合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，包括發(fā)射光學(xué)天線和接收光學(xué)天線，發(fā)射光學(xué)天線的發(fā)射光束經(jīng)由反射鏡與接收光學(xué)天線同光軸，望遠鏡系統(tǒng)后焦面處設(shè)有光調(diào)制器。本實用新型以合成孔徑和外差接收技術(shù)為基礎(chǔ)，發(fā)射天線與接收天線設(shè)計為一體結(jié)構(gòu)，同軸收發(fā)，結(jié)構(gòu)更緊促簡單、更緊促牢靠，發(fā)射和接收更容易匹配，失配角要求變低，利用光調(diào)制器實時消除接收信號二次項相位影響，保證接收到較高的信噪比和較大的接收視場，實現(xiàn)合成孔徑寬幅成像。
【專利說明】合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于合成孔徑激光成像雷達【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種合成孔徑激光成 像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線。

【背景技術(shù)】
[0002] 合成孔徑激光成像雷達（SAIL)原理來源于微波合成孔徑雷達，是能夠在遠距離 實現(xiàn)厘米量級分辨率的唯一光學(xué)成像手段。但激光波長比微波波長小3 - 6個數(shù)量級， 因此其信號發(fā)射和接收又具有了光學(xué)領(lǐng)域的新要求。合成孔徑激光成像雷達方位向分辨 率主要取決于光學(xué)發(fā)射天線的有效口徑，并且與天線口徑直徑成正比，因此為了獲得大的 光學(xué)足趾和高的分辨率，發(fā)射天線口徑一般較小；為了獲得較高的回波信號強度及外差信 號信噪比，要求外差接收的視場與激光發(fā)射的發(fā)散視場相同，且外差接收天線口徑越大越 好（參見[1]R. L. Lucke, L. J. Rickard, M. Bashkansky, J. Reintjes, E. E. Funk. Synthetic aperture ladar(SAL)-Fundamental theory, Design equations for a satellite system, and Laboratory demonstration 2002, Naval Research Laboratory report NRL/ FR/7218-02-10;[2]劉立人.合成孔徑激光成像雷達（III):雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠鏡 [J].光學(xué)學(xué)報，2008, 28 (7) ,1405-1410.)。然而由于大口徑加工工藝限制，接收口徑總是 有限，所能夠接收到的目標回波信號很小，大的接收口徑同時又帶來接收視場降低，這將嚴 重影響信號探測難度和雷達系統(tǒng)性能（參見[3] Steven M. Beck, Joseph R. Buck, Walter F.Buell etal. . Synthetic-aperture imaging laser radar: laboratory demonstration and signal processing[J]. Appl. Opt. , 2005, 44(35):7621-7629.)
[0003] 先前技術(shù)[4] (A. E. Siegman. The antenna properties of optical heterodyne receivers[J]. Pro. IEEE, 1966,54(10) :1350-1356)曾給出 了光學(xué)外差接收的天線理論： 天線接收立體角和接收口徑的有效面積乘積近似等于波長的平方，因此理論上接收視場 和有效接收孔徑總是此消彼長的關(guān)系。對于合成孔徑激光成像雷達，先前技術(shù)[5](聞 愛民，劉立人，周煜，孫建鋒.通用的合成孔徑激光成像雷達光學(xué)天線，實用新型專利，申 請?zhí)枺?00920066851.0)提出了一種通用的合成孔徑激光成像雷達光學(xué)天線結(jié)構(gòu)，但是該 裝置發(fā)射望遠鏡和接收望遠鏡通過一個公用的主望遠鏡集裝在一起，必須發(fā)射接收分時 進行，且最大視場角僅由光學(xué)天線口徑的衍射極限決定，視場有限。先前技術(shù)[6](劉立 人.合成孔徑激光成像雷達的透鏡焦面陣列外差接收光學(xué)天線，實用新型專利，申請?zhí)枺?200910056646. 0)提出采用透鏡焦面處平衡陣列探測器實現(xiàn)寬幅多通道信號接收成像，可 以突破文獻[4]所述的光學(xué)外差接收天線理論的限制，獲得較大接收視場；但是沒有考慮 消除回波信號的二次相位的影響，透鏡口徑尺寸依舊無法做到很大，且無法調(diào)整本振光斑、 信號光光斑和陣列探測器單元的相對面積關(guān)系，接收的信號光強度利用率有限，最終成像 信噪比較低；方案中實施例所提及的卡塞格倫望遠系統(tǒng)，次鏡是拋物面形反射鏡，彗差很 大，可用視場較小，實際應(yīng)用中會限制陣列探測的有效視場，不適合大視場合成孔徑激光成 像雷達應(yīng)用。 實用新型內(nèi)容
[0004] 實用新型目的：本實用新型旨在提供一種實時消除接收信號二次項相位影響、實 現(xiàn)高質(zhì)量合成孔徑成像的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線。
[0005] 技術(shù)方案：一種合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，包括發(fā)射光學(xué)天線，包 括光源、沿光源光路設(shè)置的發(fā)射天線孔徑光闌和反射鏡；
[0006] 接收光學(xué)天線，包括目標回波、沿目標回波入射方向依次設(shè)有的接收天線孔徑光 闌、望遠鏡系統(tǒng)、會聚透鏡、合束鏡及平衡陣列探測系統(tǒng)；
[0007] 發(fā)射光學(xué)天線的發(fā)射光束經(jīng)由反射鏡與接收光學(xué)天線同光軸，望遠鏡系統(tǒng)后焦面 處設(shè)有光調(diào)制器。經(jīng)過調(diào)制的本振光參考光與經(jīng)過光調(diào)制器相位補償后的會聚光于合束鏡 混頻合束，由位于所述的會聚透鏡后焦面處的平衡陣列探測系統(tǒng)外差接收。
[0008] 所述光調(diào)制器為相位型液晶空間光調(diào)制器。
[0009] 所述相位型液晶空間光調(diào)制器的調(diào)制信號的表達式為： / ，X - _ v m \
[0010] /c e:\-p --- \ ，： /
[0011] 式中1〇為相應(yīng)的常數(shù)項，Z為目標面到接收望遠鏡入瞳的空間距離，由高度計實時 測量或本振光延時換算獲得。相位型空間光調(diào)制器發(fā)出的調(diào)制信號可以進行對回波信號的 二次相位補償。
[0012] 所述會聚透鏡的前焦面處設(shè)有會聚透鏡光闌，會聚透鏡光闌緊貼在所述光調(diào)制器 上。
[0013] 所述會聚透鏡光闌、發(fā)射天線孔徑光闌及接收天線孔徑光闌同時為方形孔徑或圓 形孔徑。所述會聚透鏡光闌設(shè)有孔徑尺寸調(diào)節(jié)機構(gòu)。
[0014] 所述平衡陣列探測系統(tǒng)包括波片、偏振分光棱鏡、第一光電探測陣列、第二光電探 測陣列、加法器和平衡接收陣列電路，波片為λ/2或λ/4波片，波片設(shè)置在偏振分光棱鏡 之前，第一光電探測陣列和第二光電探測陣列位于所述會聚透鏡的后焦面處；加法器的輸 入端分別與所述的第一光電探測陣列和第二光電探測陣列的輸出端相連；加法器的輸出端 與平衡接收陣列電路的輸入端相連。
[0015] 所述望遠鏡系統(tǒng)包括接收望遠鏡物鏡主鏡、接收望遠鏡物鏡次鏡、接收望遠鏡目 鏡，所述接收天線孔徑光闌位于接收望遠鏡物鏡主鏡的前焦面處；接收望遠鏡物鏡主鏡的 凹反射面與接收望遠鏡物鏡次鏡的凹反射面相對，接收望遠鏡物鏡主鏡的焦點和接收望遠 鏡物鏡次鏡的前焦點重合，接收望遠鏡目鏡的前焦點和接收望遠鏡物鏡次鏡的后焦點重 合。接收光學(xué)天線采用的望遠鏡系統(tǒng)，加工工藝簡單，能夠?qū)崿F(xiàn)比透鏡口徑大的多接收口 徑，接收到更多信號功率；且系統(tǒng)相差變形小，雙凹的反射面結(jié)構(gòu)具有比凹凸反射面結(jié)構(gòu)大 的多的可用視場，易于實現(xiàn)合成孔徑激光成像雷達的大口徑探測。所述接收望遠鏡物鏡主 鏡為拋物面反射鏡，所述接收望遠鏡物鏡次鏡為橢球面反射鏡。
[0016] 所述發(fā)射光學(xué)天線還包括用于隔離目標回波信號對光源干擾的光隔離系統(tǒng)，光隔 離系統(tǒng)位于所述發(fā)射天線孔徑光闌之前。采用光學(xué)隔離器或相應(yīng)的偏振片及波片構(gòu)成的光 隔離系統(tǒng)消除了回波信號對激光源的影響，保證了系統(tǒng)收發(fā)的可行性。
[0017] 工作原理：本實用新型所述的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線以合成孔 徑和外差接收技術(shù)為基礎(chǔ)，利用光調(diào)制器實時消除接收信號二次項相位影響，通過平衡陣 列探測技術(shù)和可調(diào)的會聚透鏡光闌，可以實現(xiàn)比普通的開普勒望遠鏡直接接收及光學(xué)天線 口徑衍射所決定的視場大得多的接收視場，且可以極大的抑制背景噪聲和本振光噪聲的影 響，獲得較高外差效率，保證接收到的信噪比。由于望遠鏡系統(tǒng)沒有色差，且容易實現(xiàn)大口 徑加工，因此可以減小雷達所需要的頻率啁啾信號的影響，增加接收到的信號光能量，結(jié)構(gòu) 上容易與相對較小口徑的發(fā)射光學(xué)天線構(gòu)成一個同軸的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)光學(xué) 天線，實現(xiàn)高質(zhì)量的合成孔徑成像。
[0018] 有益效果：本實用新型所述的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，其中發(fā) 射天線與接收天線設(shè)計為一體結(jié)構(gòu)，同軸收發(fā)，結(jié)構(gòu)更緊促簡單、更緊促牢靠，發(fā)射和接收 更容易匹配，失配角要求變低，采用光調(diào)制器可以實時消除接收信號波面二次位相差的影 響，對應(yīng)的調(diào)制信號簡單易控。接收天線口徑可遠遠大于發(fā)射天線口徑，增加了接收到的信 號功率。會聚透鏡和平衡陣列探測器技術(shù)的使用，可以極大的抑制背景噪聲和本振光噪聲 的影響，保證接收到較高的信噪比和較大的接收視場，實現(xiàn)合成孔徑寬幅成像。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是本實用新型的示意圖；
[0020] 圖2是本實用新型中平衡陣列探測系統(tǒng)示意圖；
[0021] 圖3是本實用新型中透鏡焦面陣列外差探測與傳統(tǒng)的透鏡焦面面探測器外差探 測的對比圖示。

【具體實施方式】
[0022] 如圖1所示，本實用新型所述的一種合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線， 包括同軸的發(fā)射光學(xué)天線和接收光學(xué)天線，發(fā)射光學(xué)天線構(gòu)成依次為光源1、光學(xué)隔離器 2、發(fā)射天線孔徑光闌3和反射鏡4,接收光學(xué)天線構(gòu)成依次為目標回波5、接收天線孔徑光 闌6、接收望遠鏡物鏡主鏡7、接收望遠鏡物鏡次鏡8、接收望遠鏡物鏡主焦點9、接收望遠鏡 目鏡10、相位型液晶空間光調(diào)制器11、液晶空間光調(diào)制器調(diào)制信號12、會聚透鏡光闌13、會 聚透鏡14、本振光參考光16、合束鏡15及平衡陣列探測系統(tǒng)17。所述的發(fā)射天線中光學(xué)隔 離器2用于隔離回波信號5對光源的干擾2接收望遠鏡物鏡主鏡7的焦點和接收望遠鏡物 鏡次鏡8的橢球前焦點重合；所述的接收望遠鏡目鏡10的前焦點和接收望遠鏡物鏡次鏡8 的橢球后焦點重合，與所述的接收望遠鏡物鏡主鏡7 -同構(gòu)成望遠鏡系統(tǒng)。所述的空間光 液晶調(diào)制器調(diào)制信號12用于控制相位型液晶空間光調(diào)制器11的相位分布，進行對回波信 號的二次相位補償。所述的相位型液晶空間光調(diào)制器11位于接收望遠鏡目鏡10的后焦面 處，且同時位于會聚透鏡14的前焦面處；所述會聚透鏡光闌13位于會聚透鏡14的前焦面 處，僅貼著相位型液晶空間光調(diào)制器11 ;所述的合束鏡15位于會聚透鏡14后的一倍焦距 之內(nèi)，經(jīng)過調(diào)制的本振光16與經(jīng)過相位型液晶空間光調(diào)制器11相位補償后的會聚光于合 束鏡15混頻合束，由位于所述的會聚透鏡14后焦面處的平衡陣列探測系統(tǒng)17外差接收。
[0023] 如圖2所不，平衡陣列探測系統(tǒng)17依次由波片171、偏振分光棱鏡172、第一光電 探測陣列173、第二光電探測陣列174、加法器175和平衡接收陣列電路176構(gòu)成。所述的波 片171為λ /2和λ /4波片；所述的第一光電探測陣列173和第二光電探測陣列174結(jié)構(gòu) 及性能相同，位于所述的會聚透鏡13的后焦面處；所述的加法器175的輸入端分別與所述 的第一光電探測陣列173和第二光電探測陣列174的輸出端相連；所述的加法器175的輸 處端與所述的平衡接收陣列電路176的輸入端相連，平衡接收陣列電路176輸出光路177。
[0024] 相位型液晶空間光調(diào)制器11進行回波信號的二次相位補償，空間光液晶調(diào)制器 調(diào)制信號12的表達式可簡化為： / , ;c: - v; \
[0025] JD exp I -;.τΜ ·-;-I
[0026] 式中L為相應(yīng)的常數(shù)項，z為目標面到接收望遠鏡入瞳的空間距離，實際中由高度 計實時測量或本振光延時換算獲得。
[0027] 對于發(fā)射天線孔徑光闌3,方形孔徑僅限制了目標面的光學(xué)足趾為方形，圓形孔徑 決定了圓形的光學(xué)足趾。對于接收天線孔徑光闌6,當孔徑為方形時，通過望遠鏡系統(tǒng)之后， 出瞳處的等效孔徑函數(shù)表示為： 乂 \ .. Mx、 , Mv,
[0028] Ρι = ινν?(--)!·βα?(-γ-).,
[0029] 式中Ly，分別表示光闌兩個方向的邊長，M表示接收望遠鏡的放大倍數(shù)。
[0030] 當接收望遠鏡入瞳為圓形孔徑時，設(shè)孔徑直徑為比，通過望遠鏡之后，出瞳處的等 效孔徑函數(shù)表示為： -, MJ X2 + V2
[0031] /-), (τ，v) = α·/(- V ·), ' Dr
[0032] 因此，對于理想的望遠鏡結(jié)構(gòu)，望遠鏡僅起到波面擴束或縮束作用，本身不會帶來 相位差及波面畸變，方形孔徑和圓形孔徑處理方法相同，區(qū)別是方形孔徑是在直角坐標系 中計算，光場為方形分布，距離向和方位向數(shù)據(jù)分離變量處理，圓形孔徑需變換到極坐標系 中計算，光場為圓形光斑分布。
[0033] 會聚透鏡14的焦距為f3，平衡陣列探測系統(tǒng)17位于該會聚透鏡14的后焦面，則平 衡陣列探測系統(tǒng)17表面的光場和會聚透鏡14前焦面處的光場為準確的傅里葉變換關(guān)系， 當會聚透鏡光闌13為方形孔徑時，邊長分別為L tx，Lty，則會聚透鏡14后焦面光學(xué)脈沖響 應(yīng)為： .{ Lfx ) , ( Lfv λ sin π-^-χ sin π-^ v 、LfYLfv 1 λ/3 J l
[0034] e,.(x,y)= " v r y '一vTJ
[0035] 相應(yīng)的光斑寬度為： Λ7 2Α/3
[0036] Δ/"=Τ^， K1 2//,
[0037] Lf'y
[0038] 當會聚透鏡光闌13為圓形孔徑時，設(shè)其直徑為Dy，則有光學(xué)脈沖響應(yīng)為： 2JX nDfJ y -
[0039] er(x,y) = ^~ · -^~, ^ , 4·Μ 砰 U 弘
[0040] 相應(yīng)的光斑寬度為：
[0041] 八心'.、=2·44#-。
[0042] 可以看到，探測器表面信號光斑的寬度與會聚透鏡光闌13的孔徑直徑成反比，與 會聚透鏡14的焦距成正比，通過調(diào)節(jié)會聚透鏡14孔徑尺寸，即可控制信號光斑的寬度，保 證信號光斑和探測器尺寸的匹配。
[0043] 以下分析中，發(fā)射天線孔徑光闌3、接收天線孔徑光闌6、會聚透鏡光闌13均以方 形孔徑分析，結(jié)論同樣適用于圓形孔徑。
[0044] 所述的接收望遠鏡天線物鏡的焦距為f；，接收望遠鏡目鏡10的焦距為f2，接收望 遠鏡天線的放大倍數(shù)為M = f；/f2。假設(shè)第η個目標分辨單元中心坐標為（xn，yn)，目標反射 的回波信號經(jīng)過空間z的傳播距離入射到接收望遠鏡入瞳處，經(jīng)過望遠鏡后出瞳處的光場 en(x，y : t)為：
[0045] 置-響零隣(! · :)] Η-Mx, - Μ-\.)0:φ 1-] 4 (― :c〒 )<
[0046] 式中P(x，y)為入瞳處的孔徑函數(shù)，EnS望遠鏡出瞳處的振幅，％(t)為對應(yīng)的時 間相位項。式中第二個指數(shù)項為光束空間衍射的附加項，它會影響最終成像的分辨率，引起 像點彌散，對于合成孔徑激光成像雷達，雷達和目標之間的距離z -般會實時變換，之前依 靠添加相位板或望遠鏡離焦方案很難實現(xiàn)實時消除該二次相位的影響。此處在望遠鏡出瞳 處引進相位型空間光液晶調(diào)制器，通過控制液晶調(diào)制器的調(diào)制信號，可以實時消除該二次 相位項的影響，對應(yīng)的液晶調(diào)制器調(diào)制信號為：
[0047] 心-_解:銷，
[0048] 實際中只需根據(jù)高度計或本振光延時換算來實時更新調(diào)制信號的距離信息z即 可。經(jīng)過所述相位型空間光液晶調(diào)制器補償和透鏡會聚之后，被偏振分光棱鏡分束后的兩 路光路在后焦面上的分布為：
[0049] 秦=,exP 驗-寧.y - 寧)。
[0050] 此時第η個目標分辨單元入射到陣列光電探測器對應(yīng)的陣列單元上，像點的中心 位置處于：
[0051 ] a-=---
[0052]
[0053] 考慮平衡陣列探測單元組合進行接收，則第k個接收單元組合的對應(yīng)中心坐標為 (Xk，yk)。若光學(xué)外差等效的本振信號為美eXp(i吟），對應(yīng)的每一探測器上的光場為：
[0054] ?*,ιι，ι'·Λ ·ν*? - esPlJVc) - , 3 exp (, ^ xk, y g y<r：J
[0055] 合成孔徑激光成像雷達一般本振光遠強于信號光，考慮平衡探測技術(shù)及探測器的 光強相應(yīng)特性，對應(yīng)的第k個平衡接收探測單元輸出的中頻信號為：
[0056] I? =霧音《?義+1-響雲(yún)?) .〇碎-?羅一-一遍-·
[0057] 式中Λ Sk為每一個探測陣列對應(yīng)單元的光敏面積，S為每一個陣列探測器總面積， α為陣列探測的響應(yīng)度。
[0058] 則平衡探測陣列上所有Κ個探測器組合的接收信號為：
[0059] I.? = ? cos { ?c - Γ - ^ (t) } i/r ev (；T - ^ - Λ fe, y ^ ^ ^ 3%;) dx dy
[0060] 若假設(shè)目標點和陣列探測單元有如下對應(yīng)關(guān)系：
[0061 ] 1Ξ '* **' = -λ%, , 5~* *· = -
[0062] 最終全部平衡探測器組合輸出的信號功率為合成孔徑激光成像雷達光學(xué)足趾內(nèi) 的所有Ν個目標單元的回波信號的疊加：
[0063] f _ = 審.0； Μ兄 >·) *: Φ· ΣΛ· cos ?-f - a (t) ;|]。
[0064] 其中光學(xué)足趾為發(fā)射天線和接收天線在目標面共同覆蓋的視場區(qū)域。
[0065] 外差探測中，一般認為當探測器光敏面積小于等于接收信號光的主瓣寬度時，才 能有比較高的外差混頻效率，對于陣列探測也不例外。假設(shè)會聚透鏡光闌為方形時，邊長分 別為Lf,x，Lf,y ?，則主瓣寬度為X 而面積為Ld,xXLd, y、陣列單元數(shù)為KxXKy的陣列 探測器光敏面內(nèi)信號光主瓣數(shù)最多無重疊為x ^!"1，，陣列探測器陣列數(shù)K最小值 為陣列單元只占一個信號光主瓣，最大值為目標分辨單元數(shù)，即：
[0066] < ΚΧ(Κ.Λ < NJN.j, J 'ζ -- x
[0067] 式中Nx、Ny分別為目標面在距離向和方位向的目標分辨單元數(shù)。
[0068] 如圖3所示，可見信號光21和本振光24于合束器25混頻合束，由探測器26外差 接收，探測器261為陣列探測器組合，探測器262為傳統(tǒng)的面探測器。若采用單個面探測 器262接收信號，為了對信號光能量有較高利用率，定義光斑為接收信號艾里斑主瓣的全 寬度，一般情況下探測器的面積總是大于等于回波信號的光斑大小。假設(shè)探測器面積為A d， 信號光斑尺寸為Sd，兩者的面積比例系數(shù)為：Kd = Ad/Sd。接收的信號光場和本振光場分別 為民和Ei。，相應(yīng)的光功率已=| Ej 2Sd/2 = | E」2Ad/2Kd和P1() = |民。12Ad/2 ;由于本振光強 遠大于信號光強，外差接收的直流信號主要為本振光功率PD。= h。，相應(yīng)的交流信號表示為 ^c = KIKK = 2V^p 〇
[0069] 散彈噪聲主要來源于直流信號光子數(shù)的隨機漲落，則均方根散彈噪聲功率估計值 為P。= (hvP1()/2Tpul)1/2,式中τρια為激光信號的脈沖持續(xù)時間。假設(shè)回波信號光功率對 應(yīng)于均方根散彈噪聲功率有信噪比Sshpt，那么已=Ssh()tP。，因此
[0070] 4Ko= 4lTpul，hvPr Is-、
[0071] 將本振光功率表達式帶入，相應(yīng)的交流信號可改為：
[0072] PIC = l^T^/hvPjP.
[0073] 實際上，光電轉(zhuǎn)換過程中探測器及后繼放大電路也會引入相應(yīng)的噪聲項，可統(tǒng)一 等效為探測器噪聲Ρ η，由于該噪聲項的限制，可定義一個最小可探測功率來表征系統(tǒng)對信 號光的探測能力。假設(shè)信號交流部分對應(yīng)于探測器噪聲？"有信噪比S Mise，那么
[0074] PAC = SnoisePn。
[0075] 由上面兩式得到單個面探測器可探測回波信號功率
[0076] Pr = ' iff3 (U遍t)2'3 待)"
[0077] 轉(zhuǎn)換到接收望遠鏡入瞳面，所期望的接收光強表示為：
[_] '= (i^ + 5_)2.;3&Γ 垚。
[0079] 式中D為接收望遠鏡接收孔徑光闌尺寸，實際中可以通過調(diào)節(jié)會聚透鏡光闌大小 來改變Kd的值，在可控范圍內(nèi)間接改變接收望遠鏡的探測能力，實現(xiàn)信號光斑、本振光斑 和探測器光敏面的匹配。
[0080] 對于261陣列探測器組合而言，若陣單元數(shù)為K，探測器總面積依然為Ad，則單個 探測單元面積與信號光斑面積比例系數(shù)為K d = A/(KSd)。實際中陣列探測器接收應(yīng)用時， 本振光一般完全覆蓋探測器全部光敏面，此時整個探測器的等效噪聲功率=因 ? 此陣列探測器單個探測單元可探測的回波信號光強
[0081] = (^)1^ 3 Ky3K^3(SnmseSskolf^(^f >3
[0082] 同理轉(zhuǎn)換到接收望遠鏡入瞳面，所期望的接收光強表示為：
[0083] ir ο
[0084] 由上面分析可知，對于相同面積探測器和接收望遠鏡，陣列探測器接收有更高的 探測能力，對目標面回波的期望光強要求更低，僅為面探測器接收結(jié)構(gòu)期望光強的1/κ 1/3 倍。
[0085] 考慮到透鏡焦面接收結(jié)構(gòu)及接收望遠鏡天線對視場角的縮小關(guān)系，所述兩種探測 器結(jié)構(gòu)決定的實際視場角均為：
[0086] '=哉
[0087] 式中Ld為方形探測器的邊長。
[0088] 考慮單個面探測器的接收結(jié)構(gòu)接收到的交流功率為PA。，統(tǒng)一等效的探測器噪聲 為P n，則系統(tǒng)信噪比為
[0089] 一 I 一 ο
[0090] 而陣列探測器接收結(jié)構(gòu)接收到的交流功率為Pjc = Ρι，探測器的總等效噪聲實 際為& _J3?/vA則此時系統(tǒng)信噪比表示為：
[0091] ^ \ O
[0092] 明顯看到，陣列接收結(jié)構(gòu)具有更高信噪比，且信噪比理論上隨著陣列單元數(shù)量 λ/Ζ的增大而增高。因此本實用新型所采用的平衡陣列探測技術(shù)具有比傳統(tǒng)的面探測器結(jié) 構(gòu)更優(yōu)良的探測性能，更適合于合成孔徑激光成像雷達這種微弱信號探測系統(tǒng)。
[0093] 下面以具體設(shè)計參數(shù)來驗證本實用新型：一種機載合成孔徑激光成像雷達的分辨 率要求為20mm，成像觀察距離為1000km，激光信號波長為1. 55um。系統(tǒng)參數(shù)具體為：發(fā)射 天線孔徑光闌為50X50mm，目標處于夫瑯禾費衍射區(qū)，相應(yīng)的合成孔徑天線長度為31m，對 應(yīng)的目標分辨單元數(shù)最少為1550。為了接收到更多回波信號能量，接收天線望遠鏡口徑lm 甚至更大，設(shè)計接收望遠鏡放大倍數(shù)Μ = 25,會聚透鏡口徑10mm，焦距為150mm，則會聚透鏡 后焦面光斑主瓣寬度為46. 5X46. 5um ;若陣列探測器光敏面為方形，總面積為3X3mm，陣 列探測器探測單元尺寸最大為46. 5um，相應(yīng)的陣列探測器陣列數(shù)量最小為Kx(Ky) = 65,目 標分辨單元采樣數(shù)取為隊(&) = 2000。對應(yīng)的接收視場角為0.80um，理想情況下比透鏡焦 面面探測器探測能力提高4倍，信噪比增加8倍以上。本實用新型以合成孔徑和外差接收 技術(shù)為基礎(chǔ)，利用液晶空間光調(diào)制器實時消除接收信號二次項相位影響，通過平衡陣列探 測技術(shù)和可調(diào)的會聚透鏡光闌，可以實現(xiàn)比普通的開普勒望遠鏡直接接收及光學(xué)天線口徑 衍射所決定的視場大得多的接收視場，且可以極大的抑制背景噪聲和本振光噪聲的影響， 獲得較高外差效率，保證接收到的信噪比。由于反射鏡系統(tǒng)沒有色差，且容易實現(xiàn)大口徑加 工，因此可以減小雷達所需要的頻率啁啾信號的影響，增加接收到的信號光能量，結(jié)構(gòu)上容 易與相對較小口徑的發(fā)射光學(xué)天線構(gòu)成一個同軸的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)光學(xué)天線， 實現(xiàn)高質(zhì)量的合成孔徑成像。另外，格里高里接收望遠鏡天線與相對較小口徑的發(fā)射光學(xué) 天線構(gòu)成了一個合成孔徑激光成像雷達同軸發(fā)射接收光學(xué)天線。
【權(quán)利要求】
1. 一種合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，包括： 發(fā)射光學(xué)天線，包括光源、沿光源光路設(shè)置的發(fā)射天線孔徑光闌和反射鏡； 接收光學(xué)天線，包括目標回波、沿目標回波入射方向依次設(shè)有的接收天線孔徑光闌、望 遠鏡系統(tǒng)、會聚透鏡、合束鏡及平衡陣列探測系統(tǒng)； 其特征在于，發(fā)射光學(xué)天線的發(fā)射光束經(jīng)由反射鏡與接收光學(xué)天線同光軸，望遠鏡系 統(tǒng)后焦面處設(shè)有光調(diào)制器。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，其特征在于，所 述光調(diào)制器為相位型液晶空間光調(diào)制器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，其特征在于，所 述相位型液晶空間光調(diào)制器的調(diào)制信號的表達式為： / 4 一 V-、 /c exp I -j π ~- j 式中Ι〇為相應(yīng)的常數(shù)項，ζ為目標面到接收望遠鏡入瞳的空間距離，由高度計實時測量 或本振光延時換算獲得，Μ為接收望遠鏡天線的放大倍數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，其特征在于，所 述會聚透鏡的前焦面處設(shè)有會聚透鏡光闌，會聚透鏡光闌緊貼在所述光調(diào)制器上。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，其特征在于，所 述會聚透鏡光闌、發(fā)射天線孔徑光闌及接收天線孔徑光闌同時為方形孔徑或圓形孔徑。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，其特征在于，所 述會聚透鏡光闌設(shè)有孔徑尺寸調(diào)節(jié)機構(gòu)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，其特征在于，所 述平衡陣列探測系統(tǒng)包括波片、偏振分光棱鏡、第一光電探測陣列、第二光電探測陣列、力口 法器和平衡接收陣列電路，波片為λ/2或λ/4波片，波片設(shè)置在偏振分光棱鏡之前，第一 光電探測陣列和第二光電探測陣列位于所述會聚透鏡的后焦面處；加法器的輸入端分別與 所述的第一光電探測陣列和第二光電探測陣列的輸出端相連；加法器的輸出端與平衡接收 陣列電路的輸入端相連。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，其特征在于，所 述望遠鏡系統(tǒng)包括接收望遠鏡物鏡主鏡、接收望遠鏡物鏡次鏡、接收望遠鏡目鏡，所述接收 天線孔徑光闌位于接收望遠鏡物鏡主鏡的前焦面處；接收望遠鏡物鏡主鏡的凹反射面與接 收望遠鏡物鏡次鏡的凹反射面相對，接收望遠鏡物鏡主鏡的焦點和接收望遠鏡物鏡次鏡 的前焦點重合，接收望遠鏡目鏡的前焦點和接收望遠鏡物鏡次鏡的后焦點重合。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，其特征在于，所 述接收望遠鏡物鏡主鏡為拋物面反射鏡，所述接收望遠鏡物鏡次鏡為橢球面反射鏡。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達收發(fā)同軸光學(xué)天線，其特征在于，所 述發(fā)射光學(xué)天線還包括用于隔離目標回波信號對光源干擾的光隔離系統(tǒng)，光隔離系統(tǒng)位于 所述發(fā)射天線孔徑光闌之前。
【文檔編號】G01S7/483GK203909294SQ201420208887
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】盧棟, 許俊, 周軍, 職亞楠, 姚紅權(quán), 張雷 申請人:南京先進激光技術(shù)研究院