本發(fā)明涉及直視合成孔徑激光成像雷達(dá)的激光發(fā)射系統(tǒng)，特別是一種直視合成孔徑激光成像雷達(dá)旋轉(zhuǎn)反射波面變換掃描裝置。

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)距離得到厘米量級(jí)成像分辨率的唯一的光學(xué)成像觀察手段。傳統(tǒng)的合成孔徑激光成像雷達(dá)都是在側(cè)視的條件下進(jìn)行光波發(fā)射和數(shù)據(jù)接收，采用光學(xué)外差接收，受大氣擾動(dòng)、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)振動(dòng)、目標(biāo)散斑和激光雷達(dá)系統(tǒng)本身相位變化等影響很大，還要求拍頻信號(hào)的初始相位嚴(yán)格同步并且需要長距離延時(shí)來控制相位的變化，在實(shí)際的應(yīng)用中是很困難的。目前已經(jīng)發(fā)展了新型的直視合成孔徑激光成像雷達(dá)，其基本原理是采用波前變換原理對(duì)目標(biāo)投射兩個(gè)同軸同心且偏振正交的光束并且進(jìn)行自差接收，該波面變換使得在交軌向進(jìn)行空間線性相位調(diào)制分辨成像，在順軌向進(jìn)行二次相位歷程匹配濾波成像。其中，雷達(dá)搭載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)轫樮壏较?，順軌的正交方向?yàn)榻卉壏较颉?/p>

在先技術(shù)[1]-[5]所述的直視合成孔徑激光成像雷達(dá)，具有能夠自動(dòng)消除大氣、運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、光雷達(dá)系統(tǒng)和散斑產(chǎn)生的相位變化和干擾，允許使用低質(zhì)量的接收光學(xué)系統(tǒng)，不需要光學(xué)延時(shí)線，無需進(jìn)行實(shí)時(shí)拍頻信號(hào)相位同步，成像無陰影，可以使用各種具有單模和單頻性質(zhì)的激光器，同時(shí)采用空間光橋接器實(shí)現(xiàn)相位的復(fù)數(shù)解調(diào)，電子設(shè)備簡單等特點(diǎn)。但是上述直視合成孔徑激光成像雷達(dá)提出的發(fā)射系統(tǒng)方案基本是采用兩個(gè)光束偏轉(zhuǎn)器或者柱面鏡對(duì)兩光束進(jìn)行掃描獲得交軌向的線性相位調(diào)制，偏轉(zhuǎn)器的往返偏轉(zhuǎn)和柱面鏡的往返平動(dòng)掃描，均需要不斷重復(fù)地加速與減速，使用壽命短、重復(fù)率低，同時(shí)整個(gè)發(fā)射光束的波面變換器的體積龐大，傳輸損失大，機(jī)載平臺(tái)的振動(dòng)影響大，不利于機(jī)載等高速搭載平臺(tái)上的應(yīng)用。

下面是現(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)：

[1]劉立人，直視合成孔徑激光成像雷達(dá)，公開號(hào)：cn102435996

[2]劉立人，直視合成孔徑激光成像雷達(dá)分離式波面變換掃裝置，公開號(hào)：cn103344952

[3]劉立人，直視合成孔徑激光成像雷達(dá)發(fā)射光束直接波面變換掃器，公開號(hào)：cn103245939

[4]盧智勇，職亞楠，周煜，孫建鋒，劉立人，馬小平，孫志偉，寬條幅直視合成孔徑激光成像雷達(dá)，公開號(hào)：cn103163532

[5]盧智勇，職亞楠，孫建鋒，周煜，劉立人，邁克爾遜型直視合成孔徑激光成像雷達(dá)發(fā)射機(jī),公開號(hào)：cn103293524

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服上述現(xiàn)有技術(shù)的困難，提供一種直視合成孔徑激光成像雷達(dá)發(fā)射光束旋轉(zhuǎn)反射波面變換掃描裝置，該發(fā)射裝置采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，使得兩光束經(jīng)過的等光程的光學(xué)元件，然后通過旋轉(zhuǎn)具有一定傾角反射鏡產(chǎn)生入射光束的順軌向和交軌向變波面變換和掃描，通過柱面鏡僅對(duì)順軌向波面變換，并采用波片進(jìn)行光束偏振態(tài)的轉(zhuǎn)換，最終合成為兩個(gè)同軸偏振正交的掃描發(fā)射波面，通過發(fā)射光學(xué)主鏡直接成像到目標(biāo)面，實(shí)現(xiàn)一維距離分辨所需的目標(biāo)交軌向正弦相位調(diào)制和一維孔徑合成所需的順軌向相位二次項(xiàng)歷程。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：

一種直視合成孔徑激光成像雷達(dá)發(fā)射光束旋轉(zhuǎn)反射波面變換掃描裝置，其構(gòu)成包括第一偏振分束器、第一1/4波片、第一反射鏡、第二1/4波片、第一柱面鏡、旋轉(zhuǎn)反射鏡、1/2波片、第二偏振分束器、第三1/4波片、第二柱面鏡、第四1/4波片、第二反射鏡、旋轉(zhuǎn)電機(jī)；所述的旋轉(zhuǎn)反射鏡聯(lián)接旋轉(zhuǎn)電機(jī)以一定的傾角重復(fù)地高速旋轉(zhuǎn)，所述的第一柱面鏡和第二柱面鏡的曲率半徑不同，所述的第一柱面鏡和第二柱面鏡的調(diào)制波面為順軌向，所述的1/2波片的主軸45°放置，上述部件的位置關(guān)系如下：

激光光源輸出的偏振光束首先經(jīng)過所述的第一偏振分束器后在空間上被偏振分解為兩個(gè)等強(qiáng)度的偏振正交的水平偏振光束和垂直偏振光束，所述的反射偏振光束為垂直偏振光束，透射的偏振光束為水平偏振光束，反射的垂直偏振光束經(jīng)過第一1/4波片和第一反射鏡后，由第一反射鏡反射再次進(jìn)入第一1/4波片，這時(shí)的垂直偏振光束偏振態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)90°變?yōu)樗狡窆馐?，因此第二次進(jìn)入第一偏振分束器時(shí)為透射光束，然后該透射的水平偏振光束經(jīng)過第二1/4波片和第一柱面鏡，再由高速的旋轉(zhuǎn)反射鏡反射再次返回經(jīng)過第一柱面鏡和第二1/4波片，這時(shí)的水平偏振光束又重新變回垂直偏振光束，然后再次進(jìn)入第一偏振分束器反射進(jìn)入1/2波片，這時(shí)的偏振態(tài)又變?yōu)樗狡駪B(tài)，并進(jìn)入第二偏振分束器透射出射；所述的第一偏振分束器在空間上被偏振分解為兩個(gè)等強(qiáng)度的偏振正交光束中的水平偏振光束直接透射經(jīng)過1/2波片后偏振態(tài)變?yōu)榇怪逼駪B(tài)，經(jīng)過第二偏振分束器后反射進(jìn)入第三1/4波片和第二柱面鏡到達(dá)旋轉(zhuǎn)的反射鏡，所述的旋轉(zhuǎn)反射鏡反射返回再次進(jìn)入第二柱面鏡和第三1/4波片，這時(shí)的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°變?yōu)樗狡窆馐M(jìn)入第二偏振分束器透射經(jīng)過第四1/4波片和第二反射鏡，由第二反射鏡反射再次進(jìn)入第四1/4波片，這時(shí)偏振態(tài)變?yōu)榇怪逼駪B(tài)，由第二偏振分束器反射，該反射的垂直偏振光束與透射的水平偏振光束重新組合為同軸同心且偏振正交的光束，由所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡主鏡發(fā)射向目標(biāo)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)對(duì)發(fā)射光波進(jìn)行偏振分束與合束，采用同一個(gè)旋轉(zhuǎn)反射鏡對(duì)兩路波面進(jìn)行相位調(diào)制，利用柱面鏡對(duì)兩偏振光束的順軌向波面相位進(jìn)行二次相位調(diào)制，使得交軌向的旋轉(zhuǎn)掃描自動(dòng)同步，兩光束經(jīng)歷的光程相等，具有更小的波面相位誤差，并且整體器件更加簡單緊湊，抗振動(dòng)、降低了發(fā)射系統(tǒng)的復(fù)雜性，便于控制。

2、采用旋轉(zhuǎn)反射鏡對(duì)兩路光束進(jìn)行正弦相位調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)高重復(fù)率的高速旋轉(zhuǎn)掃描。

3、本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件與固定的光學(xué)元件分離，因此可以對(duì)固定光學(xué)元件緊靠在一起進(jìn)行固化，具有部件牢靠、體積小巧、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于機(jī)載或星載等高速運(yùn)動(dòng)的搭載平臺(tái)。

4、本發(fā)明的反射波面變換掃描器裝置可不改變整體結(jié)構(gòu)而采用簡單替換不同傾角的旋轉(zhuǎn)反射鏡就可以變化運(yùn)行性能參數(shù)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明直視合成孔徑激光成像雷達(dá)發(fā)射光束旋轉(zhuǎn)反射波面變換掃描裝置結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明直視合成孔徑激光成像雷達(dá)發(fā)射光束旋轉(zhuǎn)反射波面變換掃描裝置中的旋轉(zhuǎn)反射鏡的結(jié)構(gòu)示意圖

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

先參閱圖1，圖1為本發(fā)明直視合成孔徑激光成像雷達(dá)發(fā)射光束旋轉(zhuǎn)反射波面變換掃描裝置結(jié)構(gòu)圖。由圖可見，本發(fā)明直視合成孔徑激光成像雷達(dá)發(fā)射光束旋轉(zhuǎn)反射波面變換掃描裝置由第一偏振分束器1、第一1/4波片2、第一反射鏡3、第二1/4波片4、第一柱面鏡5、旋轉(zhuǎn)反射鏡6、1/2波片7、第二偏振分束器8、第三1/4波片9、第二柱面鏡10、第四1/4波片11、第二反射鏡12、旋轉(zhuǎn)電機(jī)13；所述的旋轉(zhuǎn)反射鏡6聯(lián)接旋轉(zhuǎn)電機(jī)13以一定的傾角重復(fù)地高速旋轉(zhuǎn)，所述的第一柱面鏡5和第二柱面鏡10的曲率半徑不同，所述的第一柱面鏡5和第二柱面鏡10的調(diào)制波面為順軌向，所述的1/2波片7的主軸45°放置，上述部件的位置關(guān)系如下：

激光光源輸出的偏振光束首先經(jīng)過所述的第一偏振分束器1后在空間上被偏振分解為兩個(gè)等強(qiáng)度的偏振正交的水平偏振光束和垂直偏振光束，所述的反射偏振光束為垂直偏振光束，透射的偏振光束為水平偏振光束，反射的垂直偏振光束經(jīng)過第一1/4波片2和第一反射鏡3后，由第一反射鏡3反射再次進(jìn)入第一1/4波片2，這時(shí)的垂直偏振光束偏振態(tài)轉(zhuǎn)動(dòng)90°變?yōu)樗狡窆馐?，因此第二次進(jìn)入第一偏振分束器1時(shí)為透射光束，然后該透射的水平偏振光束經(jīng)過第二1/4波片4和第一柱面鏡5，再由高速的旋轉(zhuǎn)反射鏡6反射再次返回經(jīng)過第一柱面鏡5和第二1/4波片4，這時(shí)的水平偏振光束又重新變回垂直偏振光束，然后再次進(jìn)入第一偏振分束器1反射進(jìn)入1/2波片7，這時(shí)的偏振態(tài)又變?yōu)樗狡駪B(tài)，并進(jìn)入第二偏振分束器8透射出射；所述的第一偏振分束器1在空間上被偏振分解為兩個(gè)等強(qiáng)度的偏振正交光束中的水平偏振光束直接透射經(jīng)過1/2波片7后偏振態(tài)變?yōu)榇怪逼駪B(tài)，經(jīng)過第二偏振分束器8后反射進(jìn)入第三1/4波片9和第二柱面鏡10到達(dá)旋轉(zhuǎn)的反射鏡6，所述的旋轉(zhuǎn)反射鏡6反射返回再次進(jìn)入第二柱面鏡10和第三1/4波片9，這時(shí)的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°變?yōu)樗狡窆馐M(jìn)入第二偏振分束器8透射經(jīng)過第四1/4波片11和第二反射鏡12，由第二反射鏡12反射再次進(jìn)入第四1/4波片11，這時(shí)偏振態(tài)變?yōu)榇怪逼駪B(tài)，由第二偏振分束器8反射，該反射的垂直偏振光束與透射的水平偏振光束重新組合為同軸同心且偏振正交的光束，由所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡主鏡發(fā)射向目標(biāo)。

設(shè)定直視合成孔徑激光成像雷達(dá)具有如下條件：

圖1所示的紙面垂直方向?yàn)榇怪逼穹较颍埫鎯?nèi)為水平偏振方向；同時(shí)紙面垂直方向?yàn)轫樮壏较虿⑶叶x為y軸，而紙面內(nèi)垂直于順軌方向和光束傳播軸方向的方向?yàn)榻卉壏较虿⑶叶x為x軸；圖2所示的旋轉(zhuǎn)反射鏡6水平方向?yàn)閥軸，豎直向下為z軸，旋轉(zhuǎn)反射鏡與水平方向成θp角度。

在旋轉(zhuǎn)反射鏡6中，以旋轉(zhuǎn)中心為參考光程，不同y方向的光程為：

l＝2ytanθp

同時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)反射鏡6繞z軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度為θ(t)，因此坐標(biāo)系的變化為

設(shè)光束在柱面鏡5和旋轉(zhuǎn)反射鏡6間的振幅為使用的激光波長為λ，兩偏振光束的場強(qiáng)為e，第一柱面鏡5的焦距為fy，第二柱面鏡10的焦距為-fy，且兩光束的中心離旋轉(zhuǎn)反射鏡6的旋轉(zhuǎn)中心分別為s1和s2，則兩偏振正交光束由旋轉(zhuǎn)引起的光程分別為：

l1(x,y)＝2tanθp[xsinθ(t)+ycosθ(t)-s1sinθ(t)]

l2(x,y)＝2tanθp[-xsinθ(t)+ycosθ(t)+s2sinθ(t)]

由第一柱面鏡5和第二柱面鏡10引起的相位變化分別為和

因此在發(fā)射主鏡焦面上(即旋轉(zhuǎn)反射鏡6位置)的左通道水平偏振光束的復(fù)場強(qiáng)和右通道水平偏振光束的復(fù)場強(qiáng)分別為：

發(fā)射主鏡的焦距為f，目標(biāo)面等于雷達(dá)的距離z，發(fā)射主鏡到目標(biāo)面的傳播相當(dāng)于夫瑯和費(fèi)衍射，因此在目標(biāo)面上產(chǎn)生發(fā)射主鏡前焦面上物體的倒像，器成像放大倍數(shù)為：并附有相位二次項(xiàng)

最終在目標(biāo)面上得到所需的水平偏振照明光斑和垂直偏振照明光斑分別為：

兩偏振光束的照明的公共區(qū)域?yàn)橛行У恼彰鳁l幅，此時(shí)，有效照明光斑的空間相位差滿足：

當(dāng)采樣的信號(hào)占正弦周期較小時(shí)，有其中，t為正弦的掃描周期，δθ為周期t內(nèi)的掃描總角度，因此上式的相位差可化為：

這樣就可以獲得交軌向的線性項(xiàng)相位調(diào)制，順軌向的二次項(xiàng)相位歷程，是用以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)二維平面目標(biāo)成像的關(guān)鍵相位，滿足直視合成孔徑激光成像雷達(dá)的發(fā)射波面要求。

成像分辨率采用相干點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)最小值半寬度來表達(dá)，由于照明光斑在交軌向的角度掃描范圍為(-kδθ,kδθ)，k≤0.5為光束中心偏轉(zhuǎn)的可能設(shè)計(jì)值，且目標(biāo)面上可成像的有效條幅為mdx×mdy，積分范圍為2kδθ，因此交軌向的分辨率為：

同理，順軌向的分辨率為：

一般情況下，設(shè)計(jì)x，y方向的分辨率相等，有dx＝dy，理想的設(shè)計(jì)最大偏向角為當(dāng)k＝0.5時(shí)，

由此可見，表示成像分辨率的順軌向的相干點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)最小值半寬度由內(nèi)發(fā)射光場的相對(duì)口徑所決定，隨工作距離增長而增大；而交軌向的相干點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)最小值半寬度由內(nèi)發(fā)射旋轉(zhuǎn)反射鏡的最大掃描角和傾斜角所決定，同樣隨工作距離增長而增大。

圖1是本發(fā)明最佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，其具體結(jié)構(gòu)和參數(shù)如下：

本實(shí)施例的性能指標(biāo)要求為：飛機(jī)機(jī)載觀察，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度為40m/s；觀察高度z＝5km，要求激光照明有效條幅寬度為50m×50m，且分辨率全寬度為有dx＝40mm，dy＝40mm。

其中發(fā)射激光波長采用1μm，內(nèi)光場的振幅尺寸為5mm×5mm，旋轉(zhuǎn)反射鏡的傾斜角為20°，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡主鏡的焦距設(shè)計(jì)為f＝1m，因此距離放大倍數(shù)為m＝5×10³，目標(biāo)面有效照明光斑尺寸為50m×50m。采樣的最大旋轉(zhuǎn)掃描角為掃描范圍為δθ＝10°，據(jù)此，其成像分辨率的設(shè)計(jì)為dx＝40mm，設(shè)計(jì)x，y方向的分辨率相等，有dx＝dy，則fy＝40mm，這時(shí)第一柱面鏡5與第二柱面鏡10的焦距為f1＝40mm，f2＝-40mm。據(jù)此，可獲得我們所需的成像分辨率、有效條幅寬度，用以直視合成孔徑激光成像雷達(dá)的自差接收。