光電子學(xué)與光電子技術(shù)-激光雷達(dá)-3

激光雷達(dá)技術(shù)（4）

---合成孔徑的激光成像雷達(dá)

1.合成孔徑的激光成像雷達(dá)

⑴合成孔徑激光雷達(dá)SAL是以置于等速直線飛行的載體上的激光器做輻射源，⑵發(fā)射激光光束，通過(guò)真實(shí)孔徑天線按一定的脈沖重復(fù)頻率發(fā)射激光脈沖照射目標(biāo)，通過(guò)合成孔徑技術(shù)以較小尺寸孔徑的真實(shí)收發(fā)天線合成為較大的等效天線

⑶由光電探測(cè)器采用外差方式記錄接收回波信號(hào)，獲取回波的強(qiáng)度信息和相位信息，⑷再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理,獲得到高分辨率的目標(biāo)圖像。

SAL合成孔徑Ls的數(shù)值

合成孔徑長(zhǎng)度Ls與波長(zhǎng)λ、光學(xué)孔徑D以及與目標(biāo)單元的距離R的關(guān)系為它表示合成孔徑雷達(dá)從發(fā)射電磁波束剛能照射到目標(biāo)（例如圖中的A點(diǎn)處）到該電磁波束剛好脫離該目標(biāo)（例如圖中的C點(diǎn)）這一過(guò)程中載機(jī)飛過(guò)的距離，B點(diǎn)表示在合成孔徑時(shí)間內(nèi)任意時(shí)刻載機(jī)所處的位置

采用脈沖壓縮技術(shù)獲得距離向的高分辨率(1)距離向分辨率分辨率與波長(zhǎng)和目標(biāo)所在的位置無(wú)關(guān)。(2)方位向分辨率DT=發(fā)射天線孔徑直徑

SAL的方位分辨率等于實(shí)際天線孔徑的一半,由于光學(xué)接收孔徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于微波合成孔徑雷達(dá)SAR,因此SAL可以得到比SAR更高的方位分辨率。①距離向和方位向分辨率得到顯著提高。②合成孔徑的長(zhǎng)度大幅度減小,相應(yīng)地采樣點(diǎn)數(shù)也明顯減少。成像時(shí)間比SAR有大幅度的減少。③由于采用固體激光器作為發(fā)射成像裝置，因此SAL系統(tǒng)的體積遠(yuǎn)小，便于機(jī)載或星載成像。

④發(fā)射孔徑衍射極限比SAR小得多,導(dǎo)致成像測(cè)繪帶寬較窄,對(duì)寬區(qū)域測(cè)繪時(shí)可采用SAL波束在距離向上進(jìn)行掃描的方式來(lái)達(dá)到。與微波合成孔徑雷達(dá)SAR相比，SAL具有下列特點(diǎn):⑤合成孔徑激光雷達(dá)對(duì)地面的覆蓋率比SAR對(duì)地面的覆蓋率低。⑥由于SAL采用外差探測(cè)得到回波數(shù)據(jù),對(duì)本振信號(hào)的穩(wěn)定度要求特別高;對(duì)光學(xué)系統(tǒng)要求更嚴(yán)格;信號(hào)處理部分復(fù)雜。⑦大氣傳輸影響較大在考慮大氣影響時(shí),SAL在大氣環(huán)境下的性能將不如SAR。最高分辨率:聚束模式的優(yōu)于1m;

條帶模式一般3m左右;

掃描模式:根據(jù)成像幅寬的大小變化,一般幾十m。工作模式：Spotlight(聚束模式)，Scan(掃描模式)和

Stripmap(條帶掃描模式)

合成孔徑激光成像雷達(dá)原理正側(cè)視條帶模式合成孔徑激光雷達(dá)系統(tǒng)；

對(duì)與雷達(dá)運(yùn)動(dòng)方向平行的條帶進(jìn)行成像的合成孔徑激光雷達(dá)，雷達(dá)發(fā)射光束的指向與雷達(dá)的航跡垂直。相干探測(cè)體制的正側(cè)視條帶模式SAL由激光發(fā)射部分、外差接收機(jī)、合成孔徑處理器、收/發(fā)光學(xué)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)軟件處理等部分組成。

脈沖在頻率軸上的位置與距離成正比，以此獲取距離向上的目標(biāo)圖像。線性調(diào)頻信號(hào)用一時(shí)間固定，而與線性調(diào)頻信號(hào)頻率相同的調(diào)頻信號(hào)作為參考信號(hào)回波差頻處理解線頻調(diào)信號(hào)傅里葉變換在頻域得到對(duì)應(yīng)于各回波的snic狀的窄脈沖對(duì)含有多普勒信號(hào)的窄脈沖進(jìn)行相位補(bǔ)償，得到多普勒頻率和調(diào)頻率經(jīng)過(guò)脈沖壓縮得到方向上目標(biāo)圖像一、脈沖重復(fù)頻率和雷達(dá)運(yùn)動(dòng)速度1）距離模糊是由于雷達(dá)發(fā)射脈沖的重復(fù)頻率過(guò)高引起的，Rg=Rmax-Rmin

2）方位模糊是由于回波多普勒頻譜的欠采樣引起的，從而造成主信號(hào)頻譜的混疊。抽樣率必須大于奈奎斯特頻率，即有:pDT=發(fā)射天線孔徑直徑二、發(fā)射信號(hào)（線性調(diào)頻信號(hào)脈沖）τ=t–nPRT

表示雷達(dá)發(fā)射脈沖的時(shí)間（快時(shí)間）選取脈寬為:τpul,調(diào)頻率為Kr;ωc=2πfc是載波角頻率,脈沖重復(fù)周期為PRT的線形調(diào)頻脈沖序列F(t)做發(fā)射信號(hào):回波信號(hào)

t

表示雷達(dá)對(duì)目標(biāo)場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)的任意時(shí)刻。tn=nRPT

用來(lái)計(jì)量在方位向發(fā)射脈沖的時(shí)刻。T-nRPT

是以發(fā)射時(shí)刻為起點(diǎn)計(jì)量光波傳播的時(shí)間。

σ

為目標(biāo)的散射函數(shù)，

G

是天線增益，R(t)

雷達(dá)到某目標(biāo)的斜距，本振信號(hào)第n個(gè)脈沖輸出的外差電流外差輸出信號(hào)在測(cè)距范圍內(nèi)，不同的距離對(duì)應(yīng)不同的差頻Δfn發(fā)射脈沖頻率快時(shí)間在合成孔徑激光雷達(dá)中，外差探測(cè)得到的信號(hào)是解線頻調(diào)信號(hào)，對(duì)于每個(gè)發(fā)射脈沖，將有一系列的回波信號(hào)。在一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)，是頻率與距離成正比的單頻脈沖，是解線頻調(diào)信號(hào)。SAL成像流程

SAL成像流程圖二、合成孔徑激光成像雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)合成孔徑激光成像雷達(dá)(SAL)是以激光器作為光源的合成孔徑雷達(dá)。由于激光比微波波長(zhǎng)短4～5個(gè)量級(jí)，所以可以使用更小的孔徑天線（10-20cm），以更短的時(shí)間實(shí)現(xiàn)更高的成像分辨率(cm量級(jí))。能夠進(jìn)行遠(yuǎn)距離、大范圍的地表或空間成像，分辨率高、作用距離長(zhǎng)，體積小、重量輕、隱蔽性好，抗干擾能力強(qiáng)。1、國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀SAL是一種相干體制激光成像雷達(dá)，系統(tǒng)要求高質(zhì)量、大功率、高重復(fù)頻率、高穩(wěn)定性相干激光源，滿(mǎn)足相干探測(cè)所需的復(fù)雜光學(xué)耦合與光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)和光學(xué)接收系統(tǒng)，以及激光相干探測(cè)與合成孔徑技術(shù)相匹配的成像算法的改進(jìn)等等，SAL工程實(shí)用關(guān)鍵問(wèn)題尚待解決，目前還處于實(shí)驗(yàn)室研究階段。林肯實(shí)驗(yàn)室(MIT)于1994年首次成功研制的固體激光合成孔徑雷達(dá)實(shí)驗(yàn)裝置。系統(tǒng)輻射源為連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的Nd:YAG激光器,工作波長(zhǎng)為1.06μm,輸出功率為10mW。系統(tǒng)以外差方式進(jìn)行工作。采用高速低噪的PIN光電二極管為光電探測(cè)器,響應(yīng)波長(zhǎng)為400～1100nm,光敏面直徑為250μm。發(fā)射光束傳播若干米到達(dá)目標(biāo)是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤(pán)上兩個(gè)固定凹面反射鏡,由數(shù)字示波器進(jìn)行記錄多普勒差頻信號(hào),然后送交計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。由于試驗(yàn)中目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)而雷達(dá)靜止不動(dòng),是一種逆合成孔徑雷達(dá)(ISAL)測(cè)量系統(tǒng)。美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室的激光雷達(dá)成像是第一個(gè)真正意義上的激光合成孔徑成像，也是第一次使用移動(dòng)的孔徑對(duì)漫散射目標(biāo)進(jìn)行成像。采用聚焦型合成孔徑二維成像外,并對(duì)成像算法進(jìn)行了深入研究，對(duì)圖像的細(xì)節(jié)進(jìn)行了較好的處理。

2005年，美國(guó)航天局在實(shí)驗(yàn)室條件下用1.5μm半導(dǎo)體激光器作脈沖激光發(fā)射光源，用光纖作發(fā)射系統(tǒng)，成功獲得了目標(biāo)固定、雷達(dá)移動(dòng)的合成孔徑激光雷達(dá)的二維圖像。系統(tǒng)發(fā)射光源以氰化氫參考核用于同步脈沖校正波長(zhǎng)，發(fā)射光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)照射目標(biāo)?；夭ê湍繕?biāo)本振光由環(huán)路器混頻后，進(jìn)行外差探測(cè)。參考通道以相同方式將參考光和參考本振光進(jìn)行外差探測(cè)。兩通道外差中頻信號(hào)以2.5MHz采樣率、12bit分辨率采樣，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。由計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理，最終得到圖像，距離分辨率0.06mm，采樣頻率100kHz線性調(diào)頻帶寬：10.5THz。

2006年2月17日，雷聲公司運(yùn)用通用光纖激光器以及光纖放大器和探測(cè)器進(jìn)行了第一次條帶式機(jī)載合成孔徑激光成像雷達(dá)實(shí)驗(yàn)，獲得了圖像數(shù)據(jù)。

2009年，J.R.Buck采用1550nm的光纖激光器，功率為2W，進(jìn)行了室外遠(yuǎn)距離成像實(shí)驗(yàn),是目前國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的合成孔徑激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)作用距離為0.7Km，距離分辨率2cm，方位向分辨率0.28cm，目標(biāo)間距為30cm。此系統(tǒng)2.國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

2008年上海光機(jī)所尺度縮小合成孔徑激光成像雷達(dá)的孔徑合成實(shí)驗(yàn)在短距離平臺(tái)模擬遠(yuǎn)場(chǎng)衍射2009年西安電子科技大學(xué)合成孔徑成像激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)----國(guó)內(nèi)首次對(duì)光波波段的合成孔徑技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)框圖轉(zhuǎn)臺(tái)模型示意圖2009年——合成孔徑成像激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)擺放圖系統(tǒng)實(shí)際連接圖成像效果圖實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)：激光器波長(zhǎng)調(diào)諧范圍1542~1552nm

波長(zhǎng)調(diào)諧速度20nm/s

系統(tǒng)采樣率250kHz；步進(jìn)角度0.00125°

脈沖數(shù)256

目標(biāo)45°傾斜放置，距離25cm

準(zhǔn)直透鏡的輸出光斑為7mm2009年中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所洪光烈等嘗試了一種新體制激光合成孔徑雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)-Chirip強(qiáng)度調(diào)制與近紅外激光合成孔徑雷達(dá)距離向處理國(guó)內(nèi)《合成孔徑激光雷達(dá)成像關(guān)鍵技術(shù)研究》的單位1.上海光學(xué)精密機(jī)械研究所劉立人

合成孔徑激光雷達(dá)系列文章、啁啾非線性相位補(bǔ)償、尺度縮小SAL實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2.中科院電子所吳謹(jǐn)

大氣湍流相位補(bǔ)償、振動(dòng)影響SAL3.西安電子科技大學(xué)邢孟道、曾曉東、曹昌琪

SAL系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、SAL成像算法、

SAL關(guān)鍵技術(shù)研究、4.青島中國(guó)海洋大學(xué)華志勵(lì)相位補(bǔ)償

劉立人在2010年提出將計(jì)算機(jī)層析技術(shù)應(yīng)用到合成孔徑激光雷達(dá)這種想法和理論說(shuō)明，目前還沒(méi)有人進(jìn)行過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)仿真，上個(gè)世紀(jì)90年代，一種新型的、分辨率更高、無(wú)損檢測(cè)的斷層掃描成像技術(shù)引起了研究者的注意，這就是光學(xué)相干層析成像技術(shù)(OpticalCohereneeTomography，OCT)。非相干層析合成孔徑激光雷達(dá)2001年CharlesL.Matson等人進(jìn)行了反射層析成像激光雷達(dá)的研究，采用計(jì)算機(jī)層析技術(shù)計(jì)算法，通過(guò)對(duì)物體橫截面觀察得到的是物體的輪廓像，2001年StephenA.Hanesa等人采用波長(zhǎng)為10.6um的激光雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行反射層析成像實(shí)驗(yàn)。目標(biāo)距離990m，孔徑大小為7mm合成孔徑激光成像雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)（1）性能優(yōu)良的激光器。高光束質(zhì)量、大功率、高脈沖重復(fù)頻率（104～106Hz）、頻率穩(wěn)定度好、具有快速惆啾線性頻變速率及具長(zhǎng)的相干時(shí)間（10～100ms）。（2）發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。光束指向和照射目標(biāo)范圍一致，掃描啟始激光波長(zhǎng)的精確控制，非線性啁啾惡化相位自適應(yīng)補(bǔ)償。（3）大氣湍流相位補(bǔ)償技術(shù)（4）數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和有效處理算法一、合成孔徑雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)合成孔徑雷達(dá)(SyntheticApertureRadar:SAR)是利用一個(gè)小天線沿著長(zhǎng)線陣的軌跡等速移動(dòng)并輻射相參信號(hào),把在不同位置接收的回波進(jìn)行相干處理,從而獲得較高分辨率的成像雷達(dá)。微波合成孔徑雷達(dá)的研究始于20世紀(jì)50年代，美國(guó)于1978年發(fā)射第一顆SAR衛(wèi)星以來(lái)，至今已有近40年的發(fā)展歷史，

SAR作為一種主動(dòng)式傳感器,它不受光照和氣候條件的限制,可以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候?qū)Φ赜^測(cè),它還可以透過(guò)地表和植被獲取地表下的信息。已經(jīng)發(fā)射或即將發(fā)射星載SAR的國(guó)家有:美國(guó)、歐空局、俄羅斯、日本、加拿大、中國(guó)、印度、以色列、韓國(guó)、阿根廷等美國(guó)STRM系統(tǒng)德國(guó)的SAR-Lupe衛(wèi)星加拿大的RADARSAT-2星載合成孔徑成像雷達(dá)系統(tǒng),具有以下特點(diǎn):(1)星載SAR雷達(dá)的空間分辨率：10m～1m(2)大多數(shù)星載SAR雷達(dá)采用相控陣天線,以獲得較大的觀測(cè)空域,

測(cè)繪帶寬：10km～300km工作頻段LCX頻率1～2GHz4～8GHz8～12.5GHz波長(zhǎng)15-30cm3.75-7.5cm2.4-3.75cm帶寬6-20MHz20MHz40MHz分辨率分辨率低，民用分辨率1m左右(4)工作頻段機(jī)載SAR參數(shù)工作頻率

/GHzP0.43L1.25C5.30Ku12分辨率/m7.5/120.3/0.3帶寬/MHz20/40國(guó)內(nèi)機(jī)載SAR未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)1.高分辨率、寬測(cè)繪帶分辨率分別達(dá)到1m、0.5m和0.3m;觀測(cè)帶寬從100km增大到405km2.多參數(shù)是未來(lái)星載SAR的主要特征多參數(shù),即多極化、多頻段、多視角的高分辨率系統(tǒng)多頻段是指SAR工作的頻段,目前主要使用

L（1-2GHz）、C(4-8G)、X(2.4-3.75G)頻段,多視角,即天線波束指向可變,它與星載SAR系統(tǒng)的分辨率、成像模式、觀測(cè)帶寬有著密切的關(guān)系,在滿(mǎn)足星載SAR系統(tǒng)不同的成像模式條件下,保證其分辨率和觀測(cè)帶寬十分重要,是提高SAR衛(wèi)星的整體性能必要條件。

SAR的斜視工作模式是指雷達(dá)的飛行方向并不與距離向垂直而是呈斜交關(guān)系的工作模式由于斜交增大了它的靈活性其應(yīng)用得到擴(kuò)展。斜視SAR的優(yōu)點(diǎn)：1.可以多次重訪熱點(diǎn)地區(qū)

2.軍事上可以實(shí)時(shí)偵察與打擊。

SAR的前視工作模式是指雷達(dá)飛行方向與距離向一致而與方位向垂直的工作模式由于飛行方向與距離向一致即在沿航跡線上距離向與多普勒向一致。前視SAR系統(tǒng)的優(yōu)越性

(1)前視SAR系統(tǒng)的方位向分辨率隨雷達(dá)飛行高度的降低而提高，機(jī)載前視SAR系統(tǒng)的理論分辨率可達(dá)厘米量級(jí)。（2）可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)偵察與打擊（3）.前視雷達(dá)可以提前發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，（4）.可以設(shè)計(jì)多個(gè)接受單元，在方位向用陣列接收實(shí)現(xiàn)方位向的高分辨陣列處理成像，也可以在方位向進(jìn)行掃描實(shí)現(xiàn)方位向的合成陣列成像。3

InSAR和PolInSAR是SAR衛(wèi)星發(fā)展重點(diǎn)干涉式合成孔徑雷達(dá)(InSAR)技術(shù)解決了SAR對(duì)地物第三維信息(高程信息或速度信息)的提取。極化干涉合成孔徑雷達(dá)(PolInSAR)通過(guò)極化和干涉信息的有效組合,可以同時(shí)提取觀測(cè)對(duì)象的空間三維結(jié)構(gòu)特征信息和散射信息,日本ALOS-PALSAR系統(tǒng)

PALSAR雷達(dá)為全極化系統(tǒng)為世界首例。該傳感器的工作模式有高分辨率模式、掃描式合成孔徑雷達(dá)模式和極化3種觀測(cè)模式，使之能獲取比普通SAR更寬的地面幅寬。高分辨率模式下可獲得10m的距離和方位分辨率、70km的幅寬。掃描觀測(cè)模式可獲取250～350km幅寬的合成孔徑雷達(dá)圖像，比普通合成孔徑雷達(dá)圖像寬3～