聚束非相干合成孔径激光成像雷达研究

反射层析激光成像雷达只能获得目标的二维轮廓像,不能对平面目标进行成像。报道了聚束模式下的非相干合成孔径激光成像雷达实验,在这种成像模式下,可以对二维平面目标进行图像重构。采用侧视观察的模式获取目标的角度-距离-强度信息,然后通过滤波反投影实现平面目标的图像重建,并进行了计算机仿真,证明了实验结果的正确性。该系统作为非相干合成孔径激光雷达的一种,实现了区别于目标轮廓的二维成像,具有一定的实际意义和使用价值。     

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。     

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(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。     

自干涉合成孔径激光三维成像雷达原理

在直视合成孔径激光成像雷达(SAL)的基础上,提出了一种自干涉的产生三维成像的原理方法。首先对于交轨向正扫描和反扫描的柱面镜进行位置偏置,造成交轨向成像频谱的平移并产生相对线性相延,然后逐一对一对交轨向正扫描和反扫描收集聚焦像进行相干叠加,并由此产生自干涉。自干涉产生的交轨向平展条纹对于目标面的倾斜投射即可产生包含目标高度信息的波痕干涉图,最后通过解包裹算法产生表征目标表面轮廓的等位线图。本方法采用一发一收的雷达结构通过单航过干涉法实现三维成像,结构简单,原理有效,同时具有抗大气、运动平台等相位干扰能力。     

直视逆合成孔径激光成像雷达外场实验

进行了1.8km和3.4km的直视逆合成孔径激光成像雷达外场实验,给出了远距离成像模式下考虑相位延时的非线性校正算法。实验中,目标为放置在无人机上的角锥和包裹有反射纸的无人机。通过交轨向包络对齐和顺轨向相位补偿算法,先后得到了不同成像距离下的角锥目标图像和1.8km成像距离下的无人机图像。成像距离为1.8km时二维分辨率达到了7.2mm×5.8mm,成像距离为3.4km时二维分辨率达到了12.7mm×9.2mm。     

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。     

合成孔径激光成像雷达中非线性啁啾补偿算法的误差分析

可调谐激光器产生的非线性啁啾相位误差会降低合成孔径激光成像雷达(SAIL)的距离向分辨率。已有的补偿算法中使用的相移公式存在估算误差,外差脉冲补偿方法也存在补偿误差。由理论推导得到适合于实际有限数据的相移公式,对理想相移公式产生估算误差的物理原因进行了分析。建立了条带扫描模式下星载SAIL的计算机仿真模型,并对两个相移公式的估算误差、整体补偿和逐一扫描滤波补偿两种方法的补偿误差进行了模拟。仿真结果验证了理论推导结论。最后,给出了减少SAIL非线性啁啾补偿算法中估算误差和补偿误差的方法。     

相干式CO2激光成像雷达光学系统

根据目标粗糙表面散射回波统计理论和随机相位匹配规则分析了相干激光雷达光学天线参数确定和本振光设计方法,研制了一套扫描激光雷达光学天线系统,并应用于单管线性调频脉冲压缩激光雷达接收到了７．８ｋｍ房屋的散射回波信号,信噪比较好,激光功率约为５Ｗ。     

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。     

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.     

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。     

菲涅耳望远镜合成孔径激光成像雷达实验室验证

对菲涅耳望远镜合成孔径激光成像雷达进行了实验室尺度条件下的原理验证实验。实验中利用不同曲率半径、垂直正交偏振的两个球面波通过二维(2D)扫描方式照明远距离处的目标,接收望远镜接收到的目标回波经过偏振分光镜分成两束作为信号光和本振光进入2×4 90°桥接器,桥接器输出的四路光信号被两个平衡探测器接收,平衡探测器输出电信号经模数转换后经过复数化、两维相位二次项匹配滤波算法处理后可以重构出目标图像。对4.3m处点目标和2D面目标进行了成像实验,取得了具有良好成像分辨率和对比度且带有散斑效应的预期成像结果,证明了该合成成像激光雷达概念的正确性。     

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.     

合成孔径激光成像雷达(Ⅲ):双向环路发射接收望远镜

提出了一种用于合成孔径激光成像雷达的双向环路结构的发射接收望远镜,双向环路包括发射4-f转像系统、接收4-f转像系统和独立的望远镜.发射通道中设置离焦和相位调制平板偏置,接收通道中设置离焦和相位平板偏置.控制发射离焦量,发射相位调制甬数.接收离焦量.接收相位调制甬数.用同一个望远镜可以同时实现空间二次项相位附加偏置的激光发射和消除目标点散射回波接收波面像差的离焦光学接收,并产生雷达运动方向上合适的和可控制的相位二次项历程.从而实现孔径合成成像.详细介绍了系统设计,给出了从发射到光电外差接收的全过程传输方程.     

合成孔径成像激光雷达成像算法研究

在描述了调频连续波信号模型以及其外差接收体制特点的基础上,针对传统合成孔径雷达的“一步一停”模型中忽略的平台连续运动引入的多普勒频移项,采用线性调频连续波信号的合成孔径成像激光雷达瞬时距离较传统合成孔径雷达的改变.推导出在该模型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,一并考虑了在连续波信号模型中多普勒频移项对成像的影响.仿真证明了该算法能有效补偿平台连续运动带来的影响.     

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.     

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...