成像探測(cè)相干激光雷達(dá)技術(shù)研究進(jìn)展

李道京,高敬涵,崔岸婧,吳 疆

(1. 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 微波成像技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100190)

(2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 電子電氣與通信工程學(xué)院, 北京 100049)

0 引 言

隨著激光技術(shù)的發(fā)展,激光雷達(dá)作為一種現(xiàn)代雷達(dá),目前已得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,其典型應(yīng)用包括目標(biāo)探測(cè)[1-2]、合成孔徑激光雷達(dá)(SAL)和逆合成孔徑激光雷達(dá)(ISAL)目標(biāo)成像與識(shí)別[3]、地形測(cè)繪[4]和水深測(cè)量[5-7]、風(fēng)場(chǎng)測(cè)量[8]和微動(dòng)檢測(cè)[9]等。激光信號(hào)相干性的提高,已使微波雷達(dá)常用的相干探測(cè)體制可用于激光雷達(dá),極大地提升了激光雷達(dá)的系統(tǒng)性能,未來(lái)有可能在沒(méi)有大氣影響的空間應(yīng)用[10-12]中發(fā)揮不可替代的作用。

基于單元探測(cè)器光纖結(jié)構(gòu)的相干激光雷達(dá)的重要特征為采用激光本振相干探測(cè),并通過(guò)平衡探測(cè)器實(shí)現(xiàn)混頻和共模抑制。激光本振的存在使其探測(cè)靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng),探測(cè)性能在原理上遠(yuǎn)優(yōu)于單光子探測(cè)器。關(guān)注并深入研究相干激光雷達(dá)技術(shù),對(duì)激光雷達(dá)的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。基于SAL/ISAL研究工作基礎(chǔ),本文介紹了成像探測(cè)相干激光雷達(dá)技術(shù)的研究進(jìn)展。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮

系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮的因素較多,如波形和偏振選擇、信號(hào)處理方法等,對(duì)SAL/ISAL來(lái)講,還需考慮運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方法和寬視場(chǎng)觀測(cè)實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

大氣氣溶膠對(duì)激光有散射回波,在大氣層內(nèi)工作的遠(yuǎn)距激光雷達(dá)若使用連續(xù)波信號(hào),會(huì)導(dǎo)致探測(cè)靈敏度損失,因此要首選脈沖信號(hào)。由于激光波長(zhǎng)比微波短4個(gè)數(shù)量級(jí),振動(dòng)和平動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻率很大,微波雷達(dá)常用的調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)波形和去斜接收方法難以適用,很多文章和方案中的去斜接收和轉(zhuǎn)臺(tái)成像模型沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用條件。

相干探測(cè)對(duì)偏振有嚴(yán)格要求。由于大氣對(duì)激光有退偏,大部分地物對(duì)激光也有退偏,接收僅有一路線偏振的激光雷達(dá)可考慮發(fā)射圓偏,在偏振接收通道數(shù)量有限的條件下,可將退偏造成的能量損失減少到最小。

激光波長(zhǎng)短至微米量級(jí),雷達(dá)或目標(biāo)微米量級(jí)的振動(dòng)都會(huì)在SAL/ISAL的回波信號(hào)中引入較大的振動(dòng)相位誤差,導(dǎo)致成像結(jié)果散焦。在激光波段,幾乎任何目標(biāo)表面都是粗糙的,難以存在孤立的強(qiáng)散射點(diǎn),這使傳統(tǒng)的自聚焦方法缺乏使用條件。采用順軌干涉處理方法進(jìn)行振動(dòng)相位誤差估計(jì)并實(shí)施誤差補(bǔ)償[13],進(jìn)一步發(fā)展為正交基線干涉處理運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償[14],是解決問(wèn)題的重要措施,其有效性已經(jīng)得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[15]。

信號(hào)處理應(yīng)充分借鑒現(xiàn)代微波雷達(dá)的成熟技術(shù),在距離向(快時(shí)間)劃分距離門。對(duì)同一距離門,在慢時(shí)間(不同重復(fù)周期)對(duì)回波信號(hào)作相干積累,可同時(shí)保證距離分辨率和多普勒測(cè)速精度。文獻(xiàn)[9]介紹了ISAL對(duì)近距運(yùn)動(dòng)目標(biāo)成像和其微動(dòng)多普勒特征檢測(cè)情況。該信號(hào)處理方法尤其值得現(xiàn)有風(fēng)場(chǎng)測(cè)量多普勒激光雷達(dá)參考。

2 作用距離方程

光纖結(jié)構(gòu)下SAL/ISAL實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng)接收一直是爭(zhēng)論的焦點(diǎn),由此也產(chǎn)生了多種接收方式。要特別說(shuō)明的是,使用多個(gè)單元探測(cè)器簡(jiǎn)單拼接實(shí)現(xiàn)寬視場(chǎng),不能體現(xiàn)光學(xué)探測(cè)器物理結(jié)構(gòu)特點(diǎn),很難成為有效方案。在目前有限視場(chǎng)需求下,應(yīng)首選束散角展寬方式[16]。微波雷達(dá)常用擴(kuò)束方式[17],其技術(shù)實(shí)現(xiàn)容易,可用收發(fā)互易解釋,物理概念清楚。擴(kuò)束帶來(lái)接收增益損失,有可能影響小信號(hào)的模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)采樣,在電子學(xué)領(lǐng)域?qū)嵤┖侠淼脑鲆嫜a(bǔ)償即可[18]。

此外,在遠(yuǎn)距離探測(cè)條件下,傳播介質(zhì)和目標(biāo)的退偏效應(yīng)也會(huì)影響探測(cè)性能。在此基礎(chǔ)上,激光雷達(dá)作用距離方程可以表示為

(Tp·Bs)·(Tsa·Bd)

(1)

對(duì)于相干探測(cè)體制激光雷達(dá),探測(cè)靈敏度可由等效噪聲功率來(lái)進(jìn)行表征,相干探測(cè)體制下散粒噪聲功率占據(jù)主要部分,其等效噪聲功率可以表示為hfcB,目標(biāo)的成像探測(cè)信噪比在ADC后的信號(hào)處理中可通過(guò)快慢時(shí)間的相干積累來(lái)進(jìn)一步提升(至少大于50 dB)。為避免探測(cè)靈敏度損失,系統(tǒng)設(shè)計(jì)要保證回波功率和等效噪聲功率都應(yīng)大于ADC量化功率門限,設(shè)置足夠的電子學(xué)增益對(duì)保證系統(tǒng)探測(cè)性能具有重要意義。

在擴(kuò)束條件下,文獻(xiàn)[19]介紹了對(duì)合作車輛目標(biāo)二相編碼(BPSK)信號(hào)順軌干涉運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償成像情況,在俯仰擴(kuò)束外視場(chǎng)順軌干涉處理?xiàng)l件下,結(jié)合子孔徑Range-Doppler算法和Stolt變換幾何校正實(shí)現(xiàn)了基于BPSK的70 m距離、73°大斜視角的高反射率運(yùn)動(dòng)目標(biāo)ISAL成像,回波數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)1.2 s,成像分辨率(4 cm)優(yōu)于方位波束寬度對(duì)應(yīng)的實(shí)孔徑分辨率(10.5 cm),可補(bǔ)償?shù)募す庹駝?dòng)信號(hào)頻率范圍大于30 kHz,運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償有效提高了兩個(gè)通道復(fù)數(shù)圖像的相干系數(shù)。

在發(fā)射不同偏振激光的條件下,提高上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的電子學(xué)增益,用BPSK信號(hào)對(duì)三輪車目標(biāo)的成像結(jié)果如圖1所示。圖1a)和圖1b)分別為發(fā)射垂直偏振激光時(shí),垂直偏振接收通道和水平偏振接收通道的成像結(jié)果。圖1c)和圖1d)分別為發(fā)射圓偏振激光時(shí),垂直偏振接收通道和水平偏振接收通道的成像結(jié)果。

圖1 三輪車成像結(jié)果

在該實(shí)驗(yàn)中,收發(fā)俯仰擴(kuò)束后束散角約為3°,回波數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)1.4 s,基于順軌干涉補(bǔ)償?shù)募す庹駝?dòng)信號(hào)頻率范圍約50 kHz,成像距離分辨率15 cm,方位分辨率在毫米量級(jí)。實(shí)驗(yàn)表明,激光退偏現(xiàn)象明顯,采用圓偏振激光發(fā)射時(shí)效果略好,兩個(gè)通道成像結(jié)果相較于垂直偏振激光發(fā)射時(shí)圖像熵分別減小了0.22、0.10,對(duì)比度分別增加了2.02、0.95。實(shí)驗(yàn)在沒(méi)有高反射率紙?zhí)幠繕?biāo)成像輪廓也較為清晰,表明了電子學(xué)增益提高后簡(jiǎn)潔擴(kuò)束方法的有效性。

在短波段發(fā)射50 W連續(xù)波激光,當(dāng)光纖結(jié)構(gòu)束散角約6 urad時(shí),對(duì)1 000 km遠(yuǎn)距、3 cm圓板角反射器開(kāi)展遠(yuǎn)距目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn),存儲(chǔ)示波器和高速ADC同時(shí)獲取的6處短時(shí)目標(biāo)信號(hào)多普勒頻譜與目標(biāo)軌道估計(jì)的多普勒信息比較情況如圖2所示。

圖2 6處短時(shí)目標(biāo)多普勒頻譜

上述遠(yuǎn)距目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)中,量化的電壓動(dòng)態(tài)范圍為±0.5 V,量化位數(shù)為12位,對(duì)應(yīng)的量化功率門限為-68.2dBm。系統(tǒng)帶寬為4GHz,等效噪聲功率為-62.9dBm。當(dāng)ADC前的圓板角反射器回波功率為-112.2 dBm時(shí),回波信號(hào)不能被ADC采樣,需引入50 dB放大器將回波功率放大至-62.2 dBm。在ADC采樣率為1 GHz的條件下,5.12 ms時(shí)長(zhǎng)回波經(jīng)相干積累和相位梯度自聚焦算法(PGA)處理后,目標(biāo)信噪比提升至23 dB量級(jí),驗(yàn)證了上述作用距離方程在通常大氣條件下對(duì)遠(yuǎn)距目標(biāo)的適用性,同時(shí)也驗(yàn)證了回波信號(hào)在ADC后相干積累提高探測(cè)信噪比的能力。要特別說(shuō)明的是,上述實(shí)驗(yàn)在斜視條件下目標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的最大多普勒頻率達(dá)到3.5 GHz,實(shí)驗(yàn)也表明去斜接收方法無(wú)法使用。

基于激光本振的相干探測(cè)體制工作在散粒噪聲限,直接探測(cè)體制工作在熱噪聲或背景噪聲限。由于單光子探測(cè)器本質(zhì)上屬于直接探測(cè)體制,在此基礎(chǔ)形成的基于包絡(luò)檢波的光子計(jì)數(shù)探測(cè)方法,可用二進(jìn)制檢測(cè)解釋,仍屬于一種非相干積累方式。從原理上講,基于激光本振相干探測(cè)器的激光雷達(dá)探測(cè)靈敏度應(yīng)遠(yuǎn)優(yōu)于基于單光子探測(cè)器的激光雷達(dá)。

上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明,在望遠(yuǎn)鏡口徑為2 m、發(fā)射功率為15 kW、激光發(fā)射接收波束寬度為25 urad、每目標(biāo)跟蹤相干積累時(shí)間為10 ms時(shí),對(duì)1 m尺度目標(biāo),激光雷達(dá)的作用距離可在1 000 km量級(jí)。該作用距離的計(jì)算充分考慮了目標(biāo)特性、實(shí)際系統(tǒng)損耗和大氣影響等應(yīng)用條件。在5 mrad觀測(cè)視場(chǎng)下,10個(gè)目標(biāo)跟蹤時(shí)間100 ms,數(shù)據(jù)率可達(dá)到10 Hz。當(dāng)發(fā)射脈寬為10 μs,通過(guò)距離向數(shù)據(jù)重排和數(shù)字信號(hào)處理,也可使多普勒頻率分辨率優(yōu)于10 kHz,并同時(shí)提高探測(cè)靈敏度。顯然,采用相干探測(cè)體制,激光雷達(dá)的目標(biāo)探測(cè)性能將大幅提高。

3 衍射光學(xué)系統(tǒng)和激光/紅外復(fù)合

激光“單色”的特點(diǎn),使激光雷達(dá)特別適合使用衍射光學(xué)系統(tǒng),如輕量大口徑衍射薄膜鏡[20]?；谘兄瞥龅难苌浔∧ょR結(jié)合全光纖光路多通道相干激光雷達(dá)原理樣機(jī),開(kāi)展了SAL/ISAL成像試驗(yàn)工作[15,21]。該衍射光學(xué)系統(tǒng)樣機(jī)激光中心波長(zhǎng)1.55 μm,具有一發(fā)四收視場(chǎng)部分重疊功能,每組單模光纖接收波束寬度3 mrad～5 mrad,通過(guò)激光頻率變化可調(diào)整接收波束寬度[18]。

為具備主被動(dòng)探測(cè)、寬視場(chǎng)普查、窄視場(chǎng)詳查結(jié)合能力,該研制樣機(jī)為激光/紅外雙波段復(fù)合共口徑成像系統(tǒng),推動(dòng)了光電成像技術(shù)的發(fā)展。雙波段衍射薄膜鏡通光口徑為120 mm,衍射環(huán)數(shù)大于1 100,表面粗糙度Ra 55,衍射薄膜鏡及其測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 雙波段衍射薄膜鏡及其測(cè)試結(jié)果

4 陣列探測(cè)器及其應(yīng)用

2020年美國(guó)Point Cloud公司研制出基于硅光芯片的FMCW激光雷達(dá)相干陣列探測(cè)器[22],像元規(guī)模為512(32×16),其結(jié)構(gòu)形式來(lái)自光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光相控陣,可供SAL/ISAL使用。目前國(guó)內(nèi)單元規(guī)模在1 000的激光相控陣收發(fā)芯片正在研制中,與美國(guó)公司類似的產(chǎn)品也在研發(fā)中。隨著激光探測(cè)器技術(shù)發(fā)展,其像元規(guī)模不斷擴(kuò)大,激光SAL/ISAL探測(cè)器的應(yīng)用顯然不應(yīng)止步于現(xiàn)有微波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的單元探測(cè)器。采用相干面陣探測(cè)器,SAL/ISAL圖像有望和傳統(tǒng)光學(xué)圖像形式接近,即由現(xiàn)在的方位向和距離向,轉(zhuǎn)為方位向和俯仰向。

考慮到大多數(shù)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)同時(shí)存在兩維微轉(zhuǎn)/平動(dòng),根據(jù)SAL/ISAL成像原理,在激光波段即可實(shí)現(xiàn)兩維高分辨率成像(在短波0.001°小轉(zhuǎn)角即可實(shí)現(xiàn)5 cm分辨率),且無(wú)需發(fā)射和處理寬帶信號(hào),這將使SAL/ISAL成像系統(tǒng)變得簡(jiǎn)單?；谛滦拖喔申嚵刑綔y(cè)器,文獻(xiàn)[23]給出了一種SAL/ISAL兩維成像方法,并采用了現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),具有瞬時(shí)視場(chǎng)大、成像速度快的特點(diǎn)。

相干陣列探測(cè)器后級(jí)聯(lián)高速ADC。當(dāng)像元規(guī)模較大時(shí),數(shù)據(jù)量很大,技術(shù)實(shí)現(xiàn)困難?，F(xiàn)階段其應(yīng)用主要為了解決瞬時(shí)視場(chǎng)問(wèn)題,通過(guò)多幀低分辨率圖像的合成孔徑處理形成高分辨率圖像,不僅技術(shù)復(fù)雜,在總體性能上還面臨大規(guī)模激光焦平面探測(cè)器的競(jìng)爭(zhēng)。為此,需考慮利用現(xiàn)有大規(guī)模紅外直接陣列探測(cè)器結(jié)合空間光路混頻激光全息方法實(shí)現(xiàn)SAL/ISAL成像[24]。

利用像元尺寸20 μm、規(guī)模為320×256的短波紅外直接陣列探測(cè)器,搭建桌面原理驗(yàn)證系統(tǒng),對(duì)方位向運(yùn)動(dòng)的汽車模型獲得的成像結(jié)果如圖4所示。7幀低分辨率復(fù)圖像經(jīng)合成孔徑處理和運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償明顯提高了方位向成像分辨率,成像結(jié)果的圖像熵由9.346 9減小到9.098 3,對(duì)比度由1.287 7增加至2.041 3。

圖4 基于空間光路混頻和直接陣列探測(cè)器的合成孔徑激光成像結(jié)果

采用紅外直接陣列探測(cè)器基于全息成像方法[25]實(shí)現(xiàn)激光相干成像,其優(yōu)點(diǎn)是可利用的像元規(guī)模較大,初始復(fù)圖像分辨率較高,但空間光路混頻引入的誤差環(huán)節(jié)較多,影響復(fù)圖像形成精度,而其積分電路的存在,可能會(huì)限制目標(biāo)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度?；谠摷夹g(shù)路線開(kāi)展深入的研究工作,對(duì)發(fā)展相干激光雷達(dá)成像技術(shù)也具有重要意義。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前,相干探測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于微波成像,隨著光電子技術(shù)的快速發(fā)展,基于激光的光器件技術(shù)已大量應(yīng)用于微波雷達(dá),而微波雷達(dá)技術(shù)也越來(lái)越多地應(yīng)用于激光雷達(dá)。分析微波成像和光學(xué)成像間的關(guān)系,研究成熟的基于相干探測(cè)的微波成像技術(shù)在光學(xué)成像領(lǐng)域應(yīng)用的可行性,對(duì)基于電磁波的微波和光學(xué)成像探測(cè)技術(shù)融合發(fā)展,具有重要意義。

本文介紹了相干探測(cè)體制激光雷達(dá)技術(shù)的研究進(jìn)展,結(jié)合SAL/ISAL研究工作情況,討論了相干激光雷達(dá)波形設(shè)計(jì)、偏振選擇、信號(hào)處理方法、擴(kuò)束下的作用距離方程和探測(cè)性能、探測(cè)器形式、衍射光學(xué)系統(tǒng)激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)和激光/紅外復(fù)合成像探測(cè)等問(wèn)題,有望提升SAL/ISAL系統(tǒng)性能,滿足遠(yuǎn)距寬幅高分辨率成像的應(yīng)用需求,對(duì)新一代激光雷達(dá)的研制、激光雷達(dá)與微波雷達(dá)的融合發(fā)展具有一定的指導(dǎo)意義。