激光雷达逆合成孔径成像技术现状及关键问题讲解Word格式.docx
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innoVationaIlddeVelopmentofthe
imaging棚ar
system,inVersesyntheticaperture
lidariscreatiVecombinerofnleISARandlidartechnology.BecauseofmanyadVantagesinimagingand
印plicationprospectinnlemilitaryandciVilafea,tlletechnolog)rofinVerSesyntlleticapenIlrelidaris
becornjngresearchhotspot.ThedeVelopmentandacmalit),ofinVersesyntlleticaperturelidar
are
described
combiIlingseVeralforeigntypicalsystems.ComparedwitllmeIllicrowaVeISAR,thetecllIlologysupedo—t)rand
bottle-neck
meoreticallyaIlalyzed.
AsmeinVerse
syntheticaperture
1idarwofl【sat
shonwaVelengtll,meadVaJltages
ofhighazimutllresolution
andshortcoherentaccumulationtime
easily
obtained.Ont11eotherhand,tllemoref诧quencyshiftofDopplermakesthephasecorrectionofmotion
compensationforⅡleISAR
become
dimcult.Finally,theexistedpmblemsofthe(1eVelopinginVerse
syntIleticaperturelidar,suchas
fkquency
stability
problemofthe
laser
source,
heterodyne
detection,
nlotion
compensationaIldatmoSpherecompensation
welldiscussed.Theresults
illnlispaperwill
be
helpfulinpromotingfuntlerresearches0n
inversesynmeticaperturelidar.
Keywords:
InVersesynmeticapercurelidar;
ISARimaging;
Coherentdetection
收稿日期:
2008—10—lO:
修订日期:
2008一12一lO
基金项目:
武器装备预研基金项目(51483010303Dz2406)
作者简介:
刘旭(1983一)。
男,河南民权人,助教,硕士。
主要从事激光器件、激光雷达成像等方面的研究。
Email:
gd妇s@263.nct
万方数据
第4期
刘旭等:
激光雷达逆合成孔径成像技术现状及关键问题
O引言
激光技术的发展为雷达提供了一种更为理想的辐射源.激光雷达将极高的下作频率和成熟的雷达技术相结合。
将光、机、电、算融合于一体,形成了具有独特性能的崭新雷达体制。
正是激光的良好相干性和极高的工作频率,使得雷达的分辨率(角度分辨率、距离分辨率和速度分辨率)得到了极大的改进。
在军事技
术高速发展的今天。
雷达装备正严峻地面临着包含有
电磁干扰、隐身目标、低空突防和反辐射导弹的“四大威胁”….激光雷达的发展使得雷达的“四抗”能力产生质的飞跃,在低可观测性目标探测、高分辨率目标成像与识别、高精度跟踪与测量等应用领域表现出突
出的技术优势。
成像激光雷达是激光雷达家族中具有重要应用背景和研究价值的一支。
成像激光雷达按照探测器可以分为单元探测器成像激光雷达和焦平面阵列成像激光雷达。
按照扫描方式可以分为机械扫描成像激光雷达、光学相控阵电扫描成像激光雷达和非扫描成像激光雷达。
成像激光雷达的需求牵引和关键技术是获得高的目标空间分辨率和成像速率12圳。
获得高空间分辨率的有效技术途径是.提高工作频率和光电探测
器空间分辨率.提高帧速率的有效方法是,采用无惯
性电子扫描和非扫描一次成像。
因此,传统体制成像激光雷达很难满足这些性能要求,基于光学相控阵的
电扫描成像和基于焦平面阵列组件与激光泛光照明
的非扫描激光成像技术成为获得高空间分辨率和成像速率的生力军,基于SAR,IsAR技术的合成孔径激光雷达成像正是出于这种认识而提出的。
国内研究人员对激光雷达SAR/ISAR成像技术领域的研究涉及较少,参考文献[4】和[5】提出过合成孔径激光雷达成像的问题.但是深入的研究和实验性
的工作并未展开.国内至今还没有公开报道过采用逆
合成孔径方法研究激光雷达成像的问题。
国外有几家研究机构对激光雷达逆合成孔径成像问题进行了理论和实验研究.并且取得了值得关注的研究进展卜wJ。
这些新进展使人们看到了全面提升激光成像雷达作
战效能的前景。
文中主要结合国外一些典型的激光雷
达ISAR成像系统。
介绍激光雷达逆合成孑L径成像的研究进展和技术现状,理论上分析激光波段逆合成孔
径成像技术相比于微波波段的优势和瓶颈问题,讨论
激光雷达逆合成孔径成像技术发展的一些关键问题。
1激光雷达逆合成孑L径成像技术发展及现状
早在20世纪60年代末70年代初就有人开始研究
光波波段的逆合成孔径成像技术。
这个阶段的研究主要
是在概念上进行了简单的实验验证。
美国国家飞行器研究实验室T.S.Lewis等人用波长为10.6恤m、功率为
4
W的连续CO:
激光器作辐射源在红外波段实现了逆
合成孔径成像【蜘。
实验中采取在目标处放置反射镜来获
取本征光的方式实现外差探测,收发装置是固定的,目
标在控制板上沿着一条直线匀速滑动,反射的回波在空间与由反射镜反射的本征光进行相干叠加,得到包含目标多普勒信息的回波信号,用所记录的多普勒频谱信息制作一个光栅来实现目标图像的重建。
如图l所示。
图l(a)为回波数据,图l(b)为目标图像重建。
该实验验证了逆合成孔径原理在光波波段的实现,但是在实际中是不适用的,因为在实际应用中不能通过在目标处放置反射
镜来获取本征光的方式来实现外差探测。
图l
T.S.Lewis实验的ISAR成像结果Fig.1
ISAR
ima舀ng他sultofT.S.Le奶sexperiment
20世纪80年代后,T1lomasG.Kyle提出了一种
对连续激光源进行编码的逆合成孔径成像方式。
通过对回波信号进行快速Hadamard变换来获得目标的图像【8】。
具有代表性和重要意义的激光雷达逆合成孔径成像技术研究进展及成果主要有以下几个范例。
1.1“火池”C02激光雷达逆合成孔径成像【9-埘
1968年.在美国国防部高级研究署的资助下.MTI林肯实验室在马萨诸塞州西部浅滩的磨石山靶
场上建成“火池”激光雷达研究中心.主要用于地基
目标、航行器、弹道导弹和卫星等目标超远距激光雷达的测量和研究工作。
1972年,林肯实验室的RobertS.Cooper教授论
证了宽带、大功率激光雷达距离一多普勒成像的问题。
fm
红外与激光工程第38卷
在随后的近十年中,由于技术原因“火池”激光雷达只进行了飞机和卫星的窄带单脉冲跟踪试验,一直未涉及成像领域.但是成像激光雷达关键部件的研究设计工作得到了快速的发展,DavidSpearS设计了宽带的碲镉汞光电二极管和光电混合器。
1976年,林肯实验室研究出了宽带双边的GaAs光电调制器【9】,可以调
制激光发射脉冲波形,获得ISAR成像所需的线性调
频信号或者非线性调频信号。
光电探测器件和光电调制器件的发明为激光雷达在ISAR成像领域的应用打
下了基础。
1981年.“火池”激光研究中心升级安装了高功率、窄带宽放大器系统,工作波长为10.59斗m,1.2
m
发射孔径,光束发散角为10“rad。
同年,该系统成功地获取了一个缓慢旋转运行的空间目标阿金纳D火箭助推器的多普勒频率谱【9'圳,如图2所示,试验时激
光雷达与目标的距离为l350km。
这一试验成功地
证明了激光雷达有能力捕获并且以单脉冲角度跟踪非合作的低、中轨道的空间目标,当空间目标和雷达
观测角度有一定范围时.目标运动对应的回波多普勒
变化可以被记录下来。
但是,这时仍不能获得高分辨距离一多普勒逆合成孑L径图像。
图2网金纳D火箭助推器的3个相连回渡的多晋勒频率谱
Fig.2
1hree锄溉ssive
Dopplerspec仃aof
a‰出ling
A鲁%a
D
focketb00ster
1984年,战略主动防御组织建议林肯实验室使用激光雷达获取和区分被动段飞行中的洲际弹道导弹
弹头和诱饵目标。
在美国国防部高级研究计划署资助
下,林肯实验室开始致力于这一领域的研究,目标是
确定激光雷达用于弹道导弹防御的要求和可行性。
1985年1月。
该研究成功结题,次月即启动了激光雷达光学识别技术项目。
开始推进高功率激光雷达高分辨距离一多普勒ISAR成像领域的研究工作。
由于大气中的CO。
对于工作波长为10.59斗m的
光波存在窄带的吸收.大气传播不可避免地造成非线性频率分散,导致宽带激光雷达信号的失真。
因此,在
再次改进的“火池”激光雷达中,所用的激光器已经采
用一种稀有的CO:
气体,可以使激光工作波长为
11.17“m,大气传输对这一波段的吸收和影响并不显
著。
改进的“火池”激光雷达主振荡功率放大器(MOPA)是根据宽带成像的要求设计的,如图3所示。
为了获得大的激光放大增益.改进系统仍然采用短脉冲设计。
主要的新部件还有可编程宽带波形发生器(可以获取线性和各种非线性调频信号波形)、宽带的激光接收器件、宽带单边的电光调制器等。
bput
beam
0ptic4I
图3高功翠宽带相干激光富达功翠放大器
Fig.3
High—powerwideb锄d
coh唧t
laser-radar锄lplifier
改进的宽带成像激光雷达脉冲重复频率为8
Hz。
脉冲宽度为32¨
s,激光脉冲的波形包含多种非线性调频信号.宽带相干激光雷达最大的输出能量为
100
J/pulse,对应脉冲峰值功率为3.1mW。
激光雷达
最初工作于24J/pulse,在随后的ISAR成像试验时工
作能量为40~60J/pulse,图4为1992年改进的“火
池”高功率宽带相干激光雷达系统。
1990年3月4日.这一宽带激光雷达波形调制为
高分辨带宽1GHz的线性调频信号,成功地获取了
世界上首幅轨道卫星的距离一多普勒ISAR图像,这一海洋卫星的轨道高度800一l
000km。
系统另有一
束可见光用于为跟踪系统提供精确伺服信号。
两年后。
激光雷达距离一多普勒ISAR成像的距离上升到
了l500kIn.绝大部分卫星的ISAR图像都是高度保
密的。
一张装备了角反射器合作目标的LAGEOS卫星的激光雷达距离一多普勒ISAR图像19l如图5所示。
吕
图4高功率宽带“火池”相干激光霄达系统结构图
Fig.4
S仇lc帆0f“Firel,ond”high—powerwideb锄d
coherent
l雠r吨挝ar
systcm
图5LAGEOS卫星及其“火池”激光雷达ISAR图像Fig.5
LAGEOS柚ditsISARimagecollectedbytl忙
“Firepond”lascr嘲盯
在该激光雷达首次成像试验后仅25天。
林肯实验
室成功进行了探空火箭的“萤火虫”试验【9_Ⅻ。
图6为
“火池”试验的轨迹和计划示意图。
这一试验分别于1990年的3月29日和lO月20日进行。
试验目标利用了“Terrier.Malemute”探空火箭和膨胀圆锥形气球.火箭由国家航空和宇航局NASA于维吉尼亚州WalloDs岛上发射升空.由位于马萨诸塞州的C波段和X波段的微波雷达和“火池”激光雷达对其进行观测。
诱饵目
LI、cpfad4f
立‘.・
“m”‘、”…“,’/o
。
:
∥、:
_菇黝
图6“火池”成像激光雷达系统“萤火虫”试验Fig.6。
Firefly”exp甜mentof
C02
i删lging・laser一髓dar
标释放出纺纱筒状、最终膨胀成为2m长的圆锥体。
初
始跟踪角度是由C波段和X波段的微波雷达获取.“火
池”激光雷达提供优于微毫弧度的角跟踪精度并且对探空火箭及其喷射物和膨胀过程中的诱饵目标进行实时高分辨率的距离一多普勒ISAR成像。
这一试验成功地说明了成像激光雷达可以观测并对700km以外的再入飞行目标或诱饵进行ISAR成像。
至此.研究进入了具有战略意义的反导领域应用。
1.2
Nd:
YAG激光雷达逆合成孔径成像
MIT林肯实验室“萤火虫”试验的成功引起了美
国空军“BrilliantEyes”计划办公室的关注,在空军军
方的支持下,林肯实验室StephenMarcus和T110masJ.Green提出了采用低能量辐射源。
二极管激光泵浦Nd:
YAG激光器的成像激光雷达设计思想,并且于1994年首次报导了他们研制成功的固体激光逆合成孔径雷达成像的实验装置【14J,系统以光外差方式进行工作,固体激光雷达辐射源为连续运转的Nd:
YAG固体激光器,工作波长为1.06斗m,输出功率为10mW。
光电探测器件为高速低噪声的P矾光电二极管,响应
波长范围为400一l
100舳,光敏面直径为250“m,
最大接收信号带宽为lGHz。
成像实验装置如图7所示,发射光束通过分柬器进行分光。
一路光束通过两次反射照射在由电机驱动的移动目标上.另一路通过
本振反射镜提供本振信号。
设计时光束传输和本振信
号不存在相位差。
而目标运动引起的多普勒频移通过
目标处反射光束带回到光分束器处进行光外差混频。
最终得到的多普勒差频信号通过探测器和放大器到
达数字示波器进行记录,然后进行ISAR成像处理。
1995年,StephenMarcus和ThomasJ.Green课题
组又报道了采用类似方案的Nd:
YAG激光雷达进行ISAR成像的成功实验旧,成像目标为距离辐射源2.5
Scope
AmpIifierDetcctOf
图7Nd:
YAG激光雷达逆合成孔径成像实验装置
Fig.7
Exp酣m明talcOnfigurationfbrNd:
YAGlas盯ISAR
iIIIaging
646
的军事目标M和坦克模型。
尺寸为5
cm。
该实验辐
射源为波长1.06阻m、功率5mW的单模Nd:
YAG激
光器,理论上可以获得125“m的方位向成像分辨率,实验装置同样采用一个低反射率的分束器来提供进行外差探测所需的本征光,目标同样放置在一个可以转动的圆盘上,以获得含有目标信息的多普勒回波信号。
图8给出了实验的成像结果。
图8Nd:
YAG激光雷达逆台成孔径成像结果
Fig.8ResuItofNd:
YAG
l蹴rISAR
imagingexperiment
1.3美国海军研究实验室激光雷达逆合成孔径成像
2002年。
美国的海军研究实验室M.Baslll(ansky
等人用波长为1.55“m、功率为5mW的单模可调谐激光源也实现了对目标的二维成像n6J。
实验装置如图9所示。
激光器输出端采用光纤耦合,90%的能量用来对目标进行成像探测,10%的能量用来提供本振信号,照射光束通过焦距为8cm的透镜整形,在目标处光束直径为lcm。
采用InGaAs光电探测器件,成像
图9美海军研究实验室激光雷达逆合成孔径成像实验装置Fig.9ExperimentaIconngufationforlidarIsARimaginginNRL
目标为与背景反射特性不同的字母“NRL”.裱在45。
倾斜的铝质平台上,目标与辐射源之间的距离为30
cm,
目标沿着x方向(即方位向)匀速运动。
获得含有目标多普勒信息的回波信号,成像结果如图lO所示。
该实验所得到的目标图像在方位向上的分辨率达到了
190¨
m,成为迄今为止,围内外公开报道的逆合成孔径成像获得的最小方位向分辨率。
图10美海军研究实验窀激光雷达逆合成孔径成像实验目标
Fig.10
T哪et
oflidarISAR
imgjng
inNRL
图ll“NRL”激光雷达逆合成7L径成像结果
Fig.1lResultof
lidarISAR
imaginginNRL
1.4日本通信实验室激光雷达逆合成孔径成像
1998年,日本通信实验室ShinYoshikado和
Tadashi
Amga使用C02激光器对近红外波段二维逆
合成孔径成像的可能性进行了实验室研究ml。
2000年,在此基础L研制了一个一维的10斗m波段的逆合成孑L径激光雷达系统1191,系统采用两个CO:
激光器,一个作为发射机.另一个作为本征振荡机来实现外差探测。
实验中用一个小的孑L径收集静目标成像数据.对于沿直线运动、且自身转动和幅度变化可忽略的目标,采用一维孔径阵列收集数据。
实验结果与仿真得出的理论数据较为一致。
对激光霄达逆合成孔径成像实现了概念上的验证,下一步研究人员计划研制一个lO斗m波段
的能够进行室外远距离实验的激光雷达逆合成孔径成
像系统。
激光雷达逆合成孔径成像技术现状及关键问题647
2激光雷达逆合成孔径成像技术优势和瓶颈
2.1方位向分辨率提高
激光雷达逆合成孔径成像原理与微波雷达的逆合成孔径成像原理基本相同.都是利用雷达与目标之间的相对运动,经信号处理产生等效的大孑L径来获得高的方位分辨率,其距离向分辨率都是由宽带的发射信号带宽曰所决定。
设激光雷达发射孔径为D.与目标之间的距离为R。
,激光波长为入,则其3dB的波束宽度近似为l册l:
%w2略
(1)
式中:
鬣为加权展宽系数,当波束为均匀辐射时,K=0.88,实际工程中9Bw一般有所展宽,近似取K=l‘驯,则合成孔径长度k为:
Ls-即‰=警
(2)
方位向分辨率为:
胪等=盘=争(3)pa2茁2斌2亨
¨
)
由公式(3)可以看出:
激光雷达逆合成孔径成像的方位分辨率等于实际天线孔径的一半.由于光学接收孔径远远小于微波雷达发射孔径.因此,激光雷达大大提高了方位向分辨率。
减小了对目标环境的依赖
性。
能够实现高性能、远距离的探测。
2.2成像相干积累时间减小
逆合成孔径成像激光雷达与目标的的几何模型
如图12所示,在满足远场条件下,单个散射点以(t,转速转动.对应的瞬时多普勒为【2l也】:
兀=半工
(4)
对于同一距离单元内横向距离为血的两个散射点,
瞬时多普勒频率差为:
鱿=挚血=孚
(5)
’,,为目标相对于雷达的切向相对运动速度,所以,瞬时多普勒频移和工作波长成反比,激光雷达极小的工作波长使得其逆合成孔径成像获得极大的多
普勒频移,而雷达的多普勒分辨率又直接影响着成像
的相干积累时间。
即:
瓦寺=等=鬻
㈣
由公式(6)可以看出:
激光雷达逆合成孔径成像所需的相干积累时间很小,与逆合成孔径微波雷达相比,在获得同样分辨率的情况下。
其合成孔径的长度要小得多.目标在相干积累时间内的转角也随之小很多.逆合成孔径成像过程中散射点越距离单元徙动的
问题也将随之改善。
2.3运动补偿相位校正
如图12所示,设在相邻两次观测中,目标对于雷
r‘
帕堋、\
妒?
j
f
ff
l
Lad盯wave
图12逆合成孔径成像雷达与目标的的几何模型
Fig.12Geome研cmodelof
ISARradarandtarget
达视线转过了一个很小的角度△D,则散射点从p点移到了p.点,其纵向位移为:
每P=0siIl(日一△日)一0sin9=一讳sin△8一yP(1一cos△p)(7)式中:
工,,),,为散射点p相对于转台轴心的坐标。
纵向位移△y。
引起子回波的相位变化为121’:
△矿一半瓴=
一二}【_%siIl△9一蚱(1-cos△8)]
(8)
若△9很小,则公式(8)可近似写为:
△%4誓%的
(9)
公式(9)表明:
两次回波的相位差正比于横距工。
,反比
于工作波长A。
相干积累时间内的回波信号相位变化是比较大的,导致了在运动补偿过程中。
相位校正变得十分困难。
在逆合成孔径成像时。
目标的运动参数都是未知的,往往采用根据回波信息估计多普勒的方法,根据估计得到的多普勒计算出相邻回波的相位差
并加以校正I豇喝】,由公式(5)可知:
激光雷达的多普勒
频移很大,想要获得较高的估计精度是十分困难的。
3激光雷达逆合成孔径成像技术关键问题
激光雷达逆合成孑L径成像技术虽然取得初步的成果.但是其快速全面的发展仍然面临着一些关键问题的制约.主要包括激光器辐射源、相干探测、运动补偿信号处理和大气传输影响及补偿等。
3.1激光器技术
激光器作为激光雷达的辐射源,是系统最重要的关键器件之一。
为了实现远距离和高性能的探测,整个成像系统的战技指标对激光器的技术指标提出了很高的要求,诸如合适的工作波长以尽量减小大气传输的影响,较小的发射孔径以满足较高的成像分辨率,较大峰值功率以获得远距离的探测,合适的T作重复频率以解决距离模糊和作用
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