專利名稱：通用的合成孔徑激光成像雷達光學(xué)天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑激光成像雷達，特別是一種通用的合成孔徑激光雷達光學(xué) 天線。
采用雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠鏡。雙向環(huán)路由可調(diào)次望遠鏡結(jié)構(gòu)的發(fā)射通道和轉(zhuǎn) 像望遠鏡結(jié)構(gòu)的接收通道組成，連接激光光源、光電探測器和主望遠鏡。發(fā)射通道 中次望遠鏡主鏡位置可移動，接收通道中設(shè)置轉(zhuǎn)像系統(tǒng)離焦，光電探測器前放置孔 徑光闌。本發(fā)明通過控制發(fā)射次望遠鏡物鏡的位置，可以實現(xiàn)不同曲率半徑的空間 二次項相位附加偏置的激光發(fā)射波面，而且通過控制接收通道的離焦量和孔徑光闌 的大小，可以在消除目標回波接收波面像差的同時，實現(xiàn)光學(xué)天線接收方向性的調(diào) 節(jié)，從而用同一光學(xué)天線可以在遠場或者近場產(chǎn)生雷達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。
背景技術(shù)：
合成孔徑激光成像雷達的原理取之于射頻領(lǐng)域的合成孔徑雷達原理，是能夠在 遠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 比射頻波段的波長短3 6個數(shù)量級，而且光學(xué)望遠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 雷達采用光學(xué)望遠鏡作為發(fā)射和接收天線，但是用作回波信號接收和激光發(fā)射時對 于望遠鏡的要求也有所不同。因此，采用同一望遠鏡作為發(fā)射和接收天線時，望遠 鏡必須同時滿足激光發(fā)射要求和光學(xué)接收要求，保證在回波外差接收信號中產(chǎn)生目 標的合適的相位二次項歷程，實現(xiàn)激光孔徑合成成像。
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小光束的近距 離模擬，沒有采用真實光學(xué)望遠鏡作為接收和發(fā)射天線。2006年，在美國國防先進 研究計劃局支持下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實 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)射時的附加空間二次項相位偏置。(參見[1] W. Buell， N. Marechal， J. Buck, R. Dickinson, D. Kozlowski, T. Wright, and S. Beck, "Demonstration of synthetic apertureimaging ladar,，， Proc. SPIE, 5791: 152-166, 2005; [2] J. Ricklin, M. Dierking, S. Fuhrer， B. Schumm, and D. Tomlison， "Synthetic aperture ladar for tactical imaging," DARPA Strategic Technology Office.)
在激光發(fā)射過程中，望遠鏡作為激光發(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，因此目標距離上的激光照明光斑的波前特性取決于望遠鏡發(fā)射 光場分布和衍射距離。在光學(xué)接收過程中，目標的反射回波經(jīng)過一定距離衍射到達 合成孔徑激光成像雷達的光學(xué)望遠鏡時，將隨著距離變化產(chǎn)生不同的波面像差或者 波前形狀，通過接收望遠鏡在光電探測器面上與激光本機振蕩光束合成進行外差探 測時，波面像差將極大地影響外差光電探測效率，甚至導(dǎo)致探測失效。在先技術(shù)[3]
(劉立人，合成孔徑激光成像雷達的雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠鏡，發(fā)明專利，申請?zhí)?br> 200810034238.)提出了一種用于合成孔徑激光成像雷達的雙向環(huán)路結(jié)構(gòu)的發(fā)射接收 望遠鏡，實現(xiàn)了空間二次項相位附加偏置的激光發(fā)射和消除目標點散射回波接收波 面像差的離焦光學(xué)接收。但是，這種光學(xué)天線只適用于一種特定工作距離，可以是 遠場，也可以是近場，而不能調(diào)整發(fā)射波面和接收視場。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述在先技術(shù)的不足，提出一種通用的合成孔徑激光成 像雷達光學(xué)天線，該合成孔徑激光成像雷達光學(xué)天線可實現(xiàn)不同曲率半徑的空間二 次項相位附加偏置的激光發(fā)射波面，而且在消除目標回波接收波面像差的同時，實 現(xiàn)光學(xué)天線接收方向性的調(diào)節(jié)，從而在遠場或者近場工作距離上都能夠產(chǎn)生雷達運 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。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是
一種通用的合成孔徑激光成像雷達光學(xué)天線，其構(gòu)成包括激光光源，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透射光束和反射光束，該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 一偏振分光棱鏡后射向第三偏振分光棱鏡；所述的透射光束作為發(fā)射激光光束，該 發(fā)射激光光束依次經(jīng)次望遠鏡目鏡、次望遠鏡物鏡、次望遠鏡物鏡偏離量、第二偏 振分光棱鏡、第二四分之一波片、主望遠鏡目鏡、主望遠鏡物鏡和主望遠鏡出入瞳 射向目標，該目標的回波激光光束原路返回，經(jīng)主望遠鏡出入瞳、主望遠鏡物鏡、 主望遠鏡目鏡、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)過第二
6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 束經(jīng)第一孔徑光闌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 經(jīng)第二孔徑光闌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)了卯°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)過主望遠鏡發(fā)射，目標反射的回波由主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)了卯。而能夠被第二偏振分光棱鏡反射；
所述的主望遠鏡物鏡和主望遠鏡目鏡組成用于激光發(fā)射和接收的天線望遠鏡， 該主望遠鏡物鏡的焦距為力，主望遠鏡目鏡的焦距為/2，主望遠鏡目鏡的后焦面和 主望遠鏡物鏡的前焦面重合，主望遠鏡的出入瞳位于主望遠鏡物鏡的外焦面上，所 述的主望遠鏡目鏡的外焦面為主望遠鏡的入出瞳面，所述的主望遠鏡的出入瞳面與 主望遠鏡的入出瞳面相互成像；
所述的次望遠鏡目鏡和次望遠鏡物鏡組成一個發(fā)射次望遠鏡，次望遠鏡物鏡的 焦距為/3，次望遠鏡目鏡的焦距為/4，次望遠鏡物鏡的出瞳面與天線望遠鏡的入出 瞳面重合，所述的發(fā)射次望遠鏡偏離量為次望遠鏡物鏡偏移次望遠鏡不離焦狀態(tài)下 物鏡所在位置的距離，可表示為
式中Z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，i 為發(fā)射激光光束波面在距離2處 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/轉(zhuǎn)像望遠鏡，第 一接收轉(zhuǎn)像透鏡和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡的焦距為/5，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡的入瞳面與主 望遠鏡的入出瞳面重合，所述的接收轉(zhuǎn)像望遠鏡中間焦面的離焦量為-
△/ ￡^。 《2所述的發(fā)射次望遠鏡偏離量A/, =0和接收轉(zhuǎn)像望遠鏡的離焦量么/2 =0時可實 現(xiàn)空間遠場光學(xué)信號的發(fā)射和接收。
所述的第一半波片和第二半波片可改用四分之一波片；
所述的主望遠鏡出入瞳位于主望遠鏡物鏡的外焦面上，為一直徑為D實的孔徑 光闌，或僅代表一個位置，合成孔徑激光成像雷達光學(xué)天線的接收視場角為
& =2.44丄；
所述的第一孔徑光闌放置在緊貼第一光電探測器表面，第二孔徑光闌放置在緊 貼第二光電探測器表面，第一孔徑光闌的直徑為c/和第二孔徑光闌的直徑為J都位 于第二接收轉(zhuǎn)像透鏡的出瞳面上。
所述的第一光電探測器和第二光電探測器的接收視場角為《=2.44^ 。
所述的第一光電探測器和第二光電探測器改用光纖系統(tǒng)作光學(xué)接收部件，則在 所述的第一孔徑光闌之后設(shè)置第一會聚透鏡和第一光纖接收系統(tǒng)，在所述的第二孔 徑光闌之后設(shè)置第二會聚透鏡和第二光纖接收系統(tǒng)。
本發(fā)明的技術(shù)效果-
本發(fā)明能通過調(diào)節(jié)發(fā)射次望遠鏡物鏡的偏離量，利用同一個主望遠鏡實現(xiàn)不同 曲率半徑的空間二次項相位附加偏置的激光發(fā)射波面，而且在消除目標回波接收波 面像差的同時，實現(xiàn)光學(xué)天線接收方向性的調(diào)節(jié)，從而用同一光學(xué)天線可以在遠場 或者近場工作距離上都能夠產(chǎn)生雷達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。


圖i是本發(fā)明一種通用性的合成孔徑激光成像雷達光學(xué)天線一個實施例的系統(tǒng) 示意圖。
圖2是次望遠鏡物鏡偏離量控制激光發(fā)射波面曲率半徑示意圖。 圖3是第一孔徑光闌或第二孔徑光闌調(diào)節(jié)合成孔徑激光成像雷達光學(xué)天線接收 方向性示意圖。
圖4是本發(fā)明另一實施例，用光纖器件發(fā)射或接收系統(tǒng)時一種通用性的合成孔 徑激光成像雷達光學(xué)天線一個的系統(tǒng)示意圖。
圖中l(wèi)一激光光源，2 —第一半波片，3—第一偏振分光棱鏡，4一第一四分之一波片，5 —第一反射鏡，6 —次望遠鏡目鏡，7 —次望遠鏡物鏡，8 —次望遠鏡物鏡 偏離量，9一第二偏振分光棱鏡，IO —第二四分之一波片，ll一主望遠鏡目鏡，12 一主望遠鏡物鏡，13 —主望遠鏡出入瞳，14一第二反射鏡，15 —第一接收轉(zhuǎn)像透鏡， 16 —接收離焦量，17—第二接收轉(zhuǎn)像透鏡，18—第三偏振分光棱鏡，19一第二半波 片，20—第四偏振分光棱鏡，21—第一孔徑光闌，22—第二孔徑光闌，23—第一光 電探測器，24—第二光電探測器，1A—光纖激光器或光纖放大器，2A—準直透鏡， 2B—第一會聚透鏡，2C—第二會聚透鏡，1B —第一光纖接收系統(tǒng)，1C一第二光纖接 收系統(tǒng)。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)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)明一種通用性的合成孔徑激光成像雷達光學(xué)天線實 施例的系統(tǒng)示意圖。
合成孔徑激光成像雷達的激光光源1發(fā)射激光光束經(jīng)過第一半波片2和第一偏 振分光棱鏡3,被第一偏振分光棱鏡3反射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返回后到達并透過第一偏振分光棱鏡3輸出本機 振動激光光束射向第三偏振分光棱鏡18，該第一偏振分光棱鏡3透射光束作為發(fā)射 激光光束依次經(jīng)過發(fā)射次望遠鏡目鏡6、次望遠鏡物鏡7、第二偏振分光棱鏡9、第 二四分之一波片10、主望遠鏡目鏡11、主望遠鏡物鏡12和主望遠鏡出入瞳13射向 目標，回波激光光束經(jīng)原路返回至所述的第二偏振分光棱鏡9，反射后的光束經(jīng)第 二反射鏡14、第一接收轉(zhuǎn)像透鏡15、第二接收轉(zhuǎn)像透鏡17到達第三偏振分光棱鏡 18，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18合 束，再經(jīng)過第二半波片19并通過第四偏振分光棱鏡20進行偏振分光，水平方向偏 振的合成光束經(jīng)第一孔徑光闌21由第一光電探測器23進行外差接收，垂直方向偏 振的合成光束經(jīng)第二孔徑光闌22由第二光電探測器24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。
第一半波片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)射光束光強遠遠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10的角度設(shè)置使得透過第二偏振分光棱鏡9的發(fā)射激光光束 經(jīng)過主望遠鏡發(fā)射，目標反射的回波由主望遠鏡接收的光束返回到第二偏振分光棱 鏡9上的偏振旋轉(zhuǎn)了 90°而能夠被第二偏振分光棱鏡9反射；
主望遠鏡物鏡12和主望遠鏡目鏡11組成用于激光發(fā)射和接收的天線望遠鏡，
設(shè)主望遠鏡物鏡的焦距為yi，主望遠鏡目鏡的焦距為/2，則主望遠鏡的放大倍數(shù)為
M1=#。主望遠鏡目鏡11的后焦面和主望遠鏡物鏡12的前焦面重合，主望遠鏡
的出入瞳13位于主望遠鏡物鏡12的外焦面上，可以設(shè)置一個直徑為i)的實的孔徑 光闌，也可以無實物光闌而代表一個位置，主望遠鏡目鏡ll的外焦面為主望遠鏡的 入出瞳面，出入瞳面13與入出瞳面相互成像。
次望遠鏡目鏡6和次望遠鏡物鏡7組成一個發(fā)射次望遠鏡，次望遠鏡物鏡7的
焦距為/3，次望遠鏡目鏡6的焦距為力，則次望遠鏡的放大倍數(shù)為肘2=*，次望
厶
遠鏡物鏡7的出瞳面與天線望遠鏡的入出瞳面13重合。
第一接收轉(zhuǎn)像透鏡15和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡17組成一個接收4/轉(zhuǎn)像望遠鏡，第 一接收轉(zhuǎn)像透鏡15和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡17的焦距為/5，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡15的入 瞳面與主望遠鏡的入出瞳面重合，接收轉(zhuǎn)像望遠鏡具有接收離焦量16。
第一半波片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、次 望遠鏡目鏡6、次望遠鏡物鏡7、次望遠鏡物鏡偏離量8、第二偏振分光棱鏡9、第 二四分之一波片10、第二反射鏡14、第一接收轉(zhuǎn)像透鏡15、接收離焦量16、第二 接收轉(zhuǎn)像透鏡17、第三偏振分光棱鏡18和第二半波片19構(gòu)成了一個3端口的雙向 調(diào)制發(fā)射接收環(huán)路。其中第一半波片2是激光光源入射端口，第二四分之一波片 IO是發(fā)射激光輸出和回波接收端口，第二半波片19是探測光信號輸出端口。
在發(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9只存在發(fā)射激光 光束的光路，通過改變次望遠鏡物鏡偏離量8能夠在主望遠鏡的照明區(qū)產(chǎn)生不同曲 率半徑的附加空間相位二次項，從而改變發(fā)射激光照明波前。在發(fā)射次望遠鏡物鏡 偏離量8為0時，可以實現(xiàn)空間遠場光信號發(fā)射。
從第二偏振分光棱鏡9到第三偏振分光棱鏡18只存在回波激光光束的光路，引 入接收離焦量16能夠消除接收光束離焦像差。在激光發(fā)射光路中，要求在距離為z的目標照明區(qū)產(chǎn)生附加空間相位二次項為
ez = exp
;i及
，如圖2所示，其中A為發(fā)射光束波面在距離z上的曲率半
徑，假設(shè)照射到次望遠鏡入瞳面的激光光源的光場為eo(x,力，經(jīng)過次望遠鏡物鏡7 移動距離A^的擴束次望遠鏡放大M2倍后，在次望遠鏡出瞳面的光場為
^0,力=~~^1 exp M，
X> +_y )
/ x 少、
式中A(x,力為透鏡的孔徑函數(shù)。
光場q(x,力也是主望遠鏡入出瞳面的光場，則經(jīng)過不離焦的主望遠鏡放大
后，在主望遠鏡的出入瞳面13的光場為
因此，要實現(xiàn)波前偏置&，發(fā)射次望遠鏡物鏡偏離量應(yīng)當為
△/ 一_^^。 (")/22
當A/i = 0時，可以實現(xiàn)合成孔徑激光成像雷達空間遠場光信號的發(fā)射。 在激光接收光路中，目標的點衍射在主望遠鏡出入瞳面13上產(chǎn)生的場強波前-
般為5exp
7
7T 0-O2 +0-、)2 義 z
，要消除波前二次項像差，應(yīng)當控制接收轉(zhuǎn)像望
遠鏡的接收離焦量16為
A/2=—
當接收轉(zhuǎn)像望遠鏡的離焦量A^ =0時，可以實現(xiàn)合成孔徑激光成像雷達空間遠 場光信號的接收。
由第一孔徑光闌21和第二孔徑光闌22調(diào)節(jié)的第一光電探測器和第二光電探測 器的接收視場角或接收方向角為^ =2.44^，相當于合成孔徑激光成像雷達光學(xué)天
線接收視場角&=2.44」一，式中可見&和"成反比關(guān)系，減小或者增大孔徑光
闌d可以增大或減小光學(xué)接收天線視場，從而起到調(diào)節(jié)接收天線方向性的作用，如
11圖3所示。
光電探測器一般應(yīng)當放在接收轉(zhuǎn)像望遠鏡出瞳平面上，光電探測器可以離開望 遠鏡出瞳平面一定距離，當光電探測器離開望遠鏡出瞳平面距離較大時，應(yīng)當采用 轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)。
請參閱圖4，圖4是本發(fā)明另一實施例，用光纖器件發(fā)射或接收系統(tǒng)時一種通 用性的合成孔徑激光成像雷達光學(xué)天線一個的系統(tǒng)示意圖。當激光發(fā)射光源是光纖 放大器或光纖放大器1A時，所述的光纖放大器或光纖放大器1A的光纖發(fā)射端口處 于所述的準直透鏡2A的后焦面位置上。當光纖系統(tǒng)用于光學(xué)接收部件時，即所述 的第一光電探測器23和第二光電探測器24改用光纖系統(tǒng)作光學(xué)接收部件，則在所 述的第一孔徑光闌21之后設(shè)置第一會聚透鏡2B和第一光纖接收系統(tǒng)1B,在所述的 第二孔徑光闌22之后設(shè)置第二會聚透鏡2C和第二光纖接收系統(tǒng)1C。
合成孔徑激光成像雷達的激光光源為光纖激光器或光纖放大器1A時，發(fā)射的 激光光束由準直透鏡2A準直后，經(jīng)過第一半波片2和第一偏振分光棱鏡3，被第一 偏振分光棱鏡3反射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返回后到達并透過第一偏振分光棱鏡3輸出本機振動激光光束，該第一 偏振分光棱鏡3透射的另一路作為發(fā)射激光光束依次經(jīng)過發(fā)射次望遠鏡目鏡6、次 望遠鏡物鏡7、次望遠鏡物鏡偏離量8、第二偏振分光棱鏡9、第二四分之一波片10、 主望遠鏡目鏡ll、主望遠鏡物鏡12和主望遠鏡出入瞳13射向目標，回波激光光束 經(jīng)原路返回至所述的第二偏振分光棱鏡9，反射后的光束經(jīng)第二反射鏡14、第一接 收轉(zhuǎn)像透鏡15、接收離焦量16、第二接收轉(zhuǎn)像透鏡17到達第三偏振分光棱鏡18， 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18合束，再 經(jīng)過第二半波片19并通過第四偏振分光棱鏡20進行偏振分光，分別經(jīng)過第一孔徑 光闌21后經(jīng)過第一會聚透鏡2B會聚后由第一光纖接收系統(tǒng)1B進行外差平衡接收， 都是水平方向偏振的合成光束經(jīng)第一孔徑光闌21和第一會聚透鏡2B會聚后由第一 光纖接收系統(tǒng)1B進行外差接收，都是垂直方向偏振的合成光束經(jīng)第二孔徑光闌22 和第二會聚透鏡2C會聚后由第二光纖接收系統(tǒng)1C進行外差接收。
下面列舉一個實施例的具體設(shè)計參數(shù)。
一個合成孔徑激光成像雷達的孔徑合成成像分辨率要求25mm，成像觀察距離 為100m。因此主望遠鏡物鏡出入瞳面上的孔徑光闌13的直徑為050腿。
設(shè)計主望遠鏡放大倍數(shù)il/f8，主望遠鏡物鏡12 口徑為OlOOmm和焦距為lOOOram，主望遠鏡目鏡11的口徑為0)15mm和焦距為125rara。次望遠鏡目鏡6的口徑為4mm和 焦距為30mm，次望遠鏡物鏡7的口徑20mm和焦距為150咖。第一接收轉(zhuǎn)像透鏡15 和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡17的焦距為lOOram。
要使得照射目標的激光光束的曲率半徑為8m, 10m， 12m，次望遠鏡物鏡偏離 量8的分別為15.7mm， 16mm， 16.37mm。接收轉(zhuǎn)像望遠鏡的離焦量16為6.4mm。 接收光電探測器前第一孔徑光闌和第二孔徑光闌的直徑為2.5mm時，接收視場角為 0.122mrad。當把孔徑光闌的直徑為2mm時，接收視場角為0.1525mrad，此時光電 探測器的接收視場增大了 30.5prad。
權(quán)利要求
1、一種通用的合成孔徑激光雷達光學(xué)天線，特征在于其構(gòu)成是包括激光光源(1)，沿該激光光源(1)發(fā)射的激光光束前進方向依次是第一半波片(2)和第一偏振分光棱鏡(3)，被該第一偏振分光棱鏡(3)分為反射光束和透射光束，該反射光束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)返回后到達并透過第一偏振分光棱鏡(3)射向第三偏振分光棱鏡(18)，所述的透射光束作為發(fā)射激光光束，依次經(jīng)過發(fā)射次望遠鏡目鏡(6)、次望遠鏡物鏡(7)、第二偏振分光棱鏡(9)、第二四分之一波片(10)、主望遠鏡目鏡(11)、主望遠鏡物鏡(12)和主望遠鏡出入瞳面(13)射向目標，由目標返回的回波激光光束經(jīng)原路主望遠鏡出入瞳面(13)、主望遠鏡物鏡(12)、主望遠鏡目鏡(11)和第二四分之一波片(10)，返回至所述的第二偏振分光棱鏡(9)，由該第二偏振分光棱鏡(9)反射的光束經(jīng)第二反射鏡(14)、第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(15)、第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(17)到達第三偏振分光棱鏡(18)，該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(18)合束，再經(jīng)過第二半波片(19)，通過第四偏振分光棱鏡(20)進行偏振分光，水平偏振的合成光束經(jīng)第一孔徑光闌(21)由第一光電探測器(23)進行外差接收，垂直偏振的合成光束經(jīng)第二孔徑光闌(22)由第二光電探測器(24)進行外差接收；所述的主望遠鏡物鏡(12)和主望遠鏡目鏡(11)組成用于激光發(fā)射和接收的天線主望遠鏡，主望遠鏡物鏡(12)的焦距為f1，主望遠鏡目鏡(11)的焦距為f2，所述的主望遠鏡目鏡(11)的后焦面和主望遠鏡物鏡(12)的前焦面重合，主望遠鏡的放大倍數(shù)為M1＝f1/f2，所述的主望遠鏡的出入瞳面(13)位于主望遠鏡物鏡(12)的外焦面上，所述的主望遠鏡目鏡(11)的外焦面為主望遠鏡的入出瞳面，所述的主望遠鏡的出入瞳面(13)與主望遠鏡的入出瞳面相互成像；所述的次望遠鏡目鏡(6)和次望遠鏡物鏡(7)構(gòu)成次望遠鏡，次望遠鏡物鏡(7)的焦距為f3，次望遠鏡目鏡(6)的焦距為f4，次望遠鏡物鏡的出瞳面與主望遠鏡的入出瞳面重合，所述的次望遠鏡物鏡(7)具有次望遠鏡物鏡偏離量(8)，該次望遠鏡物鏡偏離量為次望遠鏡物鏡(7)偏移次望遠鏡不離焦狀態(tài)下次望遠鏡物鏡所在位置的距離；所述的第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(15)和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(17)組成一個接收4f轉(zhuǎn)像望遠鏡，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(15)和第二接收轉(zhuǎn)像透鏡(17)的焦距為f5，第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(15)的入瞳面與主望遠鏡的入出瞳面重合，該接收4f轉(zhuǎn)像望遠鏡具有接收離焦量(16)。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的通用的合成孔徑激光雷達光學(xué)天線，其特征在于所述 的第一偏振分光棱鏡、第二偏振分光棱鏡和第三偏振分光棱鏡均設(shè)定為水平偏振光 束通過，而垂直偏振光束反射。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的通用的合成孔徑激光雷達光學(xué)天線，其特征在于所述 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)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的通用的合成孔徑激光雷達光學(xué)天線，其特征在于所述 的第二四分之一波片(10)的角度設(shè)置，使得透過第二偏振分光棱鏡(9)的發(fā)射激 光光束經(jīng)過主望遠鏡發(fā)射，目標反射的回波由主望遠鏡接收的光束返回到第二偏振 分光棱鏡(9)上的偏振旋轉(zhuǎn)了90。而能夠被第二偏振分光棱鏡(9)反射。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用的合成孔徑激光雷達光學(xué)天線，其特征在于所述 的次望遠鏡物鏡偏離量(8) A/,為=一_,1《，，或AA = 0， (")/22式中Z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，7 為發(fā)射激光光束波面在距離 z處的曲率半徑，力為主望遠鏡物鏡(12)的焦距，/2為主望遠鏡目鏡(11)的焦距， 力為次望遠鏡物鏡(7)的焦距。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的通用的合成孔徑激光雷達光學(xué)天線，其特征在于所述 的接收4/轉(zhuǎn)像望遠鏡的接收離焦量(16) z^為△/ =—A^_，或厶/ =0，式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，yi為主望遠鏡物鏡(12)的焦 距，/2為主望遠鏡目鏡(11)的焦距，/5為第一接收轉(zhuǎn)像透鏡(15)或第二接收轉(zhuǎn) 像透鏡(17)的焦距。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的通用的合成孔徑激光雷達光學(xué)天線，其特征在于所述 的第一孔徑光闌(21)和第二孔徑光闌(22)具有孔徑調(diào)節(jié)機構(gòu)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的通用的合成孔徑激光雷達光學(xué)天線，其特征在于所述 的光電探測器位于所述的接收4/轉(zhuǎn)像望遠鏡的出瞳平面上，或在所述的光電探測器 和所述的接收4/轉(zhuǎn)像望遠鏡的出瞳平面之間設(shè)置轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的通用的合成孔徑激光雷達光學(xué)天線，其特征在于所述 的激光光源(1)是光纖放大器或光纖放大器(1A)，在所述的光纖放大器或光纖放 大器(1A)和所述的第一半波片(2)之間有準直透鏡(2A)，所述的光纖放大器或 光纖放大器(1A)的光纖發(fā)射端口處于所述的準直透鏡(2A)的后焦面上。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1至9任一項所述的通用的合成孔徑激光雷達光學(xué)天線，其 特征在于所述的第一光電探測器(23)和第二光電探測器(24)改用光纖系統(tǒng)作光 學(xué)接收部件，則在所述的第一孔徑光闌(21)之后設(shè)置第一會聚透鏡(2B)和第一 光纖接收系統(tǒng)(1B)，在所述的第二孔徑光闌(22)之后設(shè)置第二會聚透鏡(2C) 和第二光纖接收系統(tǒng)(1C)。
全文摘要
一種用于同一合成孔徑激光成像雷達系統(tǒng)對遠場或者近場光學(xué)信號的發(fā)射和接收的通用的合成孔徑激光成像雷達光學(xué)天線，采用雙向環(huán)路發(fā)射接收主望遠鏡，雙向環(huán)路由可調(diào)次望遠鏡結(jié)構(gòu)的發(fā)射通道和轉(zhuǎn)像望遠鏡結(jié)構(gòu)的接收通道組成，連接激光光源、光電探測器和主望遠鏡。發(fā)射通道中次望遠鏡主鏡位置可移動，接收通道中設(shè)置轉(zhuǎn)像系統(tǒng)離焦，光電探測器前放置可變孔徑光闌。本發(fā)明通過控制發(fā)射次望遠鏡物鏡的移動距離，可以實現(xiàn)不同曲率半徑的空間二次項相位附加偏置的激光發(fā)射波面，而且通過控制接收通道的離焦量和孔徑光闌的大小，可以在消除目標回波接收波面像差的同時，實現(xiàn)光學(xué)天線接收方向性的調(diào)節(jié)。
文檔編號G01S7/481GK101477198SQ20091004526
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月14日
發(fā)明者劉立人, 煜 周, 孫建鋒, 閆愛民 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所