戴佳良 吳代龍

摘 要：合成孔徑激光雷達(dá)具有良好的發(fā)展前景，因?yàn)樗募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，能夠通過(guò)光波合成孔徑實(shí)現(xiàn)高分辨率雷達(dá)成像，保證其核心技術(shù)獲得實(shí)質(zhì)性突破。本文就探討了這樣一種技術(shù)--實(shí)際目標(biāo)的外差探測(cè)技術(shù)，該技術(shù)會(huì)首為粗糙目標(biāo)的粗糙表面建立蒙特卡羅模型，假設(shè)本振光與信號(hào)光的電場(chǎng)振動(dòng)方向相同來(lái)展開理論分析，以獲得粗糙目標(biāo)合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)的仿真結(jié)果，對(duì)其粗糙度變化所帶來(lái)的電流影響進(jìn)行分析，最后得出結(jié)論。本文也將依據(jù)這一思路展開課題分析。

關(guān)鍵詞：合成孔徑激光雷達(dá)；光外差探測(cè)技術(shù)；粗糙度；電流影響

合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)會(huì)專門研究某些粗糙目標(biāo)，但粗糙目標(biāo)的粗糙表面存在高度起伏必然會(huì)對(duì)光外差信號(hào)的調(diào)制效應(yīng)帶來(lái)影響，在不同粗糙度目標(biāo)下會(huì)引發(fā)退相干效應(yīng)。此時(shí)就需要進(jìn)行光外差探測(cè)定量技術(shù)分析，明確光外差信號(hào)的惡化與粗糙目標(biāo)表面粗糙度參量的實(shí)際對(duì)應(yīng)電量關(guān)系。例如當(dāng)粗糙目標(biāo)表面的相關(guān)長(zhǎng)度達(dá)到100 時(shí)，它的光外差信號(hào)會(huì)根據(jù)粗糙表面高度的起伏發(fā)生均方根增加或減小變化，而這一均方根如果超過(guò)0.2 ，則代表光外差信號(hào)相對(duì)偏弱，此時(shí)光外差信號(hào)會(huì)隨著粗糙目標(biāo)表面的相關(guān)長(zhǎng)度減小而減小，為光外差探測(cè)帶來(lái)一定困難，此時(shí)就要采用合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)。

一、關(guān)于激光合成孔徑雷達(dá)

激光合成孔徑雷達(dá)（Synthetic Aperture Ladar，SAL）實(shí)際上就是傳統(tǒng)激光雷達(dá)技術(shù)與合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的綜合體，它可有效提高傳統(tǒng)微波雷達(dá)的空間分辨率，作為雷達(dá)掃描工作效率更高，已經(jīng)成為近年來(lái)全世界所熱議研究的重點(diǎn)技術(shù)課題。但是該技術(shù)在實(shí)踐應(yīng)用過(guò)程中會(huì)受到光外差探測(cè)技術(shù)的制約影響，這是因?yàn)楣馔獠钐綔y(cè)實(shí)現(xiàn)條件異?？量?，會(huì)涉及到列入模式匹配、偏振匹配、波前匹配等等問(wèn)題，所以目前的激光合成孔徑雷達(dá)技術(shù)可以講還尚不成熟。

再一點(diǎn)，從技術(shù)硬性指標(biāo)來(lái)看它的光波波長(zhǎng)片段，所以在分析某些物體目標(biāo)表面的高低起伏過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較大相位差，因此可以說(shuō)它的多數(shù)研究目標(biāo)表面都是粗糙的也就可以解釋。舉個(gè)例子，如果波長(zhǎng) =530nm時(shí)，它所存在的高度差就會(huì)引發(fā)回波 相位差，此時(shí)的目標(biāo)表面不同位置回波外差信號(hào)一定會(huì)出現(xiàn)相互抵消，勢(shì)必降低外差效率。因此研究對(duì)象目標(biāo)的隨機(jī)粗糙面高度起伏必然會(huì)對(duì)高度起伏外插信號(hào)產(chǎn)生影響。某些研究中會(huì)將目標(biāo)表面視為是光滑面，不考慮目標(biāo)的高低起伏粗糙面問(wèn)題，也不考慮由粗糙面所引起的退相干效應(yīng)，如此繼續(xù)研究則會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)性能評(píng)估誤差，不利于合成孔徑激光雷達(dá)技術(shù)的功能有效發(fā)揮。

在本文看來(lái)，在使用合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)技術(shù)時(shí)，需要針對(duì)目標(biāo)粗糙表面建立蒙特卡羅模型，利用該模型來(lái)分析粗糙表面的高低起伏程度良好與高度起伏均方根問(wèn)題，同時(shí)計(jì)算表面的橫向起伏長(zhǎng)度，最后結(jié)合研究數(shù)據(jù)分析目標(biāo)表面粗糙程度所導(dǎo)致的光外差中頻信號(hào)退相干效應(yīng)問(wèn)題，以便于開展光外差信號(hào)數(shù)值仿真過(guò)程，達(dá)到深入探討粗糙表面粗糙程度的光外差信號(hào)變化目的[1]。

二、針對(duì)粗糙表面的目標(biāo)合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)理論解析

在針對(duì)粗糙表面目標(biāo)物進(jìn)行目標(biāo)合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)分析過(guò)程中，可假設(shè)不考慮光學(xué)系統(tǒng)與傳輸路徑二者可能引發(fā)的光程差問(wèn)題，所以可結(jié)合信號(hào)光與本振光初相位與振幅影響思考粗糙目標(biāo)表面所存在的隨機(jī)高低起伏狀態(tài)，以達(dá)到探測(cè)光敏面所產(chǎn)生的光電流相位差問(wèn)題，分析粗糙表面所產(chǎn)生的光外差信號(hào)為中頻電流所帶來(lái)的實(shí)際影響。在實(shí)際的研究中，應(yīng)該利用探測(cè)器光敏面思考光電流相位差對(duì)光外差信號(hào)的實(shí)際影響，然后用坐標(biāo)軸 直觀表示粗糙目標(biāo)表面的高度起伏凹凸不平現(xiàn)象，結(jié)合合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)下的回波信號(hào)思考粗糙目標(biāo)表面的高度變化關(guān)系，如下式：

再次假設(shè)如果探測(cè)器光敏面在研究中被均勻劃分為多個(gè)小面元 s，且有 ，如果此時(shí)假設(shè)時(shí)間t =0，則有：

結(jié)合上式就可以分析得出如果利用合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)粗糙目標(biāo)中頻電流的快速詭異，但由于它受到粗糙表面起伏

影響，需要進(jìn)一步建立粗糙目標(biāo)表面模型，即上文所提到的蒙特卡羅模型，結(jié)合線性濾波法，對(duì)粗糙目標(biāo)表面的高度起伏做逆快速傅里葉轉(zhuǎn)換。在蒙特卡羅模型建立過(guò)程中，如果不存在任何光學(xué)系統(tǒng)像差，則需要對(duì)應(yīng)探測(cè)器劃分來(lái)明確目標(biāo)表面單元，具體可可劃分為 單元，并假設(shè)面元面積應(yīng)該為 ，此時(shí)它目標(biāo)邊長(zhǎng)應(yīng)該為 ， ，那么由此可了解到粗糙目標(biāo)表面上的每一個(gè)起伏高度面元都應(yīng)該表示為：

所以在歸一化中頻電流影響下，利用蒙特卡羅模型可以了解到粗糙目標(biāo)表面的高低起伏均方根應(yīng)該與表面相關(guān)長(zhǎng)度 有直接關(guān)系，如果 不同，就說(shuō)明中頻電流也是不同的[2]。

三、針對(duì)粗糙表面的目標(biāo)合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真結(jié)果分析

如上文的一系列理論實(shí)踐分析可了解到粗糙目標(biāo)表面存在高低起伏的凹凸不平現(xiàn)象，所以采用到了蒙特卡羅模型構(gòu)建仿真模型，對(duì)表面的不同位置回波進(jìn)行了探測(cè)分析，得出了不同的光外差數(shù)據(jù)，引發(fā)退相干效應(yīng)，所針對(duì)仿真對(duì)象的光信號(hào)接收信噪比也有大幅度下降。所以總結(jié)來(lái)說(shuō)不同粗糙表面的表面形貌仿真結(jié)果也是不同的，它應(yīng)該基于高斯分布研究展開。具體到實(shí)際研究中，例如對(duì)草地的粗糙度進(jìn)行分析，它就涉及到不穩(wěn)定層粗糙度的計(jì)算問(wèn)題，要計(jì)算草地的粗糙程度平均值，然后再利用回波信號(hào)構(gòu)建周期函數(shù)模型，結(jié)合草地各個(gè)位置的不同粗糙目標(biāo)表面起伏來(lái)進(jìn)行回波相位分析，以明確調(diào)制效應(yīng)。

（一）粗糙度變化對(duì)粗糙表面歸一化中頻電流的影響結(jié)果分析

粗糙目標(biāo)表面的粗糙度變化一定會(huì)對(duì)歸一化中頻電流產(chǎn)生一定影響，它基本上基于粗糙表面的橫向變化與縱向變化兩方面展開。舉例來(lái)說(shuō)，用粗糙目標(biāo)表面粗糙度的縱向變化來(lái)分析它對(duì)歸一化中頻電流所產(chǎn)生的具體影響。此時(shí)就要用到蒙塔卡羅模型，基于高度起伏均方根以及粗糙表面相關(guān)長(zhǎng)度 共同分析粗糙面的重要參量，明確高度起伏均方根縱向的基本變化特征，同時(shí)也要表示粗糙目標(biāo)粗糙面的的表面輪廓凹凸變化狀況，同時(shí)分析倉(cāng)促安眠的高度變化劇烈程度，將這兩大變量作為是分析歸一化中頻電流影響結(jié)果的重要變化參量。

假設(shè)粗糙表面的相關(guān)長(zhǎng)度l 已是定值，那么此時(shí)就可以分別對(duì)100個(gè)具有不同粗糙程度表面的粗糙目標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓它們均通過(guò)歸一化中頻電流，然后再計(jì)算中頻電流的平均值，最后再基于縱向理念計(jì)算100個(gè)平均值的歸一化中頻電流高度起伏方根，看起伏方根的變化過(guò)程。以下結(jié)合x，y軸展開計(jì)算，設(shè)置粗糙表面的相關(guān)長(zhǎng)度分別為 ，假設(shè)條件為：

如此粗糙表面的相關(guān)長(zhǎng)度l始終保持不變，那么粗糙表面的高度起伏離散點(diǎn)就應(yīng)該保持在1000 左右，而采樣間隔應(yīng)該為 [3]。

總結(jié)：

為粗糙目標(biāo)粗糙表面建立蒙特卡羅模型，基于合成孔徑激光雷達(dá)信號(hào)仿真技術(shù)優(yōu)化目標(biāo)回波光外差信號(hào)以及目標(biāo)粗糙程度參量，可保證光外差信號(hào)的基本穩(wěn)定有效，實(shí)現(xiàn)對(duì)粗糙表面雷達(dá)信號(hào)結(jié)果的仿真優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1]黨文佳，曾曉東，馮喆琚.目標(biāo)粗糙對(duì)合成孔徑激光雷達(dá)回波的退相干效應(yīng)[J].物理學(xué)報(bào)，2013（2）：244-252.

[2]李甜田.目標(biāo)粗糙表面對(duì)回波外差探測(cè)的影響[D].西安電子科技大學(xué)，2013.

[3]于香菊.合成孔徑激光雷達(dá)中光外差探測(cè)技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2011.

作者簡(jiǎn)介：

戴佳良，男（1993.4.13），漢族，四川廣安岳池人，大學(xué)本科，助理工程師，研究方向：雷達(dá)發(fā)射機(jī)設(shè)計(jì)

吳代龍，男（1988.1），漢族，重慶，碩士研究生，助理工程師，研究方向：雷達(dá)頻率綜合器設(shè)計(jì)