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提出了直视合成孔径激光成像雷达(SAIL)概念,发射采用两个正交偏振同轴且相对扫描的空间抛物波差的光束,接收采用自差及相位复数化探测。在交轨向产生与目标点横向位置正比的线性项相位调制,在顺轨向产生以目标点纵向位置为中心的二次项相位历程,成像处理采用傅里叶变换实现交轨向聚焦和采用匹配滤波实现顺轨向聚焦。直视SAIL与侧视SAIL一样能够使用小光学孔径在远距离实现高分辨率二维成像,但具有本质独特性即线性和二次相位项和光学足趾及其相关联的成像分辨率无论在设计和使用时都具有很大的控制调整范围,并克服了存在于侧视SAIL中的许多技术难点。直视SAIL在原理和方法上都属于光学领域。给出了直视SAIL的一般性体系结构,在数学上详细描述了包括目标信息获取和成像处理的基本原理。
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书书书
第
32
卷
第
9
期
光
学
学
报
Vol.32
,
No.9
2012
年
9
月
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2012
直视合成孔径激光成像雷达原理
刘立人
(中国科学院上海光学精密机械研究所中科院空间激光通信和检验技术重点实验室,上海
201800
)
摘要
提出了直视合成孔径激光成像雷达(
SAIL
)概念,发射采用两个正交偏振同轴且相对扫描的空间抛物波差的
光束,接收采用自差及相位复数化探测。在交轨向产 生 与 目 标 点 横 向 位 置 正 比 的 线 性 项 相 位 调 制,在顺 轨 向 产 生
以目标点纵向位置为中心的二次项相位历程,成像处理采用傅里叶变换实现交轨向 聚 焦 和 采 用 匹 配 滤 波 实 现 顺 轨
向聚焦。直视
SAIL
与侧视
SAIL
一样能够使用小光学 孔 径 在 远 距 离 实 现 高 分 辨 率 二 维 成 像,但具 有 本 质 独 特 性
即线性和二次相位项和光学足趾及其相关联的成像分辨率无论在设计和使用时都 具 有 很 大 的 控 制 调 整 范 围,并克
服了存在于侧视
SAIL
中的许多技术难点。直视
SAIL
在原 理 和 方 法 上 都 属 于 光 学 领 域。给 出 了 直 视
SAIL
的 一
般性体系结构
,在数学上详细描述了包括目标信息获取和成像处理的基本原理。
关键词
遥感;合成孔径激光成像雷达;直视雷达;空 间 抛 物 面 相 位 差;自 差 探 测;线 性 项 相 位 调 制;二 次 项 相 位 历
程;傅里叶变换;匹配滤波
中图分类号
TN958
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
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280.6730
;
280.340
;
110.1080
;
110.3175
;
110.2970
收稿日期:
20120629
;收到修改稿日期:
20120720
作者简介:刘立人(
1942
—),男,研究员,博士生导师,主要从事空间信息光学方面的研究。
Email
:
lirenliu
@
mail.shcnc.ac.cn
1
引
言
合成孔径激 光 成 像 雷 达 (
SAIL
)的 原 理 来 源 于
射频领域的合成孔 径 雷达 原 理,是 能 够在 远 距离 得
到厘 米 量 级 成 像 分 辨 率 的 唯 一 光 学 成 像 观 察 手
段
[
1
~
7
]
。其是以侧 视 为 必 要 工 作 条 件,即 在 侧 视 条
件下实施距离向的距离分辨成像,并在此基础上在
09280021
光
学
学
报
方位向实施孔径合成即二次项相位历程的匹配滤波
成像。侧视
SAIL
工 作 在 光 频 波 段,完 全 不 能 采 用
微波技术方 法,因 此 存 在 许 多 问 题。 侧 视
SAIL
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
[
3
,
8
]
,虽然在 概 念 上 可 采 用 干 涉 法 实 时 测 量 相 位
波动并进行实时补偿
[
2
,
5
,
7
]
,但这在实 际应 用 中是 很
困难的
。侧视
SAIL
为了在方位向保证无扰动的二
次项相位历程,要求拍频信号的初始相位严格同步,
因此需要采用 氰 化 氢 (
HCN
)光 谱 滤 波 触 发 控 制 技
术
[
1
]
。在侧视
SAIL
中发射孔径决定了照 明光斑 尺
寸和成像分辨率,为了 增大 发 射光 斑 尺寸 需 要采 用
较小的发射光学天 线 口径,而 为了 增 大接 收 能量 则
需要采用较大的接 收 光学 天 线口 径,这造 成 外差 接
收视场角减少,所以匹 配 激光 发 散角 和 接收 视 场角
是相互矛盾的
[
9
~
13
]
。定义光学足趾为照明光斑和外
差接收视场所关联的目标面接收尺度的较小者,理想
光学足趾下照明光斑尺寸等于外差接收尺寸。因此
为了得到大的理想光学足趾需要在大口径接收系统
中采用阵列光 电探测 器。侧 视
SAIL
为了降 低 拍频
频率和抑制非线性啁啾的影响而需要长距离延时的
本振光束,不论是采用光纤延时线或附加通道数字延
时,为了控制 相 位变 化 在 技 术 上 是 相 当 复 杂 的
[
2
,
4
]
。
侧视
SAIL
因为侧视而造成目标成像阴影,在光频段
因为目标远远大于波长使得阴影效应更加明显。上
述这些因素严重影响了侧视
SAIL
的实用化。
本文基于抛物波前差动扫描和自差探测复数化
接收的方法,提 出 了 一 种 直 视
SAIL
,基 本 原 理 是:
采用波前变换原理对目标投射两个同轴同心且偏振
正交的光束并且进 行 自差 接 收,这 两 个波 前 的合 成
相位差为抛物等位线分布。在沿运载平台运动正交
的交轨方向上两个光束的波前具有相同曲率并作相
互反向的偏转,因此在 快 时间 轴 上产 生 目标 交 轨方
向与目标点位置成 正 比的 空 间线 性 相位 项 调制,在
运载平台运动的顺轨方向上两个光束的波前具有符
号相反的曲率半径,因 此在 慢 时间 轴 上产 生 与目 标
点顺轨向位置有关的空间二次项相位历程。最终通
过傅里叶变换实现 交 轨向 聚 焦成 像,通过 共 轭相 位
二次项匹配滤波实 现 顺轨 向 聚焦 成 像,这 种 成像 处
理算法与侧视
SAIL
相同。
直视
SAIL
的 本 质 特 点 是 空 间 线 性 相 位 项 调
制、空间二次项相位历 程 和照 明 光斑 尺 寸及 其 相关
联的成像分辨率无论在设计和使用时都具有很大的
控制和调整 范 围。 直 视
SAIL
具 有 如 下 优 点:由 于
采用了同轴光束自差接收
,大大降低了大气、运动平
台、光雷达系统和散斑等相位变化和干扰的影响,不
需要光学延时线,没有拍频初始相位同步要求,并可
使用低质量的光学系统。由于在发射机内采用了波
前变换放大 的 设 计 而 不 是 发 射 孔 径 自 然 衍 射 的 原
理,使得照明光斑可以很大而且抛物相位差可控,同
时由于采用自差探 测 使得 接 收口 径 可以 很 大
,因 此
能够同时实现大的 光 学足 趾
,高 的成 像 分辨 率 和较
强的回波接收强 度。 由于 采 用直 视 观察,成 像无 阴
影。虽然 直 视
SAIL
的 基 本 原 理 与 侧 视
SAIL
不
同,但是 其成 像 采用 与 侧视
SAIL
相同 的 交轨 向 傅
里叶变换和顺轨向相位二次项匹配滤波的算法。直
视
SAIL
适合 于 对 地 观 察 应 用,逆
SAIL
的 形 式 也
特别适用于空间活动小目标的探察。
本文第二节中给出了直视
SAIL
的一般性物理
结构,第三节在数学上 详 细描 述 了包 括 目标 信 息获
取和成像处理的基 本 原理,第 四节 分 析了 成 像分 辨
率和讨论了成像中的交叉干扰问题。
2
直视合成孔径激光成像雷达的一般
性结构
直视
SAIL
工 作 状 态 是 其 光 轴 垂 直 对 准 目 标
面,雷 达 搭 载 平 台 的 运 动 方 向 为 顺 轨 方 向 (记 为
狔
方向),顺轨的正交 方 向 为 交 轨 方 向(
狓
方 向),光轴
方向为雷达的直视方 向(
狕
方向),图
1
给出 了 直视
SAIL
和侧视
SAIL
的工作方式示意,均属于条带扫
描模式
[
14
]
。
图
1
直视
SAIL
和侧视
SAIL
的工作方式
Fi
g
.1 O
p
erationmodesofdownlookin
g
SAIL
andsidelookin
g
SAIL
本文提出的直视
SAIL
一般性结构的功能模 块
图见图
2
,一个直 视
SAIL
由发 射 机、接 收机 和 控制
计算机构成。对于一个特定的应用系统可以根据要
求对模块的排布和结构进行具体设计。
09280022
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