专利名称：合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及雷达，特别是一种合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜，用作合成孔径激光成像雷达中的光学发射天线。在望远镜内放置相位调制平板，控制望远镜的离焦量和位相调制平板的相位函数，能够在激光望远镜的照明区产生附加空间相位二次项，用于改变激光照明波前，以在目标回波接收信号中产生雷达运动方向上的所需的二次项相位历程，实现雷达运动方向上的目标孔径合成成像。

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，是能够在远距离取得厘米量级分辨率的唯一的光学成像观察手段。激光发射采用光学望远镜，因为光学发射望远镜主镜的尺度大于波长3—6个数量级，其发射特性与射频发射天线有很大差别。
在合成孔径激光成像雷达运动方向上产生目标的相位二次项历程是保证雷达运动方向上的目标的孔径合成成像的必要条件。因此在望远镜发射的激光照明光斑上产生一定的空间二次项相位分布是保证在光学接收信号中产生合适的相位二次项历程的关键条件。
合成孔径激光成像首先在实验室实现验证，但是这些实验属于细小光束的近距离模拟，没有采用真实光学望远镜发射天线。在美国国防先进研究计划局支持下2006年美国雷声公司和诺格公司分别实现了机载合成孔径激光雷达试验，但是没有考虑利用光学望远镜变化发射波前的特性。请参阅 (1)M.Bashkansky，R.L.Lucke，F.Funk，L.J.Rickard，and J.Reintjes，“Two-dimensional synthetic aperture imaging in the optical domain，”Optics 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. 如何保证雷达运动方向上的目标孔径合成成像，这是实现合成孔径激光成像的具有光学特点的关键技术。

发明内容
本实用新型要解决的技术问题在于为了保证雷达运动方向上的目标孔径合成成像，提出一种合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜，通过在望远镜内放置相位调制平板，控制望远镜目镜后焦面的离焦量和位相调制平板的相位函数，能够在激光发射望远镜的照明区产生附加空间相位二次项，用于改变激光照明波前，以在目标回波接收信号中产生雷达运动方向上的所需的二次项相位历程，实现雷达运动方向上的目标孔径合成成像。
本实用新型的技术解决方案如下 一种合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜，特征在于其构成包括从发射激光光束依次的望远镜入瞳、目镜、目镜后焦面、相位调制平板、物镜和望远镜出瞳，所述的望远镜目镜的焦距为f1和物镜的焦距为f2，则望远镜的放大倍数为所述的望远镜入瞳的平面位于所述的目镜的前焦面，所述的望远镜出瞳位于物镜的后焦面，目镜的后焦面和物镜的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量 所述的物镜的前焦面上放置所述的相位调制平板，该相位调制平板的相位调制函数产生的空间相位二次项偏置的等效焦距为 式中z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。
一种合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜，特征在于其构成包括从发射激光光束依次的望远镜入瞳、目镜、目镜后焦面、相位调制平板、物镜和望远镜出瞳，所述的望远镜目镜的焦距为f1和物镜的焦距为f2，则望远镜的放大倍数为所述的望远镜入瞳的平面位于所述的目镜的前焦面，所述的望远镜出瞳位于物镜的后焦面，目镜的后焦面和物镜的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量 Δl＝0， 所述的物镜的前焦面上放置所述的相位调制平板，该相位调制平板的相位调制函数产生的空间相位二次项偏置的等效焦距为 式中z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。
一种合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜，特征在于其构成包括从发射激光光束依次的望远镜入瞳、目镜、目镜后焦面、物镜和望远镜出瞳，所述的望远镜目镜的焦距为f1和物镜的焦距为f2，则望远镜的放大倍数为所述的望远镜入瞳的平面位于所述的目镜的前焦面，所述的望远镜出瞳位于物镜的后焦面，目镜的后焦面和物镜的前焦面之间的距离为0，在所述的望远镜出瞳连接一个4—f转像光学系统，该4—f转像光学系统的中间焦面上进行离焦和空间相位二次项偏置，中间焦面的离焦量为 空间相位二次项偏置的等效焦距应当为 式中f3为所述的4—f转像光学系统的焦距，z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。
所述的望远镜出瞳位于物镜的后焦面，该望远镜出瞳是一个实的孔径光阑，或仅代表一个平面位置。
本实用新型的技术效果 本实用新型通过在望远镜内放置相位调制平板，控制望远镜目镜后焦面的离焦量和位相调制平板的相位函数，能够在激光发射望远镜的照明区产生附加空间相位二次项，用于改变激光照明波前，以在目标回波接收信号中产生雷达运动方向上的所需的二次项相位历程，实现雷达运动方向上的目标孔径合成成像。

图1是本实用新型合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜一个实施例的系统示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。
先请参阅图1，图1是本实用新型合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜一个实施例的系统示意图。由图可见，本实用新型合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜，其构成包括从发射激光光束1依次的望远镜入瞳2、目镜3、目镜后焦面4、相位调制平板5、物镜6和望远镜出瞳7，所述的望远镜目镜3的焦距为f1和物镜6的焦距为f2，则望远镜的放大倍数为所述的望远镜入瞳2的平面位于所述的目镜3的前焦面，所述的望远镜出瞳7位于物镜6的后焦面，目镜3的后焦面4和物镜6的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量 所述的物镜6的前焦面上放置所述的相位调制平板5，该相位调制平板5的相位调制函数产生的空间相位二次项偏置的等效焦距为 式中z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。
本实用新型的基本原理分析如下 本实用新型的合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜的结构包括，从发射激光光束1开始依次是望远镜入瞳2、目镜3、目镜后焦面4、相位调制平板5、物镜6和望远镜出瞳7。
设望远镜目镜3的焦距为f1和物镜6的焦距为f2，则望远镜的放大倍数为望远镜入瞳2的平面位于目镜3的前焦面，可以是一个实的孔径光阑，也可以没有光阑而代表一个平面位置。望远镜出瞳7位于物镜6的后焦面，可以是一个实的孔径光阑，也可以没有光阑而代表一个平面位置。目镜后焦面4和物镜前焦面之间的距离为Δl，表示望远镜的离焦量，当Δl＝0时望远镜无离焦即处于对焦状态。物镜前焦面上放置相位调制平板5，其相位调制函数为 其中F为等效球面波曲率。
假设合成孔径激光成像雷达到目标的距离为z，望远镜出瞳2或者望远镜物镜6的直径为D，目标最大尺度为L，使用的激光波长为λ，满足 时，则雷达位于目标的费涅尔衍射区域。
望远镜的发射激光光束1在入瞳面上的波前为e0(x，y)，则目标照明波前为费涅尔衍射 要求衍射照明光场偏置一个空间相位二次项

，则相对于的望远镜出瞳波前则要求为 为了实现这一波前偏置，望远镜的离焦量应当为 而空间相位二次项偏置的等效焦距应当为 进一步满足 则目标处于夫琅和费衍射区域。达到空间相位二次项

偏置，要求离焦量为 Δl＝0 而空间相位二次项偏置的等效焦距应当为 这时照明光场波前为 其中

代表在距离z上的傅立叶变换。
上述表达式中A，B和C为复常数。
一般要求物镜直径大于望远镜出瞳面孔径光阑直径，目镜直径大于望远镜入瞳面孔径光阑直径。
望远镜在不离焦和不附加相位调制平板的状态下也可以在望远镜之外采用光学附件达到等效的离焦和相位偏置。其方法是联接一个4—f转像光学系统，在其中间焦面上进行离焦和相位偏置。假定4—f转像光学系统的焦距为f3，中间焦面的离焦量为 空间相位二次项偏置的等效焦距应当为 当激光发射光源是光纤激光器或光纤放大器时，除了准直使用外，激光光纤发射端口或者再配以透镜聚焦点可以直接放在目镜后焦面4的位置上。
发射激光光源的光束为高斯光束，控制发射望远镜出瞳上为高斯光束波腰w0，则光束在距离z上的波前为二次项 当在远场时，有
具体设计如下 一个合成孔径激光成像雷达的孔径合成成像分辨率要求25mm，成像观察距离为5km。
设定望远镜出瞳7上等效孔径光拦的直径为50mm，发射激光在出瞳面上的高斯光束波腰为w0＝12.5mm。设计望远镜放大倍数为M＝10，物镜6的口径为φ60mm(>φ50mm)和焦距为1000mm，目镜3的口径为φ7mm(>φ5mm)和焦距为100mm。
在5km处的高斯光束波前为5km，其照明半径的波前的半波高数为4.47，为了便于正确采样和反演可以要求半波高数为20，这时需要附加偏置一个等效曲率为1.437km的二次项，即相位调制平板二次项的等效焦距应当为0.05748mm。
本实用新型合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜，通过在望远镜内放置相位调制平板，控制望远镜目镜后焦面的离焦量和位相调制平板的相位函数，能够在激光发射望远镜的照明区产生附加空间相位二次项，用于改变激光照明波前，以在目标回波接收信号中产生雷达运动方向上的所需的二次项相位历程，实现雷达运动方向上的目标孔径合成成像。
权利要求1、一种合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜，特征在于其构成包括从发射激光光束(1)依次的望远镜入瞳(2)、目镜(3)、目镜后焦面(4)、相位调制平板(5)、物镜(6)和望远镜出瞳(7)，所述的望远镜目镜(3)的焦距为f1和物镜(6)的焦距为f2，所述的望远镜入瞳(2)的平面位于所述的目镜(3)的前焦面，所述的望远镜出瞳(7)位于物镜(6)的后焦面，目镜(3)的后焦面(4)和物镜(6)的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量
所述的物镜(6)的前焦面上放置所述的相位调制平板(5)，该相位调制平板(5)的相位调制函数产生的空间相位二次项偏置的等效焦距为
式中z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。
2、一种合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜，特征在于其构成包括从发射激光光束(1)依次的望远镜入瞳(2)、目镜(3)、目镜后焦面(4)、相位调制平板(5)、物镜(6)和望远镜出瞳(7)，所述的望远镜目镜(3)的焦距为f1和物镜(6)的焦距为f2，所述的望远镜入瞳(2)的平面位于所述的目镜(3)的前焦面，所述的望远镜出瞳(7)位于物镜(6)的后焦面，目镜(3)的后焦面(4)和物镜(6)的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量
Δl＝0，
所述的物镜(6)的前焦面上放置所述的相位调制平板(5)，该相位调制平板(5)的相位调制函数产生的空间相位二次项偏置的等效焦距为
式中z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。
3、一种合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜，特征在于其构成包括从发射激光光束(1)依次的望远镜入瞳(2)、目镜(3)、目镜后焦面(4)、物镜(6)和望远镜出瞳(7)，所述的望远镜目镜3的焦距为f1和物镜(6)的焦距为f2，所述的望远镜入瞳(2)的平面位于所述的目镜(3)的前焦面，所述的望远镜出瞳(7)位于物镜(6)的后焦面，目镜(3)的后焦面(4)和物镜(6)的前焦面之间的距离为0，在所述的望远镜出瞳(7)连接一个4—f转像光学系统，该4—f转像光学系统的中间焦面上进行离焦和空间相位二次项偏置，中间焦面的离焦量为
空间相位二次项偏置的等效焦距应当为
式中f3为所述的4—f转像光学系统的焦距，z为合成孔径激光成像雷达到目标的距离，R为发射光束波面在距离Z上的曲率半径。
4、根据权利要求1或2或3所述的合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜，其特征在于所述的望远镜出瞳(7)位于物镜(6)的后焦面，该望远镜出瞳(7)是一个实的孔径光阑，或仅代表一个平面位置。
专利摘要一种合成孔径激光成像雷达的空间相位偏置发射望远镜，构成包括从发射激光光束依次的望远镜入瞳、目镜、目镜后焦面、相位调制平板、物镜和望远镜出瞳，所述的望远镜入瞳的平面位于所述的目镜的前焦面，所述的望远镜出瞳位于物镜的后焦面，目镜的后焦面和物镜的前焦面之间的距离为望远镜的离焦量，所述的物镜的前焦面上放置所述的相位调制平板。本实用新型可以实现雷达运动方向上的目标孔径合成成像。
文档编号G01S17/89GK201212909SQ20082005594
公开日2009年3月25日 申请日期2008年3月5日 优先权日2008年3月5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