专利名称：费涅尔望远镜成像激光雷达的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达，特别是一种费涅尔望远镜成像激光雷达，原理基于对目标 进行同轴同心相位二次项偏振正交双光束扫描的数据收集以及光学和数字计算解调，其有 两种工作模式，第一种用于运动目标，这时光束作一维扫描，第二种用于静止目标，这时光 束作二维扫描，费涅尔望远镜成像激光雷达能够实现目标的超光学分辨率极限的高分辨率 二维成像，由于实施了空间对时间的传输信号转化和采用了同轴相干探测，提高了接收灵 敏度和成像信噪比，大大降低了大气对于激光传输的影响，允许使用低质量的接收光学系 统从而能大大增加接收光学口径降低激光发射功率，本发明光机械结构简单，同时由于采 用空间光桥接器实现复数解调，电子设备简单，总之费涅尔望远镜成像激光雷达是一种能 够有效克服大气湍流影响的高分辨率成像激光雷达。
背景技术：
实现成像激光雷达的原理有许多种，其中一种相关的方法是傅立叶望远镜成像系 统参见文献 1、R. B. Holmes, S. Ma, A. Bhowmik, and C. Greninger, Analysisand simulation of a synthetic-aperture technique for imaging through aturbulent medium, J. Opt. Soc. Am. 13 (2), 351-364 (1996).和文献 2、Ε· L. Cuellar，J. Cooper，J. Mathis， and P. FairchiId. Laboratory demonstrationof a multiple beam Fourier telescopy imaging system, Proc. SPIE, 7094, 70940G-1-12, (2008).，这种激光成像雷达把不同取向 和不同空间频率的光栅状的激光光斑投向运动目标，目标在运动中扫描这些光栅状空间载 波形成目标的空间傅立叶谱，并且产生时间频率较低的时间流信号被该激光雷达接收，雷 达的图像处理系统把时间信号转化为空间信号，同时采用傅立叶合成的方法从收集到的目 标傅立叶谱合成重构出目标图像，其最大优点是时间信号的传输速率较低，因此能够有效 克服大气湍流的影响，并且允许使用低质量的接收光学系统，从而能够大大增加接收光学 口径降低激光发射功率，其主要问题是实现多种方向和多种空间频率的光栅状空间光斑是 很困难的，因此成像分辨率低，同时需要多台激光发射设备使得实现装置庞大。在光学全息学领域有一种扫描全息方法参见文献3、T_C. Poon,Μ. Wu，K. Shinoda, and Y. Suzuki. Optical scanning hologrphy, Proc. of IEEE,84 (5) 753-764(1996). 禾口 文 献 4、T-C. Poon. Three-dimensional television usingscanning holography, J. Information Display, 3 (3) =12-16(2002)，它对于物体投射一个二维扫描的激光干涉 合成的光强分布费涅尔波带片光斑，因此每个物体点被编码成为一个二维费涅尔波带片并 且转化为时间流信号，接收端把时间信号转化为空间相位信号，采用空间光调制器经过衍 射重构出物体图像，这种系统只适用于静止物体，而且因为照明采用光强分布的费涅尔波 带片光斑从而降低了接收灵敏度和成像信噪比，在处理中采用了声光调制以及余弦拍频和 正弦拍频解调实现复数信号合成，电子系统复杂。

发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的困难，提供一种费涅尔望远镜成像激光雷 达，它能够实现目标的超光学分辨率极限的高分辨率二维成像，由于实施了空间对时间的 传输信号转化和采用了同轴相干探测，提高了接收灵敏度和成像信噪比，大大降低了大气 对于激光传输的影响，允许使用低质量的接收光学系统，从而能大大增加接收光学口径降 低激光发射功率，本发明装置光机械结构简单，同时由于采用空间光桥接器实现复数解调， 不需要声光光频调制和拍频解调，电子设备比较简单。本发明结合傅立叶望远镜成像和扫描全息的概念，提出了一种费涅尔望远镜成像 激光雷达，原理是对目标投射一个扫描的由两个同轴同心偏振正交的球面波组成的光斑， 其有两种工作模式第一种用于运动目标这时光束作一维扫描，第二种用于静止目标这时 光束作二维扫描，因此目标与照明光斑的相互二维扫描将每个目标点的回波转化为时间流 信号，接收端采用同轴相干接收，同时将目标物体点编码成为一个二维费涅尔环带结构的 复数二次项相位分布，最终通过处理器的匹配滤波重构出物体图像。本发明的技术解决方案如下—种费涅尔望远镜成像激光雷达，其特点在于由发射端和接收端构成，发射端包 括激光器、发射偏振分束器、第一通道空间相位调制器、第二通道空间相位调制器、发射偏 振合束器、激光放大器、发射望远镜和光束扫描器；接收端包括接收望远镜、接收偏振分束 器、2 X 490°空间光学桥接器、A路平衡接收机、A路放大及码数转换器、B路平衡接收机、B 路放大及码数转换器、复数化器、时间空间坐标转换器、重采样插值空间坐标变换器和匹配 滤波器；此外还有控制计算机，上述部件的位置关系如下所述激光器输出的光束经过发 射偏振分束器分为等光强和偏振正交的两光束第一光束通过具有等效焦距的相位二次 项的第一通道空间相位调制器，第二光束通过具有等效焦距f；的相位二次项的第二通道空 间相位调制器，两光束经所述的发射偏振合束器合成为偏振正交的同轴同心光束后再通过 激光放大器放大，然后经发射望远镜和光束扫描器向目标投射照明光束，该照明光束在目 标面上形成一个扫描的由两个偏振正交的同轴同心的球面波组成的照明光斑，所述的目标 与所述的照明光斑的相互二维扫描将每个目标点的回波转化为时间流信号，该目标回波的 时间流信号由所述的接收望远镜采用同轴相干接收，经过所述的接收偏振分束镜分解为偏 振正交的两路光束并进入2X490°空间光学桥接器，输出相互90°相移的同轴输出的四 个光束其中两束相位差180°的同轴输出的光束由消直流的A路平衡接收机接收并转化 为时间流电子信号再通过A路放大和码数转换器处理成A路时间流电子信号，另外两束相 位差180°的同轴输出的光束由消直流的B路平衡接收机接收并转化为时间流电子信号再 通过B路放大和码数转换器处理成B路时间流电子信号，该A路时间流电子信号和B路时 间流电子信号通过复数化器转换为复数表达的复数时间流信号，该复数时间流信号通过时 间空间转换器转化回空间域表达的空间复数信号，该空间复数信号再通过重采样插值空间 坐标变换器转变为正交均勻分布的空间复数信号，最后通过匹配滤波器实现对共轭相位二 次项的相关积分，得到所述的目标的输出图像，所述的控制计算机控制上述所有硬件和软 件协调工作。所述的照明光束对所述的目标的工作模式是对运动目标的一维扫描，对静止目 标的二维扫描。
本发明有如下的明显特点1、能够实现目标的超光学分辨率极限的高分辨率二维成像，由于实施了空间对时 间的传输信号转化和采用了同轴相干探测，提高了接收灵敏度和成像信噪比，大大降低了 大气对于激光传输的影响，允许使用低质量的接收光学系统从而能大大增加接收光学口径 降低激光发射功率；2、本发明装置光机械结构简单，同时由于采用空间光桥接器实现复数解调，不需 要声光光频调制和拍频解调，电子设备简单。总之，本发明是一种能够有效克服大气湍流影响的高分辨率成像激光雷达。


图1是本发明费涅尔望远镜成像激光雷达的原理图。
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。本发明的费涅尔望远镜成像激光雷达的工作原理如图1所示，由图可见，本发明费 涅尔望远镜成像激光雷达由发射端和接收端构成，发射端包括激光器1、发射偏振分束器2、 第一通道空间相位调制器3、第二通道空间相位调制器4、发射偏振合束器5、激光放大器6、发 射望远镜7和光束扫描器8 ；接收端包括接收望远镜10、接收偏振分束器11、2X490°空间光 学桥接器12、A路平衡接收机13、A路放大及码数转换器14、B路平衡接收机15、B路放大及 码数转换器16、复数化器17、时间空间坐标转换器18、重采样插值空间坐标变换器19和匹配 滤波器20 ；此外还有控制计算机22，上述部件的位置关系如下所述激光器1输出的光束经 过发射偏振分束器2分为等光强和偏振正交的两光束第一光束通过具有等效焦距的相位 二次项的第一通道空间相位调制器3和第二光束通过具有等效焦距f；的相位二次项的第二 通道空间相位调制器4之后再经发射偏振合束器5合成为偏振正交的同轴同心光束，再通过 激光放大器6放大，然后经发射望远镜7和光束扫描器8向目标9投射照明光束，该照明光束 在所述的目标9面上形成一个扫描的由两个偏振正交的同轴同心的球面波组成的照明光斑， 所述的目标9与所述的照明光斑的相互二维扫描将每个目标点的回波转化为时间流信号，该 目标回波的时间流信号由所述的接收望远镜10采用同轴相干接收，经过所述的接收偏振分 束镜11分解为偏振正交的两路光束并进入2X4 90°空间光学桥接器12，输出相互90°相 移的同轴输出的四个光束其中两束相位差180°的同轴输出光束由消直流的A路平衡接收 机13接收并转化为时间流电子信号再通过A路放大和码数转换器14处理成A路时间流电子 信号，另外两束相位差180°的同轴输出光束由消直流的B路平衡接收机15接收并转化为时 间流电子信号再通过B路放大和码数转换器16处理成B路时间流电子信号，该A路时间流电 子信号和B路时间流电子信号通过复数化器17转换为复数表达的复数时间流信号，该复数时 间流信号通过时间空间转换器18转化回空间域表达的空间复数信号，该空间复数信号再通 过重采样插值空间坐标变换器19转变为正交均勻分布的空间复数信号，最后通过匹配滤波 器20实现对共轭相位二次项的相关积分，得到所述的目标9的图像21，所述的控制计算机22 控制上述所有硬件和软件协调工作。
所述的照明光束对所述的目标的工作模式有两种第一种对运动目标的一维扫 描，第二种对静止目标的二维扫描。下面对本发明的工作情况作说明，为了分析说明清楚，先定义坐标和时间系统本 费涅尔望远镜成像激光雷达发射端时间为t1;目标面时间为t2，雷达接收端时间为t3，因此 t2 = t「At12和t3 = t2_At12，其中At12为从雷达到目标的渡越时间。下面以、为分析参 考时间；目标面的坐标系统为(X，y)，其坐标原点位于(χ = 0，y = 0 :t2 = 0)。首先，对第一种工作模式即目标运动而光束作一维扫描的原理方法说明如下发射望远镜7的放大倍数为M，发射出瞳口径为Di,第一空间相位调制器3和第二 空间相位调制器4的等效焦距分别为和f；，目标9距离为Z的条件下，在目标面上的两 束照明光束的波前分别为
f — 2
Ei (x,y\t2) = A,S(x, J 一 jv (t2)) exp
Y +(少产))· exp(y(2#2 + Λ^)),⑴
ΑRl,J
ER{x,y\t2) = AxS{x,y - yw(t2)) exp
f πχ1 + O —^wO2))2 λ
…xp(/(2_2+Δ ))。⑵
2J,
πΩιΛΙχ2+γ2、 其中& _^_i为照明光斑振幅函数，为艾利斑，其半径为
AZ y ,2
r。=1.22—,M- = -+ μ 和T =万+ y 分别为第一空间相位调制器和第:
竺,而丄=丄+，和丄=丄+ D1 R1 Z Z2 Rr Z Z7
空间相位调制器产生的等效波前曲率半径。同时八队和Δ仏分别为两通道的相位延时(以后 将包括所有相位延时)。这两个波前不产生任何干涉，但是隐含着费涅尔环带分布。yw(t) 为光束一维扫描函数，yw(t)为线性扫描函数，同时假定t2 = 0时光斑中心在y轴最上面， 振幅为Ym，因此周期为T的线性周期扫描可以用三角函数表达 γΛ0 = Κ, Σ (-1)"树
rt=0，土 1, ±2..
Τ、 -η — 2
Γ 4一个目标点(Xi, Yi :t2=0)的运动函数为fj (χ, y :t2) =f (xi; Yi) δ (χ- (Xi+vt2 cos θ )，y- (yi+vt2 sin θ ))， (4)其中ν为运动速度，θ为运动方向。因此目标点在费涅尔波带中的运动轨迹为x=Xi+Vt2 cOs θ (5)y=yi+vf2 sin0-yw(t2)°接收信号为时间流信号，以、和目标面坐标为参考，采用偏振表达方法可以表达
为
权利要求
一种费涅尔望远镜成像激光雷达，其特征在于由发射端和接收端构成，发射端包括激光器(1)、发射偏振分束器(2)、第一通道空间相位调制器(3)、第二通道空间相位调制器(4)、发射偏振合束器(5)、激光放大器(6)、发射望远镜(7)和光束扫描器(8)；接收端包括接收望远镜(10)、接收偏振分束器(11)、2×4 90°空间光学桥接器(12)、A路平衡接收机(13)、A路放大及码数转换器(14)、B路平衡接收机(15)、B路放大及码数转换器(16)、复数化器(17)、时间空间坐标转换器(18)、重采样插值空间坐标变换器(19)和匹配滤波器(20)，此外还有控制计算机(22)，上述部件的位置关系如下所述激光器(1)输出的光束经过发射偏振分束器(2)分为等光强和偏振正交的两光束第一光束通过具有等效焦距fl的相位二次项的第一通道空间相位调制器(3)，第二光束通过具有等效焦距fr的相位二次项的第二通道空间相位调制器(4)，两光束经发射偏振合束器(5)合成为偏振正交的同轴同心光束后再通过激光放大器(6)放大，然后经发射望远镜(7)和光束扫描器(8)向目标(9)投射照明光束，该照明光束在目标(9)面上形成一个扫描的由两个偏振正交的同轴同心的球面波组成的照明光斑，所述的目标(9)与所述的照明光斑的相互二维扫描将每个目标点的回波转化为时间流信号，该目标回波的时间流信号由所述的接收望远镜(10)采用同轴相干接收，经过所述的接收偏振分束镜(11)分解为偏振正交的两路光束并进入2×490°空间光学桥接器(12)，输出相互90°相移的同轴输出的四个光束其中两束相位差180°的同轴输出的光束由消直流的A路平衡接收机(13)接收并转化为时间流电子信号再通过A路放大和码数转换器(14)处理成A路时间流电子信号，另外两束相位差180°的同轴输出的光束由消直流的B路平衡接收机(15)接收并转化为时间流电子信号再通过B路放大和码数转换器(16)处理成B路时间流电子信号，该A路时间流电子信号和B路时间流电子信号通过复数化器(17)转换为复数表达的复数时间流信号，该复数时间流信号通过时间空间转换器(18)转化回空间域表达的空间复数信号，该空间复数信号再通过重采样插值空间坐标变换器(19)转变为正交均匀分布的空间复数信号，最后通过匹配滤波器(20)实现对共轭相位二次项的相关积分，得到所述的目标(9)的图像(21)，所述的控制计算机(22)控制上述所有硬件和软件的协调实施。
2.根据权利要求1所述的费涅尔望远镜成像激光雷达，其特征在于所述的照明光束对 所述的目标(9)的工作模式是对运动目标的一维扫描，对静止目标的二维扫描。
全文摘要
一种费涅尔望远镜成像激光雷达，其构成包括激光器、发射偏振分束器、第一通道空间相位调制器、第二通道空间相位调制器、发射偏振合束器、激光放大器、发射望远镜、光束扫描器、接收望远镜、接收偏振分束器、2×4 90°空间光学桥接器、A路平衡接收机和A路放大及码数转换器、B路平衡接收机和B路放大及码数转换器、复数化器、时间空间坐标转换器、重采样插值空间坐标变换器和匹配滤波器，此外还有控制计算机。本发明能够实现目标的超光学分辨率极限的二维成像，提高了接收灵敏度和成像信噪比，大大增加了接收光学口径降低激光发射功率，本发明光机械结构和电子设备简单，是一种能够有效克服大气湍流影响的高分辨率成像激光雷达。
文档编号G01S17/89GK101980049SQ201010284498
公开日2011年2月23日 申请日期2010年9月17日 优先权日2010年9月17日
发明者刘立人, 吕笑宇, 吴亚鹏, 孙建锋, 戴恩文, 职亚楠, 闫爱民, 鲁伟 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所