生的相位二次項波前偏置。
控制離焦量使得 可以消除入射波前的二次項像差，得到 可見只存在了必要的目標點位置橫向離軸產(chǎn)生的相位二次項延遲以及線性相位移，后者應當小于等于光學外差接收機的接收視角。
上述表達式中E和B為復常數(shù)。
(2)補償相位平板進行等效離焦操作 望遠鏡不離焦時出瞳面上的相應場強的波前表達為 因此當望遠鏡出瞳位置上的補償相位平板128的相位調(diào)制函數(shù)為
可以消除入射波前的二次項像差。
也可以把補償相位平板放在望遠鏡入瞳2的位置上，這時補償相位平板的相位調(diào)制函數(shù)為
可以消除入射波前的二次項像差。
(3)望遠鏡真實離焦和補償相位平板相結(jié)合方法 例如波前二次項像差即離焦像差采用真實離焦解決，而球面像差以及高階像差采用補償相位平板解決。
當目標處于夫瑯和費衍射區(qū)域時，不產(chǎn)生目標點位置橫向離軸產(chǎn)生的相位二次項延遲。
望遠鏡在不離焦的狀態(tài)下也可以在望遠鏡之外采用光學系統(tǒng)或附件達到等效的離焦。有兩種方法聯(lián)接一個4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)，其中間焦面離焦；對本機激光振蕩器的光束進行空間相位二次項偏置。
本發(fā)明的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠鏡的結(jié)構(gòu)如圖4所示，由圖可見，本發(fā)明的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠鏡包括，包括合成孔徑激光成像雷達的激光光源131，沿該激光光源131發(fā)射的激光光束依次是第一半波片132和第一偏振分光棱鏡133，所述的激光光束被第一偏振分光棱鏡133分為反射和透射光束，該第一偏振分光棱鏡133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134并由第一反射鏡135返回后到達并通過該第一偏振分光棱鏡133輸出進入第三偏振分光棱鏡1320，該第一偏振分光棱鏡133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136、發(fā)射離焦量137、發(fā)射空間相位調(diào)制板138、第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡139、第二偏振分光棱鏡1310、第二四分之一波片1311、望遠鏡目鏡1312、望遠鏡物鏡1313和望遠鏡出入瞳1314射向目標，該目標的回波激光光束經(jīng)原路返回，經(jīng)望遠鏡出入瞳1314、望遠鏡物鏡1313、望遠鏡目鏡1312、第二四分之一波片1311至所述的第二偏振分光棱鏡1310，反射后再經(jīng)過接收空間相位調(diào)制板1315、第二反射鏡1316、第一接收轉(zhuǎn)像透鏡1317、接收離焦量1318、第二接收轉(zhuǎn)像透鏡1319到達第三偏振分光棱鏡1320，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1320合束，再經(jīng)過第二半波片1321并通過第四偏振分光棱鏡1322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1323進行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束由第二光電探測器1324進行外差接收； 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134的角度設(shè)置使得從第一偏振分光棱鏡133反射出的本機振蕩激光光束從第一反射鏡135返回到第一偏振分光棱鏡133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133； 所述的第二四分之一波片1311的角度設(shè)置使得透過第二偏振分光棱鏡1310的發(fā)射激光光束經(jīng)過望遠鏡發(fā)射，目標反射的回波并由望遠鏡接收的光束返回到第二偏振分光棱鏡1310上的偏振旋轉(zhuǎn)了90°而能夠被第二偏振分光棱鏡1310反射； 所述的望遠鏡物鏡1313和望遠鏡目鏡1312組成用于激光發(fā)射和接收的天線望遠鏡，該望遠鏡物鏡1313的焦距為f7和望遠鏡目鏡1312的焦距為f8，望遠鏡目鏡1312的后焦面和望遠鏡物鏡1313的前焦面之間的距離為望遠鏡的離焦量式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲率半徑； 望遠鏡的出入瞳1314位于望遠鏡物鏡1313的外焦面上，所述的望遠鏡的目鏡1312的外焦面為望遠鏡的入出瞳面，所述的望遠鏡的出入瞳面1314與望遠鏡的入出瞳面相互成像； 所述的第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡136和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡139組成一個發(fā)射4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡，第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡139的出瞳平面與天線望遠鏡的入出瞳面重合，所述的發(fā)射空間位相調(diào)制板138放置在第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡139的前焦面上，第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡136和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡139的焦距為f9，所述的發(fā)射4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡的中間焦面的離焦量137為 式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，而且該發(fā)射空間位相調(diào)制板138的空間相位二次項等效焦距為 式中F為空間位相二次項偏置的等效焦距， 所述的第一接收轉(zhuǎn)像透鏡1317和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡1319組成一個接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡1317的入瞳面與天線望遠鏡的入出瞳面重合，所述的接收空間位相調(diào)制板1315放置在該接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡的入瞳面上，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡1317和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡1319的焦距為f10，所述的接收空間相位調(diào)制板1315的相位函數(shù)為
式中x、y為接收空間相位調(diào)制板1315的位置坐標，λ為激光波長；或者所述的接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡中間焦面離焦，離焦量1318為 在雙向調(diào)制接收發(fā)射環(huán)路中，從第一偏振分光棱鏡133到第二偏振分光棱鏡1310是只存在發(fā)射激光光束的光路，引入發(fā)射離焦量137和發(fā)射空間位相調(diào)制板138能夠在激光望遠鏡的照明區(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1310到第三偏振分光棱鏡1320是只存在回波激光光束的光路，引入接收空間位相調(diào)制板1315或者接收離焦量1318能夠?qū)邮胀h鏡進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的目標照明光場為ez(x，y)，要求在照明區(qū)產(chǎn)生附加空間相位二次項為

則為了實現(xiàn)這一波前偏置，天線望遠鏡的離焦量為而空間相位二次項偏置的等效焦距為因此發(fā)射4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡的中間焦面的離焦量137應當為 而發(fā)射空間位相調(diào)制板138的空間相位二次項等效焦距應當為 在激光接收光路中，目標的點衍射在天線望遠鏡出(入)瞳1314上產(chǎn)生的場強波前一般可以表達為為了消除入射波前的二次項像差應當控制天線望遠鏡的離焦量達到因此，一種方法是在天線望遠鏡出瞳位置即接收轉(zhuǎn)像望遠鏡的入瞳位置上放置接收空間相位調(diào)制板1315，其相位函數(shù)為
另外一種方法是使接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡中間焦面離焦，離焦量1318應當為 下面給出一個具體的設(shè)計參數(shù) 假設(shè)滑動聚束合成孔徑激光成像雷達1的高度為20km，對地面觀察的成像距離為150km(z0)，成像彌散園為20mm，工作波長1.55μm。設(shè)計激光雷達的光學接收和發(fā)射望遠鏡主鏡的口徑為40mm，光束發(fā)散度和光學外差接收視場均為100μrad，光斑直徑10m(D)，發(fā)射和接收二次項焦距150km(Fequ)。脈沖雙程渡越時間1ms，激光脈沖寬度500μ。距離方向成像彌散園帶寬15GHz，啁啾速率距離項快時間延遲的最大值控制在3μs以內(nèi)，距離向最大差頻頻率為fmax＝90MHz。
雷達運動速度100m/s，目標取樣范圍±5m。光學足跡采樣數(shù)200(M)，步進間隔為5cm，步進時間0.5ms，雷達步進間隔7cm。因此，活動滑動聚束合成孔徑激光成像雷達的相位歷程二次項最大相對相位差93×π。
因此徑向距離方向的聚焦像可以通過90MHz左右的線性相位調(diào)制項的傅立葉變換壓縮取得。角度方位方向的聚焦像可以通過即約93×π最大相對相位差的二次相位項的匹配濾波壓縮取得。
權(quán)利要求
1、一種滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于包括一臺合成孔徑激光成像雷達(1)，該合成孔徑激光成像雷達(1)由光學發(fā)射系統(tǒng)(11)和光學接收系統(tǒng)(12)構(gòu)成，所述的光學接收系統(tǒng)(12)具有消除回波波面像差的機構(gòu)，光學發(fā)射系統(tǒng)(11)具有照明光斑控制的相位二次項偏置機構(gòu)，所述的合成孔徑激光成像雷達(1)作直線運動，在運動中光學發(fā)射系統(tǒng)(11)發(fā)射具有一定發(fā)散度的發(fā)射信號光束，在被測目標平面(3)形成一定直徑的發(fā)射光斑；而光學接收系統(tǒng)(12)具有一定的外差接收視場，在被測目標平面(3)形成一定直徑的可接收面積，發(fā)射光斑和可接收面積之小者為物面可成像面積即光學足跡(2)，該光學足跡(2)以較慢的速度掃描被測目標平面(3)內(nèi)所關(guān)注的成像區(qū)域，所述的發(fā)射光束與接收視場同軸同心，光束發(fā)散度和外差接收視場角相等。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的發(fā)射光學系統(tǒng)(11)是空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，所述的合成孔徑激光成像雷達(1)的接收光學系統(tǒng)(12)是離焦接收望遠鏡。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡的構(gòu)成包括從發(fā)射激光光束(111)依次的望遠鏡入瞳(112)、目鏡(113)、目鏡后焦面(114)、相位調(diào)制平板(115)、物鏡(116)和望遠鏡出瞳(117)，所述的望遠鏡目鏡(113)的焦距為f1和物鏡(116)的焦距為f2，所述的望遠鏡入瞳(112)的平面位于所述的目鏡(113)的前焦面，所述的望遠鏡出瞳(117)位于物鏡(116)的后焦面，目鏡(113)的后焦面(114)和物鏡(116)的前焦面之間的距離為望遠鏡的離焦量
所述的物鏡(116)的前焦面上放置所述的相位調(diào)制平板(115)，該相位調(diào)制平板(115)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
式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲率半徑。
4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡的構(gòu)成包括從發(fā)射激光光束(111)依次的望遠鏡入瞳(112)、目鏡(113)、目鏡后焦面(114)、相位調(diào)制平板(115)、物鏡(116)和望遠鏡出瞳(117)，所述的望遠鏡目鏡(113)的焦距為f1和物鏡(116)的焦距為f2，所述的望遠鏡入瞳(112)的平面位于所述的目鏡(113)的前焦面，所述的望遠鏡出瞳(117)位于物鏡(116)的后焦面，目鏡(113)的后焦面(114)和物鏡(116)的前焦面之間的距離為望遠鏡的離焦量
Δl＝0，
所述的物鏡(116)的前焦面上放置所述的相位調(diào)制平板(115)，該相位調(diào)制平板(115)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
式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲率半徑。
5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡的構(gòu)成包括從發(fā)射激光光束(111)依次的望遠鏡入瞳(112)、目鏡(113)、目鏡后焦面(114)、物鏡(116)和望遠鏡出瞳(117)，所述的望遠鏡目鏡(113)的焦距為f1和物鏡(116)的焦距為f2，所述的望遠鏡入瞳(112)的平面位于所述的目鏡(113)的前焦面，所述的望遠鏡出瞳(117)位于物鏡(116)的后焦面，目鏡(113)的后焦面(114)和物鏡(116)的前焦面之間的距離為0，在所述的望遠鏡出瞳(117)連接一個4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)，該4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)的中間焦面上進行離焦和空間相位二次項偏置，中間焦面的離焦量為
空間相位二次項偏置的等效焦距應當為
式中f3為所述的4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)的焦距，z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲率半徑。
6、根據(jù)權(quán)利要求2所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的離焦接收望遠鏡的構(gòu)成包括沿入射光束(121)依次的望遠鏡入瞳平面(122)、物鏡(123)、物鏡后焦面(124)、目鏡前焦面(125)、目鏡(126)和望遠鏡出瞳平面(127)，所述的物鏡(123)的焦距為f4，目鏡(126)的焦距為f5，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面(122)相對于所述的物鏡(123)的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面(127)相對于所述的目鏡(126)的后焦面的距離為ΔL2，所述的望遠鏡入瞳平面(122)與望遠鏡出瞳平面(127)相互成像，滿足
所述的物鏡后焦面(124)與目鏡前焦面(125)之間的距離為式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
7、根據(jù)權(quán)利要求2所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的離焦接收望遠鏡的構(gòu)成包括沿入射光束(121)依次的望遠鏡入瞳平面(122)、物鏡(123)、物鏡后焦面(124)、目鏡前焦面(125)、目鏡(126)、望遠鏡出瞳平面(127)和補償相位平板(128)，所述的物鏡(123)的焦距為f4，目鏡(126)的焦距為f5，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面(122)相對于所述的物鏡(123)的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面(127)相對于所述的目鏡(126)的后焦面的距離為ΔL2，所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為Δl＝0，所述的望遠鏡入瞳平面(122)與望遠鏡出瞳平面(127)相互成像，滿足
在望遠鏡出瞳平面(127)設(shè)置所述的補償相位平板(128)，該補償相位平板(128)的相位調(diào)制函數(shù)為
式中x，y為目鏡輸出孔徑光闌平面上的橫向坐標，λ為激光波長，z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
8、根據(jù)權(quán)利要求2所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的離焦接收望遠鏡的構(gòu)成包括沿入射光束(121)依次的補償相位平板(128)、望遠鏡入瞳平面(122)、物鏡(123)、物鏡后焦面(124)、目鏡前焦面(125)、目鏡(126)和望遠鏡出瞳平面(127)，所述的物鏡(123)的焦距為f4，目鏡(126)的焦距為f5，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面(122)相對于所述的物鏡(123)的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面(127)相對于所述的目鏡(126)的后焦面的距離為ΔL2，所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為Δl＝0，所述的望遠鏡入瞳平面(122)與望遠鏡出瞳平面(127)相互成像，滿足
在所述的望遠鏡入瞳平面(122)設(shè)置所述的補償相位平板(128)，該補償相位平板(128)的相位調(diào)制函數(shù)為
9、根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的物鏡后焦面(124)與目鏡前焦面(125)之間的距離為式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
10、根據(jù)權(quán)利要求2所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的離焦接收望遠鏡的構(gòu)成包括沿入射光束(121)依次的補償相位平板(128)、望遠鏡入瞳平面(122)、物鏡(123)、物鏡后焦面(124)、目鏡前焦面(125)、目鏡(126)和望遠鏡出瞳平面(127)，所述的物鏡(123)的焦距為f4，目鏡(126)的焦距為f5，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面(122)相對于所述的物鏡(123)的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面(127)相對于所述的目鏡(126)的后焦面的距離為ΔL2，所述的望遠鏡入瞳平面(122)與望遠鏡出瞳平面(127)相互成像，滿足
在所述的望遠鏡出瞳平面(127)的光路上連接一個4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)，該4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)的中間焦面離焦，該4-f轉(zhuǎn)像光學系統(tǒng)的焦距為f6，則中間焦面的離焦量為
11、根據(jù)權(quán)利要求2所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的離焦接收望遠鏡的構(gòu)成包括沿入射光束(121)依次的望遠鏡入瞳平面(122)、物鏡(123)、物鏡后焦面(124)、目鏡前焦面(125)、目鏡(126)、望遠鏡出瞳平面(127)和補償相位平板(128)，所述的物鏡(123)的焦距為f4，目鏡(126)的焦距為f5，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面(122)相對于所述的物鏡(123)的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面(127)相對于所述的目鏡(126)的后焦面的距離為ΔL2，望遠鏡入瞳平面(122)與望遠鏡出瞳平面(127)相互成像，滿足
本機激光振蕩器的光束進行空間相位二次項偏置，到達望遠鏡出瞳或光電探測器上的相位函數(shù)為
12、根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的合成孔徑激光成像雷達采用雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠鏡，包括合成孔徑激光成像雷達的激光光源(131)，沿該激光光源(131)發(fā)射的激光光束依次是第一半波片(132)和第一偏振分光棱鏡(133)，所述的激光光束被第一偏振分光棱鏡(133)分為反射和透射光束，該第一偏振分光棱鏡(133)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(134)并由第一反射鏡(135)返回后到達并通過該第一偏振分光棱鏡(133)輸出進入第三偏振分光棱鏡(1320)，該第一偏振分光棱鏡(133)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(136)、發(fā)射離焦量(137)、發(fā)射空間相位調(diào)制板(138)、第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(139)、第二偏振分光棱鏡(1310)、第二四分之一波片(1311)、望遠鏡目鏡(1312)、望遠鏡物鏡(1313)和望遠鏡出入瞳(1314)射向目標，該目標的回波激光光束經(jīng)原路返回，經(jīng)望遠鏡出入瞳(1314)、望遠鏡物鏡(1313)、望遠鏡目鏡(1312)、第二四分之一波片(1311)至所述的第二偏振分光棱鏡(1310)，反射后再經(jīng)過接收空間相位調(diào)制板(1315)、第二反射鏡(1316)、第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(1317)、接收離焦量(1318)、第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(1319)到達第三偏振分光棱鏡(1320)，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(1320)合束，再經(jīng)過第二半波片(1321)并通過第四偏振分光棱鏡(1322)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(1323)進行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束由第二光電探測器(1324)進行外差接收；
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(134)的角度設(shè)置使得從第一偏振分光棱鏡(133)反射出的本機振蕩激光光束從第一反射鏡(135)返回到第一偏振分光棱鏡(133)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(133)；
所述的第二四分之一波片(1311)的角度設(shè)置使得透過第二偏振分光棱鏡(1310)的發(fā)射激光光束經(jīng)過望遠鏡發(fā)射，目標反射的回波并由望遠鏡接收的光束返回到第二偏振分光棱鏡(1310)上的偏振旋轉(zhuǎn)了90°而能夠被第二偏振分光棱鏡(1310)反射；
所述的望遠鏡物鏡(1313)和望遠鏡目鏡(1312)組成用于激光發(fā)射和接收的天線望遠鏡，該望遠鏡物鏡(1313)的焦距為f7和望遠鏡目鏡(1312)的焦距為f8，望遠鏡目鏡(1312)的后焦面和望遠鏡物鏡(1313)的前焦面之間的距離為望遠鏡的離焦量式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，R為發(fā)射光束波面在距離Z上的曲率半徑；
望遠鏡的出入瞳(1314)位于望遠鏡物鏡(1313)的外焦面上，所述的望遠鏡的目鏡(1312)的外焦面為望遠鏡的入出瞳面，所述的望遠鏡的出入瞳面(1314)與望遠鏡的入出瞳面相互成像；
所述的第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(136)和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(139)組成一個發(fā)射4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡，第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(139)的出瞳平面與天線望遠鏡的入出瞳面重合，所述的發(fā)射空間位相調(diào)制板(138)放置在第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(139)的前焦面上，第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(136)和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(139)的焦距為f9，所述的發(fā)射4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡的中間焦面的離焦量(137)為
式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，而且該發(fā)射空間位相調(diào)制板(138)的空間相位二次項等效焦距為
式中F為空間位相二次項偏置的等效焦距，
所述的第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(1317)和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(1319)組成一個接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(1317)的入瞳面與天線望遠鏡的入出瞳面重合，所述的接收空間位相調(diào)制板(1315)放置在該接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡的入瞳面上，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(1317)和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(1319)的焦距為f10，所述的接收空間相位調(diào)制板(1315)的相位函數(shù)為
式中x、y為接收空間相位調(diào)制板(1315)的位置坐標，λ為激光波長；或者所述的接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡中間焦面離焦，離焦量(1318)為
13、根據(jù)權(quán)利要求1所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的合成孔徑激光成像雷達采用雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠鏡，包括合成孔徑激光成像雷達的激光光源(131)，沿該激光光源(131)發(fā)射的激光光束依次是第一半波片(132)和第一偏振分光棱鏡(133)，所述的激光光束被第一偏振分光棱鏡(133)分為反射和透射光束，該第一偏振分光棱鏡(133)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(134)并由第一反射鏡(135)返回后到達并通過該第一偏振分光棱鏡(133)輸出進入第三偏振分光棱鏡(1320)，該第一偏振分光棱鏡(133)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(136)、發(fā)射離焦量(137)、發(fā)射空間相位調(diào)制板(138)、第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(139)、第二偏振分光棱鏡(1310)、第二四分之一波片(1311)、望遠鏡目鏡(1312)、望遠鏡物鏡(1313)和望遠鏡出入瞳(1314)射向目標，該目標的回波激光光束經(jīng)原路返回，經(jīng)望遠鏡出入瞳(1314)、望遠鏡物鏡(1313)、望遠鏡目鏡(1312)、第二四分之一波片(1311)至所述的第二偏振分光棱鏡(1310)，反射后再經(jīng)過接收空間相位調(diào)制板(1315)、第二反射鏡(1316)、第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(1317)、接收離焦量(1318)、第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(1319)到達第三偏振分光棱鏡(1320)，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(1320)合束，再經(jīng)過第二半波片(1321)并通過第四偏振分光棱鏡(1322)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(1323)進行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束由第二光電探測器(1324)進行外差接收；
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(134)的角度設(shè)置使得從第一偏振分光棱鏡(133)反射出的本機振蕩激光光束從第一反射鏡(135)返回到第一偏振分光棱鏡(133)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(133)；
所述的第二四分之一波片(1311)的角度設(shè)置使得透過第二偏振分光棱鏡(1310)的發(fā)射激光光束經(jīng)過望遠鏡發(fā)射，目標反射的回波并由望遠鏡接收的光束返回到第二偏振分光棱鏡(1310)上的偏振旋轉(zhuǎn)了90°而能夠被第二偏振分光棱鏡(1310)反射；
所述的望遠鏡物鏡(1313)和望遠鏡目鏡(1312)組成用于激光發(fā)射和接收的天線望遠鏡，該望遠鏡物鏡(1313)的焦距為f7和望遠鏡目鏡(1312)的焦距為f8，望遠鏡目鏡(1312)的后焦面和望遠鏡物鏡(1313)的前焦面之間的距離為望遠鏡的離焦量Δl＝0；所述的望遠鏡的出入瞳(1314)位于望遠鏡物鏡(1313)的外焦面上，所述的望遠鏡的目鏡(1312)的外焦面為望遠鏡的入出瞳面，所述的望遠鏡的出入瞳面(1314)與望遠鏡的入出瞳面相互成像；
所述的第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(136)和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(139)組成一個發(fā)射4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡，第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(139)的出瞳平面與天線望遠鏡的入出瞳面重合，所述的發(fā)射空間位相調(diào)制板(138)放置在第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(139)的前焦面上，第一發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(136)和第二發(fā)射轉(zhuǎn)像透鏡(139)的焦距為f9，所述的發(fā)射4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡的中間焦面的離焦量(137)為
式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，而且該發(fā)射空間位相調(diào)制板(138)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
式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，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(1317)和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(1319)組成一個接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(1317)的入瞳面與天線望遠鏡的入出瞳面重合，所述的接收空間位相調(diào)制板(1315)放置在該接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡的入瞳面上，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(1317)和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(1319)的焦距為f10，所述的接收空間相位調(diào)制板(1315)的相位函數(shù)為
式中x、y為接收空間相位調(diào)制板(1315)的位置坐標，λ為激光波長；或者所述的接收4-f轉(zhuǎn)像望遠鏡中間焦面離焦，離焦量(1318)為
14、根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特征在于所述的第一半波片(132)和第二半波片(1321)可改用四分之一波片。
全文摘要
一種滑動聚束合成孔徑激光成像雷達，其特點是包括一臺合成孔徑激光成像雷達，該合成孔徑激光成像雷達由光學發(fā)射系統(tǒng)和光學接收系統(tǒng)構(gòu)成，所述的光學接收系統(tǒng)具有消除回波波面像差的機構(gòu)，光學發(fā)射系統(tǒng)具有照明光斑控制的相位二次項偏置機構(gòu)，所述的合成孔徑激光成像雷達作直線運動，在運動中光學發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射具有一定發(fā)散度的發(fā)射信號光束，在被測目標平面形成一定直徑的光學足跡，該光學足跡以較慢的速度掃描被測目標平面內(nèi)所關(guān)注的成像區(qū)域，所述的發(fā)射光束與接收視場同軸同心，光束發(fā)散度和外差接收視場角相等。
文檔編號G01S7/481GK101344593SQ200810037380
公開日2009年1月14日 申請日期2008年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月14日
發(fā)明者劉立人 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所