專利名稱：合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及合成孔徑激光成像雷達，特別是一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，用作合成孔徑激光成像雷達中的光學(xué)接收天線，控制望遠鏡物鏡后焦面和目鏡前焦面的離焦量，或者等效地在望遠鏡出瞳或入瞳放置補償相位平板，能夠產(chǎn)生附加空間相位項以消除目標到合成孔徑激光成像雷達的波面相位像差，并且在回波接收信號中產(chǎn)生雷達運動方向上必須的目標相位二次項歷程，用于雷達運動方向上的目標孔徑合成成像。

背景技術(shù)：
合成孔徑激光成像雷達的原理取之于射頻領(lǐng)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(xué)成像觀察手段。但是光學(xué)接收望遠鏡主鏡的尺度大于波長3-6個數(shù)量級，其空間接收與射頻接收有原理差別。在合成孔徑激光成像中，目標的反射回波經(jīng)過距離衍射到達合成孔徑激光成像雷達光學(xué)接收天線時，其將隨著距離變化相對于光學(xué)天線將產(chǎn)生不同的波面像差或者波前形狀，通過接收望遠鏡在光電探測器面上與激光本機振蕩器激光光束合成進行外差探測時，波面像差將極大地影響外差光電探測效率，甚至導(dǎo)致探測失效。因此克服回波信號的衍射波面像差保證外差探測是實現(xiàn)合成孔徑激光成像的關(guān)鍵的光學(xué)問題。
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。因此在雷達運動時，望遠鏡在光學(xué)接收的時間過程中沿雷達運動方向必須產(chǎn)生相位二次項歷程。
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(xué)望遠鏡接收天線。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，但是沒有考慮望遠鏡光學(xué)天線的接收波面像差或者波前形狀的影響。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. 一個合成孔徑激光成像雷達的光學(xué)接收系統(tǒng)主要由光學(xué)望遠鏡、光束合成器和光電探測器所組成。光學(xué)望遠鏡用于收集回波信號波面并轉(zhuǎn)移到光電探測器，光束合成器用于回波信號光束和本機振蕩器激光光束的空間合束，光電探測器進行光強探測并產(chǎn)生回波信號光束和本機光束的光學(xué)外差。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，采用望遠鏡離焦的波面變換消除回波信號的衍射波面像差的方法，或者等效地在望遠鏡出瞳或入瞳放置補償相位平板，以實現(xiàn)有效的外差探測并在回波接收信號中產(chǎn)生雷達運動方向上的目標相位二次項歷程，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(xué)特點的關(guān)鍵技術(shù)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，本發(fā)明離焦接收光學(xué)望遠鏡不僅具有光學(xué)信號的收集接收功能，事實上也具有離焦操作的波面變換作用。
一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，特點是其構(gòu)成包括沿入射光束依次的望遠鏡入瞳平面、物鏡、物鏡后焦面、目鏡前焦面、目鏡和望遠鏡出瞳平面，所述的物鏡的焦距為f1，目鏡的焦距為f2，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面相對于所述的物鏡的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面相對于所述的目鏡的后焦面的距離為ΔL2，所述的望遠鏡入瞳平面與望遠鏡出瞳平面相互成像，滿足 所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離，該z由合成孔徑激光成像雷達測定。
一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，特點是其構(gòu)成包括沿入射光束依次的望遠鏡入瞳平面、物鏡、物鏡后焦面、目鏡前焦面、目鏡、望遠鏡出瞳平面和補償相位平板，所述的物鏡的焦距為f1，目鏡的焦距為f2，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面相對于所述的物鏡的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面相對于所述的目鏡的后焦面的距離為ΔL2，所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為Δl＝0，所述的望遠鏡入瞳平面與望遠鏡出瞳平面相互成像，滿足 在望遠鏡出瞳平面設(shè)置所述的補償相位平板，該補償相位平板的相位調(diào)制函數(shù)為
式中x，y為目鏡輸出孔徑光闌平面上的橫向坐標，λ為激光波長，z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，特點是其構(gòu)成包括沿入射光束依次的補償相位平板、望遠鏡入瞳平面、物鏡、物鏡后焦面、目鏡前焦面、目鏡和望遠鏡出瞳平面，所述的物鏡的焦距為f1，目鏡的焦距為f2，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面相對于所述的物鏡的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面相對于所述的目鏡的后焦面的距離為ΔL2，所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為Δl＝0，所述的望遠鏡入瞳平面與望遠鏡出瞳平面相互成像，滿足 在所述的望遠鏡入瞳平面設(shè)置所述的補償相位平板，該補償相位平板的相位調(diào)制函數(shù)為
所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，特點是其構(gòu)成包括沿入射光束依次的補償相位平板、望遠鏡入瞳平面、物鏡、物鏡后焦面、目鏡前焦面、目鏡和望遠鏡出瞳平面，所述的物鏡的焦距為f1，目鏡的焦距為f2，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面相對于所述的物鏡的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面相對于所述的目鏡的后焦面的距離為ΔL2，所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為Δl＝0，所述的望遠鏡入瞳平面與望遠鏡出瞳平面相互成像，滿足 在所述的望遠鏡出瞳平面的光路上連接一個4-f轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)，該4-f轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)的中間焦面離焦，該4-f轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f3，則中間焦面的離焦量為 一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，特點是其構(gòu)成包括沿入射光束依次的望遠鏡入瞳平面、物鏡、物鏡后焦面、目鏡前焦面、目鏡、望遠鏡出瞳平面和補償相位平板，所述的物鏡的焦距為f1，目鏡的焦距為f2，則望遠鏡的放大倍數(shù)為所述的望遠鏡入瞳平面相對于所述的物鏡的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面相對于所述的目鏡的后焦面的距離為ΔL2，望遠鏡入瞳平面與望遠鏡出瞳平面相互成像，滿足 本機激光振蕩器的光束進行空間相位二次項偏置，到達望遠鏡出瞳或光電探測器上的相位函數(shù)為
所述的望遠鏡入瞳平面上的物鏡輸入孔徑光闌的直徑小于所述的物鏡的直徑，望遠鏡出瞳平面上的輸出孔徑光闌的直徑小于目鏡的直徑。
所述的望遠鏡出瞳平面或者補償相位平板與光電探測器之間設(shè)置有轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)。



圖1是本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡一個實施例的系統(tǒng)示意圖。

具體實施例方式 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范圍。
先請參閱圖1，圖1是本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡一個實施例的系統(tǒng)示意圖。由圖可見，本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡的結(jié)構(gòu)包括從入射光束1開始依次的望遠鏡入瞳2、物鏡3、物鏡后焦面4、目鏡前焦面5、目鏡6、望遠鏡出瞳7和補償相位平板8。
設(shè)本發(fā)明望遠鏡的物鏡3的焦距為f1和目鏡6的焦距為f2，則望遠鏡的放大倍數(shù)為望遠鏡物鏡入瞳平面2位于物鏡3的前面，可以放置一個實的孔徑光闌，也可以沒有光闌而代表一個平面位置。望遠鏡出瞳平面7位于目鏡6的后面，可以放置一個實的孔徑光闌，也可以沒有光闌而代表一個平面位置。望遠鏡入瞳平面2相對于物鏡3的前焦面的距離為ΔL1，望遠鏡出瞳平面7相對于目鏡6后焦面的距離為ΔL2。望遠鏡入瞳平面與望遠鏡出瞳平面相互成像，即必須保證 一般情況下，望遠鏡入瞳平面位于物鏡3的前焦面，望遠鏡出瞳平面位于目鏡6的后焦面。
物鏡后焦面4和目鏡前焦面5之間的距離為Δl，表示望遠鏡的離焦量，當(dāng)Δl＝0時，望遠鏡無離焦，即處于對焦?fàn)顟B(tài)。
望遠鏡的功能可以簡述如下 設(shè)望遠鏡在入瞳平面即物鏡輸入孔徑光闌平面上的等效孔徑函數(shù)為p1(x，y)，入射到望遠鏡入瞳面上的目標光束的場強為e2(x，y)，則在望遠鏡出瞳平面，即目鏡輸出孔徑光闌平面上的場強波前表達為 假設(shè)合成孔徑激光成像雷達到目標的距離為z，望遠鏡入瞳2或者望遠鏡物鏡3的直徑為D，目標最大尺度為L，使用的激光波長為λ，則滿足 時，雷達位于目標的費涅爾衍射區(qū)域。這時目標的點衍射在望遠鏡入瞳平面2上產(chǎn)生的場強的波前表達為 其中，(sx，sy)為目標點的橫向位置，z由合成孔徑激光成像雷達確定。
望遠鏡離焦的波面變換消除回波信號的衍射波面像差的具體方法有三種，這就是本發(fā)明的關(guān)鍵所在 第一種是真實的望遠鏡離焦； 第二種是望遠鏡本身不離焦而采用出瞳補償相位平板或者入瞳補償相位平板進行等效離焦操作； 第三種是將上述兩者的結(jié)合。本發(fā)明的原理如下 一、真實的望遠鏡離焦方法如下 望遠鏡的出瞳平面上即接收面上的相應(yīng)場強的波前表達為 式中右邊第一項表示入瞳函數(shù)的縮小成像，第二項表示目標點衍射產(chǎn)生的波前二次項像差，第三項表示目標點位置橫向離軸產(chǎn)生的空間線性相位移，第四項表示目標點位置橫向離軸產(chǎn)生的相位二次項延遲，第五項表示望遠鏡離焦產(chǎn)生的相位二次項波前偏置。
控制離焦量使得 可以消除入射波前的二次項像差，得到 可見只存在了必要的目標點位置橫向離軸產(chǎn)生的相位二次項延遲和線性相位移，后者應(yīng)當(dāng)小于等于光學(xué)外差接收機的接收視角。
上述表達式中E和B為復(fù)常數(shù)。
二、補償相位平板進行等效離焦操作的方法如下 望遠鏡不離焦時，出瞳面上的相應(yīng)場強的波前表達為 因此當(dāng)望遠鏡出瞳位置上的補償相位平板8的相位調(diào)制函數(shù)為

時，可以消除入射波前的二次項像差。
也可以把補償相位平板放在望遠鏡入瞳2的位置上，這時補償相位平板的相位調(diào)制函數(shù)為

可以消除入射波前的二次項像差。
當(dāng)雷達位于目標的瑞利一索末菲衍射區(qū)域時，除了波前二次項像差即離焦像差外，還存在球面像差以及更高階的像差，可以采用相位平板加以消除或減弱。
三、望遠鏡真實離焦和補償相位平板相結(jié)合方法如下 例如波前二次項像差即離焦像差采用真實離焦解決，而球面像差以及高階像差采用補償相位平板解決。
一般要求望遠鏡入瞳面上的物鏡輸入孔徑光闌的直徑小于物鏡直徑，望遠鏡出瞳面上的輸出孔徑光闌的直徑小于目鏡直徑。
望遠鏡在不離焦的狀態(tài)下也可以在望遠鏡之外采用光學(xué)系統(tǒng)或附件達到等效的離焦。有兩種方法 一種方法是聯(lián)接一個4-f轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)，其中間焦面離焦。假定4-f轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f3，則中間焦面的離焦量為 另外一種方法是對本機激光振蕩器的光束進行空間相位二次項偏置，到達望遠鏡出瞳或光電探測器上的相位函數(shù)為
光電探測器一般應(yīng)當(dāng)放在望遠鏡出瞳平面上，光電探測器可以離開望遠鏡出瞳平面一定距離，當(dāng)光電探測器離開望遠鏡出瞳平面距離較大時，應(yīng)當(dāng)采用轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)。
當(dāng)采用光纖系統(tǒng)作為光學(xué)接收部件時，在望遠鏡出瞳7或者補償相位平板8后可以加一個聚光鏡，把出射光束匯集入光纖端口。或者可以把光纖輸入端口放在目鏡6的前焦面上。
通過以上分析，本發(fā)明采用望遠鏡離焦的波面變換消除回波信號的衍射波面像差的方法，或者等效地在望遠鏡出瞳或入瞳放置補償相位平板，以實現(xiàn)有效的外差探測并在回波接收信號中產(chǎn)生雷達運動方向上的目標相位二次項歷程，保證雷達運動方向上的目標孔徑合成成像。
圖1是本發(fā)明的一個實施例的系統(tǒng)示意圖。入射光束1是從目標反射返回的回波信號光波，物鏡3和目鏡6構(gòu)成光學(xué)接收望遠鏡。物鏡3的前焦面為望遠鏡入瞳面，存在入瞳2是一個孔徑光闌。目鏡后焦面為望遠鏡出瞳面，存在出瞳7，它是入瞳面孔徑光闌的像，出瞳面放置光電探測器。物鏡3后焦面4與目鏡6的前焦面5之間存在一個離焦距離Δl。
具體設(shè)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，成像觀察距離分別為1、2、5、10km。
設(shè)計望遠鏡放大倍數(shù)為M＝10。望遠鏡入瞳面光攔口徑φ50mm并位于物鏡3的前焦面上，因此物鏡3的口徑為φ60mm(即＞φ50mm)，物鏡焦距為1000mm。望遠鏡出瞳口徑為φ5mm并位于目鏡6的后焦面上，目鏡孔徑φ7mm(即＞φ5mm)，目鏡焦距為100mm，光電探測器位于出瞳上。因此，望遠鏡的離焦量分別為1、0.5、0.2、0.1mm。
權(quán)利要求
1、一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，特征在于其構(gòu)成包括沿入射光束(1)依次的望遠鏡入瞳平面(2)、物鏡(3)、物鏡后焦面(4)、目鏡前焦面(5)、目鏡(6)和望遠鏡出瞳平面(7)，所述的物鏡(3)的焦距為f1，目鏡(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平面(2)相對于所述的物鏡(3)的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面(7)相對于所述的目鏡(6)的后焦面的距離為ΔL2，所述的望遠鏡入瞳平面(2)與望遠鏡出瞳平面(7)相互成像，滿足
所述的物鏡后焦面(4)與目鏡前焦面(5)之間的距離為式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
2、一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，特征在于其構(gòu)成包括沿入射光束(1)依次的望遠鏡入瞳平面(2)、物鏡(3)、物鏡后焦面(4)、目鏡前焦面(5)、目鏡(6)、望遠鏡出瞳平面(7)和補償相位平板(8)，所述的物鏡(3)的焦距為f1，目鏡(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平面(2)相對于所述的物鏡(3)的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面(7)相對于所述的目鏡(6)的后焦面的距離為ΔL2，所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為Δl＝0，所述的望遠鏡入瞳平面(2)與望遠鏡出瞳平面(7)相互成像，滿足
在望遠鏡出瞳平面(7)設(shè)置所述的補償相位平板(8)，該補償相位平板(8)的相位調(diào)制函數(shù)為
式中x，y為目鏡輸出孔徑光闌平面上的橫向坐標，λ為激光波長，z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的離焦接收望遠鏡，其特征在于所述的物鏡后焦面(4)與目鏡前焦面(5)之間的距離為式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
4、一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，特征在于其構(gòu)成包括沿入射光束(1)依次的補償相位平板(8)、望遠鏡入瞳平面(2)、物鏡(3)、物鏡后焦面(4)、目鏡前焦面(5)、目鏡(6)和望遠鏡出瞳平面(7)，所述的物鏡(3)的焦距為f1，目鏡(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平面(2)相對于所述的物鏡(3)的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面(7)相對于所述的目鏡(6)的后焦面的距離為ΔL2，所述的物鏡后焦面與目鏡前焦面之間的距離為Δl＝0，所述的望遠鏡入瞳平面(2)與望遠鏡出瞳平面(7)相互成像，滿足
在所述的望遠鏡入瞳平面(2)設(shè)置所述的補償相位平板(8)，該補償相位平板(8)的相位調(diào)制函數(shù)為
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的離焦接收望遠鏡，其特征在于所述的物鏡后焦面(4)與目鏡前焦面(5)之間的距離為式中z為合成孔徑激光成像雷達到目標的距離。
6、一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，特征在于其構(gòu)成包括沿入射光束(1)依次的補償相位平板(8)、望遠鏡入瞳平面(2)、物鏡(3)、物鏡后焦面(4)、目鏡前焦面(5)、目鏡(6)和望遠鏡出瞳平面(7)，所述的物鏡(3)的焦距為f1，目鏡(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平面(2)相對于所述的物鏡(3)的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面(7)相對于所述的目鏡(6)的后焦面的距離為ΔL2，所述的望遠鏡入瞳平面(2)與望遠鏡出瞳平面(7)相互成像，滿足
在所述的望遠鏡出瞳平面(7)的光路上連接一個4-f轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)，該4-f轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)的中間焦面離焦，該4-f轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)的焦距為f3，則中間焦面的離焦量為
7、一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，特征在于其構(gòu)成包括沿入射光束(1)依次的望遠鏡入瞳平面(2)、物鏡(3)、物鏡后焦面(4)、目鏡前焦面(5)、目鏡(6)、望遠鏡出瞳平面(7)和補償相位平板(8)，所述的物鏡(3)的焦距為f1，目鏡(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平面(2)相對于所述的物鏡(3)的前焦面的距離為ΔL1，所述的望遠鏡出瞳平面(7)相對于所述的目鏡(6)的后焦面的距離為ΔL2，望遠鏡入瞳平面(2)與望遠鏡出瞳平面(7)相互成像，滿足
本機激光振蕩器的光束進行空間相位二次項偏置，到達望遠鏡出瞳或光電探測器上的相位函數(shù)為
8、根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項所述的離焦接收望遠鏡，其特征在于所述的望遠鏡入瞳平面(2)上的物鏡輸入孔徑光闌的直徑小于所述的物鏡(3)的直徑，望遠鏡出瞳平面(7)上的輸出孔徑光闌的直徑小于目鏡(6)的直徑。
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的離焦接收望遠鏡，其特征在于在所述的望遠鏡出瞳平面(7)或者補償相位平板(8)與光電探測器之間設(shè)置有轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)。
全文摘要
一種合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡，在合成孔徑激光成像雷達用作光學(xué)接收天線，以消除目標點衍射產(chǎn)生的波面相位像差，并在回波接收信號中產(chǎn)生目標在雷達運動方向上的相位二次項歷程。本發(fā)明合成孔徑激光成像雷達的離焦接收望遠鏡由物鏡和目鏡組成，包括望遠鏡出瞳或入瞳位置上的補償相位平板，控制物鏡后焦面與目鏡前焦面的離焦量或者補償相位平板的相位函數(shù)，以產(chǎn)生附加空間相位項偏置，實現(xiàn)目標波面相位像差的消除和相位二次項歷程的產(chǎn)生，用于雷達運動方向上的目標孔徑合成成像。本發(fā)明是實現(xiàn)合成孔徑激光成像的關(guān)鍵技術(shù)。
文檔編號G01S17/00GK101236248SQ200810034239
公開日2008年8月6日 申請日期2008年3月5日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者劉立人 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所