合成孔径激光成像雷达的矩形光楔阵列望远镜天线

摘要

一种合成孔径激光成像雷达的矩形光楔阵列望远镜天线，其构成依次是矩形光楔阵列、物镜、目镜、分光镜、矩形孔径光电探测器阵列、矩形孔径激光发射器阵列和反射镜，所述的矩形光楔阵列位于所述的物镜的前焦面，所述的矩形孔径光电探测器阵列位于所述的目镜的后焦面，所述的矩形孔径激光发射器阵列位于所述的目镜的后焦面，所述的分光镜对来自所述的矩形孔径激光发射器阵列或来自物镜的光束和进入所述的矩形孔径光电探测器阵列的光束进行分束组合，所述的物镜的焦距为f

说明书

技术领域

本发明涉及合成孔径激光成像雷达，是一种合成孔径激光成像雷达的矩形光楔阵列望远镜天线，用作光学接收和发射天线，可以产生大宽度的扫描条带和方位向高分辨率的成像。

背景技术

合成孔径激光成像雷达(SAIL)的原理取之于射频领域的合成孔径雷达原理，是能够在远距离得到厘米量级分辨率的唯一的光学成像观察手段。由发射激光发散度和外差接收方向性所决定的在目标面上的光学足趾尺度为望远镜物镜的光学衍射极限，由于光频波长很小一般为微米数量级左右，光学足趾比较窄小，这是合成孔径激光成像雷达的固有问题。美国有人提出了一种改进方案(参考文献1)，使用小口径激光发射系统产生大的目标照明区域，同时采用多孔径多探测器的小孔径多通道光学系统实现大面积回波信号接收，从而实现大宽度扫描条带，但是这种方法工程上几乎不可能实现。下面是现有的有关合成孔径激光成像雷达的参考文献：

(1)R.L.Lucke，M.Bashkansky，J.Reintjes，and F.Funk，“Synthetic aperture ladar(SAL)：fundamental theory，design equations for a satellite system，and laboratorydemonstration，”NRL/FR/7218—02-10，051，Naval Research Laboratory，Dec.26，2002.

(2)W.Buell，N.Marechal，J.Buck，R.Dickinson，D.Kozlowski，T.Wright，and S.Beck，“Demonstration of 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.

(4)刘立人，合成孔径激光成像雷达(I)：离焦和相位偏置望远镜接收天线[J]，光学学报，2008，28(5)：997-1000.

(5)刘立人，合成孔径激光成像雷达(II)：空间相位偏置发射望远镜[J]，光学学报，2008，28(6)：1197-1200.

(6)刘立人，合成孔径激光成像雷达(III)：双向环路发射接收望远镜[J]，光学学报，2008，28(7)：1405-1410.

发明内容

本发明的目的在于提供一种合成孔径激光成像雷达的矩形光楔阵列望远镜天线。矩形孔径望远镜用作光学接收和发射天线能够产生符合合成孔径激光成像雷达扫描方式的矩形光学足趾，能够得到均匀的方位向成像分辨率，特别是可以分别控制激光雷达光学足趾在方位向及其垂直方向上的尺度，从而控制光学足趾尺度和成像分辨率。矩形光楔阵列排列的光学望远镜天线，能够以合理的方式排布各个子孔径产生的光学足趾得到大宽度的扫描条带。因此合成孔径激光成像雷达的矩形光楔阵列望远镜天线用作光学接收和发射天线，可以产生大宽度的扫描条带和方位向高分辨率的成像。

本发明的技术解决方案如下：

一种合成孔径激光成像雷达的矩形光楔阵列望远镜天线，其特点是：所述的矩形光楔阵列望远镜的构成包括矩形光楔阵列、物镜、目镜、分光镜、矩形孔径光电探测器阵列、矩形孔径激光发射器阵列和反射镜，所述的矩形光楔阵列、物镜、目镜、分光镜、矩形孔径激光发射器阵列依次地位于一条光路上，所述的矩形光楔阵列位于所述的物镜的前焦面，所述的矩形孔径光电探测器阵列位于所述的目镜的后焦面，所述的矩形孔径激光发射器阵列位于所述的目镜的后焦面，所述的矩形孔径光电探测器阵列和所述的反射镜分别位于所述的分光镜的两面的反射光路上，所述的物镜的焦距为f₁，所述的目镜的焦距为f₂，所述的物镜和所述的目镜之间的距离为f₁+f₂，该望远镜的放大倍数为$M=\frac{f_1}{f_2},$所述的分光镜对来自所述的矩形孔径激光发射器阵列的光束、来自物镜的光束和进入所述的矩形孔径光电探测器阵列的光束进行分束组合。

所述的矩形光楔阵列望远镜作为接收光学天线时，所述的矩形光楔阵列和物镜面对目标，所述的矩形光楔阵列为接收望远镜入瞳，所述的分光镜把回波光束反射到所述的矩形孔径光电探测器阵列，所述的矩形光楔阵列上的各单元矩形光楔和所述的矩形孔径光电探测器阵列上的单元矩形探测器一一对应成像：所述的矩形光楔阵列中的各个单元矩形光楔的边长分别为l_x，l_y，单元矩形光楔之间的周期为L_y，满足条件L_y≥l_y，所述的矩形孔径光电探测器阵列上的单元矩形探测器的尺度为l_x，r，l_y，r，满足$\frac{l_x}{l_{x,r}}=\frac{l_y}{l_{y,r}}=M.$

所述的矩形光楔阵列望远镜作为发射光学天线时，所述的矩形孔径激光发射器阵列通过所述的矩形光楔阵列将激光发射出去，所述的矩形孔径激光发射器阵列上的单元矩形光源与所述的矩形光楔阵列上各单元矩形光楔一一对应成像：所述的矩形光楔阵列中的各个单元矩形光楔的边长分别为l_x，l_y，单元矩形光楔之间的周期为L_y，满足条件L_y≥l_y，所述的矩形孔径激光发射器阵列上的单元矩形光源的尺度为l_x，t，l_y，t，满足$\frac{l_x}{l_{x,t}}=\frac{l_y}{l_{y,t}}=M;$所述的分光镜把所述的矩形孔径激光发射器阵列的部分光强反射到所述的反射镜，返回再通过所述的分光镜到达所述的矩形孔径光电探测器阵列，作为光学外差接收的本机振荡光源阵列，这时所述的矩形孔径激光发射器阵列的各个单元矩形光源与所述的矩形孔径光电探测器阵列上的单元矩形探测器一一对应：所述的矩形孔径激光发射器阵列上的单元矩形光源的尺度l_x，t，l_y，t分别与所述的矩形孔径光电探测器阵列上的单元矩形探测器的尺度l_x，r，l_y，r相等。

所述的矩形光楔阵列由2K+1个单元矩形光楔构成，其中K＝0、±1、±2、±3、……±K，K＝0的单元矩形光楔为平板光楔，第K块单元矩形光楔的顶角为基本顶角的K倍，所述的单元矩形光楔的边长分别为l_x，l_y，单元矩形光楔之间的周期为L_y，基本顶角为：${\mathrm{\Delta \theta }}_y=P\frac{2\lambda }{(n-1)l_y},$所述的l_x由物面照明宽度$\mathrm{\delta \alpha }=\frac{2\mathrm{\lambda z}}{l_x}$决定，l_y由扫描条带宽度${\mathrm{\delta \beta }}_k=\frac{2\mathrm{\lambda z}}{l_y}$决定，并且扫描条带宽度${\mathrm{\delta \beta }}_k=\frac{2\mathrm{\lambda z}}{l_y}$与分辨率直径$\mathrm{\delta d}=\frac{D}{N}$之比的取值范围一般为10²～10³，物面照明的重叠距离宽度为：$\mathrm{\Delta \beta }=((K-1)P+1)\frac{2\mathrm{\lambda z}}{l_y},$式中：D为本发明望远镜的直径，N是表达最终的方位向相位二次项历程的等效曲率半径f_ft和目标距离z之间关系的常数，P为重叠因子，K为孔径数，λ为波长，n为玻璃矩形光楔的折射率，所述的矩形光楔阵列(1)的单元矩形光楔排列顺序任意。

所述的矩形光楔阵列由K＝0、±1、±2、±3、……、+(K-2)、+(K—1)、+k的不对称的多个单元矩形光楔构成。

所述的矩形光楔阵列直接放在所述的物镜前面，但同时在所述的物镜后焦面上放置场镜，补偿由于所述的矩形光楔阵列离开所述的物镜的前焦面的距离而产生的附加相位二次项。

所述的矩形光楔阵列的单元矩形光楔的横截面为具有倒角的直角三角形、梯形、或正三角形。

所述的矩形孔径激光发射器阵列各个单元矩形光源是相干阵列激光光源，或非相干阵列激光光源。

所述的矩形孔径激光发射器阵列各个单元矩形光源发射的激光是平面波，或椭圆高斯光束。

本发明的技术效果：

采用本发明的矩形光楔阵列望远镜天线作为合成孔径激光成像雷达的天线，具有如下特点：

(1)单个矩形孔径的光学望远镜用作合成孔径激光成像雷达中的光学接收和发射天线可以产生矩形光学足趾，任何目标点都经历相等的扫描路径，因此本发明的矩形孔径的光学望远镜是符合合成孔径激光成像雷达扫描方式的。

(2)矩形孔径天线的发射光束发散度和光学外差接收方向性函数都是方位向及其垂直方向上的分离变量函数，可以设计最佳的矩形孔径的两个边长的尺度分别控制激光雷达光学足趾在方位向及其垂直方向上的尺度，得到大扫描宽度和方位向高分辨率。

(3)矩形光楔阵列排列的光学望远镜天线，能够以合理的方式排布各个子孔径，产生的光学足趾得到大宽度的扫描条带。因此合成孔径激光成像雷达的矩形光楔阵列望远镜天线用作光学接收和发射天线，可以产生大宽度的扫描条带和方位向高分辨率的成像。

附图说明

图1是本发明合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线的系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

先请参阅图1，图1是本发明合成孔径激光成像雷达的矩形光楔阵列望远镜天线的系统示意图。图1也是本发明的一个实施例的系统示意图。由图可见，本发明合成孔径激光成像雷达的矩形光楔阵列望远镜天线的构成依次是矩形光楔阵列1、物镜2、目镜3、分光镜4、矩形孔径光电探测器阵列5、矩形孔径激光发射器阵列6和反射镜7，

所述的矩形光楔阵列1位于所述的物镜2的前焦面，所述的矩形孔径光电探测器阵列5位于所述的目镜的后焦面，所述的矩形孔径激光发射器阵列6位于所述的目镜的后焦面，所述的分光镜4位于所述的目镜3的后面，所述的分光镜4位于矩形孔径光电探测器阵列5的前面，所述的分光镜4位于矩形孔径激光发射器阵列6的前面，所述的物镜2的焦距为f₁，所述的目镜3的焦距为f₂，所述的物镜2和所述的目镜3之间的距离为f₁+f₂，该望远镜的放大倍数为$M=\frac{f_1}{f_2}.$该实施例的矩形光楔阵列1的单元矩形光楔排列顺序是以K＝0的平板光楔为基准，分上下按K递增顺序排列，向上K>1正方向依次增加光楔角度，向下K<1反方向依次增加光楔角度排列的。

望远镜作为接收光学天线时，所述的矩形光楔阵列1和物镜2面对目标，所述的矩形光楔阵列1为接收望远镜入瞳，所述的分光镜4把回波光束反射到所述的矩形孔径光电探测器阵列5，所述的矩形光楔阵列1上的单元矩形光楔和所述的矩形孔径光电探测器阵列5上的单元矩形探测器一一对应成像。

望远镜作为发射光学天线时，所述的矩形孔径激光发射器阵列6所发出的激光通过所述的矩形光楔阵列1发射出去，所述的矩形孔径激光发射器阵列6上的单元矩形激光源与所述的矩形光楔阵列1上单元矩形光楔一一对应成像，所述的分光镜4把所述的矩形孔径激光发射器阵列6的部分光强反射到所述的反射镜7，返回再通过所述的分光镜4到达所述的矩形孔径光电探测器阵列5，作为光学外差接收的本机振荡光源阵列，这时所述的矩形孔径激光发射器阵列6的单元矩形激光源与所述的矩形孔径光电探测器阵列5上的单元矩形探测器一一对应。

事实上，望远镜作为接收光学天线时需要进行空间二次项相位的补偿(参考文献4)，望远镜作为发射光学天线时可以进行控制以产生合适的相位二次项历程(参考文献5)，而望远镜同时作为接收天线和发射天线时需要采用双向环路结构分别实施相位补偿和偏置(参考文献6)。本发明设定的望远镜可以符合上述的使用条件。因此，最终的方位向相位二次项历程的等效曲率半径f_ft可以表达为：

$\frac{1}{f_{\mathrm{ft}}}=\frac{1}{f_r}+\frac{1}{f_t}+\frac{1}{f_{\mathrm{add}}},$

其中：f_r为回波接收时产生的相位历程分量的曲率半径，f_t为发射光束产生的相位历程分量的曲率半径，f_add是发射望远镜空间相位偏置产生的附加相位历程分量的曲率半径。例如在夫琅和费衍射区域并且不考虑附加偏置时有f_ft＝f_t＝z(参考文献5)。为了简便起见，采用常数N来表达f_ft和z之间的关系：

$N=\frac{z}{f_{\mathrm{ft}}}=\frac{z}{f_r}+\frac{z}{f_t}+\frac{z}{f_{\mathrm{add}}}.$

方位向成像分辨率一般可以采用如下公式进行估计

$\mathrm{\delta d}=\frac{D}{N},$

其中：D为光学天线直径。

下面以本实施例为例对本发明作详细分析说明：

令目标点到激光雷达的方向为z方向，天线中心沿雷达运动方位方向为x方向，其垂直方向为y方向，因此全局坐标系为(x，y，z)。矩形光楔阵列1中的各个单元矩形光楔的边长分别为l_x，l_y，边长之比定义为$S_1=\frac{l_x}{l_y},$光楔之间的周期为L_y，因此第k个光楔的中心位置在(x＝0，y＝kL_y)，其中必须满足条件L_y≥l_y°第k个光楔的局域坐标系设定为(x_k，y_k，z_k)，满足坐标系变换关系(x_k＝x，y_k＝y-kL_y，z_k＝z)，因此其坐标原点在(x＝0，y＝kL_y，z＝0)。矩形孔径激光发射器阵列6上的单元矩形光源的尺度为l_x，t，l_y，t，则必须满足$\frac{l_x}{l_{x,t}}=\frac{l_y}{l_{y,t}}=M.$矩形孔径光电探测器阵列5上的单元矩形探测器的尺度为l_x,r，l_y，r，则必须满足$\frac{l_x}{l_{x,r}}=\frac{l_y}{l_{y,r}}=M.$

望远镜作为发射光学天线的功能可以简述如下：

望远镜作为发射光学天线时，在矩形光楔阵列1的输出面上的第k个矩形孔径光楔光源产生的归一化发射激光的光场可表达为

$e_1(x_k,y_k)=\mathrm{rect}\left(\frac{x_k}{l_x}\right)\left(\exp \left(j\frac{2\pi }{\lambda }(n-1)\mathrm{k\Delta }{\theta }_y{y}_k\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y_k}{l_y}\right)\right),$

其中：n为光楔玻璃的折射率，Δθ_y为单元矩形光楔的基本顶角，λ为激光波长。该发射场强产生发射光束的发散度方向性函数为

${\Theta }_t({\theta }_{x,k},{\theta }_{y,k})=\sin c\left(\frac{l_x}{\lambda }{\theta }_{x,k}\right)(\sin c\left(\frac{l_y}{\lambda }{\theta }_{y,k}\right)*\delta ({\theta }_{y,k}-(n-1)\mathrm{k\Delta }{\theta }_y)).$

其中：θ_x，k和θ_y，k分别为第k个局域坐标系x_k方向和y_k方向上的方向角，^*表示卷积积分。

望远镜作为接收光学天线的功能可以简述如下：

望远镜作为接收光学天线时，在矩形光楔阵列1的第k个单元矩形光楔的接收孔径函数为

$p(x_k,y_k)=\mathrm{rect}\left(\frac{x_k}{l_x}\right)\left(\exp \left(j\frac{2\pi }{\lambda }(n-1)\mathrm{k\Delta }{\theta }_y{y}_k\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y_k}{l_y}\right)\right),$

该孔径函数产生光学外差接收方向性方向性函数为

${\Theta }_r({\theta }_{x,k},{\theta }_{y,k})=\sin c\left(\frac{l_x}{\lambda }{\theta }_{x,k}\right)(\sin c\left(\frac{l_y}{\lambda }{\theta }_{y,k}\right)*\delta ({\theta }_{y,k}-(n-1)\mathrm{k\Delta }{\theta }_y)).$

定义：光学足趾为在目标面上发射光斑和外差有效接收面积的共同作用范围，因此望远镜同时作为发射和接收天线时的第k个单元矩形光楔孔径产生光学足趾的综合方向性函数为

$\Theta ({\theta }_{x,k},{\theta }_{y,k})={\Theta }_k({\theta }_{x,k},{\theta }_{y,k}){\Theta }_r({\theta }_{x,k},{\theta }_{y,k})$

$={\left[\sin c\left(\frac{l_x}{\lambda }{\theta }_{x,k}\right)(\sin c\left(\frac{l_y}{\lambda }{\theta }_{y,k}\right)*\delta ({\theta }_{y,k}-(n-1)k{\mathrm{\Delta \theta }}_y))\right]}^2$

可见方向性函数中心位于(θ_x，k(0)＝0，θ_y，k(0)＝(n-1)kΔθ_y)，方向性函数在x方向的第一零点的位置在${\theta }_{x,k}=\pm \frac{\lambda }{l_x},$即x方向的方向性宽度为：

${\mathrm{\delta \theta }}_x=\frac{2\lambda }{l_x},$

方向性函数在y方向的第一零点的位置在${\theta }_{y,k}=\pm \frac{\lambda }{l_x}+(n-1)k{\mathrm{\Delta \theta }}_y,$即y方向的方向性宽度为：

${\mathrm{\delta \theta }}_y=\frac{2\lambda }{l_y}.$

目标面上的全局坐标系可以用(α，β)表达，α平行于x，β平行于y，中心在z轴上。第k个单元矩形光楔产生的光学足趾在目标面上的局域坐标系设定为(α_k，β_k)，满足坐标关系(α_k＝x，β_k＝β-k(n-1)Δθ_yz)，

因此其坐标原点在(α＝0，β＝k(n-1)Δθ_yz)。可知α_k方向的距离宽度为

${\mathrm{\delta \alpha }}_k=\frac{2\mathrm{\lambda z}}{l_x}.$

β_k方向的距离宽度为

${\mathrm{\delta \beta }}_k=\frac{2\mathrm{\lambda z}}{l_y},$

因此，单个单元矩形光楔方向性函数的宽度比即为

$\frac{{\mathrm{\delta \theta }}_y}{{\mathrm{\delta \theta }}_x}=\frac{{\mathrm{\delta \beta }}_k}{{\mathrm{\delta \alpha }}_k}=S_1.$

在y方向两个单元矩形光楔的孔径足趾方向性函数的间隔为(n-1)Δθ_y，使各个单个方向性函数在y方向组合起来，形成重叠加长扫描条带。设单个函数的重叠因子为P(P≤1)，则要求

$P\frac{2\lambda }{l_y}=(n-1){\mathrm{\Delta \theta }}_y,$

或者单元矩形光楔的基本顶角为：

${\mathrm{\Delta \theta }}_y=P\frac{2\lambda }{(n-1)l_y}.$

这时由2K+1个单元矩形光楔组成的望远镜所产生的y方向总的方向性宽度Σθ_y为

Σθ_y＝((K-1)P+1)δθ_y，

因此由2K+1个单元矩形光楔组成的望远镜的方向性函数的方向性宽度比为

S_K＝((K-1)P+1)S₁°

同样可以折算到目标面上表达，α方向的距离宽度为

$\mathrm{\delta \alpha }=\frac{2\mathrm{\lambda z}}{l_x},$

β方向的重叠距离宽度为

$\mathrm{\Delta \beta }=((K-1)P+1)\frac{2\mathrm{\lambda z}}{l_y}.$

本实施例的矩形光楔阵列1由2K+1(K＝0、±1、±2、±3、……±K)个单元矩形光楔构成，以K＝0的平板光楔为基准分上下按K的顺序排列，向上K>1正方向依次增加光楔角度，向下K<1反方向依次增加光楔角度排列，其实相反按向上K>1正方向依次递减光楔角度，向下K<1反方向依次递减光楔角度排列，甚至单元矩形光楔镜在孔径上可以不按照k的次序任一排列，实验分析表明，在远场的技术效果是一样的。

下面是一个具体实施例的设计：

合成孔径激光成像雷达要求成像观察距离Z为500km，波长1.55um，要求分辨率直径δd小于100mm，扫描条带宽度140m，条幅宽度与分辨率比大于10³。采用矩形光楔阵列望远镜同时作为光学外差接收天线和平面波发射天线的方式，由分辨率要求$\mathrm{\delta d}=\frac{D}{N}$单个矩形孔径设计取N＝2，因此l_x＝200mm，而根据矩孔衍射定理α方向的$\mathrm{\delta \alpha }=\frac{2\mathrm{\lambda z}}{l_x}$物面照明宽度为7.75m。取l_y＝100mm，根据矩孔衍射${\mathrm{\delta \beta }}_k=\frac{2\mathrm{\lambda z}}{l_y}$得到单孔照明扫描条带宽度为15.5m。采用孔径数K＝11和重叠因子P＝0.8，则重叠距离宽度$\mathrm{\Delta \beta }=((K-1)P+1)\frac{2\mathrm{\lambda z}}{l_y}$最终为139.5m，这时要求光楔的基本顶角${\mathrm{\Delta \theta }}_y=P\frac{2\lambda }{(n-1)l_y}$为Δθ_y＝12.4μrad。