合成孔径激光雷达成像发展及关键技术

发布时间：2020-09-11 15:32

　　合成孔径激光雷达(SAL)能够突破激光的衍射限制,满足对远距离目标和场景进行高精度实时成像的需求。从SAL理论和实验进展两方面,详细总结分析了SAL的国内外发展现状。在此基础上,总结和分析了实现SAL实际应用,还需深入研究的几个关键技术:激光光源、发射信号波形、探测体制、激光传输特性和目标反射特性、成像算法和运动补偿等,为进行SAL的深入研究和实用化奠定基础。
【部分图文】：

框图,美国,公司,框图

ａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆＮａｖｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙ［１０］．（ａ）Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ；（ｂ）ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ２００４～２００５年，美国Ａｅｒｏｓｐａｃｅ公司Ｂｅｃｋ等［１２］采用波长为１．５μｍ的脉冲光纤激光源对静止目标进行了ＳＡＬ成像实验，该实验利用运动的发射接收孔径对镜面目标和漫散射目标成像，是第一次真正意义上的二维ＳＡＬ成像实验，距离向和方位向分辨率达到了６０μｍ×５０μｍ。其框图和结果如图３所示。图３美国Ａｅｒｏｓｐａｃｅ公司实验框图和结果［１２］Ｆｉｇ．３ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍａｎｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆＡｅｒｏｓｐａｃｅｃｏｍｐａｎｙ［１２］２００６年，在ＤＡＲＰＡ的赞助下，美国雷声公司和诺斯罗普·格鲁曼公司分别采用了不同的激光波长成功设计并制造出世界上第一部机载ＳＡＬ系统，并进行了高分辨率成像飞行实验［１３］，但是未公布实验结果。２００９年，洛克希德马丁相干技术中心，利用１．５５μｍ的光纤激光器等搭载成的实验系统，进行了１ｋｍ的中距离ＳＡＬ成像实验，得到了二维ＳＡＬ图像；并于２０１１年公布了ＳＡＬ成像装置和成像结果，如图４所示［１４］。２０１２年，美国蒙大拿州立大学物理光谱实验室Ｓｔｅｐｈｅｎ等［１５］采用波长为１．５５μｍ的超宽带线性调频调制激光信号成功演示了实验室聚束ＳＡＬ成像，如图５所示，其中图５（ａ）为实验框图，图５（ｂ）为干蜻蜓条带模式成像结果及对应光学照片，图５（ｃ）为采

二维图像,成像

海光学精密机械研究所刘立人团队开始研究ＳＡＬ，主要是对光学系统部分进行了深入的研究，发表了多项研究成果［２７－２８］。设计了缩小尺度的ＳＡＬ实验装置，实现了在短距离上模拟远场衍射点目标的方位向激光合成孔径成像。２００９年，实现了点目标和二维图像目标的成像，如图１０所示，成像分辨率达到１．２ｍｍ×２ｍｍ［２９］。２０１１年，探索研制了一个探测距离为５０ｋｍ、口径为Ф３００ｍｍ的合成孔径激光成像雷达演示样机，并在实验室进行近距离演示验证，成像结果如图１１所示，在１４ｍ距离上获得二维成像分辨率优于１．４ｍｍ×１．２ｍｍ［３０］。图１０缩小尺度的ＳＡＬ成像实验［２９］。（ａ）实验装置；（ｂ）成像结果Ｆｉｇ．１０ＲｅｄｕｃｅｄｓｃａｌｅＳＡＬｉｍａｇｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ［２９］．（ａ）Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄｅｖｉｃｅ；（ｂ）ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ图１１成像结果［３０］Ｆｉｇ．１１Ｉｍａｇｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ［３０］２０１２年，刘立人［３１］指出，现有的侧视ＳＡＬ采用光学外差接收，受大气扰动、运动平台振动、目标散斑和激光雷达系统本身相位变化等影响很大，影响了侧视ＳＡＬ的实用化，因此提出了直视ＳＡＬ，直视ＳＡＬ发射采用两个正交偏振同轴且波前差相对扫描的空间为抛物面型的光束，接收采用自差及相位复数化探测。在直视ＳＡＬ成像基础上，刘立人［３２］又提出自干涉合成孔径激光三维成像雷达和双曲波前差自扫描直视合成孔径激光成像雷达［３３］实现原理。２０１３年，马小平等［３４］

聚束模式

系统结构图；（ｂ）多条目标和飞机目标照片；（ｃ）多条目标成像结果；（ｄ）飞机目标成像结果Ｆｉｇ．１２Ｄｏｗｎ－ｌｏｏｋｉｎｇＳＡＬｉｍａｇｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｓｔａｔｉｃｔａｒｇｅｔ［３７］．（ａ）ＳＡＬｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；（ｂ）ｍｕｌｔｉｐｌｅｓｔｒｉｐｔａｒｇｅｔｓａｎｄａｉｒｃｒａｆｔｔａｒｇｅｔｐｈｏｔｏｓ；（ｃ）ｍｕｌｔｉｐｌｅｓｔｒｉｐｉｍａｇｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ；（ｄ）ａｉｒｃｒａｆｔｉｍａｇｉｎｇｒｅｓｕｌｔｓ图１３聚束模式直视ＳＡＬ成像实验［３８］Ｆｉｇ．１３ＳＡＬｉｍａｇｉｎｇｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｏｆｓｐｏｔｌｉｇｈｔｍｏｄｅ［３８］和成像，并进行了机载直视合成孔径激光成像雷达的３ｋｍ飞行实验，获得了高质量大视场图像，其成像视场提高了一个量级达到了４．８ｍｒａｄ，如图１７所示。Ｌｉ等［４６］采用一种新型高效的线性调频连续波（ＦＭＣＷ）合成孔径激光成像雷达系统，在１ｋｍ的距离使用２个０．４１ｃｍ口径望远镜获得的光学合成孔径图像，这些图像的分辨率可以达到４ｃｍ，约比传统实孔径成像分辨率提高１０倍。黄宇翔等［４７］使用基于连续ｍ序列相位调制的ＩＳＡＬ实现了对３３．５ｍ外的转动目标实时成像，采用ＲＤ算法复现了目标特征，距离向分辨率和多普勒域分辨率分别为１８ｃｍ和１．５７６ｋＨｚ。３ＳＡＬ关键技术分析总结ＳＡＬ的国内外发展现状和部分实验进展情况可知，要实现ＳＡＬ的实际应用，还需要针对ＳＡＬ雷达系统的激光源、工作体制、信号的发射波形、大气补偿算法、成像算法和运

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