成像探測相干激光雷達技術研究進展

李道京,高敬涵,崔岸婧,吳 疆

(1. 中國科學院空天信息創新研究院 微波成像技術國家重點實驗室, 北京 100190)

(2. 中國科學院大學 電子電氣與通信工程學院, 北京 100049)

0 引 言

隨著激光技術的發展,激光雷達作為一種現代雷達,目前已得到快速發展和廣泛應用,其典型應用包括目標探測[1-2]、合成孔徑激光雷達(SAL)和逆合成孔徑激光雷達(ISAL)目標成像與識別[3]、地形測繪[4]和水深測量[5-7]、風場測量[8]和微動檢測[9]等。激光信號相干性的提高,已使微波雷達常用的相干探測體制可用于激光雷達,極大地提升了激光雷達的系統性能,未來有可能在沒有大氣影響的空間應用[10-12]中發揮不可替代的作用。

基于單元探測器光纖結構的相干激光雷達的重要特征為采用激光本振相干探測,并通過平衡探測器實現混頻和共模抑制。激光本振的存在使其探測靈敏度高、抗干擾能力強,探測性能在原理上遠優于單光子探測器。關注并深入研究相干激光雷達技術,對激光雷達的發展和應用具有重要意義。基于SAL/ISAL研究工作基礎,本文介紹了成像探測相干激光雷達技術的研究進展。

1 系統設計考慮

系統設計要考慮的因素較多,如波形和偏振選擇、信號處理方法等,對SAL/ISAL來講,還需考慮運動補償方法和寬視場觀測實現的問題。

大氣氣溶膠對激光有散射回波,在大氣層內工作的遠距激光雷達若使用連續波信號,會導致探測靈敏度損失,因此要首選脈沖信號。由于激光波長比微波短4個數量級,振動和平動產生的多普勒頻率很大,微波雷達常用的調頻連續波(FMCW)波形和去斜接收方法難以適用,很多文章和方案中的去斜接收和轉臺成像模型沒有實際應用條件。

相干探測對偏振有嚴格要求。由于大氣對激光有退偏,大部分地物對激光也有退偏,接收僅有一路線偏振的激光雷達可考慮發射圓偏,在偏振接收通道數量有限的條件下,可將退偏造成的能量損失減少到最小。

激光波長短至微米量級,雷達或目標微米量級的振動都會在SAL/ISAL的回波信號中引入較大的振動相位誤差,導致成像結果散焦。在激光波段,幾乎任何目標表面都是粗糙的,難以存在孤立的強散射點,這使傳統的自聚焦方法缺乏使用條件。采用順軌干涉處理方法進行振動相位誤差估計并實施誤差補償[13],進一步發展為正交基線干涉處理運動補償[14],是解決問題的重要措施,其有效性已經得到實驗驗證[15]。

信號處理應充分借鑒現代微波雷達的成熟技術,在距離向(快時間)劃分距離門。對同一距離門,在慢時間(不同重復周期)對回波信號作相干積累,可同時保證距離分辨率和多普勒測速精度。文獻[9]介紹了ISAL對近距運動目標成像和其微動多普勒特征檢測情況。該信號處理方法尤其值得現有風場測量多普勒激光雷達參考。

2 作用距離方程

光纖結構下SAL/ISAL實現寬視場接收一直是爭論的焦點,由此也產生了多種接收方式。要特別說明的是,使用多個單元探測器簡單拼接實現寬視場,不能體現光學探測器物理結構特點,很難成為有效方案。在目前有限視場需求下,應首選束散角展寬方式[16]。微波雷達常用擴束方式[17],其技術實現容易,可用收發互易解釋,物理概念清楚。擴束帶來接收增益損失,有可能影響小信號的模數轉換(ADC)采樣,在電子學領域實施合理的增益補償即可[18]。

此外,在遠距離探測條件下,傳播介質和目標的退偏效應也會影響探測性能。在此基礎上,激光雷達作用距離方程可以表示為

(Tp·Bs)·(Tsa·Bd)

(1)

對于相干探測體制激光雷達,探測靈敏度可由等效噪聲功率來進行表征,相干探測體制下散粒噪聲功率占據主要部分,其等效噪聲功率可以表示為hfcB,目標的成像探測信噪比在ADC后的信號處理中可通過快慢時間的相干積累來進一步提升(至少大于50 dB)。為避免探測靈敏度損失,系統設計要保證回波功率和等效噪聲功率都應大于ADC量化功率門限,設置足夠的電子學增益對保證系統探測性能具有重要意義。

在擴束條件下,文獻[19]介紹了對合作車輛目標二相編碼(BPSK)信號順軌干涉運動補償成像情況,在俯仰擴束外視場順軌干涉處理條件下,結合子孔徑Range-Doppler算法和Stolt變換幾何校正實現了基于BPSK的70 m距離、73°大斜視角的高反射率運動目標ISAL成像,回波數據時長1.2 s,成像分辨率(4 cm)優于方位波束寬度對應的實孔徑分辨率(10.5 cm),可補償的激光振動信號頻率范圍大于30 kHz,運動補償有效提高了兩個通道復數圖像的相干系數。

在發射不同偏振激光的條件下,提高上述實驗系統的電子學增益,用BPSK信號對三輪車目標的成像結果如圖1所示。圖1a)和圖1b)分別為發射垂直偏振激光時,垂直偏振接收通道和水平偏振接收通道的成像結果。圖1c)和圖1d)分別為發射圓偏振激光時,垂直偏振接收通道和水平偏振接收通道的成像結果。

圖1 三輪車成像結果

在該實驗中,收發俯仰擴束后束散角約為3°,回波數據時長1.4 s,基于順軌干涉補償的激光振動信號頻率范圍約50 kHz,成像距離分辨率15 cm,方位分辨率在毫米量級。實驗表明,激光退偏現象明顯,采用圓偏振激光發射時效果略好,兩個通道成像結果相較于垂直偏振激光發射時圖像熵分別減小了0.22、0.10,對比度分別增加了2.02、0.95。實驗在沒有高反射率紙處目標成像輪廓也較為清晰,表明了電子學增益提高后簡潔擴束方法的有效性。

在短波段發射50 W連續波激光,當光纖結構束散角約6 urad時,對1 000 km遠距、3 cm圓板角反射器開展遠距目標探測實驗,存儲示波器和高速ADC同時獲取的6處短時目標信號多普勒頻譜與目標軌道估計的多普勒信息比較情況如圖2所示。

圖2 6處短時目標多普勒頻譜

上述遠距目標探測實驗中,量化的電壓動態范圍為±0.5 V,量化位數為12位,對應的量化功率門限為-68.2dBm。系統帶寬為4GHz,等效噪聲功率為-62.9dBm。當ADC前的圓板角反射器回波功率為-112.2 dBm時,回波信號不能被ADC采樣,需引入50 dB放大器將回波功率放大至-62.2 dBm。在ADC采樣率為1 GHz的條件下,5.12 ms時長回波經相干積累和相位梯度自聚焦算法(PGA)處理后,目標信噪比提升至23 dB量級,驗證了上述作用距離方程在通常大氣條件下對遠距目標的適用性,同時也驗證了回波信號在ADC后相干積累提高探測信噪比的能力。要特別說明的是,上述實驗在斜視條件下目標高速運動產生的最大多普勒頻率達到3.5 GHz,實驗也表明去斜接收方法無法使用。

基于激光本振的相干探測體制工作在散粒噪聲限,直接探測體制工作在熱噪聲或背景噪聲限。由于單光子探測器本質上屬于直接探測體制,在此基礎形成的基于包絡檢波的光子計數探測方法,可用二進制檢測解釋,仍屬于一種非相干積累方式。從原理上講,基于激光本振相干探測器的激光雷達探測靈敏度應遠優于基于單光子探測器的激光雷達。

上述實驗數據分析表明,在望遠鏡口徑為2 m、發射功率為15 kW、激光發射接收波束寬度為25 urad、每目標跟蹤相干積累時間為10 ms時,對1 m尺度目標,激光雷達的作用距離可在1 000 km量級。該作用距離的計算充分考慮了目標特性、實際系統損耗和大氣影響等應用條件。在5 mrad觀測視場下,10個目標跟蹤時間100 ms,數據率可達到10 Hz。當發射脈寬為10 μs,通過距離向數據重排和數字信號處理,也可使多普勒頻率分辨率優于10 kHz,并同時提高探測靈敏度。顯然,采用相干探測體制,激光雷達的目標探測性能將大幅提高。

3 衍射光學系統和激光/紅外復合

激光“單色”的特點,使激光雷達特別適合使用衍射光學系統,如輕量大口徑衍射薄膜鏡[20]?；谘兄瞥龅难苌浔∧ょR結合全光纖光路多通道相干激光雷達原理樣機,開展了SAL/ISAL成像試驗工作[15,21]。該衍射光學系統樣機激光中心波長1.55 μm,具有一發四收視場部分重疊功能,每組單模光纖接收波束寬度3 mrad～5 mrad,通過激光頻率變化可調整接收波束寬度[18]。

為具備主被動探測、寬視場普查、窄視場詳查結合能力,該研制樣機為激光/紅外雙波段復合共口徑成像系統,推動了光電成像技術的發展。雙波段衍射薄膜鏡通光口徑為120 mm,衍射環數大于1 100,表面粗糙度Ra 55,衍射薄膜鏡及其測試結果如圖3所示。

圖3 雙波段衍射薄膜鏡及其測試結果

4 陣列探測器及其應用

2020年美國Point Cloud公司研制出基于硅光芯片的FMCW激光雷達相干陣列探測器[22],像元規模為512(32×16),其結構形式來自光波導結構激光相控陣,可供SAL/ISAL使用。目前國內單元規模在1 000的激光相控陣收發芯片正在研制中,與美國公司類似的產品也在研發中。隨著激光探測器技術發展,其像元規模不斷擴大,激光SAL/ISAL探測器的應用顯然不應止步于現有微波系統結構下的單元探測器。采用相干面陣探測器,SAL/ISAL圖像有望和傳統光學圖像形式接近,即由現在的方位向和距離向,轉為方位向和俯仰向。

考慮到大多數運動目標同時存在兩維微轉/平動,根據SAL/ISAL成像原理,在激光波段即可實現兩維高分辨率成像(在短波0.001°小轉角即可實現5 cm分辨率),且無需發射和處理寬帶信號,這將使SAL/ISAL成像系統變得簡單?；谛滦拖喔申嚵刑綔y器,文獻[23]給出了一種SAL/ISAL兩維成像方法,并采用了現有光學系統結構,具有瞬時視場大、成像速度快的特點。

相干陣列探測器后級聯高速ADC。當像元規模較大時,數據量很大,技術實現困難?，F階段其應用主要為了解決瞬時視場問題,通過多幀低分辨率圖像的合成孔徑處理形成高分辨率圖像,不僅技術復雜,在總體性能上還面臨大規模激光焦平面探測器的競爭。為此,需考慮利用現有大規模紅外直接陣列探測器結合空間光路混頻激光全息方法實現SAL/ISAL成像[24]。

利用像元尺寸20 μm、規模為320×256的短波紅外直接陣列探測器,搭建桌面原理驗證系統,對方位向運動的汽車模型獲得的成像結果如圖4所示。7幀低分辨率復圖像經合成孔徑處理和運動補償明顯提高了方位向成像分辨率,成像結果的圖像熵由9.346 9減小到9.098 3,對比度由1.287 7增加至2.041 3。

圖4 基于空間光路混頻和直接陣列探測器的合成孔徑激光成像結果

采用紅外直接陣列探測器基于全息成像方法[25]實現激光相干成像,其優點是可利用的像元規模較大,初始復圖像分辨率較高,但空間光路混頻引入的誤差環節較多,影響復圖像形成精度,而其積分電路的存在,可能會限制目標相對運動速度。基于該技術路線開展深入的研究工作,對發展相干激光雷達成像技術也具有重要意義。

5 結束語

目前,相干探測技術已廣泛應用于微波成像,隨著光電子技術的快速發展,基于激光的光器件技術已大量應用于微波雷達,而微波雷達技術也越來越多地應用于激光雷達。分析微波成像和光學成像間的關系,研究成熟的基于相干探測的微波成像技術在光學成像領域應用的可行性,對基于電磁波的微波和光學成像探測技術融合發展,具有重要意義。

本文介紹了相干探測體制激光雷達技術的研究進展,結合SAL/ISAL研究工作情況,討論了相干激光雷達波形設計、偏振選擇、信號處理方法、擴束下的作用距離方程和探測性能、探測器形式、衍射光學系統激光雷達的優勢和激光/紅外復合成像探測等問題,有望提升SAL/ISAL系統性能,滿足遠距寬幅高分辨率成像的應用需求,對新一代激光雷達的研制、激光雷達與微波雷達的融合發展具有一定的指導意義。