專利名稱：合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及雷達，特別是一種合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，用作合成孔徑激光成像雷達中的光學發(fā)射天線。在望遠鏡內(nèi)放置相位調(diào)制平板，控制望遠鏡的離焦量和位相調(diào)制平板的相位函數(shù)，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，用于改變激光照明波前，以在目標回波接收信號中產(chǎn)生雷達運動方向上的所需的二次項相位歷程，實現(xiàn)雷達運動方向上的目標孔徑合成成像。

背景技術：
合成孔徑激光成像雷達的原理取之于射頻領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成像觀察手段。激光發(fā)射采用光學望遠鏡，因為光學發(fā)射望遠鏡主鏡的尺度大于波長3—6個數(shù)量級，其發(fā)射特性與射頻發(fā)射天線有很大差別。
在合成孔徑激光成像雷達運動方向上產(chǎn)生目標的相位二次項歷程是保證雷達運動方向上的目標的孔徑合成成像的必要條件。因此在望遠鏡發(fā)射的激光照明光斑上產(chǎn)生一定的空間二次項相位分布是保證在光學接收信號中產(chǎn)生合適的相位二次項歷程的關鍵條件。
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，沒有采用真實光學望遠鏡發(fā)射天線。在美國國防先進研究計劃局支持下2006年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試驗，但是沒有考慮利用光學望遠鏡變化發(fā)射波前的特性。請參閱 (1)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)ptics Letters，Vol.27，pp1983-1985(2002). (2)W.Buell，N.Marechal，J.Buck，R.Dickinson，D.Kozlowski，T.Wright，and S.Beck，“Demonstrationof synthetic aperture imaging ladar，”Proc.of SPIE，Vol.5791，pp.152-166(2005). (3)J.Ricklin，M.Dierking，S.Fuhrer，B.Schumm，and D.Tomlison，“Synthetic apertureladar for tactical imaging，”DARPA Strategic Technology Office. 如何保證雷達運動方向上的目標孔徑合成成像，這是實現(xiàn)合成孔徑激光成像的具有光學特點的關鍵技術。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型要解決的技術問題在于為了保證雷達運動方向上的目標孔徑合成成像，提出一種合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，通過在望遠鏡內(nèi)放置相位調(diào)制平板，控制望遠鏡目鏡后焦面的離焦量和位相調(diào)制平板的相位函數(shù)，能夠在激光發(fā)射望遠鏡的照明區(qū)產(chǎn)生附加空間相位二次項，用于改變激光照明波前，以在目標回波接收信號中產(chǎn)生雷達運動方向上的所需的二次項相位歷程，實現(xiàn)雷達運動方向上的目標孔徑合成成像。
本實用新型的技術解決方案如下 一種合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，特征在于其構成包括從發(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，則望遠鏡的放大倍數(shù)為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。
一種合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，特征在于其構成包括從發(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，則望遠鏡的放大倍數(shù)為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。
一種合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，特征在于其構成包括從發(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，則望遠鏡的放大倍數(shù)為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轉像光學系統(tǒng)，該4—f轉像光學系統(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。
所述的望遠鏡出瞳位于物鏡的后焦面，該望遠鏡出瞳是一個實的孔徑光闌，或僅代表一個平面位置。
本實用新型的技術效果 本實用新型通過在望遠鏡內(nèi)放置相位調(diào)制平板，控制望遠鏡目鏡后焦面的離焦量和位相調(diào)制平板的相位函數(shù)，能夠在激光發(fā)射望遠鏡的照明區(qū)產(chǎn)生附加空間相位二次項，用于改變激光照明波前，以在目標回波接收信號中產(chǎn)生雷達運動方向上的所需的二次項相位歷程，實現(xiàn)雷達運動方向上的目標孔徑合成成像。

圖1是本實用新型合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡一個實施例的系統(tǒng)示意圖。
具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本實用新型作進一步說明，但不應以此限制本實用新型的保護范圍。
先請參閱圖1，圖1是本實用新型合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡一個實施例的系統(tǒng)示意圖。由圖可見，本實用新型合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，其構成包括從發(fā)射激光光束1依次的望遠鏡入瞳2、目鏡3、目鏡后焦面4、相位調(diào)制平板5、物鏡6和望遠鏡出瞳7，所述的望遠鏡目鏡3的焦距為f1和物鏡6的焦距為f2，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳2的平面位于所述的目鏡3的前焦面，所述的望遠鏡出瞳7位于物鏡6的后焦面，目鏡3的后焦面4和物鏡6的前焦面之間的距離為望遠鏡的離焦量 所述的物鏡6的前焦面上放置所述的相位調(diào)制平板5，該相位調(diào)制平板5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。
本實用新型的基本原理分析如下 本實用新型的合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡的結構包括，從發(fā)射激光光束1開始依次是望遠鏡入瞳2、目鏡3、目鏡后焦面4、相位調(diào)制平板5、物鏡6和望遠鏡出瞳7。
設望遠鏡目鏡3的焦距為f1和物鏡6的焦距為f2，則望遠鏡的放大倍數(shù)為望遠鏡入瞳2的平面位于目鏡3的前焦面，可以是一個實的孔徑光闌，也可以沒有光闌而代表一個平面位置。望遠鏡出瞳7位于物鏡6的后焦面，可以是一個實的孔徑光闌，也可以沒有光闌而代表一個平面位置。目鏡后焦面4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5，其相位調(diào)制函數(shù)為 其中F為等效球面波曲率。
假設合成孔徑激光成像雷達到目標的距離為z，望遠鏡出瞳2或者望遠鏡物鏡6的直徑為D，目標最大尺度為L，使用的激光波長為λ，滿足 時，則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1在入瞳面上的波前為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 進一步滿足 則目標處于夫瑯和費衍射區(qū)域。達到空間相位二次項

偏置，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 這時照明光場波前為 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)。
一般要求物鏡直徑大于望遠鏡出瞳面孔徑光闌直徑，目鏡直徑大于望遠鏡入瞳面孔徑光闌直徑。
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轉像光學系統(tǒng)，在其中間焦面上進行離焦和相位偏置。假定4—f轉像光學系統(tǒng)的焦距為f3，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 當激光發(fā)射光源是光纖激光器或光纖放大器時，除了準直使用外，激光光纖發(fā)射端口或者再配以透鏡聚焦點可以直接放在目鏡后焦面4的位置上。
發(fā)射激光光源的光束為高斯光束，控制發(fā)射望遠鏡出瞳上為高斯光束波腰w0，則光束在距離z上的波前為二次項 當在遠場時，有
具體設計如下 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5km。
設定望遠鏡出瞳7上等效孔徑光攔的直徑為50mm，發(fā)射激光在出瞳面上的高斯光束波腰為w0＝12.5mm。設計望遠鏡放大倍數(shù)為M＝10，物鏡6的口徑為φ60mm(>φ50mm)和焦距為1000mm，目鏡3的口徑為φ7mm(>φ5mm)和焦距為100mm。
在5km處的高斯光束波前為5km，其照明半徑的波前的半波高數(shù)為4.47，為了便于正確采樣和反演可以要求半波高數(shù)為20，這時需要附加偏置一個等效曲率為1.437km的二次項，即相位調(diào)制平板二次項的等效焦距應當為0.05748mm。
本實用新型合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，通過在望遠鏡內(nèi)放置相位調(diào)制平板，控制望遠鏡目鏡后焦面的離焦量和位相調(diào)制平板的相位函數(shù)，能夠在激光發(fā)射望遠鏡的照明區(qū)產(chǎn)生附加空間相位二次項，用于改變激光照明波前，以在目標回波接收信號中產(chǎn)生雷達運動方向上的所需的二次項相位歷程，實現(xiàn)雷達運動方向上的目標孔徑合成成像。
權利要求1、一種合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，特征在于其構成包括從發(fā)射激光光束(1)依次的望遠鏡入瞳(2)、目鏡(3)、目鏡后焦面(4)、相位調(diào)制平板(5)、物鏡(6)和望遠鏡出瞳(7)，所述的望遠鏡目鏡(3)的焦距為f1和物鏡(6)的焦距為f2，所述的望遠鏡入瞳(2)的平面位于所述的目鏡(3)的前焦面，所述的望遠鏡出瞳(7)位于物鏡(6)的后焦面，目鏡(3)的后焦面(4)和物鏡(6)的前焦面之間的距離為望遠鏡的離焦量
所述的物鏡(6)的前焦面上放置所述的相位調(diào)制平板(5)，該相位調(diào)制平板(5)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。
2、一種合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，特征在于其構成包括從發(fā)射激光光束(1)依次的望遠鏡入瞳(2)、目鏡(3)、目鏡后焦面(4)、相位調(diào)制平板(5)、物鏡(6)和望遠鏡出瞳(7)，所述的望遠鏡目鏡(3)的焦距為f1和物鏡(6)的焦距為f2，所述的望遠鏡入瞳(2)的平面位于所述的目鏡(3)的前焦面，所述的望遠鏡出瞳(7)位于物鏡(6)的后焦面，目鏡(3)的后焦面(4)和物鏡(6)的前焦面之間的距離為望遠鏡的離焦量
Δl＝0，
所述的物鏡(6)的前焦面上放置所述的相位調(diào)制平板(5)，該相位調(diào)制平板(5)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。
3、一種合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，特征在于其構成包括從發(fā)射激光光束(1)依次的望遠鏡入瞳(2)、目鏡(3)、目鏡后焦面(4)、物鏡(6)和望遠鏡出瞳(7)，所述的望遠鏡目鏡3的焦距為f1和物鏡(6)的焦距為f2，所述的望遠鏡入瞳(2)的平面位于所述的目鏡(3)的前焦面，所述的望遠鏡出瞳(7)位于物鏡(6)的后焦面，目鏡(3)的后焦面(4)和物鏡(6)的前焦面之間的距離為0，在所述的望遠鏡出瞳(7)連接一個4—f轉像光學系統(tǒng)，該4—f轉像光學系統(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。
4、根據(jù)權利要求1或2或3所述的合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，其特征在于所述的望遠鏡出瞳(7)位于物鏡(6)的后焦面，該望遠鏡出瞳(7)是一個實的孔徑光闌，或僅代表一個平面位置。
專利摘要一種合成孔徑激光成像雷達的空間相位偏置發(fā)射望遠鏡，構成包括從發(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。本實用新型可以實現(xiàn)雷達運動方向上的目標孔徑合成成像。
文檔編號G01S17/89GK201212909SQ20082005594
公開日2009年3月25日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權日2008年3月5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