機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方案分析

李道京*①② 張清娟①②③ 劉 波①②③ 楊 宏① 潘 潔①

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機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)和實(shí)現(xiàn)方案分析

李道京張清娟劉 波楊 宏潘 潔

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)(微波成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)(中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

該文介紹了機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)的研究現(xiàn)狀，分析了國內(nèi)研究工作的主要問題和系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合原理樣機(jī)實(shí)例，提出了合成孔徑微波SAR電子學(xué)技術(shù)和光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)分析了未來實(shí)用系統(tǒng)指標(biāo)和技術(shù)途徑，論述了機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)的應(yīng)用方向。

激光雷達(dá)；合成孔徑；成像處理；相干探測；相位校正

1 引言

激光雷達(dá)成像系統(tǒng)和光學(xué)成像系統(tǒng)一樣，其空間分辨率都受系統(tǒng)光學(xué)孔徑的限制。對于一定的工作波長，一定大小的系統(tǒng)光學(xué)孔徑，分辨率會隨著距離的增加而下降。因此，高分辨率的遠(yuǎn)距離成像需要很大的系統(tǒng)光學(xué)孔徑，在實(shí)際系統(tǒng)中很多因素限制了系統(tǒng)光學(xué)孔徑的增加。機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)(Synthetic Aperture Ladar, SAL)由于采用合成孔徑的原理，分辨率不隨著距離的增加而下降，因此能獲得更高的分辨率，在超高分辨率觀測技術(shù)領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。

美國雷聲公司于2006年2月報(bào)導(dǎo)了機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，該樣機(jī)采用了1.5mm成熟的激光光源和光纖器件。2006年4月美國諾斯羅普·格魯門公司采用最新研發(fā)的CO激光器，在美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)的資助下，成功演示了機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)。上述機(jī)載實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)在空間遠(yuǎn)程探測和高分辨率成像應(yīng)用中的巨大潛力。在美國軍方的繼續(xù)資助下，該技術(shù)正朝實(shí)用化方向進(jìn)展。2011年美國洛克希德-馬丁公司獨(dú)立完成了機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)演示樣機(jī)的飛行實(shí)驗(yàn)，對距離1.6 km的地面目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了幅寬1 m，分辨率優(yōu)于3.3 cm的成像結(jié)果。

本文分析了SAL國內(nèi)研究工作中的主要問題，結(jié)合機(jī)載SAL原理樣機(jī)實(shí)例，提出了合成孔徑微波SAR (Synthetic Aperture Radar)電子學(xué)技術(shù)和光學(xué)技術(shù)相結(jié)合的機(jī)載SAL系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，分析了未來實(shí)用系統(tǒng)指標(biāo)和技術(shù)途徑，論述了其應(yīng)用方向。

2 國內(nèi)研究工作中的問題和下步工作思路

國內(nèi)中國科學(xué)院上海光機(jī)所、西安電子科技大學(xué)、中國科學(xué)院電子所、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所都積極開展合成孔徑激光成像技術(shù)研究工作，均取得了分辨率在毫米級的成像效果，但存在的主要問題有：

(1) 狀態(tài)：主要工作停留在室內(nèi)桌面試驗(yàn)狀態(tài)，尚未形成機(jī)載SAL實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；

(2) 分辨率：桌面系統(tǒng)的分辨率在毫米量級，遠(yuǎn)高于航空實(shí)際應(yīng)用需求的5～10 cm分辨率；

(3) 體制：為產(chǎn)生大的距離向信號帶寬，采用了類似SAR頻率步進(jìn)的技術(shù)方案，用慢時(shí)間獲取信號帶寬；為形成方位向帶寬的相對空間步進(jìn)也很慢，由此產(chǎn)生長達(dá)數(shù)十分鐘的數(shù)據(jù)獲取時(shí)間，在該條件下對運(yùn)動誤差的測量提出了過高的要求，沒有考慮到機(jī)載SAL合成孔徑成像時(shí)間在毫秒量級的特點(diǎn)；

(4) 處理：從事研究工作單位多集中在光學(xué)專業(yè)，對將目前高分辨率SAR的成像處理技術(shù)和相位補(bǔ)償方法用于SAL考慮不多。

值得注意的是，和廣泛使用的激光通信技術(shù)一樣，目前的微波SAR也經(jīng)常使用激光光纖延時(shí)線，將寬帶微波信號(常用的如8～12 GHz)采用調(diào)幅方式調(diào)制到光波，經(jīng)光纖延時(shí)后，再經(jīng)包絡(luò)檢波解調(diào)到微波頻段，注入雷達(dá)天線和接收機(jī)用于寬帶微波信號的內(nèi)定標(biāo)。

激光調(diào)幅技術(shù)也可考慮用于激光測風(fēng)雷達(dá)，此時(shí)其測距和多普勒測速雖等效在微波頻段完成，但空氣分子和氣溶膠回波幅度對激光載波較為敏感的屬性仍可保留。與此同時(shí)，該調(diào)幅技術(shù)也可考慮用于3維地形測繪激光雷達(dá)，在維持激光波束窄空間分辨率高的基礎(chǔ)上，采用微波SAR脈沖壓縮技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離高距離分辨率探測，并平衡峰值功率和平均功率的矛盾。

在激光調(diào)幅技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，電信號在激光載波上的相位/頻率相干調(diào)制和解調(diào)器件技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，在國內(nèi)機(jī)載SAL的研制思路上，本文考慮將微波SAR高水平的電子學(xué)技術(shù)和光學(xué)技術(shù)結(jié)合，顯然有利于機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)的工程實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上美國洛克希德-馬丁公司的機(jī)載實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)就是使用了相位編碼信號并有效結(jié)合了電子學(xué)技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的各自優(yōu)勢。

3 機(jī)載SAL的實(shí)現(xiàn)方案和關(guān)鍵技術(shù)

本文機(jī)載SAL系統(tǒng)擬采用微波SAR電子學(xué)技術(shù)和光學(xué)技術(shù)結(jié)合的實(shí)現(xiàn)方案，涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括機(jī)載SAL系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，高靈敏度激光信號相干調(diào)制解調(diào)技術(shù)，高分辨率寬幅成像技術(shù)，大功率高相干激光信號放大發(fā)射和接收技術(shù)，運(yùn)動誤差處理和相位誤差高精度補(bǔ)償技術(shù)，高分辨率激光成像和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，大氣擾動抑制技術(shù)等。

為便于分析問題，給出一個(gè)機(jī)載SAL原理樣機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1機(jī)載SAL原理樣機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

Tab. 1 Main technical index of airborne SAL prototype

3.1方案設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)采用脈沖壓縮體制獲取高距離分辨率，所需的寬帶信號波形可選擇為線性調(diào)頻LFM信號或相位編碼信號。采用高頻率穩(wěn)定度點(diǎn)頻激光光源，將寬帶信號相干調(diào)制在激光載波上利用光放大器放大后經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射，回波經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)接收放大后，經(jīng)激光外差探測相干解調(diào)成電信號，采用微波SAR的技術(shù)流程進(jìn)行信號處理。

為解決激光光源相位不穩(wěn)定以及和微波信號源不相干問題，將激光發(fā)射信號耦合到接收機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄，利用該耦合信號形成參考信號對回波進(jìn)行脈沖壓縮，同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光和微波信號初相位變化校正。

合成孔徑成像時(shí)間在毫秒量級(2～4 ms/1.5 km斜距)，平臺振動的問題可通過光學(xué)相機(jī)穩(wěn)定平臺(或磁懸浮穩(wěn)定平臺)隔離載機(jī)振動解決，同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光波束指向穩(wěn)定，采用激光器倒掛在穩(wěn)定平臺上的方式實(shí)現(xiàn)其在艙外機(jī)腹下的側(cè)視工作。

3.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

基于上述思路，圖1給出了機(jī)載SAL原理樣機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案框圖。系統(tǒng)主要由激光單元(含激光光源、發(fā)射和接收端放大器、激光信號相干調(diào)制器、激光相干外差探測解調(diào)器)、微波單元(含低噪聲放大器LNA、濾波器、微波信號相干調(diào)制和解調(diào)器、頻率源、定時(shí)器、相位編碼信號或線性調(diào)頻LFM信號產(chǎn)生器等)、數(shù)據(jù)單元(含AD和數(shù)據(jù)記錄器)、穩(wěn)定平臺、位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)(Position Orientation System, POS)、監(jiān)控單元和電源等組成。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖考慮了相位編碼和線性調(diào)頻LFM兩種信號形式，分別對應(yīng)微波單元Ⅰ和微波單元Ⅱ。當(dāng)使用相位編碼信號時(shí)，由碼產(chǎn)生器電路/高速DA產(chǎn)生的相位編碼信號直接作用于激光相位調(diào)制器，在激光載波上產(chǎn)生相位編碼信號，利用光放大器放大后經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射。回波經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)接收放大后，經(jīng)激光外差探測相干解調(diào)成電信號通過AD采集。當(dāng)使用線性調(diào)頻LFM信號時(shí)，該線性調(diào)頻信號的產(chǎn)生、調(diào)制、發(fā)射、接收和解調(diào)過程和微波SAR接近。

圖1 機(jī)載SAL系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案框圖

載機(jī)選為“運(yùn)12”飛機(jī)。由于體積重量較小，SAL原理樣機(jī)主機(jī)，包括激光單元、微波單元和POS，可整體安裝在一光學(xué)相機(jī)常用的PAV30/80穩(wěn)定平臺上，其它數(shù)據(jù)單元、監(jiān)控單元和電源可安裝在艙內(nèi)機(jī)架上。

由于“運(yùn)12”飛機(jī)飛行高度較低，飛行速度較慢，SAL主機(jī)可通過穩(wěn)定平臺直接掛在艙外機(jī)腹實(shí)現(xiàn)側(cè)視。基于上述安裝布局，載機(jī)僅需要具備可安裝PAV穩(wěn)定平臺的窗口，機(jī)腹下具有足夠的適于主機(jī)工作的離地空間，機(jī)頂可安裝POS所需的GPS天線，具備DC28V供電能力，而不需對飛機(jī)進(jìn)行較大的改裝。

3.3 系統(tǒng)參數(shù)

經(jīng)過分析和計(jì)算初步確定本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2機(jī)載SAL原理樣機(jī)參數(shù)

Tab. 2 Parameters of airborne SAL prototype

3.4 主要性能指標(biāo)分析

(1) 作用距離和信噪比

本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)最大作用距離設(shè)置為1.5 km，依據(jù)表1所列樣機(jī)參數(shù)經(jīng)計(jì)算分析，系統(tǒng)的單脈沖信噪比可優(yōu)于15 dB。假定相干積累有效脈沖數(shù)按100個(gè)考慮，可提高信噪比20 dB，系統(tǒng)成像信噪比可以優(yōu)于35 dB。

(2) 方位向信號帶寬和重復(fù)頻率

本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)最大作用距離設(shè)置為1.5 km，其最大脈沖寬度設(shè)置為1ms，為保證測距不模糊，其重復(fù)周期約為11ms，對應(yīng)的最高脈沖重復(fù)頻率PRF約為90 kHz。本文激光波束寬度(發(fā)射光束散角)確定為約0.8 mrad，當(dāng)載機(jī)速度為50 m/s，正側(cè)視時(shí)其方位向的多普勒帶寬約為51.6 kHz，當(dāng)重復(fù)頻率選為90 kHz，其方位向過采樣率為1.7倍；當(dāng)重復(fù)頻率選為83 kHz，其方位向過采樣率為1.6倍。由此確定本文重復(fù)頻率變化范圍為83～90 kHz。

(3) 光源的頻率穩(wěn)定度和信號頻譜分析

微波SAR信號具有較高的頻率穩(wěn)定度，為進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量，對微波信號源又提出了嚴(yán)格的相位噪聲要求，相位噪聲主要產(chǎn)生寬帶相位誤差，會使SAR圖像的對比度、信噪比下降，積分旁瓣比升高。

激光雷達(dá)的波長短至微米量級，其頻率穩(wěn)定度較差。本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)5 cm分辨率所需發(fā)射信號帶寬約為3.6 GHz，經(jīng)分析，激光脈沖間信號500 kHz的頻率變化即可對成像產(chǎn)生影響。為解決光源頻率不穩(wěn)定問題，距離向脈沖壓縮時(shí)可在距離頻域做濾波處理，舍棄脈沖間頻率變化范圍對應(yīng)的頻率分量，當(dāng)脈沖間信號頻率變化范圍相對發(fā)射信號帶寬較小時(shí)，對距離向分辨率的影響不大。

目前高穩(wěn)定激光器譜線寬度已可達(dá)到10 kHz量級，對應(yīng)的頻率穩(wěn)定度也在±10 kHz/10～20ms量級，其光源性能可滿足使用要求。

確定本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)最小的合成孔徑時(shí)間為2 ms，合成孔徑長度為0.1 m，方位分辨率為1.1 cm，其對應(yīng)的頻率分辨率為500 Hz?；夭ㄐ盘柗轿幌蛉讖綆挒?1.6 kHz，對應(yīng)的全孔徑方位向分辨率約為1 mm，全孔徑合成孔徑時(shí)間為20 ms，全分辨率合成孔徑長度為1 m，但要實(shí)現(xiàn)5 cm分辨率，在方位頻域只需要1 kHz的信號帶寬。

上述分析表明，機(jī)載SAL成像處理不僅可使用微波SAR的子孔徑成像方法，子孔徑時(shí)間2 ms，而且可通過方位頻域?yàn)V波處理抑制和運(yùn)動無關(guān)信號的影響。對激光信號以1 kHz帶寬為間隔進(jìn)行子孔徑成像處理后，可再進(jìn)行非相干積累提高信噪比，等效做微波SAR的多視處理，在處理過程中也可結(jié)合微波SAR常用的自聚焦技術(shù)。激光信號方位頻譜分析和處理范圍如圖2所示。

圖2 激光信號方位頻譜分析和處理范圍

(4) 振動影響分析

由于波長很短，載機(jī)振動對機(jī)載SAL成像的影響嚴(yán)重，文獻(xiàn)[13]提出了一種振動自動抑制方法很值得關(guān)注。為減少振動影響，本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)擬將整個(gè)激光單元裝在具有減振器的PAV30/80穩(wěn)定平臺上。

對一個(gè)典型的減振器來說，當(dāng)振動頻率從10 Hz變化至250 Hz時(shí)，加速度量值從1 g衰減到0.014 g，衰減倍數(shù)為71倍；振動頻率從100 Hz變化至250 Hz時(shí)，加速度量值從0.11 g衰減到0.014 g，衰減倍數(shù)為7.9倍。根據(jù)減振器的頻率特性，振動頻率越高，殘留的振動幅度越小，采用穩(wěn)定平臺，可大幅度緩解20 Hz～2 kHz振動頻率對本文成像的影響。

根據(jù)分析，目前機(jī)械穩(wěn)定平臺的位置精度在50mm量級，未來磁懸浮穩(wěn)定平臺的位置精度在30mm量級，由于平臺振動誤差遠(yuǎn)大于波長，振動產(chǎn)生的較大相位誤差顯然不能滿足成像要求，且會使激光回波信號頻譜受到影響，并進(jìn)一步影響自聚焦技術(shù)的使用。經(jīng)過分析，方位向的振動對成像影響較小，以下主要分析距離向振動的影響，并引入多普勒頻率對其描述。

本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)合成孔徑成像時(shí)間在2 ms左右，其信號頻率分辨率約為500 Hz，平臺振動產(chǎn)生的多普勒信號頻率小于500 Hz時(shí)，系統(tǒng)已不能分辨，故振動影響分析應(yīng)主要考慮振動產(chǎn)生的多普勒頻率在kHz量級的信號，并需將平臺振動產(chǎn)生的多普勒頻率控制在一定的范圍里。

在對應(yīng)于250 Hz振動頻率的4 ms時(shí)間內(nèi)，當(dāng)平臺的位置移動范圍為±5mm，在激光波長上可能產(chǎn)生的多普勒頻率為±10 kHz；在對應(yīng)于100 Hz振動頻率的10 ms時(shí)間內(nèi)，當(dāng)平臺的位置移動范圍為±15mm，在激光波長上可能產(chǎn)生的多普勒頻率為±12 kHz；在對應(yīng)于50 Hz振動頻率的20 ms時(shí)間內(nèi)，當(dāng)平臺的位置移動范圍為±25mm，在激光波長上可能產(chǎn)生的多普勒頻率約為±10 kHz。上述分析給出了振動產(chǎn)生的信號多普勒頻率變化范圍，當(dāng)機(jī)載SAL方位向運(yùn)動時(shí)振動譜會以周期性正余弦形式調(diào)制到激光回波信號的頻譜上。

對振動影響的分析要充分考慮振動產(chǎn)生的機(jī)理和本文成像時(shí)間較短的特點(diǎn)。通常，振動可分為低頻和高頻兩部分。從振動產(chǎn)生的機(jī)理上來說，低頻振動通常都是多頻分量，但低頻振動的影響需要較長的時(shí)間才能夠體現(xiàn)，本文毫秒量級短時(shí)間成像的特點(diǎn)使其影響通過頻域子帶濾波容易得到抑制。根據(jù)振動產(chǎn)生的機(jī)理，高頻振動通常都是單頻分量且頻率相對固定，距離向的高頻振動主要會使激光信號的方位頻譜受到調(diào)制并影響成像，通過對振動譜進(jìn)行參數(shù)估計(jì)并實(shí)施頻率補(bǔ)償可抑制其影響。對振動影響在頻域處理后，可進(jìn)一步使用自聚焦技術(shù)補(bǔ)償相位誤差以獲得理想的成像效果。

對本文機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)來說，采用有效的減震措施并選用合理的信號處理方法將是后續(xù)工作的一個(gè)研究重點(diǎn)，但將平臺振動影響產(chǎn)生的多普勒頻率控制在一定范圍里（如～+10 kHz），對后續(xù)的成像處理具有重要意義。

(5) 數(shù)據(jù)采集方式和數(shù)據(jù)量

本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)距離向觀測幅寬雖很小，但為解決激光光源信號和微波信號不相干問題，需記錄發(fā)射信號并實(shí)施初相位校正。設(shè)計(jì)的一個(gè)信號采集方式如圖3所示。

本文5 cm距離分辨率信號帶寬約需3.6 GHz，AD采樣率選為4 GHz，每脈沖距離向采樣時(shí)間初步設(shè)定在2.3 μs時(shí)，其距離向的采樣點(diǎn)數(shù)約為9 k。

數(shù)據(jù)采集過程中，為使系統(tǒng)簡化，用于系統(tǒng)定標(biāo)的耦合發(fā)射信號的記錄在回波后實(shí)施，當(dāng)前時(shí)刻記錄的數(shù)據(jù)用于對下一個(gè)重復(fù)周期回波信號的定標(biāo)，相關(guān)的初相位校正處理在脈沖壓縮過程中同時(shí)實(shí)施。

圖3 數(shù)據(jù)采集和記錄方式

SAL的數(shù)據(jù)獲取量可以通過如下關(guān)系式分析得到：

數(shù)據(jù)量/秒=2×(距離向采樣點(diǎn)數(shù)×量化位數(shù)) ×PRF

數(shù)據(jù)量分析如表3所示。

表3機(jī)載SAL原理樣機(jī)數(shù)據(jù)量

Tab. 3 Data volume of airborne SAL prototype

本文數(shù)據(jù)率較高，因場景較小，合成孔徑時(shí)間較短，實(shí)際數(shù)據(jù)記錄時(shí)，可以1 s為單位分時(shí)記錄，對應(yīng)的方位向場景尺寸約為50 m。

3.5 技術(shù)方案分析

從目前器件的技術(shù)指標(biāo)看，本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)激光單元中涉及的激光光源、激光放大器、激光相干外差探測解調(diào)器、微波單元和數(shù)據(jù)單元的功能指標(biāo)實(shí)現(xiàn)雖有一定難度但均具備可行性，國外對相關(guān)問題的一些研究工作參見文獻(xiàn)[11,12]。下面主要針對技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案中的難點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出解決問題的辦法。

(1) 寬帶信號波形選擇和激光信號調(diào)制

寬帶信號波形選擇和激光信號調(diào)制器的種類和參數(shù)密切相關(guān)，目前激光信號調(diào)制器分為調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅3種，由于其頻率調(diào)制主要使用聲光器件實(shí)現(xiàn)，其頻率調(diào)制帶寬較小，只能用于低分辨率成像系統(tǒng)，不適合本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)使用，現(xiàn)階段只能考慮使用在激光通信技術(shù)支持下發(fā)展出的高速寬帶激光相位調(diào)制器和激光幅度調(diào)制器。

本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)若使用激光相位調(diào)制器，其相位調(diào)制信號波形可考慮使用二相編碼脈沖信號，信號帶寬約為3.6 GHz，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖1中所示的微波單元Ⅰ。選用M序列二相編碼信號時(shí)，編碼信號可用碼產(chǎn)生器電路實(shí)現(xiàn)，子碼寬度為0.28 ns，該方案要求系統(tǒng)的時(shí)間分辨率較高，時(shí)間量化間隔需優(yōu)于0.14 ns，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率約需8 GHz。當(dāng)脈沖寬度為1 μs，其碼長為3571；當(dāng)脈沖寬度為0.57 μs，其碼長為2048；對應(yīng)的脈壓副瓣電平可優(yōu)于16 dB(副瓣電平與碼長的平方根成反比)。

采用二相編碼信號存在多普勒容限問題，其多普勒容限為兩倍碼長的倒數(shù)。對本文1 μs的碼長信號，其多普勒容限為500 kHz。擴(kuò)大多普勒容限的一種方法是使用多相碼，極限情況就是對信號相位進(jìn)行連續(xù)調(diào)制。若激光相位調(diào)制器具備一定的相位連續(xù)調(diào)制能力，且調(diào)制電壓和調(diào)制相位具有較好的線性關(guān)系，也可考慮用線性調(diào)頻LFM信號的相位變化曲線對應(yīng)的LFM相位信號實(shí)施相位調(diào)制，LFM相位信號產(chǎn)生需利用高速DA實(shí)現(xiàn)。二相編碼信號和LFM信號產(chǎn)生的調(diào)制相位如圖4和圖5所示。

二相編碼激光回波信號的相干外差探測，需使用寬帶光電探測器并通過正交雙通道將回波信號解調(diào)成IQ基帶信號，供高速AD采樣后提取回波信號的幅度和相位信息，其信號2維成像處理過程和微波SAR相近。

本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)也可考慮使用激光幅度調(diào)制器，其信號波形可考慮使用微波SAR常用的線性調(diào)頻LFM信號，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖1中所示的微波單元Ⅱ。3.6 GHz帶寬的基帶信號可通過高速DA來產(chǎn)生，正交調(diào)制在3 GHz的射頻信號上形成頻率范圍為1.2～4.8 GHz的寬帶微波信號，用于對激光信號進(jìn)行調(diào)幅。由于寬帶信號在基帶產(chǎn)生，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率約需5 GHz。

一般認(rèn)為，采用調(diào)幅信號形式存在信道衰減問題，但本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)由于距離向觀測幅寬很小，該問題的影響可能并不突出，故采用激光寬帶調(diào)幅信號，對距離向脈沖壓縮和5 cm距離分辨率的實(shí)現(xiàn)應(yīng)影響不大。采用調(diào)幅信號的主要問題在于回波方位向多普勒信號的提取困難，并會導(dǎo)致方位向成像困難。

經(jīng)過計(jì)算，本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)的聚焦深度約為3.2 km，遠(yuǎn)大于距離向的觀測幅寬，觀測場景地物散射點(diǎn)應(yīng)具備相同的多普勒相位變化歷程，基于此性質(zhì)，可考慮同時(shí)再發(fā)射1個(gè)窄帶調(diào)幅激光脈沖信號(該信號在脈寬內(nèi)不調(diào)幅，假定信號脈寬0.5 μs，信號帶寬2 MHz，對應(yīng)的距離分辨率75 m)在距離向低分辨率方式下獲取地物散射點(diǎn)激光回波方位向的高分辨率多普勒信息。

寬帶調(diào)幅信號和窄帶調(diào)幅信號可統(tǒng)稱為調(diào)幅信號，適當(dāng)調(diào)整激光幅度調(diào)制器上選通脈沖的時(shí)序和邏輯關(guān)系，即可能實(shí)現(xiàn)該復(fù)合調(diào)幅信號的產(chǎn)生。圖6和圖7給出了該復(fù)合調(diào)幅信號的波形和幅度調(diào)制后的激光信號波形示意圖。

上述激光回波信號通過激光相干外差探測解調(diào)器后，一方面形成的寬帶微波信號經(jīng)LNA和帶通濾波器，在射頻完成IQ基帶信號解調(diào)，經(jīng)高速AD采集后，用于距離向的高分辨率脈沖壓縮；另一方面形成的窄帶低頻信號通過正交雙通道解調(diào)成IQ基帶信號，供AD采樣后用于獲取回波方位向的高分辨率多普勒信號。此時(shí)，用于多普勒信號獲取的光電探測器可選為窄帶，并可使用低速AD。

圖4 二相編碼信號的調(diào)制相位

圖5 LFM信號的調(diào)制相位

圖6 復(fù)合調(diào)幅信號的波形

圖7 幅度調(diào)制后的激光信號波形

采用復(fù)合調(diào)幅激光信號形式，客觀上把機(jī)載SAL 2維成像所需的距離向和方位向2維高分辨率信號實(shí)現(xiàn)過程分解成了兩個(gè)1維信號實(shí)現(xiàn)過程，即分別形成一個(gè)距離向高分辨率信號和一個(gè)方位向高分辨率信號。兩個(gè)信號均為復(fù)信號并可經(jīng)處理具備相干性，其距離向高分辨率信號具有距離頻譜寬和方位多普勒頻譜窄的特點(diǎn)，方位多普勒頻譜寬度主要由射頻信號波長決定；其方位向高分辨率信號具有距離頻譜窄和方位多普勒頻譜寬的特點(diǎn)，方位多普勒頻譜寬度主要由激光信號波長決定。

從概念上講，將處理得到的激光回波方位向高分辨率多普勒信號相位補(bǔ)入其距離向高分辨率信號，有可能合成出一距離向和方位向均為寬帶的2維信號，實(shí)現(xiàn)機(jī)載SAL的2維成像。上述復(fù)合調(diào)幅信號的產(chǎn)生過程中，寬帶調(diào)幅信號和窄帶調(diào)幅信號兩者在快時(shí)間是分離的，這種信號表述形式易于分析問題。從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，兩調(diào)幅信號在快時(shí)間域也可以疊加產(chǎn)生，其典型的信號形式如文獻(xiàn)[10]，通過濾波即可將其分離。以上這兩種復(fù)合調(diào)幅信號的相關(guān)處理技術(shù)都值得進(jìn)一步研究。

從上述分析結(jié)果看，用調(diào)相和調(diào)幅兩種方式實(shí)現(xiàn)激光信號調(diào)制，均存在一些問題，相比來說在現(xiàn)階段選用調(diào)相方式具有較好的可行性。

由于機(jī)載SAL的所需的成像分辨率在厘米量級，其信號頻率調(diào)制帶寬相對于光頻很小，隨著器件技術(shù)的發(fā)展，相信在不遠(yuǎn)的將來會出現(xiàn)頻率調(diào)制帶寬在3-5 GHz激光頻率調(diào)制器，屆時(shí)SAL的信號產(chǎn)生、接收、處理流程將和微波SAR趨同。

(2) 激光信號和微波信號的相干處理

為解決激光光源信號和微波信號源不相干問題，將激光發(fā)射信號耦合到接收機(jī)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和記錄，利用該耦合信號形成參考信號對回波信號進(jìn)行初相位校正，即可去除兩個(gè)源不相干帶來的隨機(jī)初相位，該處理可結(jié)合距離向的脈沖壓縮過程完成。這項(xiàng)技術(shù)在20年前已廣泛用于磁控管雷達(dá)相干性的提高和MTI處理的實(shí)現(xiàn)，對本文機(jī)載SAL可同時(shí)去除激光發(fā)射信號調(diào)制放大過程中信號相位變化影響，提高全系統(tǒng)信號的相干性。

(3) 激光波束指向控制

本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)激光器波束寬度為0.8 mrad約0.046°，為控制波束指向，擬將整個(gè)激光主機(jī)裝在PAV30/80穩(wěn)定平臺上。

穩(wěn)定平臺的指向控制精度約為0.1°～0.2°，為在存在指向誤差的情況下實(shí)現(xiàn)精確成像，系統(tǒng)擬同時(shí)配置位置和姿態(tài)測量系統(tǒng)(POS510)，其橫滾和俯仰向測量精度為0.005°，真航向測量精度為0.008°，載機(jī)速度測量精度為0.005 m/s, POS的測量數(shù)據(jù)可用于實(shí)際激光回波數(shù)據(jù)運(yùn)動誤差的初校正。

激光波束指向控制誤差為0.2°時(shí)，機(jī)載SAL有可能產(chǎn)生225 kHz的多普勒頻差，對碼長較長的二相編碼信號的脈沖壓縮有一定影響。為擴(kuò)大機(jī)載SAL作用距離，需使用碼長較長的相位編碼信號，故研究LFM相位信號相位調(diào)制技術(shù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

(4) 成像處理算法

經(jīng)過分析，正側(cè)視時(shí)2 ms合成孔徑時(shí)間獲得的合成孔徑長度為0.1 m，方位分辨率約為1.1 cm，對應(yīng)的距離彎曲最大值為8.3×10mm。

經(jīng)過分析，方位分辨率確定為5 cm時(shí)，聚焦深度為32226 m；方位分辨率確定為1 cm時(shí)，聚焦深度為129 m。

根據(jù)上述分析，本文機(jī)載SAL成像算法可選擇為RD算法，非正側(cè)視回波信號有距離走動時(shí)可考慮在使用POS數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上用KEYSTONE變換進(jìn)行距離徙動校正。RD算法的選擇分析，也同時(shí)說明了本文機(jī)載SAL采用復(fù)合調(diào)幅激光信號形式實(shí)現(xiàn)2維成像的可行性。

(5) 大氣擾動抑制

文獻(xiàn)[8]研究了大氣擾動對激光成像的影響，其結(jié)論為當(dāng)合成孔徑長度小于大氣的相干長度時(shí)，可以不考慮大氣對合成孔徑激光成像的影響。本文機(jī)載SAL原理樣機(jī)作用距離較近，并采用較長的激光波長，有利于緩解大氣擾動的影響。考慮到未來實(shí)用系統(tǒng)的要求，大氣擾動抑制問題還需進(jìn)一步深入研究。

4 未來實(shí)用系統(tǒng)指標(biāo)和技術(shù)途徑分析

上面分析了機(jī)載SAL原理樣機(jī)的技術(shù)指標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方案，由于作用距離和幅寬較小，很難滿足應(yīng)用需求。一個(gè)機(jī)載SAL實(shí)用系統(tǒng)的指標(biāo)如表4所示。

表4機(jī)載SAL實(shí)用系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

Tab. 4 Practical specifications of airborne SAL system

提高作用距離和擴(kuò)大幅寬的的技術(shù)途徑包括：增大激光發(fā)射功率并提高光源的相干性，將激光光源頻率穩(wěn)定度提高到優(yōu)于±5 kHz/(100 μs)；激光光學(xué)系統(tǒng)采用交軌向線狀擴(kuò)束器和多元探測器結(jié)合方式使最大瞬時(shí)地距幅寬在250 m左右，采用交軌向機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)1～2 km幅寬覆蓋；成像分辨率隨幅寬調(diào)整，其調(diào)整范圍為0.05～0.2 m，最高分辨率為0.05 m。

由于系統(tǒng)瞬時(shí)幅寬遠(yuǎn)小于作用距離，系統(tǒng)可采用高脈沖重復(fù)頻率距離模糊工作體制，以保證遠(yuǎn)距離探測所需的平均功率。從進(jìn)一步發(fā)展技術(shù)的角度出發(fā)，也可考慮采用光纖陣列結(jié)構(gòu)并使用正交信號。

5 結(jié)束語

合成孔徑激光雷達(dá)技術(shù)除用于對地2維成像觀測外，在其它方面也具有廣闊的應(yīng)用前景。主要應(yīng)用方向包括：高分辨率成像技術(shù)研究(成像轉(zhuǎn)角很小的主動激光成像，在原理上可和可見光圖像融合)，基礎(chǔ)測繪(高空3維激光雷達(dá)距離向采用脈沖壓縮，順軌向采用合成孔徑成像體制，提高空間探測分辨率)，大氣風(fēng)場測量(目前的激光多普勒雷達(dá)距離向可改為脈沖壓縮體制)。

合成孔徑激光雷達(dá)由于其采用相干體制，代表著激光雷達(dá)的發(fā)展方向，具有重要的研究價(jià)值。本文介紹了機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)的研究現(xiàn)狀，分析了其關(guān)鍵技術(shù)并討論了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案，對后續(xù)研究工作的開展具有一定的參考價(jià)值。

感謝西安電子科技大學(xué)的邢孟道教授、中國科學(xué)院上海光機(jī)所的劉立人研究員、陳為標(biāo)研究員、中國科學(xué)院上海技術(shù)物理所的舒嶸研究員和凌元博士、中國科學(xué)院光電院的張珂殊研究員、中國科學(xué)院西安光機(jī)所的朱少嵐研究員、中國科學(xué)院電子所的吳謹(jǐn)研究員對本文研究工作的無私幫助，與他們的討論使我們受益匪淺。

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Key Technology and Implementation Scheme Analysis of Air-borne Synthetic Aperture Ladar

Li Dao-jingZhang Qing-juanLiu BoYang HongPan Jie

(Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)(National Key Laboratory of Science and Technology on Microwave Imaging, Beijing 100190, China)(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The current status and the domestic research problems of air-borne Synthetic Aperture Ladar (SAL) are introduced, and key technologies are analyzed. Based on a principle prototype, a system implementation scheme with a combination of SAR electronics technology and optical technology is proposed. Future practical system metrics and technological approaches are analyzed. Further, the application direction of the SAL is clarified.

Ladar; Synthetic aperture; Imaging processing; Coherent detection; Phase correcting

TN958.98

A

2095-283X(2013)02-0143-09

10.3724/SP.J.1300.2013.13021

李道京(1964-)，男，陜西西安人，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)和雷達(dá)信號處理。E-mail: lidj@mail.ie.ac.cn

張清娟(1987-)，女，山東煙臺人，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所在讀碩士研究生，研究方向?yàn)槎嗫讖絊AR信號的稀疏性分析和處理。E-mail: qingjuan0535@163.com

劉 波(1984-)，男，山東棗莊人，中國科學(xué)院電子學(xué)研究所在讀博士研究生，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理和運(yùn)動目標(biāo)成像技術(shù)。E-mail: lynnandsky@163.com

2013-03-11收到，2013-05-03改回；2013-05-21網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版

國家自然科學(xué)基金(61271422)資助課題

李道京 lidj@mail.ie.ac.cn