吳 謹(jǐn)

(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所 北京 100190)

1 引言

人們對(duì)目標(biāo)的探測(cè)都需要借助傳感器。傳感器收集目標(biāo)信息的單元，在微波波段，常稱(chēng)“天線(xiàn)”；在光學(xué)波段，俗稱(chēng)“鏡頭”。天線(xiàn)的尺寸或鏡頭的大小，可理解為本文標(biāo)題中的 “孔徑”。“合成孔徑”即是將多個(gè)“孔徑”通過(guò)某種處理，形成一個(gè)大“孔徑”。合成后的“孔徑”尺寸大，能提高目標(biāo)識(shí)別的分辨率。

常見(jiàn)的“合成孔徑”方式有兩種。一種是利用多個(gè)小孔徑同時(shí)收集目標(biāo)信息，將這些信息處理形成一個(gè)等效大孔徑一次收集的信息；另一種是利用小孔徑不同時(shí)收集的目標(biāo)信息，經(jīng)過(guò)處理等效一個(gè)大孔徑一次收集的信息。兩種方法的目的都是為了提高目標(biāo)識(shí)別的分辨率，從而獲取更多的目標(biāo)信息。前者的例子如光學(xué)上的“稀疏孔徑成像”[1]或“分布孔徑成像”[2]；后者的例子如合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar,SAR)[3]。

SAR是一種主動(dòng)式微波成像雷達(dá)。SAR自帶探測(cè)源主動(dòng)照明目標(biāo)，通過(guò)收集目標(biāo)散射回波信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的高分辨率識(shí)別。為了實(shí)現(xiàn)合成孔徑，SAR利用了自帶探測(cè)源的電(磁)場(chǎng)信息以及目標(biāo)和SAR之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。SAR具有與距離無(wú)關(guān)的高分辨率成像能力，已裝載于多種平臺(tái)(如飛機(jī)、衛(wèi)星等)，在地形測(cè)繪、資源勘探、軍事偵察、目標(biāo)識(shí)別及火控系統(tǒng)等方面獲得了廣泛的應(yīng)用[4]。

合成孔徑激光雷達(dá)(Synthetic Aperture Ladar,SAL)是 SAR技術(shù)在光學(xué)波段的類(lèi)推。由于光學(xué)波長(zhǎng)比微波小3、4個(gè)數(shù)量級(jí)，理論上，SAL可以用比SAR更短的合成孔徑時(shí)間，實(shí)現(xiàn)同樣高的圖像分辨率，形成的圖像不需要專(zhuān)門(mén)的解讀技巧就能識(shí)別。SAL的這種遠(yuǎn)距離、高分辨、快速成像特點(diǎn)，使之具有良好的軍用和民用潛力[5]。

與常規(guī)的光學(xué)成像不同，SAL利用目標(biāo)散射回波的相位信息反演目標(biāo)圖像，屬相干成像，因此，穩(wěn)定的回波相位史數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)高分辨率SAL成像的保證。由于光學(xué)波長(zhǎng)很短，影響回波相位信息的因素眾多，且難以補(bǔ)償，所以，SAL的實(shí)現(xiàn)并不容易。不過(guò)，近十年來(lái)，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，SAL的研究也取得了良好的進(jìn)展。

下面將對(duì)國(guó)內(nèi)外SAL成像實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展做一個(gè)簡(jiǎn)單的評(píng)述。第2節(jié)主要匯總了SAL成像研究的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展，尤其是羅列了最近的實(shí)驗(yàn)演示成像結(jié)果；第3節(jié)從圖像質(zhì)量、系統(tǒng)體制等方面對(duì)目前的SAL研究現(xiàn)狀進(jìn)行了分析；第4節(jié)則從最終用戶(hù)的角度，討論了SAL走向?qū)嶋H工程應(yīng)用至少要關(guān)注的若干問(wèn)題；最后指出，SAL的研究尚處于起始階段，仍需大量深入細(xì)致的關(guān)鍵技術(shù)探索。

2 SAL成像研究進(jìn)展

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

在20世紀(jì)，美國(guó)即開(kāi)始了較多的SAL研究。關(guān)于SAL概念的簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以追溯到60-70年代[6－9]，例如，1970年，T.S.Lewis和 H.S.Hutchins發(fā)表了用波長(zhǎng)0.6328 mm的He-Ne激光器對(duì)點(diǎn)目標(biāo)和波長(zhǎng)為10.6 mm的連續(xù)CO2激光器對(duì)雙點(diǎn)目標(biāo)的 SAL成像結(jié)果[6,7]。1987年美國(guó) C.C.Aleksoff等人運(yùn)用脈沖 CO2TEA激光器作為輻射源，建成實(shí)現(xiàn)合成孔徑3維成像實(shí)驗(yàn)裝置(沒(méi)有公布獲得的圖像)[10]。1994年，美國(guó)麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室(MIT/LL)的 Stephen Marcus等人利用波長(zhǎng)1.06 mm的微片Nd:YAG激光器，演示了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的SAL成像[11,12]。另外，1998年，日本S.Yoshikado和T.Aruga也探討了采用紅外激光以合成孔徑方式對(duì)靜止或運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行激光雷達(dá)探測(cè)的可行性，并用CO2激光器作為光源進(jìn)行了簡(jiǎn)單的1維合成孔徑實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[13,14]。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著激光器、光纖等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，SAL成像研究取得了較大進(jìn)展。2002年美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)室(NRL) 的M.Bashkansky等人報(bào)道了基于1.55 mm波長(zhǎng)光纖激光實(shí)現(xiàn)的2維SAL成像演示[15,16]。這是第1個(gè)具有SAR技術(shù)意義的SAL成像演示-距離像通過(guò)線(xiàn)性調(diào)頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)，方位像通過(guò)合成孔徑成像處理實(shí)現(xiàn)，目標(biāo)距離約0.3 m。圖1為NRL實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)照片和成像結(jié)果，3個(gè)“NRL” 字母清晰可辨認(rèn)。NRL的實(shí)驗(yàn)中，由于字母貼在鋁板上，鋁板背景回波較強(qiáng)，所以SAL成像呈現(xiàn)較多的散斑。2004年，美國(guó)Aerospace公司的W.F.Buell等人進(jìn)一步報(bào)道了第1個(gè)擴(kuò)展目標(biāo)的SAL成像[17－19]。圖2為Aerospace公司發(fā)表的一些成像結(jié)果，目標(biāo)距離約2 m。圖2中，三角形及帆船目標(biāo)是采用反光材料制作。從圖2可以看到，目標(biāo)表面的細(xì)節(jié)也在SAL圖像中顯示出來(lái)。尤其重要的是，Aerospace公司的工作引入測(cè)距雷達(dá)中采用參考信道消除的非線(xiàn)性調(diào)頻的方法[20]，解決了線(xiàn)性調(diào)波長(zhǎng)帶來(lái)的非線(xiàn)性調(diào)頻引起的距離分辨率降低問(wèn)題[17－19]。至此，美國(guó)基本完成了SAL成像實(shí)驗(yàn)室演示研究工作。

2006年，有消息報(bào)道，在美國(guó)DARPA的支持下，美國(guó)Raytheon公司采用1.55 mm的光纖激光、Northrop Grumman公司采用10.6 mm波段的CO2激光分別實(shí)現(xiàn)了高分辨率機(jī)載SAL成像，成像質(zhì)量達(dá)到照片級(jí)分辨率，取得了里程碑似的進(jìn)展[21]。這是當(dāng)年 SAL研究激動(dòng)人心的消息。報(bào)道說(shuō)，Raytheon公司的光纖激光 SAL采用 Boeing 727-223/Advanced飛機(jī)，Northrop Grumman公司的CO2激光SAL采用BAC 1-11試驗(yàn)飛機(jī)，在不同的環(huán)境條件下，對(duì)自然地物(陸地和水面)進(jìn)行了幾十次飛行，成功驗(yàn)證了SAL的成像能力。不過(guò)，至今這兩個(gè)公司2006年完成的系列機(jī)載SAL實(shí)驗(yàn)結(jié)果還未見(jiàn)對(duì)外公開(kāi)。2009年，美國(guó)洛克希德馬丁相干技術(shù)公司(LMCT)的 J.R.Buck等人報(bào)道了采用1.55 mm波長(zhǎng)的脈沖光纖激光，在室外條件下，實(shí)現(xiàn)了700 m距離上方位雙點(diǎn)目標(biāo)SAL成像[22]，圖3所示為成像結(jié)果。圖3(a)是距離壓縮像，圖3(b)是方位合成孔徑像，可見(jiàn)兩個(gè)方位向的點(diǎn)目標(biāo)清晰地呈現(xiàn)出來(lái)。2011年，LMCT繼續(xù)報(bào)道了采用1.55 mm波長(zhǎng)脈沖光纖激光的機(jī)載SAL成像結(jié)果，如圖4所示[23]。圖4中，SAL工作于正側(cè)視條帶模式，斜距1.6 km，可見(jiàn)目標(biāo)表面的圖案細(xì)節(jié)成像清晰。這是首次且目前唯一公開(kāi)的機(jī)載SAL成像圖像。

圖1 SAL室內(nèi)SAL演示成像結(jié)果之一(美國(guó)NRL)[15,16]

圖2 室內(nèi)SAL演示成像結(jié)果之二(美國(guó)Aerospace公司) [17－19]

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)SAL研究的關(guān)注比較早，但實(shí)驗(yàn)研究工作開(kāi)展相對(duì)較晚。2002年，成都電子科技大學(xué)的彭仁軍等采用干涉法演示了光學(xué)合成孔徑技術(shù)[24]。2006年以后，受到美國(guó)機(jī)載SAL演示成功的消息的鼓舞，更多的SAL演示成像實(shí)驗(yàn)研究開(kāi)展起來(lái)[25－33]。2009年，西安電子科技大學(xué)的郭亮等人報(bào)道了室內(nèi)距離向成像實(shí)驗(yàn)[25]；同年，上海光機(jī)所周煜等人報(bào)道了實(shí)驗(yàn)室2維SAL成像實(shí)驗(yàn)演示，成像距離約3.2 m，成像結(jié)果如圖5所示[27]；2011年，上海光機(jī)所劉立人等人報(bào)道了14 m距離上的SAL成像演示實(shí)驗(yàn)，成像結(jié)果如圖6所示[28]；2011年底，中國(guó)科學(xué)院電子所也實(shí)現(xiàn)了SAL實(shí)驗(yàn)演示成像，目標(biāo)距離約2.4 m，成像結(jié)果如圖 7所示[33]。圖 7(a)為目標(biāo)照片，尺寸約為100 mm (方位) × 68 mm (距離)，圖案由3M鉆石反光材料經(jīng)激光切割而成；圖7(b)為SAL成像圖像。在圖7的實(shí)驗(yàn)中，目標(biāo)背景為一塊橡膠皮，與3M 鉆石反光材料相比，回波弱，所以，與圖1中NRL的成像相比，背景干凈，目標(biāo)表面細(xì)節(jié)清晰。在圖7工作基礎(chǔ)上，中國(guó)科學(xué)院電子所還進(jìn)一步演示了基于單程遠(yuǎn)場(chǎng)衍射的SAL成像[34]。

圖3 室外SAL演示成像結(jié)果(美國(guó)LMCT)[22]

圖4 機(jī)載SAL演示成像結(jié)果(美國(guó)LMCT)[23]

3 國(guó)內(nèi)外SAL研究狀況分析

3.1 SAL成像圖片

豐富的高質(zhì)量SAL成像圖片是開(kāi)展SAL研究的重要參考資料。SAL屬相干成像，高分辨SAL成像依賴(lài)良好的回波相位史數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)室條件下，影響相位的因素大都可以通過(guò)某些措施進(jìn)行控制，因此，實(shí)驗(yàn)室SAL演示研究可以展示與理論預(yù)期一致的成像分辨率，例如，高分辨率的SAL成像展示了目標(biāo)表面的細(xì)節(jié)[17－19,33]。

目前，室內(nèi) SAL演示成像研究已經(jīng)有較多的SAL成像圖片發(fā)表。通過(guò)這些公布的成像圖片，研究者可以分析相應(yīng) SAL系統(tǒng)形成的相位史數(shù)據(jù)特點(diǎn)。室外(包括機(jī)載)研究目前僅有LMCT提供的簡(jiǎn)短會(huì)議信息和有限數(shù)量的成像圖片[22,23]，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足研究用途的需要，仍需相關(guān)研究人員積極努力，貢獻(xiàn)更多的、不同目標(biāo)場(chǎng)景的、不同環(huán)境條件下的SAL成像圖片。

3.2 SAL體制

圖5 室內(nèi)SAL演示成像結(jié)果之三(上海光機(jī)所)[27]

圖6 室內(nèi)SAL演示成像結(jié)果之四(上海光機(jī)所)[28]

圖7 室內(nèi)SAL演示成像結(jié)果之五(中國(guó)科學(xué)院電子所)[33]

目前完成的 SAL成像室內(nèi)演示實(shí)驗(yàn)大都采用線(xiàn)性調(diào)頻脈沖激光體制[15－19,25－34]，在兩個(gè)公開(kāi)室外SAL實(shí)驗(yàn)成像資料中，采用的是編碼脈沖激光體制[22,23]。這兩種體制雖然只是距離像的實(shí)現(xiàn)方式改變，但是，相應(yīng) SAL的技術(shù)實(shí)現(xiàn)有所不同。對(duì)室內(nèi) SAL成像演示而言，目的是高分辨率光學(xué)合成孔徑成像原理演示，通過(guò)線(xiàn)性調(diào)波長(zhǎng)方式實(shí)現(xiàn)激光線(xiàn)性調(diào)頻，容易獲得大調(diào)頻帶寬，從而實(shí)現(xiàn)高的距離像分辨率。然而，室內(nèi)演示實(shí)驗(yàn)中，激光器的線(xiàn)性調(diào)波長(zhǎng)一般采用機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)速度有限，不易實(shí)現(xiàn)高重復(fù)頻率，因此，在室外尤其是機(jī)載 SAL實(shí)驗(yàn)中，由于運(yùn)載平臺(tái)的速度快，線(xiàn)性調(diào)波長(zhǎng)的方式可能滿(mǎn)足不了機(jī)載SAL的重復(fù)率要求。編碼脈沖激光體制，能夠?qū)崿F(xiàn)高重復(fù)頻率，同時(shí)需要 SAL系統(tǒng)具有較高的采樣頻率，如文獻(xiàn)[22,23]中，采樣率高達(dá)8 GS/s。

3.3 SAL研究進(jìn)展

美國(guó)在2004年左右完成SAL實(shí)驗(yàn)室成像演示工作[15－19]，2006年報(bào)道了機(jī)載 SAL研究消息[20]，五年后的2011年，美國(guó)LMCT公司開(kāi)始公開(kāi)機(jī)載SAL實(shí)驗(yàn)圖像[23]。從相關(guān)報(bào)道來(lái)看，美國(guó)Raytheon公司和Northrop Grumman公司在2006年進(jìn)行了內(nèi)容豐富的機(jī)載SAL成像實(shí)驗(yàn)，內(nèi)容涉及不同的激光器波長(zhǎng)(1.5 mm波段、10 mm波段)、2維甚至 3維SAL成像、大氣影響等等。目前，相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及細(xì)節(jié)并未公開(kāi)，但工作進(jìn)展似乎超越了 2011年LMCT公開(kāi)的工作。

國(guó)內(nèi)經(jīng)過(guò)多年努力也已經(jīng)完成SAL成像實(shí)驗(yàn)室探索，建立了成像穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，獲得了高分辨率成像圖像，為進(jìn)一步開(kāi)展室外SAL成像研究創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

4 SAL研究需解決的幾個(gè)問(wèn)題

SAL的發(fā)展已有幾十年的歷史，只是由于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展限制，一直進(jìn)展有限。隨著有關(guān)技術(shù)的發(fā)展，SAL可能具備了走入工程應(yīng)用的條件。目前，公開(kāi)報(bào)道的SAL室外成像結(jié)果遠(yuǎn)沒(méi)有SAR那樣豐富，實(shí)用化SAL的研究還有大量的工作要做。例如，從最終用戶(hù)的角度，SAL研究至少需要面對(duì)如下問(wèn)題：分辨率、成像視場(chǎng)和大氣湍流。

4.1 分辨率

與常規(guī)非相干成像方法不同的是，SAL成像具有與目標(biāo)距離無(wú)關(guān)的高分辨率。按照美國(guó) NRL的M.Bashkansky等人的說(shuō)法，成像距離大于百公里時(shí)，以米級(jí)的接收口徑，只有 SAL才能提供厘米級(jí)的成像分辨率[16]。因此，SAL只有充分展示其遠(yuǎn)距離、高分辨、快速成像能力，才能體現(xiàn)其與眾不同的優(yōu)越性。我們知道，SAL的方位成像分辨率是以合成孔徑方式實(shí)現(xiàn)的；而穩(wěn)定的相位史數(shù)據(jù)是SAL實(shí)現(xiàn)高分辨成像的關(guān)鍵。SAL系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要考慮如何獲得穩(wěn)定的相位史數(shù)據(jù)。雖然，后期數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用相位誤差處理方法，如相位梯度自聚焦算法(PGA)[35]，能夠提高SAL成像的聚焦效果[17－19,23]；但是，從PGA原理知道，PGA技術(shù)的有效性依賴(lài)于場(chǎng)景中能提取強(qiáng)反射點(diǎn)，當(dāng)相位誤差很大時(shí)，方位向聚焦差，PGA技術(shù)的作用也顯得有限[36]。事實(shí)上，已有的SAL成像結(jié)果表明，當(dāng)方位相位史數(shù)據(jù)穩(wěn)定時(shí)，無(wú)需 PGA就能獲得高分辨率SAL 成像[33,34]。

4.2 成像視場(chǎng)

在LMCT公開(kāi)的機(jī)載SAL實(shí)驗(yàn)中，1.6 km斜距目標(biāo)平面上的光斑腳印大小只有約φ1 m，對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)角不到1 mrad[23]。以這個(gè)視場(chǎng)角成像，斜距延長(zhǎng)至20 km時(shí)，目標(biāo)平面上的激光照明范圍將不到20 m。以這樣小的視場(chǎng)對(duì)大面積目標(biāo)成像時(shí)，將需要進(jìn)行大量 “馬賽克”式的圖像拼接。這可能增加SAL系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜程度和影響成像速度。

大視場(chǎng)、高分辨率、遠(yuǎn)距離三者之間存在一定的制約，如何協(xié)調(diào)三者之間的關(guān)系，是SAL研究者需要考慮的問(wèn)題。目前，相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究報(bào)道有限，還需要感興趣者付出更多的努力。

4.3 大氣湍流

SAL應(yīng)用于有大氣的環(huán)境時(shí)，大氣湍流是一個(gè)不可忽視的問(wèn)題。大氣不僅能使激光束傳輸方向發(fā)生變化、也會(huì)嚴(yán)重改變激光束的波前。當(dāng)大氣在目標(biāo)回波信號(hào)中引入巨大的相位誤差時(shí)，實(shí)現(xiàn)高分辨SAL 成像是困難的[37－39]。

大氣對(duì)SAL成像影響的實(shí)驗(yàn)研究目前的資料還很少。2006年，美國(guó) Raytheon公司和 Northrop Grumman公司進(jìn)行的機(jī)載SAL實(shí)驗(yàn)涉及大氣影響的內(nèi)容，據(jù)說(shuō)，大氣對(duì)回波相位的影響可超過(guò)波長(zhǎng)量級(jí)。這種量級(jí)的相位誤差從理論上將嚴(yán)重影響SAL成像。因此，在大氣環(huán)境中的SAL成像研究，可能涉及到SAL體制、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理，等等，也還需要相關(guān)研究者貢獻(xiàn)更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

5 小結(jié)

SAL的優(yōu)點(diǎn)在于其遠(yuǎn)距離、快速、與目標(biāo)距離無(wú)關(guān)的高分辨率成像能力。作為一種利用相干激光進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)的高分辨率成像雷達(dá)，高功率相干激光技術(shù)、高靈敏外差探測(cè)技術(shù)、高速數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、甚至光纖通信技術(shù)等技術(shù)的迅速發(fā)展，為其發(fā)展和成熟創(chuàng)造了條件。

SAL室內(nèi)外演示成像已經(jīng)由美國(guó)研究者實(shí)現(xiàn)，工程化涉及的各項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題也許正在積極的探索之中。我國(guó)SAL研究也已經(jīng)有了良好的起步，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)高分辨SAL成像演示，建立了深入探索關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

SAL研究重要的是技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上，建立適合用戶(hù)需要的 SAL成像系統(tǒng)，需要克服的技術(shù)難題還很多。這些問(wèn)題的解決，既需要深入細(xì)致的理論仿真分析，更需要關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)驗(yàn)探索。值得注意的是，已經(jīng)有一些創(chuàng)新性的工作發(fā)表出來(lái)，如美國(guó)勞倫斯利夫莫爾實(shí)驗(yàn)室(LLNL)的 Eddy A.Stappaerts 和 E.T.Scharlemann提出的DSAL[40]、美國(guó)Dayton大學(xué)Bradley D.Duncan和空軍實(shí)驗(yàn)室(AFRL)的Matthew P.Dierking共同提出的HAL[41－44]以及周期偽噪聲波形SAL[45]、上海光機(jī)所的劉立人提出的直視SAL[46]等。借鑒這些新穎的思想，也許有助于SAL的工程實(shí)現(xiàn)。

可以預(yù)期，SAL技術(shù)的成熟和發(fā)展將彌補(bǔ)已有成像手段的不足，成為一種有價(jià)值的高分辨率成像遙感設(shè)備，在軍用和民用領(lǐng)域得到應(yīng)用。

致謝 這些年的SAL研究過(guò)程中，中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所七室劉暢副主任在成像處理理論和實(shí)踐方面一直給予積極指導(dǎo)和無(wú)私幫助；中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所眾多SAR研究專(zhuān)家，如王小青副研究員、陳永強(qiáng)副研究員、宋紅軍研究員、齊向陽(yáng)研究員、胡東輝副研究員、孟大地副研究員等，多次參與討論。在此一并致謝。

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