專利名稱：合成孔徑激光成像雷達(dá)大視場(chǎng)外差探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑激光成像雷達(dá)，特別是一種可以增大接收視場(chǎng)的合成孔徑激光成像雷達(dá)外差探測(cè)裝置，該裝置以合成孔徑及外差接收技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠消除接收信號(hào)二次項(xiàng)相位影響，實(shí)現(xiàn)比望遠(yuǎn)鏡直接接收及光學(xué)天線口徑衍射所決定的視場(chǎng)大得多的接收視場(chǎng)，保證了外差效率恒定；大接收望遠(yuǎn)鏡口徑，可以增加接收到的信號(hào)能量，降低對(duì)探測(cè)器靈敏度的要求，聚焦透鏡能夠減小角度失配對(duì)外差效率的影響，擴(kuò)大失配角度，降低信號(hào)對(duì)準(zhǔn)難度；可調(diào)的聚焦透鏡光闌，使信號(hào)光斑能夠與探測(cè)器尺寸保持匹配，獲得較高的外差效率，實(shí)現(xiàn)合成孔徑成像。
背景技術(shù)：
合成孔徑激光成像雷達(dá)(S A L)原理來(lái)源于微波合成孔徑雷達(dá)，是目前所有報(bào)道中能夠在遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)厘米量級(jí)分辨率的唯一光學(xué)手段。但波長(zhǎng)從微波波段過(guò)渡到光波，波長(zhǎng)小了 3-6個(gè)數(shù)量級(jí)，而天線尺寸尺度大于波長(zhǎng)3-6個(gè)數(shù)量級(jí)，因此其信號(hào)發(fā)射和接收與射頻的信號(hào)發(fā)射和接收有原理性的差別。合成孔徑激光成像雷達(dá)的天線一般都采用光學(xué)望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，但是具體的對(duì)發(fā)射天線和接收天線要求又有所不同(參見(jiàn)[I]劉立人，合成孔徑激光成像雷達(dá)(I):離焦和相位偏置望遠(yuǎn)鏡接收天線[J]，光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28 (5)997-1000； [2]劉立人，合成孔徑激光成像雷達(dá)(II):空間相位偏置發(fā)射望遠(yuǎn)鏡[J]，光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28 (6) :1197-1200.)。合成孔徑激光雷達(dá)方位向分辨率主要決定于光學(xué)發(fā)射天線的有效口徑，并且與天線口徑直徑成正比，當(dāng)發(fā)射口徑和接收口徑一致時(shí)，理想情況下雷達(dá)分辨率等于天線口徑的一半，因此在高分辨率成像設(shè)計(jì)條件下，由于接收口徑限制，所能夠接收到的回波信號(hào)很小，這將嚴(yán)重影響信號(hào)探測(cè)難度和雷達(dá)系統(tǒng)性能(參見(jiàn)[3]StevenM. Beck, JosephR.Buck, Walter F. Buell etal..Synthetic-aperture imaging laser radar:laboratorydemonstration and signal processing [J]. Appl. Opt. , 2005, 44 (35) : 7621-7629; [4] ^lJ立人，合成孔徑激光成像雷達(dá)(III):雙向環(huán)路發(fā)射接收望遠(yuǎn)鏡[J]，光學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28
(7) 1405-1410.)。先前技術(shù)[4] (A. E. Siegman. The antenna properties ofopticalheterodyne receivers [J]. Pro.1EEE, 1966, 54 (10) : 1350-1356)認(rèn)為，用于光學(xué)外差接收的光學(xué)天線需滿足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(zhǎng)的平方，因此為了增大接收視場(chǎng)，必須減小口徑。先前技術(shù)[5](聞愛(ài)民，劉立人，周煜，孫建鋒.通用的合成孔徑激光成像雷達(dá)光學(xué)天線，實(shí)用新型專利，申請(qǐng)?zhí)?00920066851.0)提出了一種通用的合成孔徑激光成像雷達(dá)雷達(dá)光學(xué)天線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了二次相位附加偏置的激光發(fā)射和消除回波信號(hào)波面相差的離焦光學(xué)接收，可用于遠(yuǎn)場(chǎng)或者近場(chǎng)情況，通過(guò)控制相應(yīng)孔徑大小調(diào)整發(fā)射波面和接受視場(chǎng)，但是這種裝置，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和接收望遠(yuǎn)鏡通過(guò)一個(gè)公用的主望遠(yuǎn)鏡集裝在一起，必須發(fā)射接收分時(shí)進(jìn)行，且最大視場(chǎng)角僅由光學(xué)天線口徑的衍射決定，視場(chǎng)較小。本發(fā)明通過(guò)改進(jìn)接收裝置結(jié)構(gòu)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)增大了接收視場(chǎng)，且保證了接收信號(hào)不是太弱，能夠?qū)崿F(xiàn)合成孔徑激光雷達(dá)寬幅成像。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種合成孔徑激光成像雷達(dá)大視場(chǎng)外差探測(cè)裝置，該裝置能夠消除接收信號(hào)波面相差的影響，實(shí)現(xiàn)比望遠(yuǎn)鏡直接接收及光學(xué)天線口徑衍射所決定的視場(chǎng)大得多的接收視場(chǎng)，且外差效率與接收視場(chǎng)無(wú)關(guān)，使得能夠接收到穩(wěn)定的外差電流信號(hào)，接收望遠(yuǎn)鏡孔徑可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑，增加了接收到的信號(hào)功率，保證了外差效率恒定，會(huì)聚透鏡光闌能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)光場(chǎng)與探測(cè)器的匹配調(diào)節(jié)，增加本振光能量利用率，實(shí)現(xiàn)合成孔徑寬幅成像。本發(fā)明的具體技術(shù)解決方案如下
—種合成孔徑激光成像雷達(dá)大視場(chǎng)外差探測(cè)裝置，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括激光光源、準(zhǔn)直透鏡、分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡目鏡、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡物鏡、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌、接收望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌、接收望遠(yuǎn)鏡物鏡、接收望遠(yuǎn)鏡目鏡、透鏡光闌、聚焦透鏡、合束鏡和探測(cè)器，上述元部件的位置關(guān)系如下沿所述的激光光源發(fā)射的激光信號(hào)經(jīng)準(zhǔn)直透鏡達(dá)到分光鏡，被該光鏡分為反射光束和透射光束，所述的反射光束作為本振參考信號(hào)，經(jīng)過(guò)第一反射鏡，入射到時(shí)間延遲項(xiàng)，經(jīng)過(guò)第二反射鏡射向所述的合束鏡，所述的透射光束依次經(jīng)過(guò)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡目鏡、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡物鏡和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌射向目標(biāo)，由目標(biāo)面反射的回波信號(hào)又依次經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌、接收望遠(yuǎn)鏡物鏡、接收望遠(yuǎn)鏡目鏡、透鏡光闌和聚焦透鏡形成會(huì)聚信號(hào)光束到達(dá)所述的合束鏡，所述的合束鏡位于聚焦透鏡之后一倍焦距之內(nèi)，該會(huì)聚信號(hào)光束在所述的合束鏡與所述的本振參考信號(hào)光束合束，由位于所述的會(huì)聚透鏡后焦面的探測(cè)器進(jìn)行外差接收；所述激光光源位于準(zhǔn)直透鏡的前焦面處，所述發(fā)射望遠(yuǎn)鏡目鏡、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡物鏡和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌共同組成發(fā)射望遠(yuǎn)鏡天線，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡目鏡的后焦面和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡物鏡的前焦面重合，所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌位于所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡物鏡的外焦面上，作為發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的出瞳孔徑；所述的接收望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌、接收望遠(yuǎn)鏡物鏡和接收望遠(yuǎn)鏡目鏡組成接收望遠(yuǎn)鏡天線，接收望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌位于接收望遠(yuǎn)鏡物鏡的外焦面上，接收望遠(yuǎn)鏡目鏡的前焦面和接收望遠(yuǎn)鏡物鏡的后焦面不重合，具有離焦量，所述的接收望遠(yuǎn)鏡物鏡的外焦面為接收望遠(yuǎn)鏡入瞳面，接收望遠(yuǎn)鏡目鏡的外焦面為接收望遠(yuǎn)鏡出瞳面，所述接收望遠(yuǎn)鏡天線的入瞳面和出瞳面互為成像，所述的透鏡光闌位于接收望遠(yuǎn)鏡目鏡的后焦面和會(huì)聚透鏡的前焦面處，所述的透鏡光闌面既作為接收望遠(yuǎn)鏡天線的出瞳面，又作為會(huì)聚透鏡的入瞳面。所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡出瞳孔徑和接收望遠(yuǎn)鏡入瞳孔徑同為方形孔徑，或同為圓形孔徑。所述的時(shí)間延遲項(xiàng)為信號(hào)光通過(guò)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡、接受望遠(yuǎn)鏡及兩倍的目標(biāo)面到接收望遠(yuǎn)鏡的空間距離所用時(shí)間，具體為相同光程的光纖，或相應(yīng)的空間距離。所述的接收望遠(yuǎn)鏡天線物鏡的焦距為，接收望遠(yuǎn)鏡天線目鏡的焦距為f2，接收望遠(yuǎn)鏡天線的放大倍數(shù)為M = fVf2，所述的離焦量Λ I為
權(quán)利要求
1.一種合成孔徑激光成像雷達(dá)大視場(chǎng)外差探測(cè)裝置，特征在于其構(gòu)成包括激光光源(I)、準(zhǔn)直透鏡(2)、分光鏡(3)、第一反射鏡(4)、第二反射鏡(6)、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡目鏡(7)、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡物鏡(8)、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌(9)、接收望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌(11)、接收望遠(yuǎn)鏡物鏡(12)、接收望遠(yuǎn)鏡目鏡(14)、透鏡光闌(15)、聚焦透鏡(16)、合束鏡(17)和探測(cè)器(18)，上述元部件的位置關(guān)系如下 沿所述的激光光源(I)發(fā)射的激光信號(hào)經(jīng)準(zhǔn)直透鏡(2)達(dá)到分光鏡(3)，被該光鏡(3)分為反射光束和透射光束，所述的反射光束作為本振參考信號(hào)，經(jīng)過(guò)第一反射鏡(4),入射到時(shí)間延遲項(xiàng)(5)，經(jīng)過(guò)第二反射鏡(6)射向所述的(17)，所述的透射光束依次經(jīng)過(guò)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡目鏡(7)、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡物鏡(8)和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌(9)射向目標(biāo)(10)，由目標(biāo)面反射的回波信號(hào)又依次經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌(11)、接收望遠(yuǎn)鏡物鏡(12)、接收望遠(yuǎn)鏡目鏡(14)、透鏡光闌(15)和聚焦透鏡(16)形成會(huì)聚信號(hào)光束到達(dá)所述的合束鏡(17)，所述的合束鏡(17)位于聚焦透鏡(16)之后一倍焦距之內(nèi)，該會(huì)聚信號(hào)光束在所述的合束鏡(17)與所述的本振參考信號(hào)光束合束，由位于所述的會(huì)聚透鏡(16)后焦面的探測(cè)器(18)外差接收； 所述激光光源(I)位于準(zhǔn)直透鏡(2)的前焦面處，所述發(fā)射望遠(yuǎn)鏡目鏡(7)、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡物鏡(8)和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌(9)共同組成發(fā)射望遠(yuǎn)鏡天線，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡目鏡(7)的后焦面和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡物鏡(8)的前焦面重合，所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌(9)位于所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡物鏡(8)的外焦面上，作為發(fā)射望遠(yuǎn)鏡的出瞳孔徑； 所述的接收望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌(11)、接收望遠(yuǎn)鏡物鏡(12)和接收望遠(yuǎn)鏡目鏡(14)組成接收望遠(yuǎn)鏡天線，接收望遠(yuǎn)鏡孔徑光闌(11)位于接收望遠(yuǎn)鏡物鏡(12)的外焦面上，接收望遠(yuǎn)鏡目鏡(14)的前焦面和接收望遠(yuǎn)鏡物鏡(12)的后焦面不重合，具有離焦量(13)，所述的接收望遠(yuǎn)鏡物鏡(12)的外焦面為接收望遠(yuǎn)鏡入瞳面，接收望遠(yuǎn)鏡目鏡(14)的外焦面為接收望遠(yuǎn)鏡出瞳面，所述接收望遠(yuǎn)鏡天線的入瞳面和出瞳面互為成像，所述的透鏡光闌(15)位于接收望遠(yuǎn)鏡目鏡(14)的后焦面和會(huì)聚透鏡(16)的前焦面處，所述的透鏡光闌(15)面既作為接收望遠(yuǎn)鏡天線的出瞳面，又作為會(huì)聚透鏡(16)的入瞳面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)大視場(chǎng)外差探測(cè)裝置，其特征在于所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡出瞳孔徑(9)和接收望遠(yuǎn)鏡入瞳孔徑(11)同為方形孔徑，或同為圓形孔徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)大視場(chǎng)外差探測(cè)裝置，其特征在于所述的時(shí)間延遲項(xiàng)(5)為信號(hào)光通過(guò)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡、接受望遠(yuǎn)鏡及兩倍的目標(biāo)面到接收望遠(yuǎn)鏡的空間距離所用時(shí)間，具體為相同光程的光纖，或相應(yīng)的空間距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)大視場(chǎng)外差探測(cè)裝置，其特征在于所述的接收望遠(yuǎn)鏡天線物鏡(12)的焦距為，接收望遠(yuǎn)鏡天線目鏡(14)的焦距為f2，接收望遠(yuǎn)鏡天線的放大倍數(shù)為M = fVf2，所述的離焦量(13) Al為:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)大視場(chǎng)外差探測(cè)裝置，其特征在于所述的透鏡光闌(15)與所述的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡出瞳孔徑(9)、接收望遠(yuǎn)鏡入瞳孔徑(11)同時(shí)為方形孔徑，或圓形孔徑，所述的透鏡光闌(15)具有孔徑尺寸調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)大視場(chǎng)外差探測(cè)裝置，其特征在于所述的探測(cè)器(18)為面探測(cè)器，或列陣探測(cè)器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的合成孔徑激光成像雷達(dá)大視場(chǎng)外差探測(cè)裝置，其特征在于所述的經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡(2)的激光發(fā)射信號(hào)為平面波，或高斯光束。
全文摘要
一種合成孔徑激光成像雷達(dá)大視場(chǎng)外差探測(cè)裝置，該裝置以合成孔徑及外差接收技術(shù)為基礎(chǔ)，包括了準(zhǔn)直透鏡，分束鏡，分離的發(fā)射望遠(yuǎn)鏡和離焦接收望遠(yuǎn)鏡，可調(diào)的會(huì)聚透鏡光闌，聚焦透鏡，外差接收合束鏡及探測(cè)器。本發(fā)明利用接收望遠(yuǎn)鏡天線離焦結(jié)構(gòu)，能夠消除接收信號(hào)波面相差的影響；接收望遠(yuǎn)鏡孔徑可遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于發(fā)射望遠(yuǎn)鏡孔徑，增加了接收到的信號(hào)功率；會(huì)聚透鏡的使用，實(shí)現(xiàn)了比望遠(yuǎn)鏡直接接收及光學(xué)天線口徑衍射所決定的視場(chǎng)大得多的接收視場(chǎng)，整個(gè)視場(chǎng)中外差效率相對(duì)恒定，能夠接收到穩(wěn)定的外差電流信號(hào)；可調(diào)的會(huì)聚透鏡光闌，能控制信號(hào)光斑與探測(cè)器面積的匹配，增加本振光能量利用率，提高外差信號(hào)強(qiáng)度。
文檔編號(hào)G01S7/481GK103018735SQ20121054085
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者盧棟, 孫建鋒, 周煜, 職亞楠, 劉立人, 馬小平, 孫志偉 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所