合成孔径激光雷达技术及现状
第４８卷第２期
２００８年２月
国钇技岔
ＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
Ｖ０１．４８Ｎｏ．２
Ｆｅｂ．２００８
文章编号：１００１—８９３Ｘ（２００８）０２－０００１－０５
合成孔径激光雷达技术及现状搴
陈文英，陈玲
（南京电子技术研究所，南京２１００１３）
摘要：介绍了一种新体制激光雷达——合成孔径激光雷达，简述了它的工作原理，对比分析了它的优势，重点阐述了合成孔径激光雷达的关键技术及其面临的技术难题，同时也介绍了合成孔径激光雷达的研制现状，并对我国合成孔径激光雷达的研制提出了建议。
关键词：合成孔径激光雷达；多普勒频移；相干探测；成像中图分类号：ＴＮ９５８。９８
文献标识码：Ａ
ＳｙｎｔｈｅｔｉｃＡｐｅｒｔｕｒｅＬａｓｅｒＲａｄａｒ（ＳＡＬ）Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
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１
引言
２合成孔径激光雷达的工作原理及优势
２．１
激光雷达是一种高灵敏度雷达，它分辨率高、隐蔽性好、体积小、重量轻、抗干扰能力强、对多路径效应不敏感，能探测隐身飞机、潜艇、生化战剂等。但
ＳＡＬ的工作原理
ＳＡＬ的工作原理与ＳＡＲ（合成孔径雷达）类似，
激光雷达波束窄，不适于大面积搜索；受大气和气象影响大，难以搜索和捕获目标；其空间分辨率受光学口径的限制，并随着距离的增加而下降。因此，一种新体制激光雷达——合成孔径激光雷达（ＳＡＬ）应运而生，并很快显示出了广阔的应用前景。本文主要介绍合成孔径激光雷达的关键技术、面临的技
术难题以及研制情况，对我国合成孔径激光雷达的
只是发射的信号不同，它在方位向通过合成孔径原理来实现高分辨，在距离向通过脉冲压缩原理来实现高分辨。ＳＡＬ图像的分辨率也分为方位向分辨率和距离向分辨率，根据合成孔径原理，其方位向分辨
率由方位向合成孔径长度决定，理论上可推导方位分辨率为天线方位口径长度（Ｄ）的一半，即Ｐ。＝Ｄ／２；
而距离向分辨率由雷达发射的激光信号带宽（鳓决
定，即Ｐ，＝ｃ／Ｂ，Ｃ为光速。由此可知：
研究具有一定的参考价值。
（１）因ＳＡＬ的方位分辨率等于实际天线孔径的
一半，而激光雷达的天线口径可远远小于微波雷达
・收稿日期：２００７—０８—２３；修回日期：２００７—１２—１０
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的天线口径，因此，ＳＡＬ可得到比微波合成孔径雷达
率可以大大提高，达到厘米量级；同时所用的成像时问可以减少，而且利用单个或较少数量的脉冲就可测
更高的方位分辨率；
（２）分辨率和波长与目标所在的位置无关。通过合成孔径处理，激光雷达大大提高了方位分辨率，减小了对目标环境的依赖性，能够形成清晰度较高的图像，实现高性能、远距离的探测。
典型的相干探测体制的ＳＡＬ系统由激光发射
部分、外差接收机、合成孔径处理器、收／发光学系统、计算机软件处理等部分组成，其中合成孔径处理部分包括带通滤波器、Ａ／Ｄ转换、匹配滤波电路等。
得瞬时多普勒频移，因而无需高重频发射脉冲。合成孔径激光雷达可以利用聚束模式实现更高的分辨率，
具有自身独特的优势。它不仅克服了普通激光雷达
波束窄、搜索目标困难等缺点，还能提供比ＳＡＲ更高的方位分辨率，适合大面积的对地成像。
３
国内外ＳＡＬ的研究现状
２０世纪６０年代末，国外在ＳＡＬ成像方面就进
行了一些尝试，目前正从实验室走向应用阶段。近
年来的一些重要进展主要有林肯实验室的固体激光
合成孔径雷达系统、美国ＮＡＳＡ实验室的扫描式激光合成孔径成像雷达、美空军实验室的ＳＡＩＬ（Ｓｙｎ—
图１典型的合成孔径激光雷达系统组成
ｔｈｅｔｉｃ—Ａｐｅｒｔｕｒｅ
ＩｍａｇｉｎｇＬａｄａｒ）、诺斯罗普・格鲁曼
在发射控制系统的作用下，激光发射机向目标
公司的战术成像合成孔径激光雷达（ＳＡＬＴＩ），以及
日本通信实验室的红外ＳＡＬ等。
３．１
发射具有一定调制方式的激光光束，其中分出一部分作为光学外差接收机的本振信号。由于激光雷达
与目标之间存在相对运动，目标回波信号与本振信
林肯实验室的固体激光合成孔径雷达林肯实验室于１９９４年首次报道了它们成功研
号之间存在多普勒频移，这个信号能够被光学外差
接收机检测到，并将其转换成电信号。然后输出的
制的固体激光合成孔径雷达实验装置。系统以外差方式进行工作。其辐射源为连续运转的Ｎｄ：ＹＡＧ
电信号在合成孔径处理器中首先进行带通滤波，得到中频多普勒信号和距离信号。这个信号经过匹配滤波器后对合成孔径时间内的回波信号进行相干处理，即方位向进行合成孔径处理，距离向进行脉冲压缩处理，提取目标的距离和多普勒方位信息。通过
处理后的信号能还原出目标的散射特性，获得与灰度和散射特性相对应的可视图像，经终端显示后即
激光器，工作波长为１．０６岬，输出功率为ｌＯ
低噪的ＰＩＮ光电二极管，响应波长为４００一ｌ
ｍｗ。
本振信号通过分束器进行分光，光电探测器为高速
１００
ｎｍ，光敏面直径为２５０岬。发射光束传播若干米
到达电机驱动的转盘，转盘上固定两个凹面反射镜，
将光束反射回探测器，最终得到的多普勒差频信号
由数字示波器进行记录，然后送交计算机进行处理。由于试验中目标在运动而雷达静止不动，所以严格来说，这是一种逆合成孔径雷达（ＩＳＡＲ）测量系统。
可得到所探测目标的高分辨率图像。
２．２
ＳＡＬ的优势
合成孔径雷达是利用与目标做相对运动的小孔径天线探测并采用信号处理方法获得高分辨率的相干成像雷达，能以超过衍射极限的分辨率提供地面测绘资料和图像。除具有与可见光、红外频段的传感
器相媲美的高分辨率、连续成像功能外，它还具有全
试验结果证明，未经处理时转盘上两个目标的图像不可区分，而经过处理后图像清晰可辨，孔径合成作用使分辨率得到明显改善。
天时、全天候远距离工作，一定的穿透性以及大面积成像等独特的优点。而合成孔径激光雷达正是利用
这种合成孔径技术，以激光器作辐射源的一种新体制激光雷达。它综合了合成孔径雷达和激光雷达的优
监视显示
势，可拍摄战术图像，满足远程战场的遥感需求。由
于其工作频率远高于微波，对于相对运动速度相同的
目标可产生更大的多普勒频移，因此，其方位向分辨
・２・
图２固体合成孔径激光雷达实验室装置
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３．２美国ＮＡＳＡ实验室的扫描式激光合成孔径成
像雷达
ＮＡＳＡ实验室的激光合成孔径成像雷达是世界
上第一个扫描式二维合成孔径激光雷达验证系统，实际上也是逆合成孔径雷达系统。辐射源采用外腔
单模可调激光器，工作波长为１．５５ｗｍ，输出功率为５—ＩｌＷ，输出为经过线性调频的激光光束，脉宽１０
ｎｍ，光源通过光纤从辐射源引出分束，目标与雷达
的距离为３０ｃｍ（实验时采用１ｉｎ的距离仿真３０
ｃｍ
实际距离，有效孔径为１５０ｇ，ｍ）；光电探测器采用ＩｎＧａＡｓ光电二极管。在与相对运动方向垂直的方向上采用２００次／秒的频率进行扫描。由于光源调频的线性度问题，相对运动方向的分辨率是９０斗ｍ，
大于预测的７５岬，距离方向的分辨率是１７０
ｐｍ。
３．３美国空军实验室的ＳＡＩＬ
空军实验室的激光雷达成像是第一个真正意义上的激光合成孔径成像，也是第一次使用移动的孔径对漫散射目标进行成像。辐射源采用１．５斗ｍ的半导体光纤激光器，目标以４５。角倾斜放置。空军
实验室不仅仅满足于成像，而是通过多次实验在成像算法上进行了研究。实验结果不仅实现了良好的聚焦型合成孔径二维成像，而且对图像的细节进行了较好的处理，最终还对漫反射目标和镜面目标成像进行了对比。
图３
ＳＡＩＬ概念图
波形产生
丽
振
亟订韪移动收发机－
硎检波器ｌｌ
回波信号＿１＿一接收
，
Ｉ亩【墨蜢ｉ浮型Ｉ
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ＨＣＮ卜＿叫检ｔｌｔＮ３Ｈ触发器Ｈ
ｌ图像ｌＩ形成ｌ
波长基准和触发通道
图４空军实验室的ＳＡＩＬ系统框图
３．４诺斯罗普・格鲁曼公司的ＳＡＬＴＩ系统
２００６年，诺斯罗普・格鲁曼公司成功设计、制造和演示了世界上首部合成孔径激光雷达系统。该
项由美国防预先研究计划局（ＤＡＲＰＡ）资助的战术成像合成孔径激光雷达（ＳＡＬＴＩ）计划，将用在微波频段的大量合成孑Ｌ径雷达技术成功引入机载激光雷达领域。采用合成孔径的方法，激光雷达的分辨率
不再受孔径尺寸的限制，因而可得到更高的分辨率。
飞行试验验证了工作在光学频段的合成孔径雷达能够得到几乎接近于光学照片质量的图像，同时作用距离要比目前电光系统远得多，这是合成孔径激光雷达研究上的一大突破。该计划是把普通的微波合成孔径雷达和激光雷达结合起来，实现全天时战场监视，并能提供３Ｄ图像。为进一步开发这项新技
术的应用潜力，ＤＡＲＰＡ要求公司继续在提高作用距离和在不同战场环境下的感知能力方面开展工作。
３．５
日本通信实验室的红外ＳＡＬ
日本通信实验室于１９９８年使用ＣＯ：激光器对
近红外频段二维合成孔径成像的可能性进行了实验室研究，取得了较大的进展。２０００年，研究人员在此基础上研制了一个一维的１０ｗｍ频段的合成孔
径激光雷达系统。该系统装载在一个线性移动平台上，在室内短距离范围内对目标发射和接收激光，并
进行信号处理。实验结果与仿真得出的理论数据较
为一致，对合成孔径成像实现了概念上的验证。研
究人员将进一步研制一个１０灿ｍ频段的能够进行室外远距离实验的ＳＡＬ系统。
此外，２０００年后，美国的海军实验室用波长为
１．５５
ｍｍ的单模可调谐激光器实现了对目标的二维
成像。
．
・３・
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３．６国内ＳＡＬ的研究状态况
我国在合成孔径激光雷达研究上起步较晚，有人曾用干涉法实现合成孔径激光雷达的技术，并进行了简单的实验验证。但这只是初步的，深入的理
论研究和实验尚未真正开展。频率稳定性、激光器技术、光学技术等难题都有待攻克。由于在关键技术上与国外存在较大差距，技术实现上有一定的难度，因此，我国ＳＡＬ研制任重而道远。
４
ＳＡＬ的关键技术
虽然国外对ＳＡＬ的研究已进行到一定程度，但
要实现工程化还需解决一系列关键技术问题。相对
ＳＡＲ来说，ＳＡＬ的主要难点集中在相干探测技术和
数据处理技术方面。４．１相干探测技术
ＳＡＬ系统在原理上并不复杂，只需将现有的成
熟合成孔径技术与激光雷达技术相结合。然而，真正实现这种结合，技术上还存在一定难度，主要的困难之一是系统的相干问题。合成孔径雷达是一种相
干雷达，其相干性来源于其本振频率的稳定性，而激光雷达的本振频率稳定性相对较差。国外主要采用
具有良好长时频率稳定性的激光器，同时使用参考
回波的方法来解决这个问题。
相干探测具有大大降低系统噪声、提高雷达作
用距离等优点。ＳＡＬ采用相干探测体制，通过光频相干技术检测出多普勒频移。但由于一般ＳＡＬ探测距离较远和激光的波长较短，相干探测实现起来有一定难度，是目前研制ＳＡＬ急需解决的一大难题。发展相干探测ＳＡＬ需要相应技术的支持，包括
大功率稳频激光器技术、光学接收技术和信号检测
技术。
（１）激光器技术
由于ＳＡＬ是相干探测体制，为了获得最佳的相干信号，参与混频的信号光和本振光应是理想相干
的单频单模光，要有稳定的本振频率和相位。发射激光的相干时间要和合成孔径时间相匹配，达到ｌＯ
一１００
ｍｓ。另一方面，由于激光的光斑面积较小，要
实现较好的孔径合成效果，需要高重频的脉冲激光。
因此，为了实现远距离和高性能的探测，需要输出高质量、大功率、高重频（１０４—１０５Ｈｚ）激光光束、频率稳定度好的激光器。目前国外研究采用１—２ｐ．ｍ
频段的半导体泵浦激光器，技术上比较成熟。
・４・
（２）光学技术
要实现相干探测，不仅要求发射的激光满足一定的条件，对于接收光学系统也有严格的要求。首
先，在光混频器上信号光与本振光偏振方向一致；其次，信号光与本振光要求空间波前匹配，即要求空间调准，波面吻合垂直入射于光混频表面，两个光束入射夹角０应满足：ｐｓＡ。／１ＴＺ，其中Ａ。为本振光波长，
Ｚ为光电探测器光敏面尺寸。实现以上条件需要设
计复杂的光学耦合系统，包括收发光的合路和隔离、回波信号与本振激光信号的光学混频、差频探测技
术等。
（３）复杂背景条件下微弱信号的检测技术ＳＡＬ主要用来探测远距离物体，目标回波信号
比较弱，容易受到噪声（如热噪声、斑点噪声等）的影响。而且，由于目标和ＳＡＬ之间有相对移动，目
标的动态范围也较大，要完成对目标的有效作用距离内的探测，必须保证接收系统有足够高的灵敏度。
因此，用于相干探测的光电探测器应有灵敏度均匀的光敏表面、足够的高频响应和稳定的量子效率，接收电路应具有大的动态线性范围。４．２合成孔径处理技术
ＳＡＬ在方位向高分辨率的获得主要利用雷达和
目标之间的相对运动产生的多普勒效应，通过合成孔径处理和匹配滤波技术来实现。其中，相位的稳定性和算法的有效性对于数据处理结果影响较大，也会影响到ＳＡＬ的系统分辨率。
随着信息处理技术和大规模集成电路的迅速发展，合成孔径激光雷达的成像处理常采用数字电子成像处理方法。这种方法在ＳＡＲ中的应用已比较成熟，能够完成无噪声高精度计算，可靠性好，可灵活进行自动聚焦以及各种校准，从而提供较好的成像质量。但对于ＳＡＬ来说，由于激光波长较短，受大气等因素的影响较大，相位畸变较为严重，降低了
相干积累的效率，聚焦效果相对较差，从而影响了系统的分辨率。因此，如何将目前ＳＡＲ的一些成熟成像算法移植到ＳＡＬ上，或是发展新的校正相位的算法是成像亟待解决的一个问题。另一方面，ＳＡＬ处理的数据量巨大，激光的脉宽较窄，需要极高速的Ａ／Ｄ转换器件和信号处理器，因此，在系统设计时器件的选择、数据的实时传输和处理等问题都需要
考虑。
４．３高稳定性的运载平台
合成孔径激光雷达采用外差探测，微小的位置
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偏差或震动都会造成极大的相位差，严重影响成像质量，因此，需要一个高稳定性的运载平台。当然开［３］彭仁军，袁吴健，等．用于涉法实现光学合成孔径技术
［Ｊ］．光学学报，２００２，２２（３）：３５５—３５９．
‘［４］ＴｈｏｍａｓＪＫａｒｒ．Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ
ａｐｅｒｔｕｒｅ
ｌａｄａｒｆｏｒ
ｐｌａｎｅｔａｒｙ
发高精度的ＳＡＬ成像算法，通过获得的ＳＡＬ成像原始数据提取平台运动轨迹参数，同时高精度估计所需的成像参数来补偿相位误差，也是提高成像精度的方法之一。
５
结束语
作为合成孔径雷达和激光雷达联姻的新生儿，合
成孔径激光雷达正凭借其独特的优势吸引着世界的目光，具有巨大的发展潜力。由于合成孔径激光雷达具
有高分辨率成像能力，且聚焦型合成孔径激光雷达的方位分辨率与距离无关，能够进行远距离、大范围的地表或空间成像，因此，一旦研制成功，在军事、工业生产、科学研究等方面将具有广阔的应用前景。
我国应借鉴国外合成孔径激光雷达的研究经验，抓住关键技术，重点开展高稳定性本振频率源激光器、高精度光相参接收机和高精度成像算法研究，
攻克相关技术难关，尽快研制出具有我国自主知识
产权的激光合成孔径雷达系统，提升我国在该领域的技术竞争力，满足国民经济建设的需要。参考文献：
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ＪＭａｒｅｃｈａｌ，ｅｔｃ．Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ—
ＡｐｅｒｔｕｒｅｋｌａｇｉＩｌｇＬａｄａｒ［Ｊ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：Ｈｗｗｗ．ｔｌｅｒｏ．
ｏｒｇ／ｐｕｂｌｉｃａｆｉｏｎｓ／ｅｒｏｓｓｌｉｎｋ／ｓｕｍｍｅｒ２００４／０８．ｈｔｍｌ，２００７—０６—１４．
作者简介：
陈文英（１９７０一），女（土家族），重庆黔江人，工程师，主要从事雷达科技情报研究工作，（电子信箱）ｌｉｕｇｙ一６８２３＠ｓｉｎａ．
ｃｏｒｎ：
陈玲（１９６３一），女，福建莆田人，硕士，高级工程师，主要从事雷达科技情报管理工作。
・５・
合成孔径激光雷达技术及现状
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
陈文英， 陈玲， CHEN Wen-ying， CHEN Ling南京电子技术研究所,南京,210013电讯技术
TELECOMMUNICATION ENGINEERING2008，48(2)0次
参考文献(10条)
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合成孔径激光雷达具有大大高于微波合成孔径雷达的分辨力、能够进行远距离、大面积成像等多种优点,正成为国内外的研究热点,并逐渐走向工程化,以此为背景对合成孔径激光雷达技术进行了综述.首先分析了激光雷达的优缺点,说明了研制新体制激光雷达的重要性;介绍了合成孔径激光雷达国内外的技术进展,对其工作原理进行了较为详细的描述,并结合原理介绍了一个典型的合成孔径激光雷达系统;通过对国内现有技术条件的分析,讨论了我国目前研制合成孔径激光雷达的难点,并对其发展前景进行了展望.
2.期刊论文 王省伟. 侯天晋. 周鼎富. 周昕. WANG Sheng-wei. HOU Tian-jin. ZHOU Ding-fu. ZHOU Xin 合成孔径激光雷达 -激光技术2008,32(1)
介绍了一种新体制的激光成像雷达棗合成孔径激光雷达,对它的成像基本原理、国内外研究进展和回波信号基本处理方法作了描述,介绍了它的关键技术和国内外技术差距,指出其在军事、科学研究、工业生产中都有广阔的应用前景.
3.期刊论文 洪光烈. 王建宇. 孟昭华. 李静文. 童鹏. 舒嵘. HONG Guang-Lie. WANG Jian-Yu. MENG Zhao-Hua. LI Jing-Wen . TONG Peng. SHU Rong Chirp强度调制与近红外激光合成孔径雷达距离向处理 -红外与毫米波学报2009,28(3)
合成孔径激光雷达是利用同一孔径(望远镜)与目标作相对运动并采用信号处理方法来模拟孔径阵列,获得高方位(横向)分辨率的相干成像雷达.采用窄线宽的单频光纤激光光源和相干探测方法;发射光波被啁啾信号作幅度调制,接收后进行距离向脉冲压缩;激光雷达和目标相对运动引起的回波相位变化,由相关运算实现相位补偿和累加(孔径合成),以提高方位向分辨率.提出了新的工作体制:距离向啁啾信号调制在发射光波振幅(强度)上,方位向多普勒频移反映在回波光波相位(频率)上,便于解决距离向与方位向之间的耦合模糊问题.报道了中期实验成果:Chirp 射频信号调制激光强度,实现合成孔径激光雷达距离向的压缩.
4.学位论文 陈娟 合成孔径激光雷达信号模型及成像算法研究 2008
选择激光作为合成孔径雷达的载波，即形成具有独特性能的合成孔径激光雷达(SAL-Synthetic Aperture Lidar)。其成像原理与微波频段的合成孔径雷达的成像原理基本相同，但因为激光极高的工作频率及其良好相干性，使得雷达的分辨率和“四抗”能力得到了很好的提升；而且对于相对运动速度相同的目标可产生更大的多普勒频移，利于对运动速度范围更大的目标进行探测；另外，在激光频段更利于系统的小型化和集成化实现。正是因为合成孔径激光雷达具有上述各方面的优点，使其成为近年来的国内外研究热点。
本论文依托相关科研项目，针对合成孔径激光雷达信号处理理论和系统技术开展了以下工作：
1.分析了合成孔径激光雷达的基本原理，介绍了其系统主要构成，对系统各组成部分功能、结构原理及性能进行了分析，并对其实现的关键技术进行了详细的总结。
2.研究了线性调波长信号模式和线性调频信号模式，通过仿真分析比较了其异同点；从连续线性调频信号出发提出了线性调频间断连续波信号模型，并分析研究了合成孔径激光雷达距离和方位分辨率。
3.分析了运动误差的影响，研究了运动误差对微波频段合成孔径雷达成像和激光合成孔径雷达成像影响的区别，通过仿真分析比较了同量级的运动误差对两者的不同影响。
分析，仿真结果验证了算法的有效性。
5.针对标准反投影算法计算量大的缺点，研究提出了一种改进的条带模式快速反投影(FBP-Fast Backprojection)算法。该算法通过分析条带模式的特点，结合算法的计算过程，减少了反投影过程中累加和插值的计算量。仿真结果验证了该快速算法在保证了成像精度与标准算法一致的情况下，能较大地减少计算量，显著地提高了处理效率。
6.将反投影算法应用于双站SAR实测数据成像，研究了双站SAR反投影算法和平飞移不变模式下改进后的快速反投影算法，并进行了仿真比较，仿真结果和实测数据成像结果验证了算法的有效性。
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下载时间：2011年1月2日