李道京 胡 烜

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所微波成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190)

②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引言

2011年美國(guó)洛克希德-馬丁公司報(bào)道了機(jī)載合成孔徑激光雷達(dá)(Synthetic Aperture Ladar,SAL)演示樣機(jī)的飛行試驗(yàn)情況，對(duì)距離1.6 km的地面目標(biāo)(洛馬公司徽標(biāo))實(shí)現(xiàn)了幅寬1 m，分辨率優(yōu)于3.3 cm的成像結(jié)果[1]，隨后合成孔徑激光雷達(dá)即成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)[2–4]。

2017年，中科院電子所和上光所分別報(bào)道了機(jī)載側(cè)視SAL[5]和直視SAL[6]飛行成像試驗(yàn)情況，獲得了地面高反射率合作目標(biāo)的成像結(jié)果。電子所在飛行試驗(yàn)中采用了穩(wěn)定平臺(tái)，在成像處理中使用了子孔徑自聚焦方法；上光所設(shè)計(jì)了同軸偏振正交的發(fā)射信號(hào)，并對(duì)回波作干涉處理對(duì)消振動(dòng)。這些研究工作，推動(dòng)了國(guó)內(nèi)SAL的技術(shù)發(fā)展。與此同時(shí)，我國(guó)量子衛(wèi)星天地相干激光通信的實(shí)現(xiàn)，繼多普勒測(cè)風(fēng)雷達(dá)之后，在信號(hào)調(diào)制解調(diào)、信噪比和相位鎖定方面再次驗(yàn)證了相干探測(cè)體制的優(yōu)勢(shì)。

目前，基于相干探測(cè)體制的SAL研究工作已得到廣泛關(guān)注，但研究工作主要集中在原理和部分關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證方面，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求的遠(yuǎn)距離高分辨率大功率口徑積SAL系統(tǒng)分析工作不多。本文對(duì)合成孔徑激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)和作用距離進(jìn)行了分析，給出了一個(gè)機(jī)載SAL系統(tǒng)參數(shù)和工作模式，以期為其實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2 光學(xué)系統(tǒng)

2.1 特點(diǎn)

與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)圖像概念不同，SAL獲取的圖像在斜距-多普勒頻率兩維。需要寬的接收視場(chǎng)，但不要求具有高的空間角分辨率，具備采用一個(gè)或少量光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)激光雷達(dá)寬視場(chǎng)接收的使用條件，在原理上可用“非成像光學(xué)系統(tǒng)”[7]，也可工作在“曲面波”狀態(tài)[3]。據(jù)此特點(diǎn)，SAL應(yīng)可通過(guò)“離焦”形成重疊視場(chǎng)干涉抗振，也應(yīng)可通過(guò)“散焦”擴(kuò)大瞬時(shí)觀測(cè)幅寬。

與此同時(shí)，SAL“單色”且波長(zhǎng)較長(zhǎng)的特點(diǎn)，使其特別適合采用衍射光學(xué)系統(tǒng)，通過(guò)衍射器件(如二元光學(xué)器件)實(shí)現(xiàn)信號(hào)波前控制，減小焦距并有利于系統(tǒng)的輕量化。

SAL可使用收發(fā)分置光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)使用光纖激光器時(shí)，一個(gè)小口徑的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)擴(kuò)束處理，即可形成較大的瞬時(shí)觀測(cè)幅寬。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離成像探測(cè)，SAL必須使用較大的接收口徑，若此時(shí)激光回波信號(hào)能收入光纖，則SAL相干探測(cè)所需的混頻及后續(xù)信號(hào)處理在實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上就較為簡(jiǎn)單。由于光纖的數(shù)值孔徑較小(尤其是SAL所需的單模光纖)，從幾何光學(xué)的角度考慮，通常認(rèn)為大口徑條件下寬視場(chǎng)激光信號(hào)收入光纖比較困難[8]，但針對(duì)SAL特點(diǎn)開(kāi)展相關(guān)光學(xué)設(shè)計(jì)工作具有重要意義。

SAL通過(guò)“離焦”形成重疊視場(chǎng)干涉抗振方法，文獻(xiàn)[9]已進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹。為形成大的接收口徑，SAL可采用壓縮光路。在此基礎(chǔ)上，本文首先介紹了基于饋源波束展寬將回波收入光纖并實(shí)現(xiàn)大口徑寬視場(chǎng)接收設(shè)想，然后介紹了饋源和主鏡兩處使用二元光學(xué)器件形成SAL衍射光學(xué)系統(tǒng)的概念。

2.2 SAL觀測(cè)幾何和耦合效率

SAL通常工作在側(cè)視，其觀測(cè)幾何如圖1所示。SAL發(fā)射的激光信號(hào)，以平面波形式到達(dá)觀測(cè)場(chǎng)景，由于距離和方位分辨率較高，目標(biāo)散射單元2維尺寸較小，如距離向尺寸ΔR在0.1 m量級(jí)，不同方向角ωi對(duì)應(yīng)的散射單元回波在不同時(shí)刻ti分別以平面波形式到達(dá)SAL接收望遠(yuǎn)鏡，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦收入光纖轉(zhuǎn)入不同的距離門(mén)Ri分別進(jìn)行成像處理，如圖2所示。顯然，由于SAL視場(chǎng)中不同方向的信號(hào)在不同時(shí)刻收入光纖，其寬視場(chǎng)內(nèi)涵和傳統(tǒng)光學(xué)相機(jī)有很大不同。

光纖準(zhǔn)直器是一個(gè)典型的自由空間到光纖(波導(dǎo))轉(zhuǎn)換器件，其基本結(jié)構(gòu)和參數(shù)如圖3所示，其中MFD為光纖的芯徑(模場(chǎng)直徑)，d為透鏡的焦距，ω為發(fā)散角，D為準(zhǔn)直器透鏡直徑。其透鏡端面至光纖端面耦合效率的近似表達(dá)式為：

式(1)表示的是光纖準(zhǔn)直器透鏡端面至光纖端面的耦合效率，實(shí)際上不直接涉及單模光纖的數(shù)值孔徑問(wèn)題。若考慮透鏡端面至光纖內(nèi)的耦合效率，還需要考慮光纖的數(shù)值孔徑。假定光纖的數(shù)值孔徑為Na，圖3 sinθ＞Na時(shí)，光纖數(shù)值孔徑將影響透鏡端面至光纖內(nèi)的耦合效率，sinθ≤Na時(shí)，光纖數(shù)值孔徑不影響透鏡端面至光纖內(nèi)的耦合效率。假定單模光纖的數(shù)值孔徑Na=0.125，在光纖準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)中若D=15mm ，當(dāng)d≥60mm 時(shí)，即可滿足sinθ≤Na。假定波長(zhǎng)λ=1.55 μm，準(zhǔn)直器口徑D=15mm ，衍射極限對(duì)應(yīng)的最小發(fā)散角μrad。通常單模光纖的MFD較小，若在準(zhǔn)直條件下，根據(jù)式(1)，耦合效率約為1，顯然，當(dāng)波束準(zhǔn)直時(shí)耦合效率最高，此時(shí)的發(fā)散角接近衍射極限對(duì)應(yīng)的最小發(fā)散角。

SAL波束無(wú)需準(zhǔn)直，在非準(zhǔn)直條件下，當(dāng)發(fā)散角等于2°(35mrad)時(shí)，根據(jù)式(1)，透鏡端面至光纖端面的耦合效率約為0.000025。假定波束只需在1個(gè)方向(1維)展寬使發(fā)散角達(dá)到2°，透鏡端面至光纖端面的耦合效率約為0.005000。隨著發(fā)散角的增大，耦合效率會(huì)降低，但這種降低僅是相對(duì)于準(zhǔn)直條件的。由于SAL波束無(wú)需準(zhǔn)直，當(dāng)采用壓縮光路獲得足夠的接收口徑，將該器件設(shè)置在饋源處使用時(shí)，不影響光學(xué)系統(tǒng)接收探測(cè)性能。

和光學(xué)系統(tǒng)中的壓縮光路類似，微波系統(tǒng)中饋源陣列/相控陣饋源和大口徑主反射體結(jié)合的接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，常用于實(shí)現(xiàn)射電望遠(yuǎn)鏡高接收增益和寬視場(chǎng)，典型的如我國(guó)500 m大口徑射電望遠(yuǎn)鏡FAST的接收天線[10]。

2.3 基于饋源相控陣概念實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)接收

近年來(lái)激光相控陣技術(shù)發(fā)展很快，美國(guó)麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology, MIT)的研究工作[11,12]是典型代表，西安電子科技大學(xué)做了跟蹤研究[13]。從目前的研究結(jié)果看，激光相控陣和微波相控陣不僅工作原理相同，其波束掃描實(shí)現(xiàn)方法也基本一致。在陣列空間上插入高階相位(主要為2階及3階相位)，即可將常用的波束掃描轉(zhuǎn)化為波束展寬(微波雷達(dá)常用技術(shù)[14,15]，且收發(fā)互易)，可用于發(fā)射也可用于接收。從原理上講，波束展寬的范圍可以達(dá)到波束掃描的范圍，故光纖相控陣可用于寬視場(chǎng)激光信號(hào)收入光纖。

MIT的激光相控陣天線，光柵可看做輻射單元，耦合臂的長(zhǎng)短決定耦合強(qiáng)度。工作波長(zhǎng)1.55 μm，光波導(dǎo)寬400 nm，輻射單元間距2 μm, 1/4波長(zhǎng)輻射單元尺寸和波長(zhǎng)量級(jí)的輻射單元間距是形成衍射的條件。MIT激光相控陣的工作極大地縮短了光學(xué)系統(tǒng)和微波天線的距離，實(shí)現(xiàn)了兩者理論和方法的統(tǒng)一。在此基礎(chǔ)上，光學(xué)中常用的光譜分光，可與電子學(xué)中的頻掃微波天線概念對(duì)應(yīng)；光學(xué)中常用的多角度分光(衍射分光[16])，可與電子學(xué)中的微波天線柵瓣概念對(duì)應(yīng)，且微波相控陣天線成熟的理論和方法[17]可用于光學(xué)系統(tǒng)分析。

下面以一個(gè)機(jī)載SAL光學(xué)系統(tǒng)為例進(jìn)行分析和說(shuō)明，主鏡口徑300 mm，焦距600 mm，采用20:1壓縮光路。

2.3.1 基于相控陣的寬視場(chǎng)信號(hào)收入光纖機(jī)載SAL光學(xué)系統(tǒng)光路如圖4所示，在饋源處設(shè)置尺寸為15 mm光纖激光接收相控陣，利用其移相器在陣列空間上插入高階相位(如2階相位)，即可將常用的波束掃描(移相器在陣列空間上插入1階線性相位)轉(zhuǎn)化為波束展寬，實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)接收，工作原理同微波相控陣天線。假定使其波束展寬到40°，經(jīng)壓縮光路后可形成2°(約35 mrad)接收視場(chǎng)，此時(shí)機(jī)載SAL在距離5 km處可達(dá)到約350 m地距向瞬時(shí)幅寬，基本滿足使用要求。

2.3.2 1維納米光波導(dǎo)陣+空間高階相位形成器件的寬視場(chǎng)信號(hào)收入光纖機(jī)載SAL光學(xué)系統(tǒng)通常僅需要在地距向一個(gè)方向?qū)嵤┎ㄊ箤挘藭r(shí)在饋源處使用尺寸為15 mm 1維相掃陣通過(guò)波束展寬獲得地距向?qū)捯晥?chǎng)即可，其形式可選擇為1維納米光波導(dǎo)相掃陣，其輻射單元為1維光柵。

1維相掃陣在SAL使用時(shí)，由于僅是用于波束展寬且波束形狀無(wú)需時(shí)變，移相量固定，波導(dǎo)陣中移相器可省去，通過(guò)在空間光輸入方向插入高階相位，即可實(shí)現(xiàn)1維波束展寬將寬視場(chǎng)信號(hào)收入光纖，技術(shù)實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，如圖5所示。這里高階相位形成器件可為高階相位透鏡、相位型空間光調(diào)制器(Spatial Light Modulator, SLM)[18]或二元光學(xué)器件[19]。

2.3.3 光纖準(zhǔn)直器+空間高階相位形成器件的寬視場(chǎng)信號(hào)收入光纖散焦光纖準(zhǔn)直器常用于光纖激光發(fā)射擴(kuò)束，在本文2.2節(jié)使用條件下，寬視場(chǎng)回波也應(yīng)能收入光纖。傳統(tǒng)光學(xué)通常用基于折射原理的梯度折射率對(duì)此進(jìn)行分析，實(shí)際上也可借助輻射單元間距很小相控陣原理對(duì)此建模定量分析，因?yàn)橄嗫仃囂炀€可看做是連續(xù)口徑天線在波長(zhǎng)量級(jí)的離散化，而連續(xù)口徑天線性能也可用基于衍射原理的相控陣進(jìn)行解釋，輻射單元間距小于半個(gè)波長(zhǎng)后，間距的影響已不明顯。在此基礎(chǔ)上，在饋源處尺寸15 mm光纖準(zhǔn)直器前插入高階相位，即可形成寬視場(chǎng)接收系統(tǒng)，如圖6所示。

顯然，當(dāng)高階相位形成器件選為透過(guò)率較高的二元光學(xué)器件，基于光纖準(zhǔn)直器+二元光學(xué)器件的寬視場(chǎng)信號(hào)收入光纖方案最為簡(jiǎn)單。

2.3.4 饋源高階相位形成和參數(shù)分析根據(jù)上述分析，假定主鏡口徑300 mm要實(shí)現(xiàn)2°接收視場(chǎng)，采用20:1壓縮光路時(shí)，饋源處光纖相控陣/準(zhǔn)直器的尺寸為15 mm，其視場(chǎng)應(yīng)大于40°。假定高階相位僅為2階相位，借助相控陣模型可對(duì)所需的移相量和波束方向圖進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)如下：

中心波長(zhǎng)1.55 μm，輻射單元間距1.55 μm(1個(gè)波長(zhǎng))，輻射單元數(shù)9600(陣元數(shù))，最大移相量約5000 rad(對(duì)應(yīng)800個(gè)波長(zhǎng))。

2.4 衍射光學(xué)系統(tǒng)分析

上節(jié)明確了在壓縮光路中饋源使用二元光學(xué)器件，實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)信號(hào)收入光纖的概念，值得注意的是，近年來(lái)膜基衍射成像光學(xué)系統(tǒng)得到了快速發(fā)展[20]，SAL的工作視場(chǎng)較小、使用“非成像光學(xué)系統(tǒng)”、“單色”且波長(zhǎng)較長(zhǎng)的特點(diǎn)，使其特別適合使用衍射光學(xué)系統(tǒng)來(lái)形成大的接收口徑，通過(guò)衍射器件(如菲涅爾透鏡陣列和二元光學(xué)器件)引入較大的移相量實(shí)現(xiàn)波前控制，減小焦距并有利于系統(tǒng)的輕量化。在此基礎(chǔ)上，機(jī)載SAL光學(xué)系統(tǒng)主鏡也應(yīng)能使用透過(guò)率較高的二元光學(xué)器件減少焦距，該器件相當(dāng)于微波天線的移相器，等效在陣列空間上插入波程差對(duì)應(yīng)的移相量的共軛值，將接收的平面波轉(zhuǎn)為同相球面波在焦點(diǎn)處實(shí)現(xiàn)聚焦，由此形成的衍射光學(xué)系統(tǒng)能夠使用相控陣模型在理論上給予充分解釋。這意味著SAL光學(xué)系統(tǒng)除具有“非成像”特點(diǎn)外，和傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)相比將有更大的變化，即可使用非成像衍射光學(xué)系統(tǒng)。

微波相控陣天線成熟的理論和方法可用于光學(xué)系統(tǒng)分析，尤其是衍射光學(xué)系統(tǒng)分析。根據(jù)相控陣原理，相控陣引入的移相量可以2為模進(jìn)行折疊，且可對(duì)0到2的相位進(jìn)行量化處理，移相器的量化位數(shù)將影響波束方向圖的遠(yuǎn)區(qū)副瓣和積分旁瓣比等參數(shù)。 對(duì)衍射光學(xué)系統(tǒng)用透過(guò)率較高的二元光學(xué)器件實(shí)現(xiàn)時(shí)，二元光學(xué)器件臺(tái)階寬度和相控陣輻射單元間距對(duì)應(yīng)，臺(tái)階數(shù)和移相器的量化位數(shù)相對(duì)應(yīng)。臺(tái)階寬度決定了波束方向圖的柵瓣范圍，當(dāng)其小于1/2波長(zhǎng)時(shí)，波束方向圖無(wú)柵瓣；臺(tái)階數(shù)直接影響波束方向圖的遠(yuǎn)區(qū)副瓣和積分旁瓣比；波束方向圖中的主瓣寬度、主旁瓣比、積分旁瓣比、柵瓣分布范圍，表征了衍射光學(xué)系統(tǒng)的效率。為保證衍射效率，臺(tái)階寬度應(yīng)小于一個(gè)波長(zhǎng)或者在波長(zhǎng)量級(jí)，以避免柵瓣的影響，同時(shí)需要較多的臺(tái)階數(shù)，以降低波束方向圖的積分旁瓣比。

關(guān)于二元光學(xué)器件參數(shù)，舉例說(shuō)明如下：在去掉波長(zhǎng)整數(shù)倍光程差部分的條件下，再以幾分之一波長(zhǎng)將二元光學(xué)器件厚度量化(臺(tái)階化)，假定臺(tái)階數(shù)8時(shí)，能以2為模對(duì)所需的移相量實(shí)現(xiàn)8值化處理，移相器的量化位數(shù)就是8。

當(dāng)本文SAL主鏡使用二元光學(xué)器件時(shí)，通過(guò)衍射器件引入較大的移相量實(shí)現(xiàn)回波信號(hào)的波前控制和聚焦，形成的衍射光學(xué)系統(tǒng)性能也能夠使用相控陣模型給予分析。圖10給出了SAL主鏡和寬視場(chǎng)饋源都采用二元光學(xué)器件的衍射光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

當(dāng)中心波長(zhǎng)1.55 μm，衍射主鏡口徑300 mm，焦距600 mm，輻射單元間距1.55 μm(1個(gè)波長(zhǎng))，輻射單元數(shù)約193500, 300 mm衍射主鏡需形成的最大移相量約75000 rad (12000個(gè)波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的波程差18.6 mm)，圖11為衍射主鏡需產(chǎn)生的移相量(主要為2階相位)和對(duì)應(yīng)的波束方向圖。

需要說(shuō)明的是，本文上述仿真中輻射單元間距均選為一個(gè)波長(zhǎng)，主要是為了初步分析柵瓣的分布范圍和相位量化位數(shù)對(duì)波束方向圖以及衍射效率的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)所能實(shí)現(xiàn)的加工精度，深入分析二元光學(xué)器件參數(shù)對(duì)衍射效率和波束方向圖的影響。

以上本文以透射式光學(xué)系統(tǒng)為例，介紹了SAL光學(xué)系統(tǒng)的特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用中，為控制體積重量，機(jī)載SAL應(yīng)考慮使用反射式光學(xué)系統(tǒng)。

3 作用距離和信噪比

3.1 作用距離和單脈沖信噪比

激光雷達(dá)作用距離分析文獻(xiàn)[21]較多，本文SAL作用距離方程采用與微波雷達(dá)[17]類似形式，雷達(dá)方程確定了作用距離和單脈沖信噪比的關(guān)系，其單脈沖信噪比表達(dá)式可寫(xiě)為：

其中，Pt為發(fā)射信號(hào)峰值功率；為發(fā)射增益，θc為交軌向波束寬度，θa為順軌向波束寬度；σ為分辨單元對(duì)應(yīng)的目標(biāo)散射截面積(為目標(biāo)散射系數(shù)σ0、距離向分辨率ρr、橫向分辨率ρa(bǔ)三者之積)；為接收望遠(yuǎn)鏡的有效接收面積，D為接收望遠(yuǎn)鏡口徑；Fn為電子學(xué)噪聲系數(shù)；Tp為脈沖寬度；h為普朗克常數(shù)；fc為激光頻率；Ω為目標(biāo)后向散射立體角；R為目標(biāo)斜距。SAL系統(tǒng)損耗主要包括光學(xué)系統(tǒng)損耗與電子學(xué)系統(tǒng)損耗η=ηele·ηopt;ηopt=ηt·ηr·ηm·ηD·ηoth為光學(xué)系統(tǒng)損耗，ηt為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)損耗，ηr為接收光學(xué)系統(tǒng)損耗、ηm為光學(xué)系統(tǒng)匹配損耗、ηD為光電探測(cè)器的量子效率導(dǎo)致的光學(xué)系統(tǒng)損耗、ηoth為其他光學(xué)系統(tǒng)損耗；ηele為電子學(xué)系統(tǒng)損耗；ηato為大氣損耗。

需要注意的是，與微波SAR不同，計(jì)算激光雷達(dá)作用距離時(shí)目標(biāo)散射的空間立體角通?？稍O(shè)為。值得說(shuō)明的是，和微波SAR類似，全孔徑成像時(shí)SAL的圖像信噪比與距離的3次方成反比，并與方位向分辨率無(wú)關(guān)[22]，本文使用式(2)，主要是為了便于分析SAL子孔徑成像信噪比。上述SAL雷達(dá)方程的特點(diǎn)如下：

(1) 熱噪聲與散彈噪聲

對(duì)接收系統(tǒng)的噪聲，微波雷達(dá)中主要考慮了熱噪聲的影響，在激光雷達(dá)中則需注意考慮散彈噪聲的影響，兩者相差約1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。以溫度300 K為例，熱噪聲大小為4.1400e–021 J；以波長(zhǎng)1.55 μm的激光為例，散彈噪聲大小為1.2825e–019 J，激光雷達(dá)噪聲要比微波雷達(dá)噪聲高2個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2) 電子學(xué)噪聲系數(shù)和損耗

SAL系統(tǒng)涉及光學(xué)和電子學(xué)兩部分，在其雷達(dá)方程中加入電子學(xué)噪聲系數(shù)和損耗，有助于準(zhǔn)確分析其作用距離。

3.2 相干探測(cè)和信號(hào)積累

SAL是相干探測(cè)體制激光雷達(dá)，其成像處理過(guò)程也是一個(gè)相干積累信噪比提升過(guò)程，但要說(shuō)明的是，長(zhǎng)時(shí)間相干積累在原理上有可能形成更高的方位向分辨率并導(dǎo)致目標(biāo)散射截面積下降，由此并不能提高圖像信噪比，此時(shí)需考慮相干積累和非相干積累結(jié)合的處理方案。

當(dāng)脈沖重復(fù)頻率PRF為50 kHz，假定5 cm方位分辨率對(duì)應(yīng)合成孔徑時(shí)間為1.5 ms，對(duì)應(yīng)的相干積累脈沖數(shù)為75，成像處理提升信噪比約18.8 dB。加長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間(波束駐留時(shí)間)到6 ms，采用4視非相干積累可獲得信噪比改善為3 dB，可使圖像信噪比提升約21.8 dB；加長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間到30 ms，采用20視非相干積累可獲得信噪比改善為6.5 dB，可使圖像信噪比提升約25.3 dB。對(duì)SAL，加長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，有助于提高圖像信噪比。

假定保持圖像信噪比15 dB不變，當(dāng)觀測(cè)時(shí)間為30 ms時(shí)，SAL可探測(cè)單脈沖信噪比約為–10 dB的目標(biāo)信號(hào)。SAL使用相干探測(cè)體制，本振信號(hào)的存在使目標(biāo)微弱小回波可實(shí)施光電轉(zhuǎn)換為后續(xù)相干和非相干積累提供條件，其探測(cè)性能應(yīng)遠(yuǎn)優(yōu)于目前單光子探測(cè)器。

目前，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)相干積累探測(cè)單脈沖信噪比為–30 dB目標(biāo)信號(hào)的微波SAR已很常見(jiàn)，SAL也應(yīng)具備類似的性能。2014年，美國(guó)Montana州立大學(xué)進(jìn)行了微弱回波SAL成像實(shí)驗(yàn)，證明SAL可在分辨單元回波能量接近單光子的情況下進(jìn)行相干成像[23]，其圖像信噪比在0 dB水平，假定其相干成像用了10個(gè)脈沖，目標(biāo)的單脈沖信噪比在–10 dB量級(jí)。該實(shí)驗(yàn)從一個(gè)方面表明了SAL具有良好的微弱信號(hào)探測(cè)能力。

相干積累決定SAL圖像分辨率，多視非相干積累決定其圖像信噪比，兩者均需建立在良好的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償基礎(chǔ)上[9]。從實(shí)際應(yīng)用的角度看，SAL必須具有足夠的功率孔徑積以保證圖像信噪比SNR優(yōu)于10 dB，而其良好的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和抗振措施對(duì)保證圖像質(zhì)量也具有重要作用。

4 機(jī)載SAL作用距離示例分析

4.1 技術(shù)體制

SAL觀測(cè)方式為側(cè)視，在距離和方位向形成2維圖像。采用電子學(xué)為主的實(shí)現(xiàn)方案，主要特征為其信號(hào)產(chǎn)生、接收和處理的流程與微波SAR接近。

根據(jù)SAL使用非成像光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)，通過(guò)離焦形成重疊視場(chǎng)干涉抗振，通過(guò)散焦擴(kuò)大瞬時(shí)觀測(cè)幅寬。

根據(jù)SAL短時(shí)子孔徑高分辨率成像特點(diǎn)，通過(guò)正弦整機(jī)擺掃實(shí)現(xiàn)大范圍觀測(cè)。通過(guò)擺掃將距離向觀測(cè)幅寬擴(kuò)大2倍的掃描方式如圖13所示。

4.2 主要指標(biāo)和工作模式

(1)斜距5 km(飛行高度2.5 km，速度50 m/s，入射角60 °)

● 條帶成像模式

? 分辨率：5 cm

? 地距向掃描幅寬：1.5 km (地距向瞬時(shí)幅寬350 m)

? 圖像信噪比：10.3 dB

● 視頻和DBS成像模式

? 0.3 s獲得分辨率5 cm尺寸300 m×350 m信噪比8.8 dB圖像

? 0.15 s獲得分辨率10 cm尺寸300 m×350 m信噪比8.8 dB圖像

? 地距向瞬時(shí)幅寬350 m

(2) 斜距10 km(飛行高度3.3 km，速度50 m/s，入射角70°)

● 滑動(dòng)聚束成像模式

? 分辨率：5 cm

? 圖像尺寸：200 m×1 km(9 s，地距向瞬時(shí)幅寬1 km)

? 圖像信噪比：10 dB

● 條帶成像模式

? 5 cm分辨率圖像信噪比：7.6 dB

? 10 cm分辨率圖像信噪比：12 dB

? 地距向瞬時(shí)幅寬：1 km

4.3 系統(tǒng)參數(shù)和分析

4.3.1 掃描參數(shù)和覆蓋范圍本文機(jī)載SAL通過(guò)交軌向波束掃描±5°可將瞬時(shí)幅寬擴(kuò)大5倍，每?jī)纱螔呙柙诘鼐嘞蛑丿B約50 m。波束順軌向±3°的掃描范圍對(duì)應(yīng)的順軌幅寬約500 m，對(duì)應(yīng)載機(jī)飛行時(shí)間約10 s，與交軌向掃描周期一致，所以2維掃描不影響機(jī)載SAL的條帶成像能力，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)條帶成像。

圖14給出了作用距離5 km條帶成像模式下，通過(guò)掃描將瞬時(shí)幅寬擴(kuò)大5倍時(shí)的波束掃描順序和對(duì)應(yīng)的波束覆蓋范圍示意圖，順軌采用非勻速正弦掃描，掃描周期1～2 s，最大角速度為9.8°/s，交軌掃描周期10 s，掃描參數(shù)如表1所示。

表1 機(jī)載SAL條帶成像模式掃描參數(shù)Tab. 1 Scanning parameters of airborne SAL with strip-map imaging model

在視頻和DBS成像模式下，為擴(kuò)大順軌觀測(cè)范圍和提高成像速率，可提高順軌向掃描角速度和掃描范圍，交軌向不再掃描。在滑動(dòng)聚束成像模式下，可根據(jù)需要調(diào)整順軌向的掃描角速度。

4.3.2 作用距離5 km系統(tǒng)參數(shù)表2給出了作用距離5 km機(jī)載SAL系統(tǒng)參數(shù)。

最大斜視角α=3°，對(duì)應(yīng)多普勒中心正側(cè)視時(shí)瞬時(shí)多普勒帶寬所以PRF可以選為50 kHz，對(duì)應(yīng)不模糊測(cè)距范圍3 km。波束掃描時(shí)，方位向需要根據(jù)掃描角度解除多普勒模糊。

在條帶成像模式下，順軌向波束寬度θa=0.3mrad，對(duì)應(yīng)波駐時(shí)間約3 ms。方位分辨率ρa(bǔ)=0.05m 對(duì)應(yīng)合成孔徑時(shí)間相干積累的脈沖數(shù)為75, 6 ms的波駐時(shí)間對(duì)應(yīng)的多視數(shù)為2。對(duì)于最遠(yuǎn)斜距約5.92 km處的目標(biāo)，雷達(dá)的單脈沖信噪比約–10 dB，相干積累和非相干積累后5 cm分辨率的圖像信噪比約10.3 dB, 10 s時(shí)間內(nèi)圖像尺寸為500m×1500m。

在視頻和DBS成像模式下，對(duì)斜距5 km的目標(biāo)，要獲得5 cm的方位分辨率，需要1.5 ms的波駐時(shí)間，全孔徑時(shí)間30 ms，原理上有擴(kuò)大方位觀測(cè)范圍20倍的機(jī)會(huì)，順軌掃描角速度可為11.7°/s，在300 ms內(nèi)，順軌掃描60 mrad可以獲得一個(gè)分辨率5 cm、尺寸300m×350m(方位×地距)的圖像。圖像信噪比約8.8 dB。將分辨率降到10 cm，順軌掃描角速度可提高到23.4°/s，在150 ms內(nèi)，順軌掃描60 mrad可以獲得一個(gè)尺寸300m×350m(方位×地距)的圖像。圖像信噪比約8.8 dB。

表2 作用距離5 km機(jī)載SAL系統(tǒng)參數(shù)Tab. 2 System parameters of airborne SAL with 5 km detection range

4.3.3 作用距離10 km系統(tǒng)參數(shù)表3給出了作用距離10 km機(jī)載SAL系統(tǒng)參數(shù)。

在條帶模式下，雷達(dá)單脈沖信噪比約–20.6 dB，通過(guò)60 ms的相干積累可以獲得2.5 mm方位分辨率，圖像信噪比1.14 dB，再通過(guò)20視非相干積累將方位分辨率降低為5 cm，同時(shí)提升信噪比約6.5 dB，所以條帶模式下，5 cm方位分辨率的圖像信噪比約7.6 dB。若圖像分辨率設(shè)置為0.1 m，圖像信噪比優(yōu)于12 dB。

在滑動(dòng)聚束模式下，通過(guò)聚束模式將照射時(shí)間提高到180 ms以提高圖像信噪比。在此情況下，可將多視數(shù)提升3倍，提高信噪比2.38 dB，所能獲得的5 cm方位分辨率的圖像信噪比約10 dB。聚束模式下圖像方位向幅寬較窄僅3 m，擬用滑動(dòng)聚束模式擴(kuò)大圖像方位幅寬到100 m量級(jí)，同時(shí)提高圖像信噪比。在9 s時(shí)間內(nèi)波束順軌向掃描范圍為±0.5°，可獲得200m×1000m的圖像，圖像信噪比優(yōu)于10 dB。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)合成孔徑激光雷達(dá)光學(xué)系統(tǒng)和作用距離進(jìn)行了分析，給出了一個(gè)機(jī)載SAL系統(tǒng)參數(shù)和工作模式。本文機(jī)載SAL項(xiàng)目接收口徑選為300 mm，方位向波束寬度0.3 mrad，距離向波束寬度約2°，理論上可實(shí)現(xiàn)的合成孔徑分辨率為2.5 mm，為將發(fā)射機(jī)平均功率控制在100 W量級(jí)，通過(guò)方位向多視提高信噪比將方位向分辨率確定在5 cm。300 mm口徑對(duì)應(yīng)的衍射極限角分辨率約5.17 μrad，傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)在實(shí)際大氣條件下一般能達(dá)到4倍衍射極限角分辨率，在5 km和10 km處能實(shí)現(xiàn)的空間分辨率為10.33 cm和20.66 cm。顯然，和傳統(tǒng)激光雷達(dá)相比，本文機(jī)載SAL的分辨率具有明顯優(yōu)勢(shì)，持續(xù)開(kāi)展相關(guān)研究工作具有重要意義。

表3 作用距離10 km機(jī)載SAL系統(tǒng)參數(shù)Tab. 3 System parameters of airborne SAL with 10 km detection range

致謝感謝西安電子科技大學(xué)孫艷玲副教授，清華大學(xué)曹良才教授，航天科技集團(tuán)508所林招榮研究員，中科院西安光機(jī)所屈恩世研究員和李東堅(jiān)研究員對(duì)本文光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面給予的支持和幫助！

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