面向临近空间目标探测的激光关联成像雷达研究

Aiming at the requirement of the target surveillance of near space, this project combines the related imaging (or ghost imaging) and laser radar (ladar) to form the related imaging ladar and conducts the research on its relative theory and method. However, the output power and imaging speed of conventional pseudo-thermal light source are physically restricted, which cannot meet the requirement of the target detection of long distance. Inspiring by the computational ghost imaging system with liquid space light modulation (SLM), a novel scheme for producing the high-power pseudo-thermal light with high-speed phase modulator and fiber array beam is proposed. In this project, the system design of the novel light source is the primary work, and some theoretic and experimental analysis of the light source are also been considered. Based on the pseudo-thermal light source and single-pixel detector, a novel computational ghost imaging ladar is proposed and primarily designed. The imaging method and algorithm of near space target are another work stress. The research of the project mainly involved: (1) analysis and modelling of fiber array beam; (2) system design and principle experiment of the novel pseudo-thermal light source with fiber array beam; (3) the digital computation of light intensity and the simulation of the scattered light field of near space target; (4) the imaging method of near space target. This project will lay the theoretic foundation for the development of the practical ghost imaging ladar and the surveillance of near space.

针对临近空间目标监测的应用需求，将关联成像新技术和激光雷达相结合，本项目探索研究面向临近空间探测的激光关联成像雷达相关理论和方法。针对传统赝热光源功率低、成像速度慢的情况，同时分析借鉴SLM赝热光及其计算成像系统结构，研究提出利用高速相位调制器和光纤阵列光束的赝热光产生新方法；研究设计该新型赝热光的系统组成方案，并开展光场特性的理论和实验研究；利用该赝热光源和 “点”探测器，设计具有较高功率输出、可快速预置光场的计算关联成像激光雷达系统，开展临近空间目标的探测成像方法研究。具体研究内容包括：（1）光纤阵列光束衍射光场的分析与建模；（2）光纤阵列赝热光的产生与原理实验；（3）光场计算与目标散射回波模拟；（4）临近空间目标的关联成像方法；项目的完成将为实际的激光成像雷达系统研制及临近空间监测应用奠定理论和方法基础。

面向临近空间目标成像探测的应用需求，项目围绕提出的光纤阵列新型赝热光源原理方案，开展了基于该新型赝热光源的激光关联成像雷达相关理论和方法研究。重点研究了阵列光束衍射光场的分析建模、光纤阵列赝热光源产生、光场分布计算以及目标关联成像方法等内容，在光纤阵列优化、空时二维相位调制信号设计、光场分布的计算校正以及运动目标的关联成像方法等关键问题的研究上取得了一定突破和进展。.项目针对光纤阵列赝热光产生及基于该赝热光源的计算关联成像的原理、方法及可行性进行了较为深入的理论和初步的实验探索研究，完成了预定的研究目标，取得的主要进展和重要成果包括：.（1）设计实现了基于光纤阵列光束和铌酸锂（LiNbO3）高速相位调制器的赝热光源原理实验系统，开展了光场相干特性分析、光场分布计算与修正方法等方面的理论和实验研究，为相关的后续研究及其应用研究奠定了基础。光纤阵列赝热光源也可以应用于无线光通信领域，对于提升大气环境下的无线光通信性能也具有应用潜力。.（2）根据光纤阵列赝热光源的特点，优化设计了光纤阵列排布及参数，并基于强度调制和APD阵列探测器接收方式，研究设计了激光关联成雷达原理系统，可对较远距离的目标、特别是运动目标进行二维及三维成像重构。研究对于拓展激光关联成像技术应用范围、提升激光雷达探测技术的适应性具有一定的应用价值。.（3）研究提出了基于小像元数APD阵列的多通道采样与并行处理方案，分析验证了该方法在降低计算成像重构中的采样量需求和计算复杂度方面的有效性，使得高性能的压缩感知算法应用于快速成像成为可能，同时为快速、高效的计算成像夯实方法和算法基础。研究成果可以推广应用到其他计算或非计算的关联成像系统，对于提升关联成像系统的成像速率及性能有重要意义。.相关研究成果对于计算关联成像技术在激光雷达探测成像中的应用、提升激光雷达技术的适应性具有一定的推动作用。