粗糙目標(biāo)合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真

戴佳良 吳代龍

摘 要：合成孔徑激光雷達(dá)具有良好的發(fā)展前景，因?yàn)樗募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，能夠通過光波合成孔徑實(shí)現(xiàn)高分辨率雷達(dá)成像，保證其核心技術(shù)獲得實(shí)質(zhì)性突破。本文就探討了這樣一種技術(shù)--實(shí)際目標(biāo)的外差探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)會(huì)首為粗糙目標(biāo)的粗糙表面建立蒙特卡羅模型，假設(shè)本振光與信號(hào)光的電場(chǎng)振動(dòng)方向相同來展開理論分析，以獲得粗糙目標(biāo)合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)的仿真結(jié)果，對(duì)其粗糙度變化所帶來的電流影響進(jìn)行分析，最后得出結(jié)論。本文也將依據(jù)這一思路展開課題分析。

關(guān)鍵詞：合成孔徑激光雷達(dá)；光外差探測(cè)技術(shù)；粗糙度；電流影響

合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)會(huì)專門研究某些粗糙目標(biāo)，但粗糙目標(biāo)的粗糙表面存在高度起伏必然會(huì)對(duì)光外差信號(hào)的調(diào)制效應(yīng)帶來影響，在不同粗糙度目標(biāo)下會(huì)引發(fā)退相干效應(yīng)。此時(shí)就需要進(jìn)行光外差探測(cè)定量技術(shù)分析，明確光外差信號(hào)的惡化與粗糙目標(biāo)表面粗糙度參量的實(shí)際對(duì)應(yīng)電量關(guān)系。例如當(dāng)粗糙目標(biāo)表面的相關(guān)長度達(dá)到100 時(shí)，它的光外差信號(hào)會(huì)根據(jù)粗糙表面高度的起伏發(fā)生均方根增加或減小變化，而這一均方根如果超過0.2 ，則代表光外差信號(hào)相對(duì)偏弱，此時(shí)光外差信號(hào)會(huì)隨著粗糙目標(biāo)表面的相關(guān)長度減小而減小，為光外差探測(cè)帶來一定困難，此時(shí)就要采用合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)。

一、關(guān)于激光合成孔徑雷達(dá)

激光合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Ladar，SAL）實(shí)際上就是傳統(tǒng)激光雷達(dá)技術(shù)與合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的綜合體，它可有效提高傳統(tǒng)微波雷達(dá)的空間分辨率，作為雷達(dá)掃描工作效率更高，已經(jīng)成為近年來全世界所熱議研究的重點(diǎn)技術(shù)課題。但是該技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用過程中會(huì)受到光外差探測(cè)技術(shù)的制約影響，這是因?yàn)楣馔獠钐綔y(cè)實(shí)現(xiàn)條件異?？量蹋瑫?huì)涉及到列入模式匹配、偏振匹配、波前匹配等等問題，所以目前的激光合成孔徑雷達(dá)技術(shù)可以講還尚不成熟。

再一點(diǎn)，從技術(shù)硬性指標(biāo)來看它的光波波長片段，所以在分析某些物體目標(biāo)表面的高低起伏過程中會(huì)出現(xiàn)較大相位差，因此可以說它的多數(shù)研究目標(biāo)表面都是粗糙的也就可以解釋。舉個(gè)例子，如果波長 =530nm時(shí)，它所存在的高度差就會(huì)引發(fā)回波 相位差，此時(shí)的目標(biāo)表面不同位置回波外差信號(hào)一定會(huì)出現(xiàn)相互抵消，勢(shì)必降低外差效率。因此研究對(duì)象目標(biāo)的隨機(jī)粗糙面高度起伏必然會(huì)對(duì)高度起伏外插信號(hào)產(chǎn)生影響。某些研究中會(huì)將目標(biāo)表面視為是光滑面，不考慮目標(biāo)的高低起伏粗糙面問題，也不考慮由粗糙面所引起的退相干效應(yīng)，如此繼續(xù)研究則會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)性能評(píng)估誤差，不利于合成孔徑激光雷達(dá)技術(shù)的功能有效發(fā)揮。

在本文看來，在使用合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)技術(shù)時(shí)，需要針對(duì)目標(biāo)粗糙表面建立蒙特卡羅模型，利用該模型來分析粗糙表面的高低起伏程度良好與高度起伏均方根問題，同時(shí)計(jì)算表面的橫向起伏長度，最后結(jié)合研究數(shù)據(jù)分析目標(biāo)表面粗糙程度所導(dǎo)致的光外差中頻信號(hào)退相干效應(yīng)問題，以便于開展光外差信號(hào)數(shù)值仿真過程，達(dá)到深入探討粗糙表面粗糙程度的光外差信號(hào)變化目的[1]。

二、針對(duì)粗糙表面的目標(biāo)合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)理論解析

在針對(duì)粗糙表面目標(biāo)物進(jìn)行目標(biāo)合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)分析過程中，可假設(shè)不考慮光學(xué)系統(tǒng)與傳輸路徑二者可能引發(fā)的光程差問題，所以可結(jié)合信號(hào)光與本振光初相位與振幅影響思考粗糙目標(biāo)表面所存在的隨機(jī)高低起伏狀態(tài)，以達(dá)到探測(cè)光敏面所產(chǎn)生的光電流相位差問題，分析粗糙表面所產(chǎn)生的光外差信號(hào)為中頻電流所帶來的實(shí)際影響。在實(shí)際的研究中，應(yīng)該利用探測(cè)器光敏面思考光電流相位差對(duì)光外差信號(hào)的實(shí)際影響，然后用坐標(biāo)軸 直觀表示粗糙目標(biāo)表面的高度起伏凹凸不平現(xiàn)象，結(jié)合合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)下的回波信號(hào)思考粗糙目標(biāo)表面的高度變化關(guān)系，如下式：

再次假設(shè)如果探測(cè)器光敏面在研究中被均勻劃分為多個(gè)小面元 s，且有 ，如果此時(shí)假設(shè)時(shí)間t =0，則有：

結(jié)合上式就可以分析得出如果利用合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)粗糙目標(biāo)中頻電流的快速詭異，但由于它受到粗糙表面起伏

影響，需要進(jìn)一步建立粗糙目標(biāo)表面模型，即上文所提到的蒙特卡羅模型，結(jié)合線性濾波法，對(duì)粗糙目標(biāo)表面的高度起伏做逆快速傅里葉轉(zhuǎn)換。在蒙特卡羅模型建立過程中，如果不存在任何光學(xué)系統(tǒng)像差，則需要對(duì)應(yīng)探測(cè)器劃分來明確目標(biāo)表面單元，具體可可劃分為 單元，并假設(shè)面元面積應(yīng)該為 ，此時(shí)它目標(biāo)邊長應(yīng)該為 ， ，那么由此可了解到粗糙目標(biāo)表面上的每一個(gè)起伏高度面元都應(yīng)該表示為：

所以在歸一化中頻電流影響下，利用蒙特卡羅模型可以了解到粗糙目標(biāo)表面的高低起伏均方根應(yīng)該與表面相關(guān)長度 有直接關(guān)系，如果 不同，就說明中頻電流也是不同的[2]。

三、針對(duì)粗糙表面的目標(biāo)合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真結(jié)果分析

如上文的一系列理論實(shí)踐分析可了解到粗糙目標(biāo)表面存在高低起伏的凹凸不平現(xiàn)象，所以采用到了蒙特卡羅模型構(gòu)建仿真模型，對(duì)表面的不同位置回波進(jìn)行了探測(cè)分析，得出了不同的光外差數(shù)據(jù)，引發(fā)退相干效應(yīng)，所針對(duì)仿真對(duì)象的光信號(hào)接收信噪比也有大幅度下降。所以總結(jié)來說不同粗糙表面的表面形貌仿真結(jié)果也是不同的，它應(yīng)該基于高斯分布研究展開。具體到實(shí)際研究中，例如對(duì)草地的粗糙度進(jìn)行分析，它就涉及到不穩(wěn)定層粗糙度的計(jì)算問題，要計(jì)算草地的粗糙程度平均值，然后再利用回波信號(hào)構(gòu)建周期函數(shù)模型，結(jié)合草地各個(gè)位置的不同粗糙目標(biāo)表面起伏來進(jìn)行回波相位分析，以明確調(diào)制效應(yīng)。

（一）粗糙度變化對(duì)粗糙表面歸一化中頻電流的影響結(jié)果分析

粗糙目標(biāo)表面的粗糙度變化一定會(huì)對(duì)歸一化中頻電流產(chǎn)生一定影響，它基本上基于粗糙表面的橫向變化與縱向變化兩方面展開。舉例來說，用粗糙目標(biāo)表面粗糙度的縱向變化來分析它對(duì)歸一化中頻電流所產(chǎn)生的具體影響。此時(shí)就要用到蒙塔卡羅模型，基于高度起伏均方根以及粗糙表面相關(guān)長度 共同分析粗糙面的重要參量，明確高度起伏均方根縱向的基本變化特征，同時(shí)也要表示粗糙目標(biāo)粗糙面的的表面輪廓凹凸變化狀況，同時(shí)分析倉促安眠的高度變化劇烈程度，將這兩大變量作為是分析歸一化中頻電流影響結(jié)果的重要變化參量。

假設(shè)粗糙表面的相關(guān)長度l 已是定值，那么此時(shí)就可以分別對(duì)100個(gè)具有不同粗糙程度表面的粗糙目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓它們均通過歸一化中頻電流，然后再計(jì)算中頻電流的平均值，最后再基于縱向理念計(jì)算100個(gè)平均值的歸一化中頻電流高度起伏方根，看起伏方根的變化過程。以下結(jié)合x，y軸展開計(jì)算，設(shè)置粗糙表面的相關(guān)長度分別為 ，假設(shè)條件為：

如此粗糙表面的相關(guān)長度l始終保持不變，那么粗糙表面的高度起伏離散點(diǎn)就應(yīng)該保持在1000 左右，而采樣間隔應(yīng)該為 [3]。

總結(jié)：

為粗糙目標(biāo)粗糙表面建立蒙特卡羅模型，基于合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)優(yōu)化目標(biāo)回波光外差信號(hào)以及目標(biāo)粗糙程度參量，可保證光外差信號(hào)的基本穩(wěn)定有效，實(shí)現(xiàn)對(duì)粗糙表面雷達(dá)信號(hào)結(jié)果的仿真優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]黨文佳，曾曉東，馮喆琚.目標(biāo)粗糙對(duì)合成孔徑激光雷達(dá)回波的退相干效應(yīng)[J].物理學(xué)報(bào)，2013（2）：244-252.

[2]李甜田.目標(biāo)粗糙表面對(duì)回波外差探測(cè)的影響[D].西安電子科技大學(xué)，2013.

[3]于香菊.合成孔徑激光雷達(dá)中光外差探測(cè)技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2011.

作者簡(jiǎn)介：

戴佳良，男（1993.4.13），漢族，四川廣安岳池人，大學(xué)本科，助理工程師，研究方向：雷達(dá)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

吳代龍，男（1988.1），漢族，重慶，碩士研究生，助理工程師，研究方向：雷達(dá)頻率綜合器設(shè)計(jì)