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    合成孔径激光雷达的非成像衍射光学系统和探测性能

    作者:时间:2018-12-25点击数:

    合成孔径激光雷达(SAL)是合成孔径雷达(SAR)在激光波段的一种应用形式,也可称为激光SAR,通过发射宽带激光信号获取纵向高分辨率,通过合成孔径技术获取横向高分辨率。由于SAL的波长较短,目标横向运动和自转形成非常小的角度(约千分之四度,0.07mrad)就可以使SAL获得0.1m的横向分辨率图像,这使得SAL在原理上可以高数据率对远距离目标进行高分辨率成像观测。激光信号相干性提高,已使SAL的技术实现成为可能,其应用方向包括机载和星载对地观测以及地基的空间目标观测,深入开展相关研究工作,具有重要意义。

    1. SAL与非成像衍射光学系统

    与传统光学系统图像概念不同,SAL获取的图像在斜距-多普勒频率两维。需要宽的接收视场,但不要求具有高的空间角分辨率,具备采用一个或少量光电探测器/光纤准直器实现激光雷达宽视场接收的使用条件,在原理上可用“非成像光学系统”。据此特点,SAL应可通过偏置探测器/光纤准直器在“离焦”状态形成重叠视场,以进行振动相位误差估计,也应可通过“散焦”扩大瞬时观测范围。

    SAL单色且波长较长的特点,使其特别适合采用衍射光学系统,通过衍射器件(如二元光学器件和膜基透镜)实现信号波前控制,减小焦距并有利于系统的轻量化,在此过程中,SAR相控阵天线的模型可用于分析衍射光学系统的性能,SAR常用的信号处理方法可用于实现孔径渡越补偿和聚焦。一个在压缩光路中馈源和主镜两处使用二元光学器件的机载SAL非成像衍射光学系统如下图所示。

    图1机载SAL非成像衍射光学系统示意图

    2018年10月,西安电子科技大学孙艳玲副教授用实验验证了宽视场激光回波信号收入单模光纤的可行性,这使得SAL相干探测所需的混频及后续信号处理在实现结构上较为简单。

    2.相干探测和SAL的作用距离

    激光具有波粒二象性,SAL充分利用了激光的波特性。采用与微波雷达方程类似形式可进行SAL的作用距离分析,其单脉冲信噪比表达式可写为:

    目前,通过长时相干积累探测单脉冲信噪比为-30dB目标信号的微波SAR已很常见,SAL也应具备类似的性能,并可全面引入SAR的信号处理方法。2014年,美国Montana州立大学进行了微弱回波SAL成像实验,证明SAL可在分辨单元回波能量接近单光子的情况下进行相干成像,其图像信噪比在0dB水平,假定其相干成像用了10个脉冲,目标的单脉冲信噪比在-10dB量级。该实验从一个方面表明了SAL具有良好的微弱信号探测能力。

    由于SAL使用相干探测体制,本振信号的存在使目标微弱回波可实施光电转换为后续相干和非相干积累提供条件,其探测性能应远优于目前的单光子探测器,该特点很值得关注。

    中科院电子所李道京研究员团队在SAL非成像衍射光学系统和探测性能方面进行了有益的探讨,相关研究工作已发表在《雷达学报》2018年第2期“合成孔径激光雷达光学系统和作用距离分析”(李道京,胡烜)。

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