CN103344952B - 直视合成孔径激光成像雷达分离式波面变换扫描装置 - Google Patents

Abstract

一种放置在激光光源和发射主镜之间的直视合成孔径激光成像雷达的分离式波面变换扫描装置，由交轨向波面变换扫描结构和顺轨向正交偏振波面变换结构所构成，原理是交轨向波面变换扫描结构采用单个柱面透镜平移或者反射镜偏转的运动方法对入射光束波面产生交轨向波面变换和扫描，顺轨向正交偏振波面变换结构进一步将其分解为正交偏振分离的两个空间通道，在每一个通道中安置顺轨向柱面镜进行波面变换以及波面反转，再合成两个同轴偏振正交的扫描发射波面，最后通过发射光学主镜直接成像到目标面。本发明优点是结构简单可靠，单个驱动同时实现两个波面双向扫描，采用不同焦距的柱面镜或不同的反射镜偏转范围可方便改变雷达的运行性能参数。

Description

直视合成孔径激光成像雷达分离式波面变换扫描装置

技术领域

本发明涉及直视合成孔径激光成像雷达的激光发射***，是一种直接使用光学元件对于光束进行波面变换和扫描的装置，该装置由交轨向波面变换扫描结构和顺轨向正交偏振波面变换结构所构成，原理是交轨向波面变换扫描结构采用单个柱面透镜平移或者反射镜偏转的运动方法对入射光束波面产生交轨向波面变换和扫描，顺轨向正交偏振波面变换结构进一步将其分解为正交偏振分离的两个空间通道，在每一个通道中安置顺轨向柱面镜进行波面变换以及波面反转，再合成两个同轴偏振正交的扫描发射波面，最后通过发射光学主镜直接成像到目标面，实现一维距离分辨所需的目标交轨向相位线性项调制和一维孔径合成所需的顺轨项向相位二次项历程。

背景技术

合成孔径激光成像雷达的原理取之于射频领域的合成孔径雷达，是能够在远距离得到厘米量级成像分辨率的唯一的光学成像观察手段。距离分辨与孔径合成相结合的合成孔径激光成像雷达有两种基本成像原理（参考文献1）：第一种是以侧视为必要条件的侧视合成孔径激光成像雷达（参考文献2－8），在交轨方向上实施直线距离上的分辨成像，即采用相位线性项调制的距离测量原理，在顺轨方向上实施孔径合成成像，即采用相位二次项历程共轭匹配原理；第二种是以直视为必要条件的直视合成孔径激光成像雷达（参考文献1，11），在交轨方向上实施目标面横向距离上的分辨成像，在顺轨方向上实施孔径合成成像，其中横向距离分辨成像也采用相位线性项调制原理，孔径合成成像采用相位二次项历程共轭匹配原理。直视合成孔径激光成像雷达具有如下优点：能够自动消除大气、运动平台、光雷达***和散斑的相位变化和干扰，在较大的光学足趾下和较大的接收孔径下具有高分辨率成像，不需要光学延时线，无需实时外差拍频信号相位同步，因此直视合成孔径激光成像雷达的实用性强。直视合成孔径激光成像雷达的照明光斑是由雷达机内发射***的光场通过发射主镜和目标距离传播的联合作用放大成像产生的，这个发射***内光场是一个可扫描的复杂相位二次项波面组合，在实际设计中采用了光束通过多个柱面镜光学元件经过自由空间衍射传播的方式产生。这种基于柱面镜空间传播设计的波面变换扫描器存在如下问题：（1）由于采用空间衍射传播，整个发射光束的波面变换扫描器体积庞大，传输损失大，机载平台的振动影响大；（2）由于所需相位二次项是通过空间衍射产生，因此所得到波面的误差大；（3）雷达工作模式和运行性能的改变需要变化发射***内光场的相位分布函数，这时必须改动整个波面变换扫描器的光学和机械结构，适用性差。

下面是现有的有关参考文献：

(1)Liren Liu,Coherent and incoherent synthetic aperture imaging ladars andlaboratory-space experimental demonstrations[Invited],Applied Optics，2013,52(4),579-599.

(2)M.Bashkansky,R.L.Lucke,E.Funk,L.J.Rickard,and J.Reintjes.Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain.Optics Letters,2002,27(22):1983～1985.

(3)S.M.Beck,J.R.Buck,W.F.Buell,R.P.Dickinson,D.A.Kozlowski,N.J.Marechal,and T.J.Wright.Synthetic-aperture imaging ladar:laboratorydemonstration and signal processing.Applied Optics,2005,44(35):7621～7629.

(4)J.Ricklin,M.Dierking,S.Fuhrer,B.Schumm,and D.Tomlison.Synthetic apertureladar for tactical imaging.DARPA Strategic Technology Office,Nov.14,2007.

(5)R.L.Lucke,M.Bashkansky,J.Reintjes,and E.Funk,Synthetic aperture ladar(SAL):fundamental theory,design equations for a satellite system,and laboratorydemonstration,Naval Research Laboratory Report NRL/FR/7218-02-10,051(2002).

(6)B.Krause,J.Buck,C.Ryan,D.Hwang,P.Kondratko,A.Malm,A.Gleason,and S.Ashby,"Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration,"in CLEO:2011-LaserApplications to Photonic Applications,OSA Technical Digest(CD)(Optical Societyof America,2011),paper PDPB7.

(7)周煜，许楠，栾竹，闫爱民，王利娟，孙建锋，刘立人，尺度缩小合成孔径激光雷达的二维成像实验,光学学报，2009，29(7)：2030-2032.

(8)刘立人，周煜，职亚楠，孙建锋，吴亚鹏，栾竹，闫爱民，王立娟，戴恩文，鲁伟，大口径合成孔径激光成像雷达演示样机及其实验室验证，光学学报，2011，37（9）：09001121-5.

(9)刘立人，直视合成孔径激光成像雷达原理，光学学报，2012,32(9):0920002-1～8.

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的困难，提供一种直视合成孔径激光成像雷达的分离式波面变换扫描装置，该扫描器的优点是：结构简单可靠、体积小、传输损失小、抗振动；采用高精度非球面光学元件可以实现精确的相位二次项；不改变整体结构而采用不同焦距的柱面镜和不同的反射镜偏转范围就可以变化雷达的工作模式和运行性能参数。

本发明的技术解决方案如下：

一种放置在激光光源和发射主镜之间的直视合成孔径激光成像雷达的分离式波面变换扫描装置，其特征在于该装置由交轨向波面变换扫描结构和顺轨向正交偏振波面变换结构所构成：

所述的顺轨向正交偏振波面变换结构包括入射波片、入射偏振分束器、左通道顺轨向柱面镜、左通道反射棱镜、左通道反射镜、左通道波片、右通道顺轨向柱面镜、右通道波片、右通道反射镜和出射偏振合束器，上述部件的位置关系如下：由所述的交轨向波面变换扫描结构发出的偏振激光光束，通过所述的入射波片和入射偏振分束器分解为偏振正交的垂直偏振光束和水平偏振光束，所述的垂直偏振光束依次通过左通道顺轨向柱面镜、第一左通道反射棱镜、第二左通道反射镜和左通道波片到达并且直接透过所述的出射偏振合束器；所述的水平偏振光束依次通过右通道顺轨向柱面镜、出射偏振合束器、右通道波片到达右通道反射镜，由右通道反射镜的反射光束再经过右通道波片经过所述的出射偏振合束器反射输出，所述的左通道的偏振正交光束和右通道的偏振正交光束通过所述的出射偏振合束器合束为同轴同心光束并且射向发射主镜，所述的从入射偏振分束器开始的左通道光束到达出射偏振合束器的光轴路径长度等于从入射偏振分束器开始的右通道光束经过右通道反射镜到达出射偏振合束器的光轴路径长度；所述的从左通道顺轨向柱面镜开始的左通道光束到达出射偏振合束器的光轴路径长度等于从右通道顺轨向柱面镜开始的右通道光束经过右通道反射镜到达出射偏振合束器的光轴路径长度。

所述的入射波片和左通道波片为四分之一波片或者半波波片，所述的右通道波片为四分之一波片。

所述的交轨向波面变换扫描结构为透射相位二次项平移扫描式交轨向波面变换扫描结构或反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构。

所述的透射相位二次项平移扫描式交轨向波面变换扫描结构包括交轨向柱面镜、平移驱动器、光阑、入射透镜和出射透镜，上述部件的位置关系如下：激光光源发射的偏振激光光束首先通过交轨向柱面镜和光阑，交轨向柱面镜由平移驱动器驱动，所述的光阑紧贴所述的交轨向柱面镜，所述的入射透镜和出射透镜组成一个4－f转像***，把通过所述的光阑的光束成像到所述的出射透镜的后焦面上，该焦面与顺轨向柱面镜同平面，所述的光阑为矩形孔径或者圆形光阑。

所述的反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构包括偏振分束器、波片、光阑、交轨向反射镜、偏转驱动器、入射透镜和出射透镜，上述部件的位置关系如下：激光光源发射的偏振激光光束首先通过所述的偏振分束器反射并通过所述的波片和所述的光阑到交轨向反射镜，该交轨向反射镜由偏转驱动器驱动，光阑紧贴交轨向反射镜，由交轨向反射镜反射的光束仍然通过波片和光阑并直接透过偏振分束器，所述的入射透镜和出射透镜组成一个4－f转像***，把通过偏振分束器的光束成像到出射透镜的后焦面上，该焦面与顺轨向柱面镜同平面，所述的光阑为矩形孔径或者圆形光阑，所述的波片为四分之一波片。

本发明直视合成孔径激光成像雷达的波面变换扫描器的基本功能是将发射光束产生两个偏振正交波面复合的发射光束，在顺轨方向具有固定的空间二次项相位差，在交轨方向具有时间扫描的线性相位差。

一种直视合成孔径激光成像雷达的分离式波面变换扫描装置，特征在于由交轨向波面变换扫描器和顺轨向正交偏振波面变换器组成。基本原理是发射激光光束先通过交轨向波面变换扫描器通过柱面透镜平移产生相位二次项变换及扫描或者通过反射镜偏转产生波面倾斜扫描，然后顺轨向正交偏振波面变换器进一步将光束分解成偏振正交两个通道并且分别通过柱面透镜以及反射镜进行顺轨向相位二次项变换以及交轨向波面反转，然后再合成为一对同轴同心偏转正交光束投射到发射主镜。本发明的技术效果如下：

1、在交轨向只采用一个光学元件运动就可以实现交轨向两个波面的相对运动，从而实现目标的空间线性相位扫描，并且确保双光束扫描的同步精度。

2、改变交轨向柱面镜焦距或者反射镜偏转角度范围，采用不同焦距的顺轨向柱面镜就可以变化雷达的运行性能参数。

3、由于采用了光学元件成像放大为照明波面相位分布的方法，结构简单可靠、体积小、传输损失小、抗振动。

4、顺轨向正交偏振波面变换结构中，从左通道顺轨向柱面镜到出射偏振合束器的路径长度等于从右通道顺轨向柱面镜经右通道反射镜到入射偏振分束器的路径长度，而且所经过的自由空间路径和光学元件路径的次序和长度相等，同时从入射偏振分束器到出射偏振合束器的左通道和右通道的路径长度相同，因此确保发射光束光阑经由左通道通过主镜和经由右通道通过主镜向目标面成像的质量一致性。

5、交轨向波面变换扫描结构中通过4－f转像***将光阑和扫描光学元件成像于顺轨向柱面镜上，保证了发射波面的准确性。

6、由于精密光学加工技术可以制作高精度非球面光学元件，因此可以采用非球面柱面镜实现精确的相位二次项波面。

综上所述，本发明具有很强的实用性。

附图说明

图1是本发明实施例1直视合成孔径激光成像雷达发射光束的分离式波面变换扫描器的总体结构图

图2是本发明实施例1直视合成孔径激光成像雷达发射光束的分离式波面变换扫描器的透射相位二次项平移扫描式交轨向波面变换扫描结构的结构图

图3是本发明实施例1直视合成孔径激光成像雷达发射光束的分离式波面变换扫描器的反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构的结构图

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，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1是本发明实施例1直视合成孔径激光成像雷达的分离式波面变换扫描装置的总体结构图，由图可见，本发明直视合成孔径激光成像雷达分离式波面变换扫描装置，由交轨向波面变换扫描结构和顺轨向正交偏振波面变换结构所构成。

图1中101为入射激光光束，102为交轨向波面变换扫描结构，其它为顺轨向正交偏振波面变换结构。所述的分离式波面变换扫描装置顺轨向正交偏振波面变换结构包括入射波片103、入射偏振分束器104、左通道顺轨向柱面镜105、左通道反射棱镜106、左通道反射镜107、左通道波片108、右通道顺轨向柱面镜109、右通道波片110、右通道反射镜111和出射偏振合束器112。上述部件的位置关系如下：交轨向波面变换扫描结构102发出的偏振激光光束首先通过所述的入射波片103和入射偏振分束器104分解为偏振正交的垂直偏振光束和水平偏振光束，所述的垂直偏振光束依次通过左通道顺轨向柱面镜105、左通道反射棱镜106、左通道反射镜107和左通道波片108到达并且直接透过出射偏振合束器112；所述的水平偏振光束依次通过右通道顺轨向柱面镜109、出射偏振合束器112、右通道波片110到达右通道反射镜111，经右通道反射镜111的反射光束再经过右通道波片110经过出射偏振合束器112反射，所述的左右通道的偏振正交光束通过所述的出射偏振合束器合束为同轴同心光束113并且射向发射主镜。所述的从左通道顺轨向柱面镜105开始的左通道光束到达出射偏振合束器的112光轴路径长度等于从右通道顺轨向柱面镜109开始的右通道光束经过右通道反射镜111到达出射偏振合束器112的光轴路径长度。所述的入射波片103和左通道波片108为四分之一波片或者半波波片，所述的右通道波片为四分之一波片。

所述的交轨向波面变换扫描结构102包括两种结构，即透射相位二次项平移扫描式交轨向波面变换扫描结构（请参见图2）和反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构（请参见图3）。

所述的透射相位二次项平移扫描式交轨向波面变换扫描结构包括交轨向柱面镜202、平移驱动器203、光阑204、入射透镜205和出射透镜206。上述部件的位置关系如下：激光光源发射的偏振激光光束201首先通过交轨向柱面镜202和光阑204，交轨向柱面镜202由平移驱动器203驱动，光阑204紧贴交轨向柱面镜202，入射透镜205和出射透镜206组成一个4－f转像***，把通过光阑204的光束成像到出射透镜206的后焦面上，该焦面与顺轨向柱面镜同平面。所述的光阑为矩形孔径或者圆形光阑。

所述的反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构包括偏振分束器302、波片303、光阑304、交轨向反射镜305、偏转驱动器306、入射透镜307和出射透镜308。上述部件的位置关系如下：激光光源发射的偏振激光光束301首先通过偏振分束器302反射并通过波片303和光阑304到交轨向反射镜305，该交轨向反射镜305由偏转驱动器306驱动，光阑304紧贴交轨向反射镜305，由交轨向反射镜305反射的光束仍然通过波片303和光阑304并直接透过偏振分束器302，入射透镜307和出射透镜308组成一个4－f转像***，把交轨向反射镜305上的光束光斑成像到出射透镜308的后焦面上，该焦面与顺轨向柱面镜同平面。所述的光阑304为矩形孔径或者圆形光阑，所述的波片303为四分之一波片。

设定直视合成孔径激光成像雷达具有如下条件。

图1所示的纸面垂直方向为垂直偏振方向，纸面内为水平偏振方向；同时纸面垂直方向为顺轨方向并且定义为y轴，而纸面内垂直于顺轨方向的方向为交轨方向并且定义为x轴；

透射相位二次项平移扫描式交轨向波面变换扫描结构的光阑204和反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构的光阑304为矩形孔径，边长为D'_x和D'_y，即透过函数为 $\mathrm{rect}\left(\frac{x}{{D^{\′}}_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{{D^{\′}}_y}\right).$

透射相位二次项平移扫描式交轨向波面变换扫描结构的4－f转像***的放大倍数为M_t，其入射透镜205和出射透镜206的有效孔径大于或等于D'_x×D'_y。反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构的4－f转像***的放大倍数为M_t，其入射透镜307和出射透镜308的有效孔径大于或等于D'_x×D'_y。因此光阑204或者光阑304成像在顺轨向柱面镜的平面上为其中D_x＝M_t,D_y＝M_tD'_y。

使用激光波长为λ，激光光源发射的偏振激光光束场强为E，输入光束直径大于或等于D'_x×D'_y；

顺轨向正交偏振波面变换结构的左通道顺轨向柱面镜105的设计为其中f_y为柱面镜焦距，右通道顺轨向柱面镜109的设计为左通道顺轨向柱面镜105和右通道顺轨向柱面镜109的有效口径尺寸大于或等于D_x×D_y；

设入射偏振分束器104，出射偏振合束器112和左通道反射棱镜106的通光口径均为D_t；入射偏振分束器104到出射偏振合束器112的距离和入射偏振分束器104到左通道反射棱镜106的距离均为L_t。因此出射偏振合束器112到右通道反射镜111的距离L_r应当为：

$L_r=\frac{2L_t+D_t}{2}=L_t+\frac{D_t}{2}.$

入射偏振分束器104到左通道顺轨向柱面镜105的距离应当等于入射偏振分束器104到右通道顺轨向柱面镜109的距离。

发射主镜的焦距为f，目标面到雷达的距离为Z，发射主镜到目标面的传播相当于夫琅和费衍射，因此在目标面上产生发射主镜前焦面上物体的倒像，其成像放大倍数为并附有空间相位二次项

透射偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构的交轨向柱面镜202的空间相位设计为平移驱动器203的时间线性扫描位移为α(t)，因此交轨向柱面镜202的时间扫描相位函数为其中扫描时间宽度为T，扫描时间范围为扫描距离宽度为D'_x，扫描距离范围为由此要求垂直偏振通道交轨向柱面镜和水平偏振通道交轨向柱面镜的宽度为 $(L_x^{\mathrm{tr}}\≥2{D^{\′}}_x,L_y^{\mathrm{tr}}\≥{D^{\′}}_y).$

反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构的交轨向反射镜305在偏转驱动器306的带动下产生角度偏转θ(t)，因此对于反射光束产生空间相位扫描为偏转驱动器306的扫描时间宽度为T，扫描时间范围为扫描角度宽度为Δθ，扫描距离范围为要求交轨向反射镜305的宽度 $L_x^{\mathrm{re}}\×L_y^{\mathrm{re}}$ 为 $(L_x^{\mathrm{re}}\≥{D^{\′}}_x,L_y^{\mathrm{re}}\≥{D^{\′}}_y).$

对于由透射相位二次项平移扫描式交轨向波面变换扫描结构和顺轨向正交偏振波面变换结构组成的分离式波面变换扫描装置，在发射主镜焦面上即左通道顺轨向柱面镜105面上的垂直偏振光束的复场强和右通道顺轨向柱面镜109面上的水平偏振光束的复场强分别为：

$e^{V,\mathrm{tr}}(x,y:t)=\frac{E}{M_t}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{D_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{D_y}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{y^2}{\mathrm{\λ}{f}_y}\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{[x-M_t\mathrm{\α}\left(t\right)]}^2}{\mathrm{\λ}{M}_t^2{f}_x}\right\}$

$e^{H,\mathrm{tr}}(x,y:t)=\frac{E}{M_t}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{D_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{D_y}\right)\exp (-\mathrm{j\π}\frac{y^2}{\mathrm{\λ}{f}_y})\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{[x-M_t\mathrm{\α}\left(t\right)]}^2}{\mathrm{\λ}{M}_t^2{f}_x}\right\}.$

因此，最终在目标面上得到所需的水平偏振照明光斑和垂直偏振照明光斑分别为：

$e_{t\arg \mathrm{et}}^{V,\mathrm{tr}}(x,y:t)=\frac{E}{{\mathrm{MM}}_t}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{{\mathrm{MD}}_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{{\mathrm{MD}}_y}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{y^2}{\mathrm{\λ}{M^{2}f}_y}\right)\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{[x-{\mathrm{MM}}_t\mathrm{\α}\left(t\right)]}^2}{\mathrm{\λ}{M^2{M}_t^{2}f}_x}\right\}\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right),$

$e_{t\arg \mathrm{et}}^{H,\mathrm{tr}}(x,y:t)=\frac{E}{{\mathrm{MM}}_t}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{{\mathrm{MD}}_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{{\mathrm{MD}}_y}\right)\exp (-\mathrm{j\π}\frac{y^2}{\mathrm{\λ}{M^{2}f}_y})\exp \left\{\mathrm{j\π}\frac{{[x+{\mathrm{MM}}_t\mathrm{\α}\left(t\right)]}^2}{\mathrm{\λ}{M^2{M}_t^{2}f}_x}\right\}\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right)$

满足直视合成孔径激光成像雷达的发射波面要求。

对于由反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构和顺轨向正交偏振波面变换结构组成的分离式波面变换扫描装置，在发射主镜焦面上即左通道顺轨向柱面镜105面上的垂直偏振光束的复场强和右通道顺轨向柱面镜109面上的水平偏振光束的复场强分别为：

$e^{V,\mathrm{re}}(x,y:t)=\frac{E}{M_t}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{D_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{D_y}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{y^2}{\mathrm{\λ}{f}_y}\right)\exp \left\{j4\mathrm{\π}\frac{\mathrm{x\θ}\left(t\right)}{M_t\mathrm{\λ}}\right\}$

$e^{H,\mathrm{re}}(x,y:t)=\frac{E}{M_t}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{D_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{D_y}\right)\exp (-\mathrm{j\π}\frac{y^2}{\mathrm{\λ}{f}_y})\exp \left\{j4\mathrm{\π}\frac{\mathrm{x\θ}\left(t\right)}{M_t\mathrm{\λ}}\right\}.$

因此，最终在目标面上得到所需的水平偏振照明光斑和垂直偏振照明光斑分别为：

$e_{t\arg \mathrm{et}}^{V,\mathrm{re}}(x,y:t)=\frac{E}{{\mathrm{MM}}_t}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{{\mathrm{MD}}_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{{\mathrm{MD}}_y}\right)\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{y^2}{\mathrm{\λ}{M^{2}f}_y}\right)\exp \left\{j4\mathrm{\π}\frac{\mathrm{x\θ}\left(t\right)}{{M{M}_t\mathrm{\λ}}_x}\right\}\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right),$

$e_{t\arg \mathrm{et}}^{H,\mathrm{re}}(x,y:t)=\frac{E}{{\mathrm{MM}}_t}\mathrm{rect}\left(\frac{x}{{\mathrm{MD}}_x}\right)\mathrm{rect}\left(\frac{y}{{\mathrm{MD}}_y}\right)\exp (-\mathrm{j\π}\frac{y^2}{\mathrm{\λ}{M^{2}f}_y})\exp \{-j4\mathrm{\π}\frac{\mathrm{x\θ}\left(t\right)}{{M{M}_t\mathrm{\λ}}_x}\}\exp \left(\mathrm{j\π}\frac{x^2+y^2}{\mathrm{\λZ}}\right)$

满足直视合成孔径激光成像雷达的发射波面要求。

直视合成孔径激光成像雷达***的设计要素是照明光斑尺度为|M|D_x×|M|D_y，顺轨向成像分辨率为透射相位二次项平移扫描式交轨向波面变换扫描结构和顺轨向正交偏振波面变换结构组成的分离式波面变换扫描装置的交轨向成像分辨率为反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构和顺轨向正交偏振波面变换结构组成的分离式波面变换扫描装置的交轨向成像分辨率为 $\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\Δ\θ}/\left|M{M}_t\right|}.$

下面是一个实施例的具体参数：一维距离分辨/一维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达的运行要求为成像距离8km，交轨向和顺轨向成像分辨率均为2cm，照明光斑尺寸20×20m。

结构设计为：主镜焦距2m，成像放大倍数4000。4－f转像***的放大倍数为1，光阑尺寸为5×5cm。输入激光光束波长为1μm，口径为5×5cm。左通道顺轨向柱面镜和右通道顺轨向柱面镜的有效口径均为5×5cm，焦距分别为25cm和-25cm。透射相位二次项平移扫描式交轨向波面变换扫描结构的交轨向柱面镜的有效口径均为10×5cm，焦距均为25cm，扫描距离宽度为5cm。反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构的反射镜的有效口径均为5×5cm，扫描角度宽度为100mrad。

入射偏振分束器，出射偏振合束器和左通道反射棱镜的有效口径为10×10cm，入射偏振分束器到出射偏振合束器的距离和入射偏振分束器到左通道反射棱镜的距离均为5cm，这时出射偏振合束器到右通道反射镜的距离应当为10cm。入射偏振分束器到左通道顺轨向柱面镜的距离和入射偏振分束器到右通道顺轨向柱面镜的距离可以均为2.5cm。

本发明有如下的明显特点：

1、本发明的直视合成孔径激光成像雷达的分离式波面变换扫描装置是以成像方法将雷达光学天线内的光学元件的空间相位分布直接放大为照明光斑的波面，这不同于侧视合成孔径激光成像雷达的照明光斑的二次项相位分布是采用发射天线孔径的远场衍射传播产生的原理，也不同于以前的直视合成孔径激光成像雷达其光学天线内的波面是采用光学元件的空间衍射传播产生的原理。本发明采用了光学元件成像放大为照明波面相位分布的方法，结构简单可靠、体积小、传输损失小、抗振动。

2、本发明的交轨向所需的两个扫描波面是用一个光学元件和一个驱动器产生的，两个波面的相对误差小，扫描同步角度高。

3、本发明的装置不改动整体结构，只需采用不同焦距的柱面镜和改变反射镜偏转范围就可以变化雷达的运行性能参数。

Claims (5)

1.一种放置在激光光源和发射主镜之间的直视合成孔径激光成像雷达的分离式波面变换扫描装置，其特征在于该装置由交轨向波面变换扫描结构和顺轨向正交偏振波面变换结构构成：

所述的顺轨向正交偏振波面变换结构包括入射波片、入射偏振分束器、左通道顺轨向柱面镜、左通道反射棱镜、左通道反射镜、左通道波片、右通道顺轨向柱面镜、右通道波片、右通道反射镜和出射偏振合束器，上述部件的位置关系如下：由所述的交轨向波面变换扫描结构发出的偏振激光光束，通过所述的入射波片和入射偏振分束器分解为偏振正交的垂直偏振光束和水平偏振光束，所述的垂直偏振光束依次通过左通道顺轨向柱面镜、第一左通道反射棱镜、第二左通道反射镜和左通道波片到达并且直接透过所述的出射偏振合束器；所述的水平偏振光束依次通过右通道顺轨向柱面镜、出射偏振合束器、右通道波片到达右通道反射镜，由右通道反射镜的反射光束再经过右通道波片经过所述的出射偏振合束器反射输出，所述的左通道的偏振正交光束和右通道的偏振正交光束通过所述的出射偏振合束器合束为同轴同心光束并且射向发射主镜，从入射偏振分束器开始的左通道光束到达出射偏振合束器的光轴路径长度等于从入射偏振分束器开始的右通道光束经过右通道反射镜到达出射偏振合束器的光轴路径长度；从左通道顺轨向柱面镜开始的左通道光束到达出射偏振合束器的光轴路径长度等于从右通道顺轨向柱面镜开始的右通道光束经过右通道反射镜到达出射偏振合束器的光轴路径长度。

2.根据权利要求1所述的直视合成孔径激光成像雷达的分离式波面变换扫描装置，其特征在于所述的入射波片和左通道波片为四分之一波片或者半波波片，所述的右通道波片为四分之一波片。

3.根据权利要求1所述的直视合成孔径激光成像雷达的分离式波面变换扫描装置，其特征在于所述的交轨向波面变换扫描结构为透射相位二次项平移扫描式交轨向波面变换扫描结构或反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构。

4.根据权利要求3所述的直视合成孔径激光成像雷达的分离式波面变换扫描装置，其特征在于所述的透射相位二次项平移扫描式交轨向波面变换扫描结构包括交轨向柱面镜、平移驱动器、光阑、入射透镜和出射透镜，上述部件的位置关系如下：激光光源发射的偏振激光光束首先通过交轨向柱面镜和光阑，交轨向柱面镜由平移驱动器驱动，所述的光阑紧贴所述的交轨向柱面镜，所述的入射透镜和出射透镜组成一个4－f转像***，把通过所述的光阑的光束成像到所述的出射透镜的后焦面上，该焦面与顺轨向柱面镜同平面，所述的光阑为矩形孔径或者圆形光阑。

5.根据权利要求3所述的直视合成孔径激光成像雷达的分离式波面变换扫描装置，其特征在于所述的反射相位线性项偏转扫描式交轨向波面变换扫描结构包括偏振分束器、波片、光阑、交轨向反射镜、偏转驱动器、入射透镜和出射透镜，上述部件的位置关系如下：激光光源发射的偏振激光光束首先通过所述的偏振分束器反射并通过所述的波片和所述的光阑到交轨向反射镜，该交轨向反射镜由偏转驱动器驱动，光阑紧贴交轨向反射镜，由交轨向反射镜反射的光束仍然通过波片和光阑并直接透过偏振分束器，所述的入射透镜和出射透镜组成一个4－f转像***，把通过偏振分束器的光束成像到出射透镜的后焦面上，该焦面与顺轨向柱面镜同平面，所述的光阑为矩形孔径或者圆形光阑，所述的波片为四分之一波片。