专利名称：合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及合成孔径激光成像雷达，特别是一种可以增大接收视场的合成孔径激光成像雷达外差探测装置，该装置以合成孔径及外差接收技术为基础，能够消除接收信号二次项相位影响，实现比望远镜直接接收及光学天线口径衍射所决定的视场大得多的接收视场，保证了外差效率恒定；大接收望远镜口径，可以增加接收到的信号能量，降低对探测器灵敏度的要求，聚焦透镜能够减小角度失配对外差效率的影响，扩大失配角度，降低信号对准难度；可调的聚焦透镜光阑，使信号光斑能够与探测器尺寸保持匹配，获得较高的外差效率，实现合成孔径成像。
背景技术：
合成孔径激光成像雷达(S A L)原理来源于微波合成孔径雷达，是目前所有报道中能够在远距离实现厘米量级分辨率的唯一光学手段。但波长从微波波段过渡到光波，波长小了 3-6个数量级，而天线尺寸尺度大于波长3-6个数量级，因此其信号发射和接收与射频的信号发射和接收有原理性的差别。合成孔径激光成像雷达的天线一般都采用光学望远镜结构，但是具体的对发射天线和接收天线要求又有所不同(参见[I]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； [2]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.)。合成孔径激光雷达方位向分辨率主要决定于光学发射天线的有效口径，并且与天线口径直径成正比，当发射口径和接收口径一致时，理想情况下雷达分辨率等于天线口径的一半，因此在高分辨率成像设计条件下，由于接收口径限制，所能够接收到的回波信号很小，这将严重影响信号探测难度和雷达系统性能(参见[3]StevenM. Beck, JosephR.Buck, Walter F. Buell etal..Synthetic-aperture imaging laser radar:laboratorydemonstration and signal processing [J]. Appl. Opt. , 2005, 44 (35) : 7621-7629; [4] ^lJ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.)。先前技术[4] (A. E. Siegman. The antenna properties ofopticalheterodyne receivers [J]. Pro.1EEE, 1966, 54 (10) : 1350-1356)认为，用于光学外差接收的光学天线需满足天线理论天线接收立体角和接收口径的有效面积乘积近似等于波长的平方，因此为了增大接收视场，必须减小口径。先前技术[5](闻爱民，刘立人，周煜，孙建锋.通用的合成孔径激光成像雷达光学天线，实用新型专利，申请号200920066851.0)提出了一种通用的合成孔径激光成像雷达雷达光学天线结构，实现了二次相位附加偏置的激光发射和消除回波信号波面相差的离焦光学接收，可用于远场或者近场情况，通过控制相应孔径大小调整发射波面和接受视场，但是这种装置，发射望远镜和接收望远镜通过一个公用的主望远镜集装在一起，必须发射接收分时进行，且最大视场角仅由光学天线口径的衍射决定，视场较小。本发明通过改进接收装置结构，远远增大了接收视场，且保证了接收信号不是太弱，能够实现合成孔径激光雷达宽幅成像。
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大视场外差探测装置，该装置能够消除接收信号波面相差的影响，实现比望远镜直接接收及光学天线口径衍射所决定的视场大得多的接收视场，且外差效率与接收视场无关，使得能够接收到稳定的外差电流信号，接收望远镜孔径可远远大于发射望远镜孔径，增加了接收到的信号功率，保证了外差效率恒定，会聚透镜光阑能够实现信号光场与探测器的匹配调节，增加本振光能量利用率，实现合成孔径宽幅成像。本发明的具体技术解决方案如下
—种合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，特点在于其构成包括激光光源、准直透镜、分光镜、第一反射镜、第二反射镜、发射望远镜目镜、发射望远镜物镜、发射望远镜孔径光阑、接收望远镜孔径光阑、接收望远镜物镜、接收望远镜目镜、透镜光阑、聚焦透镜、合束镜和探测器，上述元部件的位置关系如下沿所述的激光光源发射的激光信号经准直透镜达到分光镜，被该光镜分为反射光束和透射光束，所述的反射光束作为本振参考信号，经过第一反射镜，入射到时间延迟项，经过第二反射镜射向所述的合束镜，所述的透射光束依次经过发射望远镜目镜、发射望远镜物镜和发射望远镜孔径光阑射向目标，由目标面反射的回波信号又依次经过望远镜孔径光阑、接收望远镜物镜、接收望远镜目镜、透镜光阑和聚焦透镜形成会聚信号光束到达所述的合束镜，所述的合束镜位于聚焦透镜之后一倍焦距之内，该会聚信号光束在所述的合束镜与所述的本振参考信号光束合束，由位于所述的会聚透镜后焦面的探测器进行外差接收；所述激光光源位于准直透镜的前焦面处，所述发射望远镜目镜、发射望远镜物镜和发射望远镜孔径光阑共同组成发射望远镜天线，发射望远镜目镜的后焦面和发射望远镜物镜的前焦面重合，所述的发射望远镜孔径光阑位于所述的发射望远镜物镜的外焦面上，作为发射望远镜的出瞳孔径；所述的接收望远镜孔径光阑、接收望远镜物镜和接收望远镜目镜组成接收望远镜天线，接收望远镜孔径光阑位于接收望远镜物镜的外焦面上，接收望远镜目镜的前焦面和接收望远镜物镜的后焦面不重合，具有离焦量，所述的接收望远镜物镜的外焦面为接收望远镜入瞳面，接收望远镜目镜的外焦面为接收望远镜出瞳面，所述接收望远镜天线的入瞳面和出瞳面互为成像，所述的透镜光阑位于接收望远镜目镜的后焦面和会聚透镜的前焦面处，所述的透镜光阑面既作为接收望远镜天线的出瞳面，又作为会聚透镜的入瞳面。所述的发射望远镜出瞳孔径和接收望远镜入瞳孔径同为方形孔径，或同为圆形孔径。所述的时间延迟项为信号光通过发射望远镜、接受望远镜及两倍的目标面到接收望远镜的空间距离所用时间，具体为相同光程的光纤，或相应的空间距离。所述的接收望远镜天线物镜的焦距为，接收望远镜天线目镜的焦距为f2，接收望远镜天线的放大倍数为M = fVf2，所述的离焦量Λ I为
权利要求
1.一种合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，特征在于其构成包括激光光源(I)、准直透镜(2)、分光镜(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(6)、发射望远镜目镜(7)、发射望远镜物镜(8)、发射望远镜孔径光阑(9)、接收望远镜孔径光阑(11)、接收望远镜物镜(12)、接收望远镜目镜(14)、透镜光阑(15)、聚焦透镜(16)、合束镜(17)和探测器(18)，上述元部件的位置关系如下 沿所述的激光光源(I)发射的激光信号经准直透镜(2)达到分光镜(3)，被该光镜(3)分为反射光束和透射光束，所述的反射光束作为本振参考信号，经过第一反射镜(4),入射到时间延迟项(5)，经过第二反射镜(6)射向所述的(17)，所述的透射光束依次经过发射望远镜目镜(7)、发射望远镜物镜(8)和发射望远镜孔径光阑(9)射向目标(10)，由目标面反射的回波信号又依次经过望远镜孔径光阑(11)、接收望远镜物镜(12)、接收望远镜目镜(14)、透镜光阑(15)和聚焦透镜(16)形成会聚信号光束到达所述的合束镜(17)，所述的合束镜(17)位于聚焦透镜(16)之后一倍焦距之内，该会聚信号光束在所述的合束镜(17)与所述的本振参考信号光束合束，由位于所述的会聚透镜(16)后焦面的探测器(18)外差接收； 所述激光光源(I)位于准直透镜(2)的前焦面处，所述发射望远镜目镜(7)、发射望远镜物镜(8)和发射望远镜孔径光阑(9)共同组成发射望远镜天线，发射望远镜目镜(7)的后焦面和发射望远镜物镜(8)的前焦面重合，所述的发射望远镜孔径光阑(9)位于所述的发射望远镜物镜(8)的外焦面上，作为发射望远镜的出瞳孔径； 所述的接收望远镜孔径光阑(11)、接收望远镜物镜(12)和接收望远镜目镜(14)组成接收望远镜天线，接收望远镜孔径光阑(11)位于接收望远镜物镜(12)的外焦面上，接收望远镜目镜(14)的前焦面和接收望远镜物镜(12)的后焦面不重合，具有离焦量(13)，所述的接收望远镜物镜(12)的外焦面为接收望远镜入瞳面，接收望远镜目镜(14)的外焦面为接收望远镜出瞳面，所述接收望远镜天线的入瞳面和出瞳面互为成像，所述的透镜光阑(15)位于接收望远镜目镜(14)的后焦面和会聚透镜(16)的前焦面处，所述的透镜光阑(15)面既作为接收望远镜天线的出瞳面，又作为会聚透镜(16)的入瞳面。
2.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，其特征在于所述的发射望远镜出瞳孔径(9)和接收望远镜入瞳孔径(11)同为方形孔径，或同为圆形孔径。
3.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，其特征在于所述的时间延迟项(5)为信号光通过发射望远镜、接受望远镜及两倍的目标面到接收望远镜的空间距离所用时间，具体为相同光程的光纤，或相应的空间距离。
4.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，其特征在于所述的接收望远镜天线物镜(12)的焦距为，接收望远镜天线目镜(14)的焦距为f2，接收望远镜天线的放大倍数为M = fVf2，所述的离焦量(13) Al为:
5.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，其特征在于所述的透镜光阑(15)与所述的发射望远镜出瞳孔径(9)、接收望远镜入瞳孔径(11)同时为方形孔径，或圆形孔径，所述的透镜光阑(15)具有孔径尺寸调节机构。
6.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，其特征在于所述的探测器(18)为面探测器，或列阵探测器。
7.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，其特征在于所述的经过准直透镜(2)的激光发射信号为平面波，或高斯光束。
全文摘要
一种合成孔径激光成像雷达大视场外差探测装置，该装置以合成孔径及外差接收技术为基础，包括了准直透镜，分束镜，分离的发射望远镜和离焦接收望远镜，可调的会聚透镜光阑，聚焦透镜，外差接收合束镜及探测器。本发明利用接收望远镜天线离焦结构，能够消除接收信号波面相差的影响；接收望远镜孔径可远远大于发射望远镜孔径，增加了接收到的信号功率；会聚透镜的使用，实现了比望远镜直接接收及光学天线口径衍射所决定的视场大得多的接收视场，整个视场中外差效率相对恒定，能够接收到稳定的外差电流信号；可调的会聚透镜光阑，能控制信号光斑与探测器面积的匹配，增加本振光能量利用率，提高外差信号强度。
文档编号G01S7/481GK103018735SQ20121054085
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者卢栋, 孙建锋, 周煜, 职亚楠, 刘立人, 马小平, 孙志伟 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所