专利名称：直视合成孔径激光成像雷达发射光束直接波面变换扫描器的制作方法
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系统，特别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系统，具有双驱动和单驱动扫描两种结构，原理是采用马赫一程得尔偏振干涉仪结构将入射光束分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相位二次项历程所需的柱面镜和交轨向相位线性项调制所需的柱面镜，交轨向柱面镜带有扫描驱动器，两个通道的柱面镜组合对光束进行波面变换从而产生两个同轴偏振正交的扫描发射波面，并通过发射光学主镜直接成像到目标面，实现包括一维距离分辨/一维孔径合成和二维孔径合成的两种工作模式的直视合成孔径激光成像雷达所需的照明波面。
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原理，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。相干合成孔径激光成像雷达有两种基本成像原理(参考文献I):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，包括两种工作模式，第一种是一维距离分辨/一维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达(参考文献9,10),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，第二种是二维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达(参考文献1，11)，在交轨方向和顺轨方向上均实施孔径合成成像，其中横向距离分辨成像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、光雷达系统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，因此具有更高的实用性。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系统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，这个发射系统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以空间衍射传播的方式通过多个柱面镜光学元件的方法产生。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的体积庞大，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柱面镜的空间衍射产生，因此所得到波面的二次项误差大；(3) —维距离分辨/ 一维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达和二维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达的基于空间传播设计的波面变换扫描器的结构不同，缺乏通用性；(3)雷达工作模式和运行性能的改变需要变化发射系统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:(I)M.Bashkansky, R.L.Lucke, E.Funk, L.J.Rickard, and J.Reint jes.Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain.0pticsLetters, 2002, 27 (22): 1983 1985.
(2) S.M.Beck, J.R.Buck, ff.F.Buel I, R.P.Dickinson, D.A.Koz lowski, N.J.Marechal, and T.J.Wright.Synthetic-aperture imaging ladar: laboratorydemonstration and signal processing.Applied Optics, 2005，44 (35):7621 7629.
(3) J.Ricklin，M.Dierking，S.Fuhrer, B.Schu mm, and D.Toml i son.Synthetic aperture ladar for tactical imaging.DARPA Strategic TechnologyOffice, Nov.14, 2007.
(4) R.L.Lucke, M.Bashkansky, J.Reintj es, and E.Funk, Syntheticaperture ladar (SAL): fundamental theory, design equations for a satellitesystem, and laboratory demonstration, Naval Research Laboratory Report NRL/FR/7218-02-10, 051(2002).
(5) B.Krause, J.Buck, C.Ryan, D.Hwang, P.Kondratko, A.Malm, A.Gleason, andS.Ashby, "Synthetic Aperture Ladar Flight Demonstration, 〃in CLEO: 2011-LaserApplications to Photonic Applications, OSA Technical Digest(CD)(Optical Societyof America, 2011), paper PDPB7.
(6)周煜，许楠，栾竹，闻爱民，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.
(7)刘立人，周煜，职亚楠，孙建锋，吴亚鹏，栾竹，闻爱民，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.
(8)刘立人，菲涅耳望远镜全孔径合成成像激光雷达原理，光学学报，2011，31(1):0128001-1 8.
(9)戴恩文，孙建锋，闻爱民，职亚楠，周煜，吴亚鹏，刘立人，菲涅耳望远镜合成孔径激光成像雷达实验室验证，光学学报，2012，32(5):0528003-1 6.
(10)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发射光束直接波面变换扫描器，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扫描方向就可以变化雷达的工作模式和运行性能参数。本发明的原理是采用马赫一曾得尔偏振干涉仪结构将入射光束分为正交偏振分离的两个空间通道，在每一个通 道中安置产生顺轨向相位二次项历程所需的柱面镜和交轨向相位线性项调制所需的柱面镜，两个通道的柱面镜组合对光束进行波面变换从而产生两个同轴偏振正交的扫描发射波面，并通过发射光学主镜成像到目标面，实现包括一维距离分辨/一维孔径合成和二维孔径合成两种各种原理的直视合成孔径激光成像雷达所需的照明波面。
本发明的技术解决方案如下:—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发射光束直接波面变换扫描器，其特点在于该扫描器由偏振分光马赫一曾得尔干涉仪结构、左通道波面变换及扫描组合结构和右通道波面变换及扫描组合结构所构成，所述的偏振分光马赫一曾得尔干涉仪结构包括入射偏振分束组件、左通道反射镜、右通道反射镜和出射偏振合束组件；所述的左通道波面变换及扫描组合结构包括左通道交轨向柱面镜及左通道交轨向柱面镜扫描驱动器、左通道光阑和左通道顺轨向柱面镜；所述的右通道波面变换及扫描组合结构包括右通道交轨向柱面镜及右通道交轨向柱面镜扫描驱动器、右通道光阑和右通道顺轨向柱面镜；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入射偏振分束组件分解为偏振正交的垂直偏振分离的左通道光束和水平偏振分离的右通道光束，所述的垂直偏振分离的左通道光束依次通过左通道交轨向柱面镜、左通道光阑、左通道顺轨向柱面镜、左通道反射镜到达出射偏振合束组件，所述的左通道光阑位于发射主镜的焦面上，左通道交轨向柱面镜和左通道顺轨向柱面镜紧靠所述的左通道光阑；所述的水平偏振分离的右通道光束依次通过右通道反射镜、右通 道交轨向柱面镜、右通道光阑、右通道顺轨向柱面镜到达所述的出射偏振合束组件，右通道光阑位于发射主镜的焦面上，所述的右通道交轨向柱面镜和右通道顺轨向柱面镜紧靠所述的右通道光阑，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组件合束为同轴同心光束并且射向发射主镜。所述的左通道光阑经左通道反射镜到出射偏振合束组件的光轴路径长度等于右通道光阑经出射反射镜回到出射偏振合束组件的光轴路径长度。本发明的技术效果如下:1、本发明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。2、由于精密光学加工技术可以制作高精度非球面光学元件，本发明因此可以采用非球面柱面镜实现精确的相位二次项波面。3、单驱动直接波面变换扫描器的优点是确保交轨向双光束扫描的同步精度，而双驱动直接波面变换扫描器的优点是具有较多的驱动方式和安置空间选择。4、在相同的直接波面变换扫描器总体结构下，简单的改变交轨向柱面镜和驱动方向就可以实现不同的一维距离分辨/一维孔径合成或者二维孔径合成的直视合成孔径激光成像雷达工作模式，具有良好的通用性。5、同一个直接波面变换扫描器只需采用不同焦距的柱面镜就可以变化雷达的运行性能参数，具有良好的适用性。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，本发明可以在相位二次项基础上产生其它任何相位分布函数，因此能够在发射波面上直接进行各种补偿修正，例如补偿运动平台产生的多普勒频移。综上所述，本发明具有很强的实用性。
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双驱动直接波面变换扫描器的结构2是本发明实施例2直视合成孔径激光成像雷达发射光束的单驱动直接波面变换扫描器的结构图
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，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发射光束的双驱动直接波面变换扫描器的结构图，由图可见，本发明直视合成孔径激光成像雷达发射光束的双驱动直接波面变换扫描器，其放置在激光光源和发射主镜之间，其特点在于由偏振分光马赫一曾得尔干涉仪结构、左通道波面变换及扫描组合结构和右通道波面变换及扫描组合结构所构成，所述的偏振分光马赫一曾得尔干涉仪结构包括入射偏振分束器102，左通道反射镜107，左通道波片108，右通道反射镜109，右通道波片114和出射偏振合束器115 ;所述的左通道波面变换及扫描组合结构包括左通道交轨向柱面镜103，左通道交轨向柱面镜扫描驱动器104，左通道光阑105和左通道顺轨向柱面镜106 ;所述的右通道波面变换及扫描组合结构包括右通道交轨向柱面镜110，右通道交轨向柱面镜扫描驱动器111，右通道光阑112和右通道顺轨向柱面镜113 ;上述部件的位置关系如下:激光光源发射的偏振激光光束101首先通过入射偏振分束器102分解为偏振正交的两路光束。其中左通道的垂直偏振光束先后通过左通道交轨向柱面镜103，左通道光阑105，左通道顺轨向柱面镜106，左通道反射镜107和左通道波片108到达出射偏振合束器115，左通道光阑105位于发射主镜的焦面上，左通道交轨向柱面镜103和左通道顺轨向柱面镜106紧密靠近于左通道光阑105，左通道波片108为四分之一波片或者半波片，它使得垂直偏振变为水平偏振。其中右通道的水平偏振光束先后通过右通道反射镜109，右通道交轨向柱面镜110，右通道光阑112，右通道顺轨向柱面镜113和右通道波片114到达出射偏振合束器115，右通道光阑112位于发射主镜的焦面上，右通道交轨向柱面镜110和右通道顺轨向柱面镜113紧密靠近于右通道光阑112，右通道波片114为四分之一波波片或者半波波片，它使得水平偏振变为垂直偏振。左右通道的偏振正交光束通过出射偏振合束器115合束为同轴同心光束，即为出射光束116并且射向发射主镜。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和光束传播轴方向的方向为交轨方向并且定义为X轴；左通道光阑105和右通道光阑112为矩形孔径，边长为Dx和Dy，即透过函数为
权利要求
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发射光束直接波面变换扫描器，其特征在于该扫描器由偏振分光马赫一曾得尔干涉仪结构、左通道波面变换及扫描组合结构和右通道波面变换及扫描组合结构所构成，所述的偏振分光马赫一曾得尔干涉仪结构包括入射偏振分束组件、左通道反射镜、右通道反射镜和出射偏振合束组件；所述的左通道波面变换及扫描组合结构包括左通道交轨向柱面镜及左通道交轨向柱面镜扫描驱动器、左通道光阑和左通道顺轨向柱面镜；所述的右通道波面变换及扫描组合结构包括右通道交轨向柱面镜及右通道交轨向柱面镜扫描驱动器、右通道光阑和右通道顺轨向柱面镜；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入射偏振分束组件分解为偏振正交的垂直偏振分离的左通道光束和水平偏振分离的右通道光束，所述的垂直偏振分离的左通道光束依次通过左通道交轨向柱面镜、左通道光阑、左通道顺轨向柱面镜、左通道反射镜到达出射偏振合束组件，所述的左通道光阑位于发射主镜的焦面上，左通道交轨向柱面镜和左通道顺轨向柱面镜紧靠所述的左通道光阑；所述的水平偏振分离的右通道光束依次通过右通道反射镜、右通道交轨向柱面镜、右通道光阑、右通道顺轨向柱面镜到达所述的出射偏振合束组件，右通道光阑位于发射主镜的焦面上，所述的右通道交轨向柱面镜和右通道顺轨向柱面镜紧靠所述的右通道光阑，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组件合束为同轴同心光束并且射向发射主镜。
2.根据权利要求1所述的直视合成孔径激光成像雷达发射光束直接波面变换扫描器，其特征在于所述的左通道光阑到出射偏振合束组件的光轴路径长度等于右通道光阑到出射偏振合束组件的光轴路径 长度。
全文摘要
一种直视合成孔径激光成像雷达发射光束的直接波面变换扫描器，其原理是采用马赫－曾得尔偏振干涉仪结构将入射光束分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相位二次项历程所需的柱面镜和交轨向相位线性项调制所需的柱面镜，交轨向柱面镜带有扫描驱动器，两个通道的柱面镜组合对光束进行波面变换从而产生两个同轴偏振正交的扫描发射波面，并通过发射光学主镜成像到目标面。本发明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扫描方向就可以变化雷达的工作模式和运行性能参数。
文档编号G01S7/481GK103245939SQ201310195219
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月22日 优先权日2013年5月22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