機載合成孔徑激光雷達關鍵技術和實現方案分析

李道京*①② 張清娟①②③ 劉 波①②③ 楊 宏① 潘 潔①

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機載合成孔徑激光雷達關鍵技術和實現方案分析

李道京張清娟劉 波楊 宏潘 潔

(中國科學院電子學研究所 北京 100190)(微波成像技術重點實驗室 北京 100190)(中國科學院大學 北京 100049)

該文介紹了機載合成孔徑激光雷達的研究現狀，分析了國內研究工作的主要問題和系統關鍵技術，并結合原理樣機實例，提出了合成孔徑微波SAR電子學技術和光學技術相結合的系統實現方案，同時分析了未來實用系統指標和技術途徑，論述了機載合成孔徑激光雷達的應用方向。

激光雷達；合成孔徑；成像處理；相干探測；相位校正

1 引言

激光雷達成像系統和光學成像系統一樣，其空間分辨率都受系統光學孔徑的限制。對于一定的工作波長，一定大小的系統光學孔徑，分辨率會隨著距離的增加而下降。因此，高分辨率的遠距離成像需要很大的系統光學孔徑，在實際系統中很多因素限制了系統光學孔徑的增加。機載合成孔徑激光雷達(Synthetic Aperture Ladar, SAL)由于采用合成孔徑的原理，分辨率不隨著距離的增加而下降，因此能獲得更高的分辨率，在超高分辨率觀測技術領域有廣闊的發展前景。

美國雷聲公司于2006年2月報導了機載合成孔徑激光雷達實驗結果，該樣機采用了1.5mm成熟的激光光源和光纖器件。2006年4月美國諾斯羅普·格魯門公司采用最新研發的CO激光器，在美國國防部先進研究項目局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)的資助下，成功演示了機載合成孔徑激光雷達成像實驗。上述機載實驗驗證了該技術在空間遠程探測和高分辨率成像應用中的巨大潛力。在美國軍方的繼續資助下，該技術正朝實用化方向進展。2011年美國洛克希德-馬丁公司獨立完成了機載合成孔徑激光雷達演示樣機的飛行實驗，對距離1.6 km的地面目標實現了幅寬1 m，分辨率優于3.3 cm的成像結果。

本文分析了SAL國內研究工作中的主要問題，結合機載SAL原理樣機實例，提出了合成孔徑微波SAR (Synthetic Aperture Radar)電子學技術和光學技術相結合的機載SAL系統實現方案，分析了未來實用系統指標和技術途徑，論述了其應用方向。

2 國內研究工作中的問題和下步工作思路

國內中國科學院上海光機所、西安電子科技大學、中國科學院電子所、中國科學院上海技術物理所都積極開展合成孔徑激光成像技術研究工作，均取得了分辨率在毫米級的成像效果，但存在的主要問題有：

(1) 狀態：主要工作停留在室內桌面試驗狀態，尚未形成機載SAL實驗系統；

(2) 分辨率：桌面系統的分辨率在毫米量級，遠高于航空實際應用需求的5～10 cm分辨率；

(3) 體制：為產生大的距離向信號帶寬，采用了類似SAR頻率步進的技術方案，用慢時間獲取信號帶寬；為形成方位向帶寬的相對空間步進也很慢，由此產生長達數十分鐘的數據獲取時間，在該條件下對運動誤差的測量提出了過高的要求，沒有考慮到機載SAL合成孔徑成像時間在毫秒量級的特點；

(4) 處理：從事研究工作單位多集中在光學專業，對將目前高分辨率SAR的成像處理技術和相位補償方法用于SAL考慮不多。

值得注意的是，和廣泛使用的激光通信技術一樣，目前的微波SAR也經常使用激光光纖延時線，將寬帶微波信號(常用的如8～12 GHz)采用調幅方式調制到光波，經光纖延時后，再經包絡檢波解調到微波頻段，注入雷達天線和接收機用于寬帶微波信號的內定標。

激光調幅技術也可考慮用于激光測風雷達，此時其測距和多普勒測速雖等效在微波頻段完成，但空氣分子和氣溶膠回波幅度對激光載波較為敏感的屬性仍可保留。與此同時，該調幅技術也可考慮用于3維地形測繪激光雷達，在維持激光波束窄空間分辨率高的基礎上，采用微波SAR脈沖壓縮技術實現遠距離高距離分辨率探測，并平衡峰值功率和平均功率的矛盾。

在激光調幅技術發展的同時，電信號在激光載波上的相位/頻率相干調制和解調器件技術也得到了長足的發展，在國內機載SAL的研制思路上，本文考慮將微波SAR高水平的電子學技術和光學技術結合，顯然有利于機載合成孔徑激光雷達的工程實現。事實上美國洛克希德-馬丁公司的機載實驗系統就是使用了相位編碼信號并有效結合了電子學技術和光學技術的各自優勢。

3 機載SAL的實現方案和關鍵技術

本文機載SAL系統擬采用微波SAR電子學技術和光學技術結合的實現方案，涉及的關鍵技術包括機載SAL系統設計技術，高靈敏度激光信號相干調制解調技術，高分辨率寬幅成像技術，大功率高相干激光信號放大發射和接收技術，運動誤差處理和相位誤差高精度補償技術，高分辨率激光成像和數據處理技術，大氣擾動抑制技術等。

為便于分析問題，給出一個機載SAL原理樣機的主要技術指標如表1所示。

表1機載SAL原理樣機的主要技術指標

Tab. 1 Main technical index of airborne SAL prototype

3.1方案設計思路

系統采用脈沖壓縮體制獲取高距離分辨率，所需的寬帶信號波形可選擇為線性調頻LFM信號或相位編碼信號。采用高頻率穩定度點頻激光光源，將寬帶信號相干調制在激光載波上利用光放大器放大后經光學系統發射，回波經光學系統接收放大后，經激光外差探測相干解調成電信號，采用微波SAR的技術流程進行信號處理。

為解決激光光源相位不穩定以及和微波信號源不相干問題，將激光發射信號耦合到接收機中，進行數據采集和記錄，利用該耦合信號形成參考信號對回波進行脈沖壓縮，同時實現激光和微波信號初相位變化校正。

合成孔徑成像時間在毫秒量級(2～4 ms/1.5 km斜距)，平臺振動的問題可通過光學相機穩定平臺(或磁懸浮穩定平臺)隔離載機振動解決，同時實現激光波束指向穩定，采用激光器倒掛在穩定平臺上的方式實現其在艙外機腹下的側視工作。

3.2系統實現方案

基于上述思路，圖1給出了機載SAL原理樣機系統實現方案框圖。系統主要由激光單元(含激光光源、發射和接收端放大器、激光信號相干調制器、激光相干外差探測解調器)、微波單元(含低噪聲放大器LNA、濾波器、微波信號相干調制和解調器、頻率源、定時器、相位編碼信號或線性調頻LFM信號產生器等)、數據單元(含AD和數據記錄器)、穩定平臺、位置和姿態測量系統(Position Orientation System, POS)、監控單元和電源等組成。

系統實現框圖考慮了相位編碼和線性調頻LFM兩種信號形式，分別對應微波單元Ⅰ和微波單元Ⅱ。當使用相位編碼信號時，由碼產生器電路/高速DA產生的相位編碼信號直接作用于激光相位調制器，在激光載波上產生相位編碼信號，利用光放大器放大后經光學系統發射。回波經光學系統接收放大后，經激光外差探測相干解調成電信號通過AD采集。當使用線性調頻LFM信號時，該線性調頻信號的產生、調制、發射、接收和解調過程和微波SAR接近。

圖1 機載SAL系統實現方案框圖

載機選為“運12”飛機。由于體積重量較小，SAL原理樣機主機，包括激光單元、微波單元和POS，可整體安裝在一光學相機常用的PAV30/80穩定平臺上，其它數據單元、監控單元和電源可安裝在艙內機架上。

由于“運12”飛機飛行高度較低，飛行速度較慢，SAL主機可通過穩定平臺直接掛在艙外機腹實現側視。基于上述安裝布局，載機僅需要具備可安裝PAV穩定平臺的窗口，機腹下具有足夠的適于主機工作的離地空間，機頂可安裝POS所需的GPS天線，具備DC28V供電能力，而不需對飛機進行較大的改裝。

3.3 系統參數

經過分析和計算初步確定本文機載SAL原理樣機參數如表2所示。

表2機載SAL原理樣機參數

Tab. 2 Parameters of airborne SAL prototype

3.4 主要性能指標分析

(1) 作用距離和信噪比

本文機載SAL原理樣機最大作用距離設置為1.5 km，依據表1所列樣機參數經計算分析，系統的單脈沖信噪比可優于15 dB。假定相干積累有效脈沖數按100個考慮，可提高信噪比20 dB，系統成像信噪比可以優于35 dB。

(2) 方位向信號帶寬和重復頻率

本文機載SAL原理樣機最大作用距離設置為1.5 km，其最大脈沖寬度設置為1ms，為保證測距不模糊，其重復周期約為11ms，對應的最高脈沖重復頻率PRF約為90 kHz。本文激光波束寬度(發射光束散角)確定為約0.8 mrad，當載機速度為50 m/s，正側視時其方位向的多普勒帶寬約為51.6 kHz，當重復頻率選為90 kHz，其方位向過采樣率為1.7倍；當重復頻率選為83 kHz，其方位向過采樣率為1.6倍。由此確定本文重復頻率變化范圍為83～90 kHz。

(3) 光源的頻率穩定度和信號頻譜分析

微波SAR信號具有較高的頻率穩定度，為進一步提高圖像質量，對微波信號源又提出了嚴格的相位噪聲要求，相位噪聲主要產生寬帶相位誤差，會使SAR圖像的對比度、信噪比下降，積分旁瓣比升高。

激光雷達的波長短至微米量級，其頻率穩定度較差。本文機載SAL原理樣機實現5 cm分辨率所需發射信號帶寬約為3.6 GHz，經分析，激光脈沖間信號500 kHz的頻率變化即可對成像產生影響。為解決光源頻率不穩定問題，距離向脈沖壓縮時可在距離頻域做濾波處理，舍棄脈沖間頻率變化范圍對應的頻率分量，當脈沖間信號頻率變化范圍相對發射信號帶寬較小時，對距離向分辨率的影響不大。

目前高穩定激光器譜線寬度已可達到10 kHz量級，對應的頻率穩定度也在±10 kHz/10～20ms量級，其光源性能可滿足使用要求。

確定本文機載SAL原理樣機最小的合成孔徑時間為2 ms，合成孔徑長度為0.1 m，方位分辨率為1.1 cm，其對應的頻率分辨率為500 Hz。回波信號方位向全孔徑帶寬為51.6 kHz，對應的全孔徑方位向分辨率約為1 mm，全孔徑合成孔徑時間為20 ms，全分辨率合成孔徑長度為1 m，但要實現5 cm分辨率，在方位頻域只需要1 kHz的信號帶寬。

上述分析表明，機載SAL成像處理不僅可使用微波SAR的子孔徑成像方法，子孔徑時間2 ms，而且可通過方位頻域濾波處理抑制和運動無關信號的影響。對激光信號以1 kHz帶寬為間隔進行子孔徑成像處理后，可再進行非相干積累提高信噪比，等效做微波SAR的多視處理，在處理過程中也可結合微波SAR常用的自聚焦技術。激光信號方位頻譜分析和處理范圍如圖2所示。

圖2 激光信號方位頻譜分析和處理范圍

(4) 振動影響分析

由于波長很短，載機振動對機載SAL成像的影響嚴重，文獻[13]提出了一種振動自動抑制方法很值得關注。為減少振動影響，本文機載SAL原理樣機擬將整個激光單元裝在具有減振器的PAV30/80穩定平臺上。

對一個典型的減振器來說，當振動頻率從10 Hz變化至250 Hz時，加速度量值從1 g衰減到0.014 g，衰減倍數為71倍；振動頻率從100 Hz變化至250 Hz時，加速度量值從0.11 g衰減到0.014 g，衰減倍數為7.9倍。根據減振器的頻率特性，振動頻率越高，殘留的振動幅度越小，采用穩定平臺，可大幅度緩解20 Hz～2 kHz振動頻率對本文成像的影響。

根據分析，目前機械穩定平臺的位置精度在50mm量級，未來磁懸浮穩定平臺的位置精度在30mm量級，由于平臺振動誤差遠大于波長，振動產生的較大相位誤差顯然不能滿足成像要求，且會使激光回波信號頻譜受到影響，并進一步影響自聚焦技術的使用。經過分析，方位向的振動對成像影響較小，以下主要分析距離向振動的影響，并引入多普勒頻率對其描述。

本文機載SAL原理樣機合成孔徑成像時間在2 ms左右，其信號頻率分辨率約為500 Hz，平臺振動產生的多普勒信號頻率小于500 Hz時，系統已不能分辨，故振動影響分析應主要考慮振動產生的多普勒頻率在kHz量級的信號，并需將平臺振動產生的多普勒頻率控制在一定的范圍里。

在對應于250 Hz振動頻率的4 ms時間內，當平臺的位置移動范圍為±5mm，在激光波長上可能產生的多普勒頻率為±10 kHz；在對應于100 Hz振動頻率的10 ms時間內，當平臺的位置移動范圍為±15mm，在激光波長上可能產生的多普勒頻率為±12 kHz；在對應于50 Hz振動頻率的20 ms時間內，當平臺的位置移動范圍為±25mm，在激光波長上可能產生的多普勒頻率約為±10 kHz。上述分析給出了振動產生的信號多普勒頻率變化范圍，當機載SAL方位向運動時振動譜會以周期性正余弦形式調制到激光回波信號的頻譜上。

對振動影響的分析要充分考慮振動產生的機理和本文成像時間較短的特點。通常，振動可分為低頻和高頻兩部分。從振動產生的機理上來說，低頻振動通常都是多頻分量，但低頻振動的影響需要較長的時間才能夠體現，本文毫秒量級短時間成像的特點使其影響通過頻域子帶濾波容易得到抑制。根據振動產生的機理，高頻振動通常都是單頻分量且頻率相對固定，距離向的高頻振動主要會使激光信號的方位頻譜受到調制并影響成像，通過對振動譜進行參數估計并實施頻率補償可抑制其影響。對振動影響在頻域處理后，可進一步使用自聚焦技術補償相位誤差以獲得理想的成像效果。

對本文機載合成孔徑激光雷達來說，采用有效的減震措施并選用合理的信號處理方法將是后續工作的一個研究重點，但將平臺振動影響產生的多普勒頻率控制在一定范圍里（如～+10 kHz），對后續的成像處理具有重要意義。

(5) 數據采集方式和數據量

本文機載SAL原理樣機距離向觀測幅寬雖很小，但為解決激光光源信號和微波信號不相干問題，需記錄發射信號并實施初相位校正。設計的一個信號采集方式如圖3所示。

本文5 cm距離分辨率信號帶寬約需3.6 GHz，AD采樣率選為4 GHz，每脈沖距離向采樣時間初步設定在2.3 μs時，其距離向的采樣點數約為9 k。

數據采集過程中，為使系統簡化，用于系統定標的耦合發射信號的記錄在回波后實施，當前時刻記錄的數據用于對下一個重復周期回波信號的定標，相關的初相位校正處理在脈沖壓縮過程中同時實施。

圖3 數據采集和記錄方式

SAL的數據獲取量可以通過如下關系式分析得到：

數據量/秒=2×(距離向采樣點數×量化位數) ×PRF

數據量分析如表3所示。

表3機載SAL原理樣機數據量

Tab. 3 Data volume of airborne SAL prototype

本文數據率較高，因場景較小，合成孔徑時間較短，實際數據記錄時，可以1 s為單位分時記錄，對應的方位向場景尺寸約為50 m。

3.5 技術方案分析

從目前器件的技術指標看，本文機載SAL原理樣機激光單元中涉及的激光光源、激光放大器、激光相干外差探測解調器、微波單元和數據單元的功能指標實現雖有一定難度但均具備可行性，國外對相關問題的一些研究工作參見文獻[11,12]。下面主要針對技術實現方案中的難點進行分析，并提出解決問題的辦法。

(1) 寬帶信號波形選擇和激光信號調制

寬帶信號波形選擇和激光信號調制器的種類和參數密切相關，目前激光信號調制器分為調頻、調相和調幅3種，由于其頻率調制主要使用聲光器件實現，其頻率調制帶寬較小，只能用于低分辨率成像系統，不適合本文機載SAL原理樣機使用，現階段只能考慮使用在激光通信技術支持下發展出的高速寬帶激光相位調制器和激光幅度調制器。

本文機載SAL原理樣機若使用激光相位調制器，其相位調制信號波形可考慮使用二相編碼脈沖信號，信號帶寬約為3.6 GHz，系統實現如圖1中所示的微波單元Ⅰ。選用M序列二相編碼信號時，編碼信號可用碼產生器電路實現，子碼寬度為0.28 ns，該方案要求系統的時間分辨率較高，時間量化間隔需優于0.14 ns，系統時鐘頻率約需8 GHz。當脈沖寬度為1 μs，其碼長為3571；當脈沖寬度為0.57 μs，其碼長為2048；對應的脈壓副瓣電平可優于16 dB(副瓣電平與碼長的平方根成反比)。

采用二相編碼信號存在多普勒容限問題，其多普勒容限為兩倍碼長的倒數。對本文1 μs的碼長信號，其多普勒容限為500 kHz。擴大多普勒容限的一種方法是使用多相碼，極限情況就是對信號相位進行連續調制。若激光相位調制器具備一定的相位連續調制能力，且調制電壓和調制相位具有較好的線性關系，也可考慮用線性調頻LFM信號的相位變化曲線對應的LFM相位信號實施相位調制，LFM相位信號產生需利用高速DA實現。二相編碼信號和LFM信號產生的調制相位如圖4和圖5所示。

二相編碼激光回波信號的相干外差探測，需使用寬帶光電探測器并通過正交雙通道將回波信號解調成IQ基帶信號，供高速AD采樣后提取回波信號的幅度和相位信息，其信號2維成像處理過程和微波SAR相近。

本文機載SAL原理樣機也可考慮使用激光幅度調制器，其信號波形可考慮使用微波SAR常用的線性調頻LFM信號，系統實現如圖1中所示的微波單元Ⅱ。3.6 GHz帶寬的基帶信號可通過高速DA來產生，正交調制在3 GHz的射頻信號上形成頻率范圍為1.2～4.8 GHz的寬帶微波信號，用于對激光信號進行調幅。由于寬帶信號在基帶產生，系統時鐘頻率約需5 GHz。

一般認為，采用調幅信號形式存在信道衰減問題，但本文機載SAL原理樣機由于距離向觀測幅寬很小，該問題的影響可能并不突出，故采用激光寬帶調幅信號，對距離向脈沖壓縮和5 cm距離分辨率的實現應影響不大。采用調幅信號的主要問題在于回波方位向多普勒信號的提取困難，并會導致方位向成像困難。

經過計算，本文機載SAL原理樣機的聚焦深度約為3.2 km，遠大于距離向的觀測幅寬，觀測場景地物散射點應具備相同的多普勒相位變化歷程，基于此性質，可考慮同時再發射1個窄帶調幅激光脈沖信號(該信號在脈寬內不調幅，假定信號脈寬0.5 μs，信號帶寬2 MHz，對應的距離分辨率75 m)在距離向低分辨率方式下獲取地物散射點激光回波方位向的高分辨率多普勒信息。

寬帶調幅信號和窄帶調幅信號可統稱為調幅信號，適當調整激光幅度調制器上選通脈沖的時序和邏輯關系，即可能實現該復合調幅信號的產生。圖6和圖7給出了該復合調幅信號的波形和幅度調制后的激光信號波形示意圖。

上述激光回波信號通過激光相干外差探測解調器后，一方面形成的寬帶微波信號經LNA和帶通濾波器，在射頻完成IQ基帶信號解調，經高速AD采集后，用于距離向的高分辨率脈沖壓縮；另一方面形成的窄帶低頻信號通過正交雙通道解調成IQ基帶信號，供AD采樣后用于獲取回波方位向的高分辨率多普勒信號。此時，用于多普勒信號獲取的光電探測器可選為窄帶，并可使用低速AD。

圖4 二相編碼信號的調制相位

圖5 LFM信號的調制相位

圖6 復合調幅信號的波形

圖7 幅度調制后的激光信號波形

采用復合調幅激光信號形式，客觀上把機載SAL 2維成像所需的距離向和方位向2維高分辨率信號實現過程分解成了兩個1維信號實現過程，即分別形成一個距離向高分辨率信號和一個方位向高分辨率信號。兩個信號均為復信號并可經處理具備相干性，其距離向高分辨率信號具有距離頻譜寬和方位多普勒頻譜窄的特點，方位多普勒頻譜寬度主要由射頻信號波長決定；其方位向高分辨率信號具有距離頻譜窄和方位多普勒頻譜寬的特點，方位多普勒頻譜寬度主要由激光信號波長決定。

從概念上講，將處理得到的激光回波方位向高分辨率多普勒信號相位補入其距離向高分辨率信號，有可能合成出一距離向和方位向均為寬帶的2維信號，實現機載SAL的2維成像。上述復合調幅信號的產生過程中，寬帶調幅信號和窄帶調幅信號兩者在快時間是分離的，這種信號表述形式易于分析問題。從實際應用的角度考慮，兩調幅信號在快時間域也可以疊加產生，其典型的信號形式如文獻[10]，通過濾波即可將其分離。以上這兩種復合調幅信號的相關處理技術都值得進一步研究。

從上述分析結果看，用調相和調幅兩種方式實現激光信號調制，均存在一些問題，相比來說在現階段選用調相方式具有較好的可行性。

由于機載SAL的所需的成像分辨率在厘米量級，其信號頻率調制帶寬相對于光頻很小，隨著器件技術的發展，相信在不遠的將來會出現頻率調制帶寬在3-5 GHz激光頻率調制器，屆時SAL的信號產生、接收、處理流程將和微波SAR趨同。

(2) 激光信號和微波信號的相干處理

為解決激光光源信號和微波信號源不相干問題，將激光發射信號耦合到接收機中，進行數據采集和記錄，利用該耦合信號形成參考信號對回波信號進行初相位校正，即可去除兩個源不相干帶來的隨機初相位，該處理可結合距離向的脈沖壓縮過程完成。這項技術在20年前已廣泛用于磁控管雷達相干性的提高和MTI處理的實現，對本文機載SAL可同時去除激光發射信號調制放大過程中信號相位變化影響，提高全系統信號的相干性。

(3) 激光波束指向控制

本文機載SAL原理樣機激光器波束寬度為0.8 mrad約0.046°，為控制波束指向，擬將整個激光主機裝在PAV30/80穩定平臺上。

穩定平臺的指向控制精度約為0.1°～0.2°，為在存在指向誤差的情況下實現精確成像，系統擬同時配置位置和姿態測量系統(POS510)，其橫滾和俯仰向測量精度為0.005°，真航向測量精度為0.008°，載機速度測量精度為0.005 m/s, POS的測量數據可用于實際激光回波數據運動誤差的初校正。

激光波束指向控制誤差為0.2°時，機載SAL有可能產生225 kHz的多普勒頻差，對碼長較長的二相編碼信號的脈沖壓縮有一定影響。為擴大機載SAL作用距離，需使用碼長較長的相位編碼信號，故研究LFM相位信號相位調制技術具有現實意義。

(4) 成像處理算法

經過分析，正側視時2 ms合成孔徑時間獲得的合成孔徑長度為0.1 m，方位分辨率約為1.1 cm，對應的距離彎曲最大值為8.3×10mm。

經過分析，方位分辨率確定為5 cm時，聚焦深度為32226 m；方位分辨率確定為1 cm時，聚焦深度為129 m。

根據上述分析，本文機載SAL成像算法可選擇為RD算法，非正側視回波信號有距離走動時可考慮在使用POS數據的基礎上用KEYSTONE變換進行距離徙動校正。RD算法的選擇分析，也同時說明了本文機載SAL采用復合調幅激光信號形式實現2維成像的可行性。

(5) 大氣擾動抑制

文獻[8]研究了大氣擾動對激光成像的影響，其結論為當合成孔徑長度小于大氣的相干長度時，可以不考慮大氣對合成孔徑激光成像的影響。本文機載SAL原理樣機作用距離較近，并采用較長的激光波長，有利于緩解大氣擾動的影響。考慮到未來實用系統的要求，大氣擾動抑制問題還需進一步深入研究。

4 未來實用系統指標和技術途徑分析

上面分析了機載SAL原理樣機的技術指標和實現方案，由于作用距離和幅寬較小，很難滿足應用需求。一個機載SAL實用系統的指標如表4所示。

表4機載SAL實用系統技術指標

Tab. 4 Practical specifications of airborne SAL system

提高作用距離和擴大幅寬的的技術途徑包括：增大激光發射功率并提高光源的相干性，將激光光源頻率穩定度提高到優于±5 kHz/(100 μs)；激光光學系統采用交軌向線狀擴束器和多元探測器結合方式使最大瞬時地距幅寬在250 m左右，采用交軌向機械掃描實現1～2 km幅寬覆蓋；成像分辨率隨幅寬調整，其調整范圍為0.05～0.2 m，最高分辨率為0.05 m。

由于系統瞬時幅寬遠小于作用距離，系統可采用高脈沖重復頻率距離模糊工作體制，以保證遠距離探測所需的平均功率。從進一步發展技術的角度出發，也可考慮采用光纖陣列結構并使用正交信號。

5 結束語

合成孔徑激光雷達技術除用于對地2維成像觀測外，在其它方面也具有廣闊的應用前景。主要應用方向包括：高分辨率成像技術研究(成像轉角很小的主動激光成像，在原理上可和可見光圖像融合)，基礎測繪(高空3維激光雷達距離向采用脈沖壓縮，順軌向采用合成孔徑成像體制，提高空間探測分辨率)，大氣風場測量(目前的激光多普勒雷達距離向可改為脈沖壓縮體制)。

合成孔徑激光雷達由于其采用相干體制，代表著激光雷達的發展方向，具有重要的研究價值。本文介紹了機載合成孔徑激光雷達的研究現狀，分析了其關鍵技術并討論了系統實現方案，對后續研究工作的開展具有一定的參考價值。

感謝西安電子科技大學的邢孟道教授、中國科學院上海光機所的劉立人研究員、陳為標研究員、中國科學院上海技術物理所的舒嶸研究員和凌元博士、中國科學院光電院的張珂殊研究員、中國科學院西安光機所的朱少嵐研究員、中國科學院電子所的吳謹研究員對本文研究工作的無私幫助，與他們的討論使我們受益匪淺。

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Key Technology and Implementation Scheme Analysis of Air-borne Synthetic Aperture Ladar

Li Dao-jingZhang Qing-juanLiu BoYang HongPan Jie

(Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)(National Key Laboratory of Science and Technology on Microwave Imaging, Beijing 100190, China)(University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

The current status and the domestic research problems of air-borne Synthetic Aperture Ladar (SAL) are introduced, and key technologies are analyzed. Based on a principle prototype, a system implementation scheme with a combination of SAR electronics technology and optical technology is proposed. Future practical system metrics and technological approaches are analyzed. Further, the application direction of the SAL is clarified.

Ladar; Synthetic aperture; Imaging processing; Coherent detection; Phase correcting

TN958.98

A

2095-283X(2013)02-0143-09

10.3724/SP.J.1300.2013.13021

李道京(1964-)，男，陜西西安人，中國科學院電子學研究所研究員，博士生導師，主要研究方向為雷達系統和雷達信號處理。E-mail: lidj@mail.ie.ac.cn

張清娟(1987-)，女，山東煙臺人，中國科學院電子學研究所在讀碩士研究生，研究方向為多孔徑SAR信號的稀疏性分析和處理。E-mail: qingjuan0535@163.com

劉 波(1984-)，男，山東棗莊人，中國科學院電子學研究所在讀博士研究生，研究方向為雷達信號處理和運動目標成像技術。E-mail: lynnandsky@163.com

2013-03-11收到，2013-05-03改回；2013-05-21網絡優先出版

國家自然科學基金(61271422)資助課題

李道京 lidj@mail.ie.ac.cn