合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线

摘要

一种合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，其构成依次是物镜瞳孔、物镜、目镜和目镜瞳孔，所述的物镜瞳孔位于所述的物镜的前焦面，所述是目镜瞳孔位于所述的目镜的后焦面，所述的物镜瞳孔、物镜、目镜或目镜瞳孔具有矩形孔径，所述的物镜的焦距为f1，所述的目镜的焦距为f2，所述的物镜和所述的目镜之间的距离为f1+f2。本发明可以产生符合合成孔径激光成像雷达扫描方式的矩形光学足趾，能够消除光学足趾的运动垂直方向上的方位向成像分辨率不均匀和分辨率降低现象，可以设计最佳的矩形孔径的尺度分别控制激光雷达光学足趾在方位向及其垂直方向上的尺度，得到大扫描宽度和高方位向分辨率。

权利要求

1.一种合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，其构成依次是物镜瞳孔(1)、物镜(2)、目镜(3)和目镜瞳孔(4)，所述的物镜瞳孔(1)位于所述的物镜(2)的前焦面，所述是目镜瞳孔(4)位于所述的目镜(3)的后焦面，所述的物镜(2)的焦距为f1，所述的目镜(3)的焦距为f2，所述的物镜(2)和所述的目镜(3)之间的距离为f1+f2，该望远镜的放大倍数为 特征在于所述的物镜瞳孔(1)、物镜(2)、目镜(3)或目镜瞳孔(4)具有矩形孔径。

2.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，其特征在于所述的物镜瞳孔(1)是一个实的方形孔径光阑，或只是一个平面位置。

3.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，其特征在于所述的目镜瞳孔(4)是一个实的方形孔径光阑，或只是一个平面位置。

4.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，其特征在于所述的物镜(2)的外型为圆形或矩形。

5.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，其特征在于所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜作为接收光学天线时，所述的物镜(2)面对目标，所述的物镜瞳孔(1)为接收望远镜入瞳，所述的目镜瞳孔(4)为接收望远镜出瞳，在该处放置光电探测器，需要进行空间二次项相位的补偿。

6.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，其特征在于所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜作为发射光学天线时，所述的目镜(3)面对发射激光光束，所述的目镜瞳孔(4)为发射望远镜的入瞳，所述的物镜瞳孔(1)为发射望远镜的出瞳，进行控制以产生合适的相位二次项历程。

7.根据权利要求1所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，其特征在于所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜同时作为接收光学天线和发射光学天线时，采用双向环路结构分别实施相位补偿和偏置。

8.根据权利要求7所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，其特征在于所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线同时作为光学外差接收天线和平面波发射天线时，所述的物镜瞳孔(1)的矩形孔径光阑的方位向边长lx和垂直向边长ly满足下列关系式： d＝2Lx/K，

式中：d为方位向成像分辨率直径，Ty为扫描条带的宽度，Tx为方位向空间积分宽度，λ是激光波长，z是主望远镜到目标的距离，K是表达fft和z之间关系的常数，fft是最终的方位向相位二次项历程的等效曲率半径，fr为回波接收时产生的相位历程分量的曲率半径，ft为发射光束产生的相位历程分量的曲率半径，fadd是发射望远镜空间相位偏置产生的附加相位历程分量的曲率半径。

9.根据权利要求7所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，其特征在于所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线同时作为光学外差接收天线和高斯光束发射天线，所述的物镜瞳孔(1)的矩形孔径光阑的方位向边长lx和垂直向边长ly分别满足下列关系式：和

式中：w0，x和w0，y分别为物镜瞳孔(1)面上的高斯光束在方位向的波腰半径和垂直向的波腰半径，d为方位向成像分辨率直径，Ty为扫描条带的宽度，Tx为方位向空间积分宽度，λ是激光波长，z是主望远镜到目标的距离，K是表达fft和z之间关系的常数，fft是最终的方位向相位二次项历程的等效曲率半径，fr为回波接收时产生的相位历程分量的曲率半径，ft为发射光束产生的相位历程分量的曲率半径，fadd是发射望远镜空间相位偏置产生的附加相位历程分量的曲率半径。

10.根据权利要求7所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，其特征在于所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线可用作非相干孔径合成的反射层析激光雷达的光学天线。

说明书

合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线

技术领域

[0001] 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矩形孔径的光学望远镜天线，用作光学接收和发射天线，可以产生符合合成孔径激光成像雷达扫描方式的矩形光学足趾，因此不仅能够消除光学足趾的运动垂直方向上的方位向成像分辨率不均匀及降低的现象，而且可以设计最佳的矩形孔径的尺度分别控制激光雷达光学足趾在方位向及其垂直方向上的尺度，得到大扫描宽度和高方位向分辨率。

背景技术

[0002] 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分辨率的唯一的光学成像观察手段。但是光学接收望远镜主镜的尺度大于波长3-6个数量级，其空间接收和发射与射频方法有原理差别。但是，在合成孔径激光成像雷达中所使用的光学天线都是圆孔径的望远镜系统。下面是现有的有关合成孔径激光成像雷达的参考文献：

[0003] (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).

[0004] (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).

[0005] (3)J.Ricklin，M.Dierking，S.Fuhrer，B.Schumm，and D.Tomlison，“Synthetic apertureladar for tactical imaging，”DARPA Strategic Technology Office.[0006] (4)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.

[0007] (5)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.

[0008] (6)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.

[0009] 但是，圆形孔径的光学望远镜作为合成孔径激光成像雷达的光学天线存在一定的缺点：

[0010] (1)圆形孔径的光学望远镜产生圆形光学足趾，目标点在不同的偏离光学足趾中心的位置上在扫描过程中将经历不同的路径，路径不均匀导致分辨率不均匀。

[0011] (2)在使用圆孔径望远镜天线的合成孔径激光成像雷达中，发射光束发散度和光学外差接收方向性函数都是圆对称函数，但是目标点方位向数据采集是在通过目标点的直线上进行的，因此二维圆对称方向性函数在被一维截取中导致了坐标因子变化，在光学足趾中随着运动中心线垂直方向的距离增大将产生方位向分辨率降低。

[0012] (3)在使用圆孔径望远镜天线的合成孔径激光成像雷达的光学足趾中方位向及其垂直方向上的发射光束发散度和光学外差接收方向性函数都是相同的，不能分别控制。

发明内容

[0013] 本发明的目的在于提供一种合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，产生符合合成孔径激光成像雷达扫描方式的矩形光学足趾，不仅能够消除光学足趾的运动垂直方向上的方位向成像分辨率不均匀和分辨率降低的现象，而且可以设计最佳的矩形孔径的尺度分别控制激光雷达光学足趾在方位向及其垂直方向上的尺度，得到大扫描宽度和高方位向分辨率。

[0014] 本发明的技术解决方案如下：

[0015] 一种合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线，特点是其构成依次是物镜瞳孔、物镜、目镜和目镜瞳孔，所述的物镜瞳孔位于所述的物镜的前焦面，所述是目镜瞳孔位于所述的目镜的后焦面，所述的物镜的焦距为f1，所述的目镜的焦距为f2，所述的物镜和所述的目镜之间的距离为f1+f2，该望远镜的放大倍数为 所述的物镜瞳孔、物镜、目镜或目镜瞳孔具有矩形孔径。

[0016] 所述的物镜瞳孔是一个实的方形孔径光阑，或只是一个平面位置。

[0017] 所述的目镜瞳孔是一个实的方形孔径光阑，或只是一个平面位置。

[0018] 所述的物镜的外型为圆形或矩形。

[0019] 所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜作为接收光学天线时，所述的物镜面对目标，所述的物镜瞳孔为接收望远镜入瞳，所述的目镜瞳孔为接收望远镜出瞳，在该处放置光电探测器，需要进行空间二次项相位的补偿。

[0020] 所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜作为发射光学天线时，所述的目镜面对发射激光光束，所述是目镜瞳孔为发射望远镜的入瞳，所述的物镜瞳孔为发射望远镜的出瞳，可以进行控制以产生合适的相位二次项历程。

[0021] 所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜同时作为接收光学天线和发射光学天线时，可以采用双向环路结构分别实施相位补偿和偏置。

[0022] 所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线同时作为光学外差接收天线和平面波发射天线时，所述的物镜瞳孔的矩形孔径光阑的方位向边长lx和垂直向边长ly满足下列关系式：

[0023]

[0024]

[0025]

[0026] d＝2Lx/K，

[0027] 式中：d为方位向成像分辨率直径，Ty为扫描条带的宽度，Tx为方位向空间积分宽度，λ是激光波长，z是主望远镜到目标的距离，K是表达fft和z之间关系的常数，fft是最终的方位向相位二次项历程的等效曲率半径，fr为回波接收时产生的相位历程分量的曲率半径，ft为发射光束产生的相位历程分量的曲率半径，fadd是发射望远镜空间相位偏置产生的附加相位历程分量的曲率半径。

[0028] 所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线同时作为光学外差接收天线和高斯光束发射天线，所述的物镜瞳孔的矩形孔径光阑的方位向边长lx和垂直向边长ly分别满足下列关系式：

[0029] ，

[0030]

[0031]

[0032]

[0033] 和

[0034]

[0035] 式中：w0，x和w0，y分别为物镜瞳孔面上的高斯光束在方位向的波腰半径和垂直向的波腰半径，d为方位向成像分辨率直径，Ty为扫描条带的宽度，Tx为方位向空间积分宽度，λ是激光波长，z是主望远镜到目标的距离，K是表达fft和z之间关系的常数，fft是最终的方位向相位二次项历程的等效曲率半径，fr为回波接收时产生的相位历程分量的曲率半径，ft为发射光束产生的相位历程分量的曲率半径，fadd是发射望远镜空间相位偏置产生的附加相位历程分量的曲率半径。

[0036] 所述的合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线可用作非相干孔径合成的反射层析激光雷达的光学天线。

[0037] 本发明的技术效果：

[0038] 采用本发明矩形孔径光学望远镜作为合成孔径激光成像雷达的天线，具有如下特点：

[0039] (1)矩形孔径的光学望远镜用作合成孔径激光成像雷达中的光学接收天线和光学发射天线可以产生矩形光学足趾，任何目标点都经历相等的扫描路径，因此本发明的矩形孔径的光学望远镜是符合合成孔径激光成像雷达扫描方式的。而圆形孔径的光学望远镜产生圆形光学足趾，目标点在不同的偏离光学足趾中心的位置上在扫描过程中将经历不同的路径，路径不均匀导致分辨率不均匀。

[0040] (2)在使用圆孔径望远镜天线的合成孔径激光成像雷达中，发射光束发散度和光学外差接收方向性函数都是圆对称函数，但是目标点方位向数据采集是在通过目标点的直线上进行的，因此二维圆对称方向性函数在被一维截面中导致了坐标因子变化，在光学足趾中随着运动中心线垂直方向的距离增大将产生方位向分辨率降低。本发明采用矩形孔径的光学望远镜天线，发射光束发散度和光学外差接收方向性函数都是方位向及其垂直方向上的分离变量函数，二维方向性函数被一维截面时不会产生坐标因子变化，可以完全消除方位垂直方向上的方位向成像分辨率降低现象。

[0041] (3)在使用圆孔径望远镜天线的合成孔径激光成像雷达的光学足趾中方位向及其垂直方向上的发射光束发散度和光学外差接收方向性函数都是相同的，不能分别控制。本发明采用矩形孔径的光学望远镜天线，发射光束发散度和光学外差接收方向性函数都是分离变量函数，可以设计最佳的矩形孔径的两边尺度分别控制激光雷达光学足趾在方位向及其垂直方向上的尺度，得到大扫描宽度和高方位向分辨率。

[0042] 可以产生符合合成孔径激光成像雷达扫描方式的矩形光学足趾，因此不仅能够消除光学足趾的运动垂直方向上的方位向成像分辨率不均匀及降低的现象，而且可以设计最佳的矩形孔径的尺度分别控制激光雷达光学足趾在方位向及其垂直方向上的尺度，得到大扫描宽度和高方位向分辨率。

附图说明

[0043] 图1是本发明合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线的系统示意图。

具体实施方式

[0044] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明：

[0045] 先请参阅图1，图1是本发明合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线的示意图。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矩形孔径望远镜天线的构成依次是物镜瞳孔1、物镜2、目镜3和目镜瞳孔4，所述的物镜瞳孔1位于所述的物镜2的前焦面，所述是目镜瞳孔4位于所述的目镜3的后焦面，所述的物镜2和所述的目镜3具有矩形孔径，所述的物镜2的焦距为f1，所述的目镜3的焦距为f2，所述的物镜2和所述的目镜3之间的距离为f1+f2，该望远镜的放大倍数为[0046] 所述的物镜瞳孔1是一个实的方形孔径光阑，或只是一个平面位置。

[0047] 所述的目镜瞳孔4是一个实的方形孔径光阑，或只是一个平面位置。

[0048] 所述的物镜2的外型为圆形或矩形。

[0049] 望远镜作为接收光学天线时，所述的物镜2面对目标，所述的物镜瞳孔1为接收望远镜入瞳，所述的目镜瞳孔4为接收望远镜出瞳，在该处放置光电探测器。望远镜作为发射光学天线时，所述的目镜3面对发射激光光束，所述是目镜瞳孔4为发射望远镜的入瞳，所述的物镜瞳孔1为发射望远镜的出瞳。事实上，望远镜作为接收光学天线时需要进行空间二次项相位的补偿(参考文献4)，望远镜作为发射光学天线时可以进行控制以产生合适的相位二次项历程(参考文献5)，而望远镜同时作为接收天线和发射天线时，需要采用双向环路结构分别实施相位补偿和偏置(参考文献6)。本发明设定的望远镜可以符合上述的使用条件。

[0050] 本发明望远镜作为接收光学天线的功能可以简述如下：

[0051] 这时目镜瞳孔4作为光学外差接收孔径，令x为合成孔径激光成像雷达的方位方向和y为其在目镜瞳孔4面内的正交方向，其矩形孔径光阑假设为

[0052]

[0053] 其中lx和ly分别为矩形光电探测器孔径光阑的方位向边长和垂直向边长。因此在望远镜物镜瞳孔1面上的等效孔径光阑为

[0054]

[0055] 不论在目镜瞳孔4上设置矩形光阑或者在物镜瞳孔1上设置矩形光阑，用矩形光电探测器孔径光阑表达都相当于产生如下光学外差探测的方向性函数

[0056]

[0057] 其中：θx是合成孔径激光成像雷达的方位方向(x方向)上的发散角和θy是其正交方向(y方向)上的发散角。

[0058] 本发明望远镜作为发射光学天线时，输入光束可以是平面波，高斯光束或其它光束。

[0059] 当采用平面波发射时，这时目镜瞳孔4是一个矩形孔径光阑，或物镜瞳孔1是一个矩形孔径光阑。用望远镜物镜瞳孔1面上的光阑孔径函数表达归一化发射场强：

[0060]

[0061] 其中：Lx和Ly分别为物镜瞳孔1上矩形孔径光阑的方位向边长和垂直向边长。该发射场强相当于产生发射光束的发散度方向性函数为

[0062]

[0063] 采用高斯光束发射时，该高斯光束应当具有椭圆波腰，假定在物镜瞳孔1面上有归一化场强表达

[0064]

[0065] 其中w0，x和w0，y分别为物镜瞳孔1面上的高斯光束在方位向的波腰半径和垂直向的波腰半径，这时椭圆高斯光束的发散度方向性函数为：

[0066]

[0067] 已知：望远镜用作光学外差接收天线时应当采用空间二次项相位补偿技术克服回波球面像差并产生二次项相位历程分量，而望远镜用作光学发射天线时由于衍射特性也会产生二次项相位历程分量，并且可以进行附加空间二次项相位偏置。因此，最终的方位向相位二次项历程的等效曲率半径fft可以表达为

[0068]

[0069] 其中：fr为回波接收时产生的相位历程分量的曲率半径，ft为发射光束产生的相位历程分量的曲率半径，fadd是发射望远镜空间相位偏置产生的附加相位历程分量的曲率半径。例如在夫琅和费衍射区域并且不考虑附加偏置时有fft＝ft＝z(参考文献5)。为了简便起见，采用常数K来表达fft和z之间的关系：

[0070]

[0071] 因此在上述的夫琅和费衍射区域并不考虑附加偏置时，K＝1。

[0072] 本发明具体考虑望远镜同时作为光学外差接收天线和平面波发射天线和望远镜同时作为光学外差接收天线和高斯光束发射天线的两种组合情况下的矩形孔径望远镜天线的特性和设计。

[0073] 定义：光学足趾为在目标面上发射光斑和外差有效接收面积的共同作用范围，目标面坐标(α，β)，其中α方向与x方向平行，β方向与y方向平行。

[0074] 一、首先考虑本发明望远镜同时作为光学外差接收天线和平面波发射天线[0075] 在物面上产生的光学足趾的归一化表达为

[0076]

[0077] 式中：λ是波长，z是到目标的距离，目标面α方位方向上的方向性函数第一零点和发散度函数第一零点 的小者称为α方向的最小第一零点，β方向上方向性函数第一零点 和发散度函数第一零点 的小者称为β方向的最小第一零点，因此α方向两个最小第一零点之间和β方向两个最小第一零点之间构成了有效的矩形光学足趾工作区。典型的目标点可以设定位于(0，βn)，则

[0078]

[0079] 对于上述空间相位二次项进行匹配滤波，可以得到方位向成像，理想成像点的点扩散函数为：

[0080]

[0081] 一般要求接收和发射具有相等的口径，即具有相同的接收方向性函数和发射光束方向性函数，即

[0082] Mlx＝Lx

[0083] ，

[0084] Mly＝Ly

[0085] 则点扩散函数为

[0086]

[0087] 方位向成像分辨率，即成像点直径为：d＝2Lx/K。

[0088] 可见：处于不同的βn值上的目标经历完全一致的相对振幅变化，因此具有相同的方位向分辨率。选择Ly(＝Mly)值，使得扫描条带的宽度Ty，达到 以满足设计需要；选择Ly(＝Mly)值和fft值使得方位向分辨率δd满足设计需要，其方位向空间积分宽度为这时接收面积为LxLy。

[0089] 二、下面考虑望远镜同时作为光学外差接收天线和高斯光束发射天线，这时在物面上产生的光学足趾的归一化表达为：

[0090]

[0091] 因此在目标面α方位方向上的方向性函数第一零点 和β方向上的方向性函数第一零点 之间构成了有效的矩形光学足趾工作区。典型的目标点可以设定位于(0，βn)，则

[0092]

[0093] 对于上述空间相位二次项进行匹配滤波，可以得到方位向成像，理想成像点的点扩散函数为

[0094]

[0095] 一般要求：

[0096]

[0097] ，

[0098]

[0099] 其分辨率，即成像点直径大约为

[0100] 可见：处于不同的βn值上目标经历完全一致的相对振幅变化，因此具有相同的方位向分辨率。可以选择适当的Mly值使得扫描条带的宽度达到 以满足设计需要；可以选择适当的Mlx值和fft使得方位向分辨率d满足设计需要，其方位向积分宽度为2
这时接收面积为Mlxly。

[0101] 本发明合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线也可以用作非相干孔径合成的反射层析激光雷达的光学天线。

[0102] 一个实施例的合成孔径激光成像雷达要求成像观察距离分别为500km，分辨率直径5cm。采用本发明合成孔径激光成像雷达的矩形孔径望远镜天线同时作为光学外差接收天线和平面波发射天线的方式，设计K＝4，经计算得到，Lx＝100mm，而α方向的物面照明宽度为15.5m；取Ly＝20mm，照明扫描条带宽度为77.5m。