[发明专利]费涅尔望远镜成像激光雷达

说明书

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、E.L.Cuellar，J.Cooper，J.Mathis，and P.Fairchild.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，M.Wu，K.Shinoda，and Y.Suzuki.Optical scanning hologrphy，Proc.of IEEE，84(5)：753-764(1996).和文献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：