光电子学与光电子技术-激光雷达-3

激光雷达技术（4）

---合成孔径的激光成像雷达

1.合成孔径的激光成像雷达

⑴合成孔径激光雷达SAL是以置于等速直线飞行的载体上的激光器做辐射源，⑵发射激光光束，通过真实孔径天线按一定的脉冲重复频率发射激光脉冲照射目标，通过合成孔径技术以较小尺寸孔径的真实收发天线合成为较大的等效天线

⑶由光电探测器采用外差方式记录接收回波信号，获取回波的强度信息和相位信息，⑷再对数据进行综合处理,获得到高分辨率的目标图像。

SAL合成孔径Ls的数值

合成孔径长度Ls与波长λ、光学孔径D以及与目标单元的距离R的关系为它表示合成孔径雷达从发射电磁波束刚能照射到目标（例如图中的A点处）到该电磁波束刚好脱离该目标（例如图中的C点）这一过程中载机飞过的距离，B点表示在合成孔径时间内任意时刻载机所处的位置

采用脉冲压缩技术获得距离向的高分辨率(1)距离向分辨率分辨率与波长和目标所在的位置无关。(2)方位向分辨率DT=发射天线孔径直径

SAL的方位分辨率等于实际天线孔径的一半,由于光学接收孔径远远小于微波合成孔径雷达SAR,因此SAL可以得到比SAR更高的方位分辨率。①距离向和方位向分辨率得到显著提高。②合成孔径的长度大幅度减小,相应地采样点数也明显减少。成像时间比SAR有大幅度的减少。③由于采用固体激光器作为发射成像装置，因此SAL系统的体积远小，便于机载或星载成像。

④发射孔径衍射极限比SAR小得多,导致成像测绘带宽较窄,对宽区域测绘时可采用SAL波束在距离向上进行扫描的方式来达到。与微波合成孔径雷达SAR相比，SAL具有下列特点:⑤合成孔径激光雷达对地面的覆盖率比SAR对地面的覆盖率低。⑥由于SAL采用外差探测得到回波数据,对本振信号的稳定度要求特别高;对光学系统要求更严格;信号处理部分复杂。⑦大气传输影响较大在考虑大气影响时,SAL在大气环境下的性能将不如SAR。最高分辨率:聚束模式的优于1m;

条带模式一般3m左右;

扫描模式:根据成像幅宽的大小变化,一般几十m。工作模式：Spotlight(聚束模式)，Scan(扫描模式)和

Stripmap(条带扫描模式)

合成孔径激光成像雷达原理正侧视条带模式合成孔径激光雷达系统；

对与雷达运动方向平行的条带进行成像的合成孔径激光雷达，雷达发射光束的指向与雷达的航迹垂直。相干探测体制的正侧视条带模式SAL由激光发射部分、外差接收机、合成孔径处理器、收/发光学系统、计算机软件处理等部分组成。

脉冲在频率轴上的位置与距离成正比，以此获取距离向上的目标图像。线性调频信号用一时间固定，而与线性调频信号频率相同的调频信号作为参考信号回波差频处理解线频调信号傅里叶变换在频域得到对应于各回波的snic状的窄脉冲对含有多普勒信号的窄脉冲进行相位补偿，得到多普勒频率和调频率经过脉冲压缩得到方向上目标图像一、脉冲重复频率和雷达运动速度1）距离模糊是由于雷达发射脉冲的重复频率过高引起的，Rg=Rmax-Rmin

2）方位模糊是由于回波多普勒频谱的欠采样引起的，从而造成主信号频谱的混叠。抽样率必须大于奈奎斯特頻率，即有:pDT=发射天线孔径直径二、发射信号（线性调频信号脉冲）τ=t–nPRT

表示雷达发射脉冲的时间（快时间）选取脉宽为:τpul,调频率为Kr;ωc=2πfc是载波角频率,脉冲重复周期为PRT的线形调频脉冲序列F(t)做发射信号:回波信号

t

表示雷达对目标场进行探测的任意时刻。tn=nRPT

用来计量在方位向发射脉冲的时刻。T-nRPT

是以发射时刻为起点计量光波传播的时间。

σ

为目标的散射函数，

G

是天线增益，R(t)

雷达到某目标的斜距，本振信号第n个脉冲输出的外差电流外差输出信号在测距范围内，不同的距离对应不同的差频Δfn发射脉冲频率快时间在合成孔径激光雷达中，外差探测得到的信号是解线频调信号，对于每个发射脉冲，将有一系列的回波信号。在一个脉冲重复周期内，是频率与距离成正比的单频脉冲，是解线频调信号。SAL成像流程

SAL成像流程图二、合成孔径激光成像雷达的发展现状和趋势合成孔径激光成像雷达(SAL)是以激光器作为光源的合成孔径雷达。由于激光比微波波长短4～5个量级，所以可以使用更小的孔径天线（10-20cm），以更短的时间实现更高的成像分辨率(cm量级)。能够进行远距离、大范围的地表或空间成像，分辨率高、作用距离长，体积小、重量轻、隐蔽性好，抗干扰能力强。1、国外发展现状SAL是一种相干体制激光成像雷达，系统要求高质量、大功率、高重复频率、高稳定性相干激光源，满足相干探测所需的复杂光学耦合与光学发射系统和光学接收系统，以及激光相干探测与合成孔径技术相匹配的成像算法的改进等等，SAL工程实用关键问题尚待解决，目前还处于实验室研究阶段。林肯实验室(MIT)于1994年首次成功研制的固体激光合成孔径雷达实验装置。系统辐射源为连续运转的Nd:YAG激光器,工作波长为1.06μm,输出功率为10mW。系统以外差方式进行工作。采用高速低噪的PIN光电二极管为光电探测器,响应波长为400～1100nm,光敏面直径为250μm。发射光束传播若干米到达目标是由电机驱动的转盘上两个固定凹面反射镜,由数字示波器进行记录多普勒差频信号,然后送交计算机进行处理。由于试验中目标在运动而雷达静止不动,是一种逆合成孔径雷达(ISAL)测量系统。美国空军实验室的激光雷达成像是第一个真正意义上的激光合成孔径成像，也是第一次使用移动的孔径对漫散射目标进行成像。采用聚焦型合成孔径二维成像外,并对成像算法进行了深入研究，对图像的细节进行了较好的处理。

2005年，美国航天局在实验室条件下用1.5μm半导体激光器作脉冲激光发射光源，用光纤作发射系统，成功获得了目标固定、雷达移动的合成孔径激光雷达的二维图像。系统发射光源以氰化氢参考核用于同步脉冲校正波长，发射光经光学系统照射目标。回波和目标本振光由环路器混频后，进行外差探测。参考通道以相同方式将参考光和参考本振光进行外差探测。两通道外差中频信号以2.5MHz采样率、12bit分辨率采样，转换为数字信号。由计算机进行信号处理，最终得到图像，距离分辨率0.06mm，采样频率100kHz线性调频带宽：10.5THz。

2006年2月17日，雷声公司运用通用光纤激光器以及光纤放大器和探测器进行了第一次条带式机载合成孔径激光成像雷达实验，获得了图像数据。

2009年，J.R.Buck采用1550nm的光纤激光器，功率为2W，进行了室外远距离成像实验,是目前国内外最先进的合成孔径激光雷达实验系统。该系统作用距离为0.7Km，距离分辨率2cm，方位向分辨率0.28cm，目标间距为30cm。此系统2.国内研究现状

2008年上海光机所尺度缩小合成孔径激光成像雷达的孔径合成实验在短距离平台模拟远场衍射2009年西安电子科技大学合成孔径成像激光雷达实验系统设计----国内首次对光波波段的合成孔径技术进行实验研究系统框图转台模型示意图2009年——合成孔径成像激光雷达实验系统设计目标摆放图系统实际连接图成像效果图实验基本参数：激光器波长调谐范围1542~1552nm

波长调谐速度20nm/s

系统采样率250kHz；步进角度0.00125°

脉冲数256

目标45°倾斜放置，距离25cm

准直透镜的输出光斑为7mm2009年中国科学院上海技术物理研究所洪光烈等尝试了一种新体制激光合成孔径雷达实验系统-Chirip强度调制与近红外激光合成孔径雷达距离向处理国内《合成孔径激光雷达成像关键技术研究》的单位1.上海光学精密机械研究所刘立人

合成孔径激光雷达系列文章、啁啾非线性相位补偿、尺度缩小SAL实验系统2.中科院电子所吴谨

大气湍流相位补偿、振动影响SAL3.西安电子科技大学邢孟道、曾晓东、曹昌琪

SAL系统实验设计、SAL成像算法、

SAL关键技术研究、4.青岛中国海洋大学华志励相位补偿

刘立人在2010年提出将计算机层析技术应用到合成孔径激光雷达这种想法和理论说明，目前还没有人进行过实验研究和系统的设计仿真，上个世纪90年代，一种新型的、分辨率更高、无损检测的断层扫描成像技术引起了研究者的注意，这就是光学相干层析成像技术(OpticalCohereneeTomography，OCT)。非相干层析合成孔径激光雷达2001年CharlesL.Matson等人进行了反射层析成像激光雷达的研究，采用计算机层析技术计算法，通过对物体横截面观察得到的是物体的轮廓像，2001年StephenA.Hanesa等人采用波长为10.6um的激光雷达系统进行反射层析成像实验。目标距离990m，孔径大小为7mm合成孔径激光成像雷达关键技术（1）性能优良的激光器。高光束质量、大功率、高脉冲重复频率（104～106Hz）、频率稳定度好、具有快速惆啾线性频变速率及具长的相干时间（10～100ms）。（2）发射系统的设计。光束指向和照射目标范围一致，扫描启始激光波长的精确控制，非线性啁啾恶化相位自适应补偿。（3）大气湍流相位补偿技术（4）数据采集存储和有效处理算法一、合成孔径雷达的发展现状和趋势合成孔径雷达(SyntheticApertureRadar:SAR)是利用一个小天线沿着长线阵的轨迹等速移动并辐射相参信号,把在不同位置接收的回波进行相干处理,从而获得较高分辨率的成像雷达。微波合成孔径雷达的研究始于20世纪50年代，美国于1978年发射第一颗SAR卫星以来，至今已有近40年的发展历史，

SAR作为一种主动式传感器,它不受光照和气候条件的限制,可以实现全天时、全天候对地观测,它还可以透过地表和植被获取地表下的信息。已经发射或即将发射星载SAR的国家有:美国、欧空局、俄罗斯、日本、加拿大、中国、印度、以色列、韩国、阿根廷等美国STRM系统德国的SAR-Lupe卫星加拿大的RADARSAT-2星载合成孔径成像雷达系统,具有以下特点:(1)星载SAR雷达的空间分辨率：10m～1m(2)大多数星载SAR雷达采用相控阵天线,以获得较大的观测空域,

测绘带宽：10km～300km工作频段LCX频率1～2GHz4～8GHz8～12.5GHz波长15-30cm3.75-7.5cm2.4-3.75cm带宽6-20MHz20MHz40MHz分辨率分辨率低，民用分辨率1m左右(4)工作频段机载SAR参数工作频率

/GHzP0.43L1.25C5.30Ku12分辨率/m7.5/120.3/0.3带宽/MHz20/40国内机载SAR未来发展趋势1.高分辨率、宽测绘带分辨率分别达到1m、0.5m和0.3m;观测带宽从100km增大到405km2.多参数是未来星载SAR的主要特征多参数,即多极化、多频段、多视角的高分辨率系统多频段是指SAR工作的频段,目前主要使用

L（1-2GHz）、C(4-8G)、X(2.4-3.75G)频段,多视角,即天线波束指向可变,它与星载SAR系统的分辨率、成像模式、观测带宽有着密切的关系,在满足星载SAR系统不同的成像模式条件下,保证其分辨率和观测带宽十分重要,是提高SAR卫星的整体性能必要条件。

SAR的斜视工作模式是指雷达的飞行方向并不与距离向垂直而是呈斜交关系的工作模式由于斜交增大了它的灵活性其应用得到扩展。斜视SAR的优点：1.可以多次重访热点地区

2.军事上可以实时侦察与打击。

SAR的前视工作模式是指雷达飞行方向与距离向一致而与方位向垂直的工作模式由于飞行方向与距离向一致即在沿航迹线上距离向与多普勒向一致。前视SAR系统的优越性

(1)前视SAR系统的方位向分辨率随雷达飞行高度的降低而提高，机载前视SAR系统的理论分辨率可达厘米量级。（2）可实现实时侦察与打击（3）.前视雷达可以提前发现目标，（4）.可以设计多个接受单元，在方位向用阵列接收实现方位向的高分辨阵列处理成像，也可以在方位向进行扫描实现方位向的合成阵列成像。3

InSAR和PolInSAR是SAR卫星发展重点干涉式合成孔径雷达(InSAR)技术解决了SAR对地物第三维信息(高程信息或速度信息)的提取。极化干涉合成孔径雷达(PolInSAR)通过极化和干涉信息的有效组合,可以同时提取观测对象的空间三维结构特征信息和散射信息,日本ALOS-PALSAR系统

PALSAR雷达为全极化系统为世界首例。该传感器的工作模式有高分辨率模式、扫描式合成孔径雷达模式和极化3种观测模式，使之能获取比普通SAR更宽的地面幅宽。高分辨率模式下可获得10m的距离和方位分辨率、70km的幅宽。扫描观测模式可获取250～350km幅宽的合成孔径雷达图像，比普通合成孔径雷达图像宽3～