合成孔径激光成像雷达散斑效应分辨单元成像研究

分析了合成孔径激光成像雷达(SAIL)受散斑效应影响的分辨单元成像过程并推导了含有散斑效应的二维数据收集方程。在此基础上通过数值模拟分析比较了不同接收天线尺寸、不同天线积分起点位置情况下散斑效应对成像所需的光电流交流项、距离向压缩和最终分辨单元成像结果的影响。结果表明散斑效应对分辨单元成像的影响主要体现在降低了分辨单元的图像强度,同时不同天线尺寸和天线积分位置对分辨单元的成像影响差异较大。分析结果可为今后SAIL散斑效应的抑制提供一定的参考。     

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(Ⅵ):时空散斑效应和外差探测信噪比

研究了合成孔径激光成像雷达成像过程中激光散斑效应对于光学外差探测的影响,考虑了光学天线孔径对于散斑的审间平滑效应,特别是提出了时间变化的散斑统计特性并进行了数学分析,因为线性调频激光在一次激光曝光时间过程中激光散斑的花样是变化的.最终给出了考虑时空散斑效应的光子受限外差探测信噪比.     

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.     

大口径合成孔径激光成像雷达演示样机及其实验室验证

合成孔径激光成像雷达(SAIL)的主要技术指标如光学足趾尺寸和成像分辨率等都必须在所设计的远距离传输后实现.提出了一种在实验室空间近距离实现SAIL全系统贯通验证的方法,即在SAIL中附加光学装置使得其在近距离产生发射光束的准几何投影和足够大的外差接收视场,从而产生近距离二维SAIL成像必需的并且适当的光学足趾和方位向...     

激光片光三维传感中降低散斑影响的新方法

提出一种激光片光三维传感中降低散斑影响的新方法,片光面内扫描合成孔径法。通过向被测物体表面投射面内扫描的片状激光束,产生空间变化的动态散斑光场,这样的光场在成像透镜光瞳平面上的移动,其时间平均效果等效于利用了一个大的“合成孔径”,降低了散斑的影响,明显地提高了测量精度。文中给出了合成孔径的理论分析和三维面形测量的实验结果。     

高能激光自主自适应光学系统及激光散斑效应

设计了高能激光自主自适应光学系统,利用高能激光的主动照明探测方式对目标进行探测。由于接收到的探测回波光场受散斑效应的影响,因此建立了探测系统的物理模型,具体分析散斑效应的影响。通过散斑光强自相关函数,理论上分析确定了散斑的平均尺度;通过部分相干理论,研究了该系统接收面散斑孔径积分场复相关函数并讨论了不同散斑天线尺度比情况下的积分场复相关函数宽度;分析了目标的成像放大率和理想分辨率,讨论了物像尺度与焦平面光斑尺度之间的关系;通过系统的数值仿真,分析了不同尺度散斑对焦平面光斑阵列的影响;叠加大气湍流,确定了散斑场对大气湍流探测的影响。结果表明散斑尺度介于阵列子孔径和大孔径尺度之间为最佳设计,此时较高的位移测量精度和整体探测率可以兼得。     

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。     

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。     

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.     

像面散斑平均尺寸对激光散斑成像的影响

以激光散斑衬比分析为基础的激光散斑成像技术,是一种无需扫描的全场光学成像方法,在监测生理及病理状态下组织血流动态变化中的应用日益广泛.在实际应用中,像面散斑平均尺寸等多种因素影响散斑衬比值,使得该技术在反映血流变化的准确性方面受到影响.采用一种成像散斑计算机模拟方法研究了像面散斑平均尺寸对成像散斑统计特性的影响,分析了成像参数与像面散斑尺寸的定量关系,并通过物理模型实验对模拟结果进行了验证.研究结果确认了合理的像面散斑平均尺寸计算公式,证实了散斑衬比值随像面散斑平均尺寸增大而减小的现象,并为确定合理的成像参数提供了依据.     

等离子体中散斑光场的传输特性

为了深入了解激光驱动惯性约束核聚变系统中连续位相板所产生的散斑在抑制等离子体非线性效应时起到的作用,采用统计光学理论及矩阵光学方法,分析了散斑在等离子体中的传输特性,并通过数值模拟计算了散斑的自相关函数值.在此基础上,解释了散斑抑制等离子体非线性效应的机制,通过定量计算揭示了散斑光场的自相关长度在传输过程中的变化.结果表明,高密度等离子体中的散斑自相关长度更短,这有助于对等离子体中各类非线性效应的抑制.     

从恒星强度干涉仪、星体散斑干涉仪到空间强度自关联合成孔径望远镜

随着天文观测对空间分辨率性能需求不断提升,迫切需要发展十米级、百米级甚至公里级光学合成孔径的望远镜。传统光学共位相的合成孔径成像技术面临着高精度相位技术的挑战,难以将长基线的合成孔径成像拓展到光学波段。强度干涉的测量方法对相位相对不敏感,为长基线的光学合成孔径提供了可能的技术方案。分别梳理了恒星强度干涉仪、星体散斑干涉仪的发展历程和关键科学问题,并分析了空间强度自关联合成孔径望远镜的技术特点和发展潜力。通过总结三种技术方案的特点,可为我国发展长基线光学合成孔径成像系统提供参考。     

合成孔径激光成像雷达(Ⅱ):空间相位偏置发射望远镜

报道一种可以进行空间相位偏置的光学望远镜,用作合成孔径激光成像雷达中的光学发射天线.在望远镜内放置相位调制平板,控制望远镜的离焦量和位相调制平板的相位函数,能够在激光望远镜的照明区产生可控制的附加空间相位二次项,灵活改变激光照明波前,以在目标回波接收信号中产生雷达运动方向上的所需的二次项相位历程,因此能够实现特定的方位向成像分辨率.     

高斯谢尔光束通过湍流大气漫射目标的散射统计

基于广义惠更斯菲涅耳原理分析了高斯谢尔光束通过湍流大气漫射目标的散射统计特性。假定相位结构函数起主导作用,根据高斯谢尔光束的交叉密度函数,推导了散斑场的互相干函数表达式,进而得出接收面处的散斑尺寸大小和强湍流起伏的时延协方差函数表达式。数值分析了源相干长度、波长、湍流强度对互相干函数的影响。对理想漫射目标,接收面的散斑尺寸大小由束腰宽度、源相干长度和湍流强度确定,随着湍流强度的增加,散斑尺寸变小;在弱湍流区,散斑尺寸由源相干长度决定,当湍流增强时,散斑尺寸大小逐渐趋于一致。     

高斯谢尔光束通过湍流大气漫射目标的散射统计(英文)

基于广义惠更斯菲涅耳原理分析了高斯谢尔光束通过湍流大气漫射目标的散射统计特性。假定相位结构函数起主导作用,根据高斯谢尔光束的交叉密度函数,推导了散斑场的互相干函数表达式,进而得出接收面处的散斑尺寸大小和强湍流起伏的时延协方差函数表达式。数值分析了源相干长度、波长、湍流强度对互相干函数的影响。对理想漫射目标,接收面的散斑尺寸大小由束腰宽度、源相干长度和湍流强度确定,随着湍流强度的增加,散斑尺寸变小;在弱湍流区,散斑尺寸由源相干长度决定,当湍流增强时,散斑尺寸大小逐渐趋于一致。     

基于多色散斑延长效应的表面粗糙度测量及影响因素分析

粗糙表面在多波长激光束照射下形成的多色散斑场显示出散斑延长效应,利用此效应可以测量表面粗糙度,并且测量结果在一定条件下不受粗糙表面横向特征的影响。通过模拟计算随机粗糙表面的多色散斑场,以空间平均的多色散斑场局部自相关函数研究了平均散斑延长率〈χ〉对表面轮廓均方根偏差σh的依赖关系,分析了测量系统因素,如入射激光波长组合、成像器件光敏单元尺寸和动态范围对测量结果的影响。结果表明,以空间平均的局部自相关函数代替集平均的散斑自相关函数描述多色散斑延长效应是有效的;为达到一定的粗糙度测量精度,应选择合适的入射激光波长组合和合适的成像器件光敏单元尺寸。     

激光光斑形状和尺寸对扫描显示中散斑对比度的影响

计算了圆形、矩形激光光斑对于激光扫描显示系统中散斑对比度的影响.对于圆形光斑,当光斑尺寸大于散射表面相关长度时,得到的散斑对比度随着光斑尺寸变小而下降;当光斑尺寸接近表面相关长度大小时,由于光斑中包含的散射颗粒变少,得到的是非高斯散斑,散斑的对比度反而会变大;随着激光斑进一步变小,由于镜面反射效果散斑的对比度会很快下降.对圆形光斑部分结果给出了实验验证.为了保证光斑中有足够的散射颗粒,只在一个方向压窄光斑,分别计算了平行于扫描方向和垂直于扫描方向压窄光斑得到的散斑对比度.平行于扫描方向压窄光斑,散斑的时间相关性会下降,平均效果变明显,散斑的对比度变小;垂直于扫描方向压窄,散斑对比度变化不大.