多模式合成孔径激光雷达成像原理与实验研究

为解决高分辨率成像合成孔径激光雷达（SAL）从室内走向室外的关键问题，提出一种多模式SAL，并开展成像原理与实验演示研究。SAL中，机械振动、大气湍流等因素在回波信号中引起的相位误差不可避免，合成孔径成像的实现难度巨大。如何获得有规律的回波相位史数据，是SAL实现高分辨率合成孔径成像要解决的首要问题。解决此问题的方法是SAL研究的核心和关键。本申请提出一种兼具有SAL、DSAL和HAL等特点的多模式SAL，其回波数据构成具有阵列接收探测器的特征，理论上能够利用差分原理（DSAL原理）消除或减少脉冲之间相位误差，获得有规律的相位史数据，同时实现多种模式（SAL、DSAL和HAL）高分辨率合成孔径成像。研究内容包括详细的室内外不同环境条件下多模式SAL成像的实现方法探索，获得多种目标的高分辨率合成孔径成像，从而突破SAL系统实现之关键，推动SAL研究向前发展。

合成孔径激光雷达（Synthetic Aperture Ladar，SAL）能够用较短的合成孔径时间实现远距离目标的高分辨率成像，在地形测绘、军事侦察、目标识别等领域有重要的应用潜力。由于光学波长很短，微小的机械振动就会在SAL中产生巨大的相位误差，破坏相位史数据（Phase History Data，PHD）的稳定性，所以， SAL高分辨率成像实现难度相当大。本项目以高分辨率SAL成像实现方法和关键技术为研究目标，理论上，建立了基于光学衍射理论的SAL成像数据收集方程，从波动光学角度，解析了SAL成像原理，分析了影响成像的因素；实验上，采用1550nm波段线性调波长的光纤激光器，建立了SAL成像演示实验装置，开展了高分辨率成像实现方法与技术探索。通过多年的努力，攻克了关键技术，建成了运转良好的SAL实验装置，实现了与成像理论相符的高分辨率SAL成像。在此实验装置上，开展了多种模式SAL成像技术研究，包括条带模式 SAL 2D、聚束模式SAL 2D、条带模式差分合成孔径激光雷达(Differential SAL, DSAL) 2D 和条带模式干涉合成孔径激光雷达(Interferometric SAL, IFSAL) 3D，均成功获得了聚焦良好高分辨率图像。所建立的成像演示实验装置运转稳定，无论对强回波的合作目标还是弱回波的漫反射目标，都能产生高质量SAL图像。例如，条带模式SAL在12.9m目标距离上形成的2D图像如照片一样，分辨率超过真实接收光学口径衍射极限的100倍。项目取得了许多有显示度SAL研究结果，进展超越了预期的研究目标，为深入开展SAL技术研究奠定了理论、技术和实验条件基础。