光纤发射和接收结构的SAIL系统突破和发展

美国雷声公司于2006年2月17日报道了合成孔径激光成像雷达机载实验结果［21］，该样机采用1.5μm成熟的激光光源和光纤器件。在美国军方的继续资助下，该技术正朝实用化方向进展。图1-7为蒙大拿州立大学桌面SAIL的多模式成像，实现了条带、聚束和三维SAIL图像。图1-8为蒙大拿州立大学极限灵敏度成像实验，在1.2光子／像素条件下仍能实现SAIL成像。

理论教育 2023-06-15

基于Fe：LiNbO3晶体的SAIL光学像重建技术

基于Fe：LiNbO3晶体的SAIL光学像重建光路如图10-29所示。该光路基于前述波面全息记录光路，实验中挡住了记录光支路，平面光波照射Fe：LiNbO3晶体，透射式强度型液晶空间光调制器与CMOS置于Fe：LiNbO3晶体衍射光方向上，LCSLM与晶体间距为70 mm，因此，LCSLM处晶体衍射柱面光波等效焦距为70 mm。经过对原始回波数据的重采样及插值，确定LCSLM数据加载矩阵交轨向采样点300，顺轨向采样点510。

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侧视SAIL原理中的伪随机相位编码

伪随机码的互相关特性可表示为式中，P1和P2为两个独立的伪随机码序列。实现伪随机码的光学相位调制可表示为伪随机相位编码侧视SAIL工作原理如图4-1所示。调制脉冲激光放大器输出的另一束光通过光学延迟线进入复数化监视通道，复数化监视器用于获得伪随机相位编码调制SAIL的参考信号。

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光学接收天线的散斑孔径积分场相干函数优化

包括接收天线散斑场积分的复数相干函数和强度相干函数。光学接收天线散斑孔径积分光场相关函数及其复相干系数定义为在接收面上以一定的接收口径整体采样的散斑场的自相关函数［4］，即这个积分场移动时能够与原来位置的积分光场保持相干的程度。应当注意，接收天线孔径积分场的散斑强度相干函数是一个带有中心峰值和具有最大值一半的恒定值背景所组成的分布，在很大范围内具有较高的相干度。

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直视SAIL的飞行验证实验

如图11-47所示，机载的SAIL激光雷达系统主体包括激光雷达主机、陀螺稳定平台和机架。直视SAIL飞行试验的主要试验目标为对位于大路镇大路通用机场的靶点合作目标成像，其次在起飞和返回过程中对周边的港口、船闸、化工厂目标的回波信号进行采集。机载直视SAIL的目标成像结果如图11-54所示。同时在视场边缘，其激光能量较弱，同时存在高频的相位误差，导致直视SAIL的边缘视场的图像较暗、对比度差，产生图像畸变。

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离焦望远镜的天线接收模式

图2-3为离焦望远镜的示意图。望远镜出瞳在目镜的后焦面，孔径光阑直径d1。望远镜物镜和目镜的离焦量为Δl，望远镜光程为l。望远镜在不离焦的状态下也可以在望远镜之外采用光学系统或附件达到等效的离焦。事实上，望远镜入瞳可以位于物镜前焦面的距离ΔL1上，则望远镜出瞳位于目镜后焦面的距离为ΔL2，有，由此可以改变出瞳位置。

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合成孔径激光成像雷达原理和系统基本原理简介

为了分析说明清楚，先定义坐标和时间系统：菲涅耳望远镜成像激光雷达发射端时间为t1，目标面时间为t2，雷达接收端时间为t3，因此t2=t1-Δt12和t3=t2-Δt12，其中Δt12为从雷达到目标的渡越时间。目标物面的原点的时间信号采用式的扫描路径的反推可以恢复为二维空间分布，其二次项的中心设定在（0，0），即为的扫描采样分布。应当注意，事实上激光雷达的接收信号相对于目标面坐标还有一个时间延时Δt12，在时间域到空间域的变换前应当扣除。

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一维傅里叶变换与匹配滤波

合成孔径激光成像雷达的一维傅里叶变换和一维匹配滤波成像算法对所获得的时间函数数据流先进行交轨向的一维傅里叶变换，然后进行顺轨向一维匹配滤波。傅里叶变换窗口宽度为，匹配滤波窗口宽度为。

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合成孔径激光成像雷达的工作模式优化

前两节分析了条带工作模式下的线性调频的合成孔径激光成像雷达的工作原理。其中光束扫描模式不同于微波领域的扫描合成孔径雷达模式［8］，是一种新的工作模式，在激光雷达与目标相对静止条件下采用光束扫描实现激光合成孔径成像，具有特殊的应用。合成孔径激光成像雷达的光学发射系统发射一定发散度的信号光束，在被测目标平面形成一定直径的发射光斑。

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合成孔径激光雷达的交轨测距原理及实验

基于这种原理的合成孔径雷达不能区分雷达两侧的目标，侧视观察为其必要工作条件。合成孔径激光成像雷达的另外一个发展是交轨向采用窄脉冲激光内相位编码调制和相关接收的测距原理，洛克希德-马丁公司在2011年实现了机载实验［4］，作用距离为1.5 km、光学足趾为1 m左右，同时采用了相位梯度算法来降低大气相位干扰的影响。

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基于单个虚柱面透镜的光学处理器设计

图10-11SAIL虚柱面透镜光学处理器原理方案与坐标关系SAIL虚柱面透镜光学处理器原理方案；坐标系统假定入射平面光波振幅为1，LCSLM调制函数为t（α，β），CCD处的复振幅光场为式中，λi为入射平面光波波长。SAIL虚柱面透镜光学处理器实验室验证装置结构如图10-12所示。所用CMOS像素矩阵为1 280×1 024，像素尺寸为5.2μm×5.2μm，感光面尺寸为6.6 mm×5.32 mm。交轨向附加相位二次项的等效曲率半径为46.024 m，CMOS与LCSLM的距离为406 mm。

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SAIL系统发展：优化望远镜发射和接收结构的啁啾侧视

图1-12光学天线图1-13光源／相干收发／控制端图1-14合成孔径激光成像雷达原理验证装置二维成像结果需要指出的是，上海光机所的实验室原理验证装置采用了自由空间结构的光学系统，而不是国外报道所采用的全光纤系统。

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直面SAIL的光学成像处理技术优化

用于直视SAIL的集成化光学处理器的原理结构如图10-31所示。图10-31用于直视SAIL的集成化光学处理器原理结构俯视图；侧视图用于直视SAIL的集成化光学处理器样机结构如图10-32所示，为了减小处理器长度，增加了两个反射镜用于对光路进行转向。

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Fe掺杂的LiNbO3晶体波面记录技术

利用Hartmann-Shack波前传感器对Fe：LiNbO3晶体所记录波面进行检测。波前检测情况如图10-28所示，其中图，分别为记录光在波前传感器处的强度及相位分布，图，分别为衍射光波即Fe：LiNbO3晶体内全息记录光波的强度、相位分布情况。

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合成孔径激光成像雷达散斑特性与平均尺寸分析

1）合成孔径激光成像雷达散斑的光场和光强相干特性一个成像分辨单元通过自由空间传播在接收面上产生散斑的过程如图9-2所示。激光散斑最基本的统计性质是其花样的平均尺寸，这可以由散斑光强自相关函数给出。2）激光散斑的平均尺度目标面上的一个原始矩形单元dx×dy，在SAIL接收面上散斑的平均宽度为相当于dx×dy的衍射花样的半高全宽。

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聚束非相干合成孔径激光雷达成像验证

本节对聚束非相干合成孔径激光成像雷达进行了实验验证。本节从具体实验出发，通过模拟层析聚束模式的合成孔径激光雷达，证明了聚束非相干合成孔径激光雷达的可行性，并实现了利用实验数据对二维平面目标的图像重建，并用计算机仿真对重建图像进行了验证。与以往的轮廓成像相比，本方法的适用范围更广泛，是真正意义上的聚束非相干合成孔径激光雷达二维成像。

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