直视合成孔径激光成像雷达原理

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。     

合成孔径激光成像雷达(Ⅴ):成像分辨率和天线孔径函数

基于合成孔径激光成像雷达(SAIL)二维数据收集方程和成像算法,研究了圆形孔径和矩形孔径光学望远镜天线的方位向成像分辨率,导出了点扩展函数的解析表达式,分析了理想成像点尺寸及其光学足迹中心偏离、相位二次项匹配滤波失匹、空间采样宽度、采样周期等的影响;也研究了距离向成像分辨率并分析了非线性啁啾补偿等的影响.对于各种影响因素都给出了数学判据,特别是发现了矩形孔径的光学望远镜可以产生适合于SAIL扫描方式的矩形光学足趾并消除方位向分辨率不均匀降低,可以设计最佳的矩形孔径的尺度分别控制光学足趾在方位向及其垂直方向上的尺度,得到大扫描宽度和高方位向分辨率;也发现了目标外差延时必须尽量小以克服非线性啁啾和初始光频不稳定性相位误差.     

合成孔径激光成像雷达的光学成像处理

提出了一种合成孔径激光成像雷达(SAIL)光学成像处理器的原理方案,基于侧视/直视SAIL单点目标回波收集方程,对此光学处理器的数据加载时空坐标转换、成像分辨率、成像处理能力等方面进行了理论分析,并进行了实验验证,给出了SAIL大口径验证样机获得的目标回波数据的成像结果。此SAIL光学处理器结构简单、紧凑、功耗低,且具有实时、实地处理SAIL回波信号的能力,在未来机载、星载SAIL系统中有广泛的应用前景。     

基于散斑抑制的合成孔径激光成像雷达的结构和工作模式

目标漫反射产生的激光回波散斑效应严重影响合成孔径激光成像雷达(SAIL)的成像质量。在体系结构上提出了抑制散斑效应的系统性解决方案,建立了SAIL结构和工作模式设计的理论基础。研究了SAIL中与目标分辨单元尺寸、啁啾波长变化、目标相关性质和接收面光强随机分布有关的散斑统计特性。定义了SAIL光学接收天线的散斑孔径积分场复相干函数,它是天线孔径相关函数和目标分辨单元相关因子的卷积,其宽度就是可实现的孔径合成长度,给出了实现较大的孔径合成长度的发射口径、接收口径和实际孔径合成长度的设计原则,发现和分析了由啁啾散斑移动产生的拍频信号波动。最后建议采用滑动聚束模式来有效使用散斑效应造成较短的孔径合成尺度,因为其光束扫描宽度对SAIL移动距离有放大作用。同时也提出了具有多发射机/多接收机的多通道结构以提高回波散斑光场的探测率。     

合成孔径激光成像雷达的二维傅里叶变换成像算法

提出了合成孔径激光成像雷达(SAIL)的二维傅里叶变换成像算法,即对回波信号进行顺轨向相位二次项共轭补偿后直接实施二维傅里叶变换。归纳了啁啾光源侧视SAIL,平移二次项波面直视SAIL和偏转平面波面直视SAIL的数据收集方程,采用连续变量和函数说明了算法的成像过程,并分析了矩形和圆形天线孔径下的成像分辨率,最后给出了离散傅里叶变换的表达形式。算法中交轨向和顺轨向的时间域数据均直接变换到频率域成像,给出了圆形孔径天线SAIL的随交轨向变化的顺轨向成像分辨率的解析解。     

合成孔径激光成像雷达散斑天线接收特性分析

合成孔径激光成像雷达(SAIL)时空散斑效应严重影响了成像质量。在时空散斑效应基础上,分析了合成孔径激光成像雷达中的散斑天线接收特性,建立了光学接收天线散斑孔径积分场的物理模型,模拟了目标分辨单元光学接收天线散斑孔径积分场距离向时间变化、方位向空间变化的二维分布。分析了不同接收天线散斑尺度比、不同天线积分起始位置对接收天线散斑孔径积分场的影响,并根据其统计性质得到散斑效应影响较小的接收天线尺寸和接收天线积分范围,为合理设计散斑效应较小的接收天线尺寸提供了参考,对进一步分析时空散斑效应如何影响SAIL目标成像有直接意义。     

合成孔径激光成像雷达的二维匹配滤波成像算法

提出了一种合成孔径激光成像雷达(SAIL)的二维匹配滤波成像算法,对利用单频本振激光与线性调频信号光外差接收得到的SAIL目标回波信号同时在距离向、方位向进行相位二次项匹配滤波以实现目标成像。给出了单频本振信号外差接收情况下的单一分辨单元的二维数据收集方程,并对SAIL二维匹配滤波成像算法进行了数学描述,具体分析了矩形和圆形天线孔径下的成像分辨率,给出了此算法对模拟SAIL回波信号的成像处理结果。     

多通道宽幅度合成孔径激光成像雷达收发装置优化研究

本文开展了多通道宽幅度合成孔径激光成像雷达(SAIL)收发装置的优化研究,提出了一种实现远场瞬时宽幅式的成像方法,并给出了多通道宽幅度SAIL收发装置的结构图。重点对发射光路进行了研究,分析了光纤阵列器中发射光束排布的特点,并给出了光纤阵列器中发射光纤的倾斜排布方案。而后,对发射光纤排布方案进行了优化,建立了多通道宽幅度SAIL发射装置的发射光束排布模型,给出了光纤阵列器中发射光束排布的最佳方案并进行了分析。最后,给出了多通道宽幅度SAIL接收装置中阵列探测器的结构图。这对远距离高分辨率宽幅度的机载SAIL研究具有重要的意义。     

直视式合成孔径激光成像雷达电控抛物波面扫描器

研制了直视式合成孔径激光成像雷达(SAIL)电控抛物波面扫描器,该扫描器由线性相位调制的电光晶体和柱面镜构成,其中电光晶体采用4个三角形电极施加电场实现线性相位调制,具有体积小、响应速度快等优点。实验测试表明该直视式SAIL电控抛物波面扫描器获得了与理论吻合的抛物波面相位,扫描准确可控,很好地验证了该扫描器在直视式合成孔径激光成像雷达应用的有效性。     

合成孔径激光成像雷达(Ⅳ):统一工作模式和二维数据收集方程

提出了合成孔径激光成像雷达(SAIL)的一种统一的工作模式,即激光雷达运动的同时进行光束扫描.同时推导了点目标激光雷达方程,据此还定义了SAIL二维数据收集方程,二维数据收集方程组是合成孔径激光雷达的数据产生和收集过程中的完整数学表达,并给出了统一模式的二维数据收集方程.从统一工作模式可以分解出条带扫描模式、聚束模式、滑动聚束模式和光束扫描模式,及其相应的简化二维数据收集方程.上述的光束扫描模式是一种激光雷达和被观察面之间相对静止而只采用光束扫描实现孔径合成成像的新方法,具有特殊的应用范围.     

Laboratory demonstration of spotlight-mode down-looking synthetic aperture imaging ladar

We present a tabletop-scale spotlight-mode down-looking synthetic aperture imaging ladar(DL SAIL) demonstrator, which is performed by a collimator with 10 m focal length to simulate the far-field optical field.A specular-point target and a diffuse-reflection target have been used for resolution analysis and 2D imaging,respectively. The experimental result is in agreement with the theoretical design. The experiment setup is capable of simulating a real application scenario for further study. This Letter is focused on the proposition and implementation of spotlight-mode DL SAIL.     

Imaging process and signal-to-noise ratio improvement of enhanced self-heterodyne synthetic aperture imaging ladar

This Letter gives the general construction of an enhanced self-heterodyne synthetic aperture imaging ladar(SAIL) system, and proposes the principle of image processing. A point target is reconstructed in the enhanced self-heterodyne SAIL as well as in down-looking SAIL experiments, and the achieved imaging resolution of the enhanced self-heterodyne SAIL is analyzed. The signal-to-noise ratio(SNR) of the point target final image in the enhanced self-heterodyne SAIL is higher than that in the down-looking SAIL. The enhanced self-heterodyne SAIL can improve the SNR of the target image in far-distance imaging, with practicality.     

Far-field outdoor experimental demonstration of down-looking synthetic aperture ladar

A specific system structure of down-looking synthetic aperture imaging ladar(SAIL) is given, and a far-field experiment over 6 km of down-looking SAIL under this system design is carried out. The down-looking SAIL can overcome the influence of atmospheric turbulence to a great extent. By applying this system design, it also has advantages in self-compensating phase modulation. A fine image is obtained after aligning in the orthogonal direction and phase error compensation in the travel direction based on a dominant scatterer. The achieved imaging resolutions in the two dimensions are both better than 5 cm.     

Experimental research of circular incoherently synthetic aperture imaging ladar using chirped-laser and heterodyne detection

Synthetic aperture imaging ladar (SAIL) technique belongs fully coherent processing in both the time domain and space domain and has a rather high implement difficulty. To solve this problem, the concept of circular incoherently SAIL is introduced. A speckle version image of a two-dimensional (2D) letter ’E’ target is reconstructed from E-field projection data detected by a circular incoherently SAIL system. The experimental system is constructed by three subsystems using chirped-pulse laser as the light source and heterodyne detection to get the range information of the target. The reconstruction of the image and the noise effect are also discussed in detail.     

Speckle reduction of synthetic aperture imaging ladar based on wavelength characteristics

We propose a speckle-reduction method based on wavelength characteristics of speckle effect in synthetic aperture imaging ladar （SAIL）. The return signal, which is the back scattering field with speckle effect from the rough surface of target, can be integrated over N chirp periods and heterodyne detected with a local-oscillator signal. After performing image processing respectively, the final image can be regarded as the incoherent superposition of the N sub-images. Numerical simulations indicate the effectiveness of this method. Our research may facilitate practical applications of SAIL.     

大量程激光位移传感器的成像系统设计

为了解决目前国内自主研发的激光位移传感器基准工作距离短和测量范围小的问题,设计了一种适用于远距离测量的大量程激光位移传感器成像光学系统。基于激光三角测量原理,结合具体使用要求计算了大量程激光位移传感器的性能指标和成像光学系统的设计参数。选择5片式透镜结构作为系统的初始结构,利用光学设计软件对大量程激光位移传感器成像光学系统进行了仿真,完成了系统优化和性能分析,实现了基准工作距离为1 000 mm、量程为±500 mm、分辨率为0.4 mm的大量程激光位移传感器成像系统设计。结果表明,在测量范围±500 mm内,系统均可以满足成像质量要求。该激光位移传感器成像系统具有工作距离远、测量量程大、结构简单的特点,可满足1 000 mm远距离处大量程范围的测量使用要求。     

一种机载合成孔径成像激光雷达聚束模式成像算法

合成孔径成像激光雷达是一种新的主动式有源的成像系统,可以获得比合成孔径雷达更高的分辨率,和更接近光学图片的效果.首先,在理想条件下分析了调频连续波的信号模型,推导出在连续波系统聚束模式下一种适用于机载合成孔径成像激光雷达系统的频率变标算法.然后,使用傅里叶变换法对符合von Karman谱的随机相位屏模拟大气湍流,并分析了Fried参量和合成孔径长度之间的关系.最后,仿真说明真空中采用方位预处理可以消除图像重影,并且补偿多普勒频移项可以消除8.6～9.3dB的能量损失和使图像散焦的现象.而在有大气影响时,合成孔径长度的选择小于Fried参量时,图像方位向可以良好聚焦.     

尺度缩小合成孔径激光成像雷达的孔径合成实验

设计了一种尺度缩小的合成孔径激光成像雷达(SAIL),在实验室平台上模拟实施远场传输条件,相应地解决了波前测量和外差质量监视技术,实现了一个目标点的方位向孔径合成实验,实验结果与理论预测相近.