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                                  合成孔徑激光雷達的非成像衍射光學系統和探測性能

                                  作者:188比分直播時間:2018-12-25點擊數:

                                  合成孔徑激光雷達(SAL)是合成孔徑雷達(SAR)在激光波段的一種應用形式  ,也可稱爲激光SAR  ,通過發射寬帶激光信號獲取縱向高分辨率,通過合成孔徑技術獲取橫向高分辨率。由於SAL的波長較短,目標橫向運動和自轉形成非常小的角度(約千分之四度 ,0.07mrad)就可以使SAL獲得0.1m的橫向分辨率圖像  ,這使得SAL在原理上可以高數據率對遠距離目標進行高分辨率成像觀測  。激光信號相干性提高  ,已使SAL的技術實現成爲可能 ,其應用方向包括機載和星載對地觀測以及地基的空間目標觀測,深入開展相關研究工作 ,具有重要意義 。

                                  1. SAL與非成像衍射光學系統

                                  與傳統光學系統圖像概念不同,SAL獲取的圖像在斜距-多普勒頻率兩維 。需要寬的接收視場,但不要求具有高的空間角分辨率 ,具備採用一個或少量光電探測器/光纖準直器實現激光雷達寬視場接收的使用條件  ,在原理上可用“非成像光學系統” 。據此特點 ,SAL應可通過偏置探測器/光纖準直器在“離焦”狀態形成重疊視場 ,以進行振動相位誤差估計 ,也應可通過“散焦”擴大瞬時觀測範圍。

                                  SAL單色且波長較長的特點  ,使其特別適合採用衍射光學系統,通過衍射器件(如二元光學器件和膜基透鏡)實現信號波前控制,減小焦距並有利於系統的輕量化,在此過程中,SAR相控陣天線的模型可用於分析衍射光學系統的性能,SAR常用的信號處理方法可用於實現孔徑渡越補償和聚焦。一個在壓縮光路中饋源和主鏡兩處使用二元光學器件的機載SAL非成像衍射光學系統如下圖所示。

                                  圖1機載SAL非成像衍射光學系統示意圖

                                  2018年10月 ,188体育直播孫豔玲副教授用實驗驗證了寬視場激光回波信號收入單模光纖的可行性,這使得SAL相干探測所需的混頻及後續信號處理在實現結構上較爲簡單 。

                                  2.相干探測和SAL的作用距離

                                  激光具有波粒二象性,SAL充分利用了激光的波特性  。採用與微波雷達方程類似形式可進行SAL的作用距離分析,其單脈衝信噪比表達式可寫爲:

                                  目前 ,通過長時相干積累探測單脈衝信噪比爲-30dB目標信號的微波SAR已很常見,SAL也應具備類似的性能 ,並可全面引入SAR的信號處理方法。2014年 ,美國Montana州立大學進行了微弱回波SAL成像實驗 ,證明SAL可在分辨單元回波能量接近單光子的情況下進行相干成像,其圖像信噪比在0dB水平 ,假定其相干成像用了10個脈衝 ,目標的單脈衝信噪比在-10dB量級 。該實驗從一個方面表明了SAL具有良好的微弱信號探測能力。

                                  由於SAL使用相干探測體制 ,本振信號的存在使目標微弱回波可實施光電轉換爲後續相干和非相干積累提供條件 ,其探測性能應遠優於目前的單光子探測器,該特點很值得關注 。

                                  中科院電子所李道京研究員團隊在SAL非成像衍射光學系統和探測性能方面進行了有益的探討   ,相關研究工作已發表在《雷達學報》2018年第2期“合成孔徑激光雷達光學系統和作用距離分析”(李道京 ,胡烜)。

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