直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置制造方法
【专利摘要】一种直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置，该发射装置包括激光光源、发射偏振分束器、四分之一波片、水平偏振光路球面反射镜、垂直偏振光路柱面凹凸反射镜和发射望远镜主镜。本发明包含的光学器件较少，结构简单紧凑，原理可靠，易于实现，不需要光学延迟线，可以实现光学相位实时同步改变的要求，满足直视合成空间激光雷达发射端的要求。
【专利说明】直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光雷达的信号发射，特别是一种直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置。该装置是基于同轴扫描像散波前发射原理，在发射端，通过两块反射镜的平动，发射同轴同心双光束偏振正交光束，在远场接收面上的扫描速度相等。
【背景技术】
[0002]现有技术[I] (Two-dimensional synthetic aperture imaging in the opticaldomain [J], Opt.Lett.，2002，27(22):1983?1985)中所述的合成孔径激光成像雷达是能够在远距离得到厘米量级成像分辨率的唯一光学成像观察手段。其以侧视为必要工作条件，实施距离向(交轨方向)的距离分分辨成像，即傅立叶变换成像，方位向(顺轨方向)的孔径合成，即二次项相位历程的匹配滤波成像。但是由于采用了啁啾激光发射，这将引入与任何相位相关的波面波动和相位畸变到传输信号中，导致雷达探测性能严重下降。现有技术[2] (Synthetic-aperture imaging ladar: laboratory demonstration and signalprocessing[JJ.Appl.0pt.，2005，44(35):7621 ?7629)中所述，采用干涉方法测量相位波动并补偿，但是实际操作难以实现。而且侧视情况为了降低拍频频率和非线性啁啾，需要复杂的延迟线技术，这点也不易实现，也需要线性扫频激光器，这限制了成像雷达的应用。
[0003]此外，侧视合成孔径激光雷达有诸多缺点；现有技术[3](尺度缩小合成孔径激光雷达的二维成像实验[J].光学学报，2009，29(7):2030?2032)所述侧视合成孔径激光雷达需要采样光学望远镜，为了增大目标面光斑尺寸和匹配发射激光发散角、外差接收视场角，需要减小接收口径，但是这将减小接收强度，不利于外差探测。现有技术[4](直视合成孔径激光成像雷达原理[J].光学学报，2012，32(9):0928002)中提出了直视合成空间激光雷达的概念和原理结构示意图，基于抛物波前差动扫描和自差探测复数化接收方法，根据波前变换原理对目标投射同轴同心正交偏振的双光束，并进行自差接收。两偏振波前的合成相位差是抛物等位线分布，但是没有提出具体的原理结构示意图。
【发明内容】
[0004]本发明是针对直视合成孔径激光成像雷达的发射系统，克服上述现有技术中的困难，提供一种直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置。该装置包含的光学器件较少，结构简单紧凑，原理可靠，易于实现，不需要光学延迟线，可以实现光学相位实时同步改变的要求，满足直视合成空间激光雷达发射端的要求。
[0005]本发明的技术解决方案如下:
[0006]一种直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置，其特点在于其构成包括激光光源，偏振分束器、第一四分之一波片、第二四分之一波片、垂直偏振光路像散柱面凹凸反射镜、水平偏振光路球面反射镜和发射望远镜主镜，上述元部件的位置关系如下:
[0007]沿激光光源输出激光方向是所述的偏振分束器，所述的激光光源输出的线偏振光束经发射偏振分束器被分为两个等强度的偏振正交的透射的水平偏振光束和反射的垂直偏振光束:沿所述的透射的水平偏振光束方向，即直角坐标系的X轴的负方向，依次是第二四分之一波片和水平偏振光路球面反射镜，沿所述的反射的垂直偏振光束，即Z轴负方向依次是第一四分之一波片和垂直偏振支路像散柱面凹凸反射镜，沿垂直偏振支路像散柱面凹凸反射镜的反射光方向，即z轴正方向依次是第一四分之一波片、偏振分束器和发射望远镜主镜，所述的第一四分之一波片的光轴和第二四分之一波片的光轴分别与各自的入射光的偏振方向成45°，所述球面反射镜、像散柱面凹凸反射镜分别到所述的偏振分束器分束面中心的距离相等且为a，所述的偏振分束器分束面中心到发射望远镜主镜的距离为b，所述的球面反射镜和像散柱面凹凸反射镜分别到所述的发射望远镜主镜的光程等于所述的发射望远镜主镜的焦距f\，即a+b = ;所述的柱面凹凸反射镜在X和Y两个方向上的
曲率半径方向相反，大小分别为iT和C，球面反射镜在y和Z的曲率半径都为C ;所述的
水平偏振光路球面反射镜和垂直偏振光路柱面凹凸反射镜，分别置于两个相同型号的高速震动平台上，震动平台的初始位置保证所述的球面反射镜和柱面凹凸反射镜的中心和各自光路的光轴中心重合，这两个平台以相同的速率分别驱使所述的球面反射镜和柱面凹凸反射镜在垂直于各自光路的光轴的方向往复运动，分别产生同轴同心正交偏振双光束在激光雷达的交轨向(X方向)，对远场目标面做方向相反、速率相同的光学扫描。
[0008]根据直视合成孔径激光成像雷达的基本发射原理，通过在交轨向平面(X-Z方向)内往复移动垂直偏振光路柱面凹凸反射镜、水平偏振光路球面反射镜，实现偏振正交的双光束远场扫描。该装置通过两个相同型号的震动电机，以相同的速率分别驱使所述的球面反射镜和柱面凹凸反射镜在垂直于各自光路的光轴的方向往复运动，并且能够根据两个反射曲面的移动速率，来控制偏振正交光束扫描速率，向目远场标面发射出同轴同心偏振正交的双光束，一个偏振光束为球面波，另外一个偏振光束为像散波面，这两束光波前合成相位差呈抛物等位相分布，并可以消除与相位有关的扰动。这是该发射系统的技术核心和难点。同时，不同的曲率参数，保证在运载平台运动的顺轨向上，扫描的两光束波前曲率半径相同，符号相反，扫描速率相同，扫描方向相同，；在运载平台运动的交轨向，两光束的波前曲率半径相同、符号相同、扫描速率相同，但扫描方向相反。
[0009]本发明有如下明显特点:
[0010]1、本发明是一种高分辨率二维成像的直视合成孔径激光成像雷达的发射端装置，水平偏振光路球面反射镜和垂直偏振光路像散柱面凹凸反射镜，在交轨向平面(X-Z平面)内，按照相同方向同速率往复移动。所采用的高速震动平台为成熟产品和技术，可以购买或者委托研制。使得发射端向目远场标面发射出同轴同心偏振正交的垂直偏振光束和水平偏振光束，分别为球面波和像散波面，其波前合成相位差呈抛物等位相分布。
[0011]2、本发明所述的直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置，满足在交轨向产生与位置有关的空间线性项，通过傅立叶变换实现聚焦成像，在顺轨向产生与位置有关的空间二次项历程，通过二次项匹配滤波实现聚焦成像，其成像算法与侧视合成孔径激光成像雷达相同。
[0012]3、所述的直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置中，其特征在于第一四分之一波片和第二四分之一波片的光轴与入射光偏振方向成45° ,保证偏振光束两次经过波片后改变光束偏振态。
[0013]4、所述的直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置中，水平偏振支路球面反射镜、垂直偏振支路像散柱面凹凸反射镜分别到偏振分束器的距离相等(比如a)，到发射望远镜目镜的光程(如图a+b)等于目镜的焦距4，即如图有如下关系:a+b = f\。
[0014]5、根据所述的的权利要求1，在发射装置中，考虑到矩形光斑能够产生均匀的照面条幅，具有更好的成像分辨率，可以采样矩形函数。
[0015]本方面技术效果如下:
[0016]1、本发明采用同轴同心偏振正交两光束发射，通过在交轨平面内(X-Z面)同方向同速率往复移动水平偏振光路球面反射镜和垂直偏振光路像散柱面凹凸反射镜，再通过偏振分束器和偏振合束器合二为一，实现在目标面交轨向衍射光斑以相同曲率半径在交轨向反向扫描，以相反的曲率半径在顺轨向同向扫描。
[0017]2、本发明中偏振光束通过两个四分之一波片，其光轴与偏振光束偏振方向成45°，保证偏振光束两次通过后改变偏振态。
[0018]3、本发明由于并没有采用发射望远镜端目镜，以减少透镜像差，简化实验结构，且易于实现。同时采样发射主镜直接发射偏振双光束，使得远场照明光斑波面相位相对稳定。考虑到在接收端自差探测的接收口径很大，所以能够同时实现大的光学足趾和强的回波接收强度。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置结构示意图。
[0020]图2是本发明柱面凹凸反射镜的立体图
【具体实施方式】
[0021]下面结合实施例和附图对本发明进一步详细说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0022]先参阅图1，图1是本发明直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置结构示意图。由图可见，本发明直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置，包括激光光源I，偏振分束器2、第一四分之一波片3、第二四分之一波片4、垂直偏振光路像散柱面凹凸反射镜5、水平偏振光路球面反射镜6和发射望远镜主镜7，上述元部件的位置关系如下:
[0023]沿激光光源I输出激光方向是所述的偏振分束器2，所述的激光光源I输出的线偏振光束经发射偏振分束器2被分为两个等强度的偏振正交的透射的水平偏振光束和反射的垂直偏振光束:沿所述的透射的水平偏振光束方向，即直角坐标系的X轴的负方向，依次是第二四分之一波片4和水平偏振光路球面反射镜6，沿所述的反射的垂直偏振光束，即z轴负方向依次是第一四分之一波片3和垂直偏振支路像散柱面凹凸反射镜5，沿垂直偏振支路像散柱面凹凸反射镜5的反射光方向，即z轴正方向依次是第一四分之一波片3、偏振分束器2和发射望远镜主镜7，所述的第一四分之一波片3的光轴和第二四分之一波片4的光轴分别与各自的入射光的偏振方向成45°，所述球面反射镜6、像散柱面凹凸反射镜5分别到所述的偏振分束器2分束面中心的距离相等且为a，所述的偏振分束器2分束面中心到发射望远镜主镜7的距离为b，所述的球面反射镜6和像散柱面凹凸反射镜5分别到所述的发射望远镜主镜7的光程等于所述的发射望远镜主镜7的焦距f1;即a+b = ;所述的柱面凹凸反射镜5在X和Y两个方向上的曲率半径方向相反，大小分别为巧"和’球面反射镜
6在y和Z的曲率半径都为所述的水平偏振光路球面反射镜6和垂直偏振光路柱面凹
凸反射镜5，分别置于两个相同型号的高速震动平台上，震动平台的初始位置保证所述的球面反射镜6和柱面凹凸反射镜5的中心和各自光路的光轴中心重合，这两个平台以相同的速率分别驱使所述的球面反射镜6和柱面凹凸反射镜5在垂直于各自光路的光轴的方向往复运动，分别产生同轴同心正交偏振双光束在激光雷达的交轨向(X方向)，对远场目标面做方向相反、速率相同的光学扫描。
[0024]激光光源I输出的线偏振光束经过发射偏振分束器2,光束被发射偏振分束器分为两个等强度的偏振正交水平(H方向)偏振光束和垂直(V方向)偏振光束。水平(H方向)偏振光束先后经过第二四分之一波片4和水平偏振光路球面反射镜6的反射，又返回经过四分之一波片4,变为垂直偏振光束,在发射偏振合束器2合束；垂直(V方向)偏振光束先后经过第一四分之一波片3和垂直偏振光路柱面凹凸反射镜5的反射，又返回经过第一四分之一波片3,变为水平偏振光束,在发射偏振合束器2合束；水平(H方向)偏振光路的垂直偏振光束和垂直(V方向)偏振光路的水平偏振光束经过偏振合束器2,组合成同轴同心、偏振正交的的双光束，通过发射望远镜的主镜7向目标物衍射。回波信号由特定的光学接收系统接收，经过平衡探测器、模数变换器、复数化处理器和数字图像处理器输出数字图像。
[0025]由图1可以看到:线偏光经过发射偏振分束器后，分为两个等光强的正交偏振光束，分别经过四分之一波片后入射到水平偏振光路球面反射镜和垂直偏振光路像散柱面凹凸反射镜，也就是发射主镜的后焦面位置。其中，两反射镜在交轨平面(r-z平面)在垂直于光轴的方向以速率为Vin做平行往复移动，tf为水平偏振光路球面反射镜和垂直
偏振光路像散柱面凹凸反射镜平动的时间参数，平动宽度为
【权利要求】
1.一种直视合成孔径激光成像雷达反射式双面平动发射装置，其特征在于其构成包括激光光源(I)，偏振分束器(2)、第一四分之一波片(3)、第二四分之一波片(4)、垂直偏振光路像散柱面凹凸反射镜(5)、水平偏振光路球面反射镜(6)和发射望远镜主镜(7)，上述元部件的位置关系如下:沿激光光源(I)输出激光方向是所述的偏振分束器(2),所述的激光光源(I)输出的线偏振光束经发射偏振分束器(2)被分为两个等强度的偏振正交的透射的水平偏振光束和反射的垂直偏振光束:沿所述的透射的水平偏振光束方向，即直角坐标系的X轴的负方向，依次是第二四分之一波片(4)和水平偏振光路球面反射镜(6)，沿所述的反射的垂直偏振光束，即z轴负方向依次是第一四分之一波片(3)和垂直偏振支路像散柱面凹凸反射镜(5)，沿垂直偏振支路像散柱面凹凸反射镜(5)的反射光方向，即z轴正方向依次是第一四分之一波片(3)、偏振分束器(2)和发射望远镜主镜(7),所述的第一四分之一波片(3)的光轴和第二四分之一波片(4)的光轴分别与各自的入射光的偏振方向成45°，所述球面反射镜(6)、像散柱面凹凸反射镜(5)分别到所述的偏振分束器(2)分束面中心的距离相等且为a，所述的偏振分束器(2)分束面中心到发射望远镜主镜(7)的距离为b，所述的球面反射镜(6)和像散柱面凹凸反射镜(5)分别到所述的发射望远镜主镜(7)的光程等于所述的发射望远镜主镜(7)的焦距，即a+b = ;所述的柱面凹凸反射镜(5)在X和Y两个方向上的曲率半径方向相反，大小分别为和，球面反射镜(6)在y和Z的曲率半径都为i?所述的水平偏振光路球面反射镜(6)和垂直偏振光路柱面凹凸反射镜(5)，分别置于两个相同型号的高速震动平台上，震动平台的初始位置保证所述的球面反射镜(6)和柱面凹凸反射镜(5)的中心和各自光路的光轴中心重合，这两个平台以相同的速率分别驱使所述的球面反射镜(6)和柱面凹凸反射镜(5)在垂直于各自光路的光轴的方向往复运动，分别产生同轴同心正交偏振双光束在激光雷达的交轨向(X方向)，对远场目标面做方向相反、速率相同的光学扫描。`
【文档编号】G01S7/481GK103439703SQ201310360667
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】马小平, 孙建锋, 职亚楠, 周煜, 卢智勇, 许倩, 刘立人 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所