专利名称：合成孔径激光成像雷达的透镜焦面阵列外差接收光学天线的制作方法
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透镜焦面阵列外差接收光学天线，可以实现比光学天线口径衍射所决定的外差接收视场大得多的接收视场，并且可以大大地限制噪音保证目标回波的接收信噪比，因此其口径可以远远大于发射光学天线的口径，在结构上也很容易与相对较小口径的发射光学望远镜天线组合成一个同轴的合成孔径激光成像雷达光学天线系统。
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。合成孔径激光成像雷达的天线一般采用光学望远镜结构。合成孔径激光成像雷达的方位向成像分辨率主要决定于光学发射天线的口径，并且与天线口径的直径成正比。而为了保证光学外差接收的视场与激光发射发散度相同，光学接收天线的口径要求与光学发射天线的口径相一致，请参考下列文献 (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)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. (3)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. (4)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. (5)A.E.Siegman，The antenna properties of optical heterodyne receivers，Proceedings ofThe IEEE，1966，54(10)，1350-1356. 因此在实现高分辨率成像的设计条件下，由于接收天线口径的限制，使得合成孔径激光成像雷达能够接收的目标回波信号很小，这将严重影响雷达系统的性能。而且美国有人曾经指出用于光学外差接收的光学天线具有一种天线理论即其接收角和天线口径的乘积近似等于波长的平方(参考文献5)，因此为了增大接收视场角必须减少口径。对于合成孔径激光成像雷达，美国有人提出了一种改进方案(参考文献1)，采用阵列探测器实现大面积光学系统的回波信号的多通道接收，并对于阵列探测器的输出进行目标成像单元的相位历程的追迹，但是这种方法在工程上实现非常困难。
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透镜焦面阵列外差接收光学天线，以实现比光学天线口径衍射所决定的外差接收视场大得多的接收视场，并且可以大大地限制噪音，保证目标回波的接收信噪比，因此其口径可以远远大于发射光学天线的口径，在结构上也很容易与相对较小口径的发射光学望远镜天线组合成一个同轴的合成孔径激光成像雷达光学天线系统。
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透镜焦面阵列外差接收光学天线，其特点在于由接收孔径光阑、接收透镜、偏振合束镜、本振光束、波片、偏振分束镜、第一探测光阑、第一光电探测阵列、第二探测光阑、第二光电探测阵列、平衡接收阵列电路和加法器电路构成，其位置关系如下沿目标回波入射方向依次是所述的接收孔径光阑、接收透镜、偏振合束镜、本振光束、波片和偏振分束镜，所述的偏振分束镜将光束分成两束一束经所述的第一探测光阑由第一光电探测阵列探测，另一路经第二探测光阑由第二光电探测阵列探测，所述的接收孔径光阑位于所述的接收透镜的前焦面，所述的第一探测光阑和第二探测光阑位于所述的接收透镜的后焦面，所述的第一光电探测阵列贴近所述的第一探测光阑，所述的第二光电探测阵列贴近所述的第二探测光阑，两个探测光阑的结构相同，两个光电探测阵列的结构和性能相同，两路探测光阑和光电探测阵列的相对放置也相同，所述的平衡接收阵列电路的输入端分别与所述的第一光电探测阵列和第二光电探测阵列的输出端相连，所述的平衡接收阵列电路的输出端与所述的加法器电路的输入端相连。
所述的波片为λ/2波片或λ/4波片。
所述的接收透镜为正方形孔径，或圆形孔径。
设定目标回波光束为垂直偏振，本振光束为水平偏振。偏振合束镜的作用是让垂直偏振光束通过，而对水平偏振光束反射，则目标回波光束和本振光束经过所述的偏振合束镜后合成具有正交偏振分量的单一光束。所述的波片将入射的垂直偏振分量和水平偏振分量都旋转45°。偏振分束镜的作用是让垂直偏振光束通过，而对水平偏振光束反射，因此对于旋转45°的正交偏振分量中的目标回波和本振光束的共同的垂直分量直接通过，而对于旋转45°的正交偏振分量中的目标回波和本振光束的共同的水平分量反射通过，形成两路探测光束。每一探测光路的探测光阑用于限定接收视场，两路的探测光阑和光电探测阵列的位置对准，即两个光电探测阵列的中心都对准光轴，阵列的水平和垂直方向也对准，各个光阑中心和相应的光电探测阵列中心对准，水平和垂直方向也对准。两个光电探测阵列中相应的探测单元对的光电流输出在平衡接收阵列电路中进行相减，然后通过加法器电路把所有的探测单元输出光电流进行线性相加，形成最终时间信号输出。其中，波片也可以为λ/4波片以产生园偏振达到λ/2波片的同样功能。
所述的接收透镜的焦距为f，在接收透镜的后焦面上形成的光学脉冲响应函数为 其中Pr(x，y)为归一化脉冲响应函数。接收透镜可以为矩形孔径，圆形孔径，或者其它孔径。
当接收透镜具有矩形孔径时，设其边长分别为Lr，x，Lr，y，则有 A＝Lr，xLr，y 而其主瓣宽度为 当接收透镜检验圆形孔径时，设其直径为Dr，则有 而其主瓣宽度为 光学发射天线的孔径可以采用矩形孔径，圆形孔径或者其它孔径。发射光束可以采用平面波，高斯光束或者其它光束。以下分析中，发射光束采用平面波进行数学分析，结论同样适用于高斯光束等。
当光学发射天线的孔径采用矩形孔径时，设发射光阑孔径为具有边长为(Lt，x，Lt，y)的矩形孔径，则平面波的发射光束的发散度为 因此光学接收天线透镜中的探测光阑，即光电探测阵列应当为具有边长为(Ld，x，Ld，y)的矩形孔径，光学外差探测接收视场为 光学外差接收视场必须等于发射光束的发散度，因此必须有 当光学发射天线的孔径采用园形孔径时，发射光阑为直径Dt的园孔径函数，则平面波的发射光束的发散度为 因此光学接收天线透镜中的探测光阑，即光电探测阵列应当是直径为(Dd)的园形孔径，光学外差探测接收视场为 光学外差接收视场必须等于发射光束发散度，因此必须有 DdDt＝2.44λf。
上述发射光束发散度等于接收视场的条件下的在目标面的共同作用区域称之为合成孔径激光成像雷达的光学足趾。
合成孔径激光成像雷达的光学足趾不论是矩形函数或者是圆形函数，采样过程都可以作如下考虑。设合成孔径激光成像雷达的光学足趾在方位方向即y方向的宽度为LY，在距离方向即x方向的宽度为LX。
应当注意在矩形孔径发射时 在园形孔径发射时 设定合成孔径激光成像雷达在一个光学足趾内的方位向(y方向)的采样数为MY，考虑在距离向(x方向)的采样数为MX。目标面上的分辩单元尺寸为 设光电探测器阵列的单元数在方位方向即y方向为KY，在距离方向即x方向为KX。光电探测器阵列的单元尺寸为 分辩单元可以有两种设计一种是MX＝MY即分辩单元尺寸为分辩单元的形状与光学足趾相似；另一种是即分辩单元尺寸为分辩单元的形状为方形。
对于上述的分辩单元的第一种设计，探测单元的形状与矩形照明光束相似，即有同时也要求接收透镜的脉冲响应函数与探测单元的形状相似，接收透镜孔径为矩形，其边长为Lr，x×Lr，y，因此有主瓣宽度为
考虑K的最小值为探测单元只占一个主瓣，K的最大值接近M值，则有 对于上述的分辩单元的第二种设计，探测单元的形状为正方形，即有同时要求接收透镜的脉冲响应函数也与正方形探测单元的形状相似，因此接收透镜可以为正方形孔径，也可以为圆形孔径。当接收透镜为正方形孔径时，其边长为Lr×Lr，则主瓣宽度为
考虑K的最小值为探测单元只占一个主瓣，K的最大值接近M值，则有 接收透镜为园形孔径时，其直径为Dr，则主瓣宽度为
考虑K的最小值为探测单元只占一个主瓣，K的最大值接近M值，则有 第i个目标分辩单元(目标面坐标(xi，yi))的目标回波即为合成孔径激光成像雷达的入射场强
其中Ei为到达接收孔径光阑的场强，
为相位，Z为目标距离。则经过偏振分束棱镜分束的两路光路的每路在接收透镜后焦平面上分布为
因此第i个目标分辩单元入射到光电探测阵列上的脉冲响应函数的中心位置，即第i像点的中心位置位于 考虑第k个平衡接收探测单元组合(探测面坐标(xk，yk))进行探测，因此在第k个接收单元组合的每一探测器上有
光学外差的等效本振信号为
因此在这一个探测器的探测面上的场强为
因为合成孔径激光成像雷达一般满足E0＞＞Ei，在每k路探测器面上光强有
第k个单路单元探测器接收的功率为
公式中直流分量为 其中ΔSd，k为每一个光电探测单元的接收面积，Sd为整个光电探测阵列的接收面积。
应当注意，上述公式可以进一步用于估计一个光电探测器的信噪比。此时设定 则有光电探测单元的输出信号
两个对应的光电探测单元的平衡接收的信号输出为
则探测阵列的所有K个探测器组合上的接收信号为
而外差探测效率定义为 其中S为包含艾利斑的中心两个环的区域，即一个中心主瓣和第一个(负数)旁瓣，对于方孔包含了大约90％的能量，对于园孔包含了大约91％的能量。这种近似表示外差探测的接收能量有一定程度的降低，但是在整个接收视场内近似恒定不变。与此对比，在传统的望远镜平行光外差接收中，接收视场中心接收效率最大近似为100％，但是在随着视场增大而下降。因此焦面外差接收和平行光外差接收的这两种方法的外差探测的平均效果相同。
最终，全部平衡接收探测器组输出信号功率之和为
本发明的技术效果 采用本发明的合成孔径激光成像雷达的透镜焦面阵列外差接收光学天线，具有如下特点 (1)光电探测器阵列的整体尺寸大小决定了外差接收视场，因此可以实现比天线孔径衍射所决定的外差接收视场大得多的视场。
(2)合成孔径激光成像雷达接收过程中的噪音主要来自于本振直流分量的散弹噪音，由于单元光电探测器接收的本振光束功率为总功率的K分之一(K为光电探测器数)，大大地限制了噪音，有效控制了外差信噪比。
(4)结合上述两点，本发明的合成孔径激光成像雷达的透镜焦面阵列外差接收光学天线的口径可以远远大于发射光学天线的口径，在结构上也很容易与相对较小口径的发射光学望远镜天线组合成一个同轴的合成孔径激光成像雷达光学天线系统。
(4)除了在光电探测器阵列的边缘，在整个光电探测器阵列面上外差探测效率保持恒定，即外差探测效率与接收视场无关，而传统的望远镜外差接收的外差接收效率与接收视场角有关，由中心向外降低。由于单个光电探测器有限的积分面积使得本方法的外差探测效率低于传统方法的峰值探测效率，但是整体视场中的平均接收效果相同。
图1是本发明合成孔径激光成像雷达的透镜焦面阵列外差接收光学天线示意图。
图2是本发明合成孔径激光成像雷达的透镜焦面阵列外差接收光学天线与发射光学天线相结合构成一个光学天线系统的示意图。
具体实施例方式 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透镜焦面阵列外差接收光学天线示意图。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透镜焦面阵列外差接收光学天线的构成从目标回波1开始依次为接收孔径光阑2、接收透镜3、偏振合束镜4、本振光束5、波片6、偏振分束镜7、第一探测光阑8和第一光电探测阵列9、第二探测光阑10和第二光电探测阵列11、平衡接收阵列电路12、加法器电路13和光电时间信号输出14。所述的孔径光阑2、接收透镜3、偏振合束镜4、本振光束5、波片6、偏振分束镜7、第一探测光阑8和第一光电探测器阵列9、第二探测光阑10和第二光电探测器阵列11依次地位于一条光路上，所述的孔径光阑2位于所述的接收物镜3的前焦面，所述的偏振合束镜4位于所述的接收透镜3的后面，所述的波片6位于所述的偏振合束镜4的后面，所述的偏振分束镜7位于所述的波片6的后面，所述的偏振分束镜7把光路分为两路，所述的第一探测光阑8和第二探测光阑9均位于所述的偏振分束镜7的后面同时也位于所述的接收透镜3的后焦面，所述的第一光电探测阵列9位于第一探测光阑8后面，所述的第二光电探测阵列11位于第二探测光阑10后面，第一探测光阑8和第二探测光阑10的结构相同，第一光电探测阵列9和第二光电探测阵列11的结构和性能相同，两路中探测光阑和光电探测阵列的相对放置也相同，所述的光电探测阵列贴近所述的探测光阑，所述的平衡接收阵列电路12对两个光电探测阵列的输出电子信号进行平衡接收处理，所述的加法器电路13对于平衡接收阵列电路12的阵列输出电子信号进行线性相加。
合成孔径激光成像雷达的光学天线包括接收天线和发射天线，图2是本发明合成孔径激光成像雷达的透镜焦面阵列外差接收光学天线和发射天线相结合的光学天线系统的示意图，也是一个实施例示意图。由图可见，接收光学天线从目标回波111开始依次为接收孔径光阑112、接收光学主镜113、接收光学次镜114、偏振合束镜115、本振光束116和平衡接收阵列117，发射光学天线从发射光束118始依次为发射光阑119和反射镜1110。所述的接收光学主镜113和所述的接收光学次镜114构成反射式光学接收天线透镜，即所述的接收透镜3。所述的平衡接收阵列117由一个波片，一个偏振分束镜，两个探测光阑，两个光电探测阵列，一个平衡接收阵列电路和一个加法器电路组成。所述的接收孔径光阑112位于反射式光学接收天线透镜的前焦面，所述的平衡接收阵列117中的探测光阑位于反射式光学接收天线透镜的后焦面。
设所述的目标回波光束111为垂直偏振，所述的本振光束116为水平偏振。所述的偏振合束镜115的作用是把目标回波光束111和本振光束116经偏振合束镜115合束成具有正交偏振分量的单一光束，再通过所述的平衡接收阵列117进行光电接收和处理。
所述的发射光束118通过所述的发射光阑119和所述的反射镜1110发射出去。所述的接收光学天线与发射光学天线同轴。
下面以本实施例为例对本发明作详细分析说明 本实施例的光学天线采用矩形孔径，发射光束采用平面波。
设发射光阑孔径为具有边长为(Lt，x，Lt，y)的矩形孔径，则平面波的发射光束的发散度为 光学接收天线透镜中的探测光阑即光电探测阵列为具有边长为(Ld，x，Ld，y)的矩形孔径，光学外差探测接收视场为 光学外差接收视场必须等于发射光束发散度，因此必须有 Ld，xLt，x＝2λf。
Ld，yLt，y＝2λf 设合成孔径激光成像雷达的光学足趾的宽度在方位方向即y方向为LY，在距离方向即x方向为LX。应当注意在矩形孔径发射时产生光学足趾的宽度为 设定合成孔径激光成像雷达在一个光学足趾内的方位向(y方向)的采样数为MY，考虑在距离向(x方向)的采样数为MX。分辩单元的设计采用M＝MX＝MY，分辩单元的形状与光学足趾相似，目标面上的分辩单元尺寸为 设光电探测器阵列的单元数在方位方向即y方向为KY，在距离方向即x方向为KX，同样探测单元的形状也与矩形照明光束相似即K＝KX＝KY，光电探测器阵列的单元尺寸为 同时也要求接收透镜的脉冲响应函数也与探测单元的形状相似，接收透镜孔径为矩形，其边长为Lr，x×Lr，y，则归一化脉冲响应函数为 主瓣宽度为 整个接收天线、发射天线和探测器阵列系统应当具有关系 考虑K的最小值为探测单元只占一个主瓣，K的最大值接近M值，则有 下面是一个具体实施例的设计 一种星载合成孔径激光成像雷达，其成像观察距离为Z＝1000km，波长λ＝1.55um，成像分辨率直径小于50mm。系统设计为发射光学天线采用方形孔径，夫琅和费衍射区域，发射口径50mm×50mm，目标照明宽度为62m×62m，照明宽度对分辨率尺度之比为1240，接收光学主镜采用方形孔径，口径为1m×1m，焦距f＝10m，接收透镜光学脉冲响应函数的主瓣宽度为31μm×31μm；光电探测器阵列为方形，总尺寸为620μm×620μm；光电探测器阵列数为K＝KY＝KX＝20，则探测器单元的尺寸为31μm×31μm，系统的采样数M＝MY＝MX＝2480。
权利要求
1、一种合成孔径激光成像雷达的透镜焦面阵列外差接收光学天线，其特征在于由接收孔径光阑(2)、接收透镜(3)、偏振合束镜(4)、本振光束(5)、波片(6)、偏振分束镜(7)、第一探测光阑(8)、第一光电探测阵列(9)、第二探测光阑(10)、第二光电探测阵列(11)、平衡接收阵列电路(12)和加法器电路(13)构成，其位置关系如下沿目标回波入射方向依次是所述的接收孔径光阑(2)、接收透镜(3)、偏振合束镜(4)、本振光束(5)、波片(6)和偏振分束镜(7)，所述的偏振分束镜(7)将光束分成两束一束经所述的第一探测光阑(8)由第一光电探测阵列(9)探测，另一路经第二探测光阑(10)由第二光电探测阵列(11)探测，所述的接收孔径光阑(2)位于所述的接收透镜(3)的前焦面，所述的第一探测光阑(8)和第二探测光阑(10)位于所述的接收透镜(3)的后焦面，所述的第一光电探测阵列(9)贴近所述的第一探测光阑(8)，所述的第二光电探测阵列(11)贴近所述的第二探测光阑(10)，两个探测光阑的结构相同，两个光电探测阵列的结构和性能相同，两路探测光阑和光电探测阵列的相对放置也相同，所述的平衡接收阵列电路(12)的输入端分别与所述的第一光电探测阵列(9)和第二光电探测阵列(11)的输出端相连，所述的平衡接收阵列电路(12)的输出端与所述的加法器电路(13)的输入端相连。
2、根据权利要求1所述的透镜焦面阵列外差接收光学天线，其特征在于所述的波片(6)为λ/2波片或λ/4波片。
3、根据权利要求1所述的透镜焦面阵列外差接收光学天线，其特征在于所述的接收透镜(3)为正方形孔径，或圆形孔径。
全文摘要
一种合成孔径激光成像雷达的透镜焦面阵列外差接收光学天线，由接收孔径光阑、接收透镜、偏振合束镜、本振光束、波片、偏振分束镜、两个探测光阑、两个光电探测阵列、平衡接收阵列电路和加法器电路构成，所述的孔径光阑位于所述的接收透镜的前焦面，所述的光电探测阵列位于所述的接收透镜的后焦面，所述的平衡接收阵列电路对于两个光电探测阵列的输出电子信号进行平衡接收处理，所述的加法器电路对于平衡接收阵列电路的阵列输出电子信号进行线性相加，本发明可以实现比光学天线口径衍射所决定的外差接收视场大得多的接收视场，远远大于发射光学天线的口径，很容易与相对较小口径的发射光学望远镜天线组合成一个同轴的合成孔径激光成像雷达光学天线系统。
文档编号G01S7/481GK101630006SQ20091005664
公开日2010年1月20日 申请日期2009年8月19日 优先权日2009年8月19日
发明者刘立人 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所