合成孔径激光成像雷达是能够达到厘米量级成像分辨率的光学遥感手段之一，属于物理光学前所未有的研究难题，已经发展了侧视合成孔径激光成像雷达和直视合成孔径激光成像雷达两种体系。直视合成孔径激光成像雷达在复杂信道条件下有更大的实际应用可能性，侧视合成孔径激光成像雷达有希望在空间平台实现工程化使用。

射频波段的合成孔径雷达（SAR）是卫星和飞机最主要的对地观察手段之一。20世纪50年代发明的射频波段的合成孔径雷达，在应用方面取得了巨大的成功，随着60年代激光技术的出现，合成孔径激光成像雷达引起了研究人员的浓厚兴趣。合成孔径激光成像雷达在军事方面可以用于星载和机载空间远程超高分辨率成像遥感观察以及空间运动小目标的成像识别，包括航天器、航空器、导弹、空间碎片等；在航天方面可以用于行星表面形貌的精确测绘，可在宇宙空间进行小行星和其他太空物体的探测；在环境监测方面可以连续观测和测量地球海洋、陆地、南北极、沙漠、森林等，或用于海冰检测、舰船监测、海面浮油检测、冰雪探测、洪水和干旱检测以及地表覆盖测绘等，或用于监测地球变化包括陆地沉陷、冰川运动和火山活动等，为地理信息应用提供图像帮助监测和预防环境灾难；在气象、气候方面可以提供关于气候和地质推移、水循环和海洋环流的详细信息，为研究各种自然和人为因素造成的气候改变提供大气数据。

合成孔径雷达的基本原理是在交轨向（又称距离向）实行视距的交轨向分辨成像和在顺轨向（又称方位向）实行孔径合成成像。基于这种原理的合成孔径雷达不能区分雷达两侧的目标，侧视观察为其必要工作条件。前期合成孔径激光成像雷达的研究发展均沿用射频波段合成孔径雷达的基本原理和方法。

美国等国家从20世纪60年代起有不少关于合成孔径激光成像雷达研究结果的报道，但是都不属于真正的侧视合成孔径雷达概念。直到2002年美国海军实验室首先报道了一种在光学隔振平台上实现的侧视合成孔径激光成像雷达原理验证实验［1］，其采用了1.55μm啁啾激光源和光纤技术，通过线性频率调制发射和外差去斜解调，是一个突破性的进展。实验成功的关键是采用了分子精细吸收谱线触发实现了脉冲间的初始频率同步，从而确保了孔径合成采样上的距离差频信号的相位稳定。此后，其他研究机构进一步取得了一系列光学平台尺度的实验结果，如采用了数字延时替代光学延时线［2］，实现了聚束模式和干涉三维成像实验等［3］。合成孔径激光成像雷达的另外一个发展是交轨向采用窄脉冲激光内相位编码调制和相关接收的测距原理，洛克希德-马丁公司在2011年实现了机载实验［4］，作用距离为1.5 km、光学足趾为1 m左右，同时采用了相位梯度算法来降低大气相位干扰的影响。应当注意，2007年美国国防先进研究计划局（DARPA）战略技术办公室在一个会议上报道了雷声公司和诺斯罗普·格鲁门公司分别成功研制了1.55μm和9.112μm波长的合成孔径激光成像雷达样机，并进行了机载航空实验［5］，但是该报告中没有给出样机的工作原理和实物照片，也没有给出任何实验结果图片。

事实上光频波段直接拷贝射频侧视合成孔径雷达的原理和方法无论在实现方面还是所能得到的性能方面都遇到了非常大的困难，这些主要由于以下本质原因［6］：

（1）光频波长很短，远远小于射频波长3～6个数量级，光频波长要远远小于光学元件的尺度，而射频范围的元件尺度与波长是相当的。

（2）在射频波段搭载在电场载频上的目标信息一般通过降频的方法到达电子处理带宽内，而在光波范围只有采用平方律的光电探测器实现光频信号到电子信号的转换，这种转换是非线性的，特别是具有包裹化作用，即把光频信号包含的相位去2π整数倍，因此对于外界的相位干扰特别敏感。

（3）合成孔径激光成像雷达在调制、解调和处理领域对于光信号的振幅、偏振、频率、时间相位和空间相位全部有严格要求，特别是对于激光发射与接收采样信号之间必须具有相关的专用和高精度的交轨向初始相位同步手段。

由于上述原因，侧视合成孔径激光成像雷达在实现方面还存在很多问题［7］。侧视合成孔径激光成像雷达的光学天线采用光学望远镜，因为发射光斑必须具备相位二次项波前，所以必须由发射主镜的衍射极限产生，因此为了增大目标面上发射光斑尺寸，必须采用较小的光学天线口径。光学望远镜用于光学外差接收时其接收视场角相当于天线口径的衍射角，为了保证发射激光发散角和外差接收视场角的相匹配，接收望远镜孔径必须与发射望远镜口径相等，这样就造成接收口径也非常小，使得接收回波信号强度变得很弱，这与侧视合成孔径激光成像雷达要求同时达到大的光学足趾和强的接收信号是相互矛盾的。侧视合成孔径激光成像雷达为了产生合理的外差拍频频率或者合理的相关运算范围，需要本振激光产生必要的延时，达到接近目标双程距离，因此需要相位变化极小的长距离的光学延时线，这种光延时线技术十分复杂。相关运算延时也可以采用数字延时，高宽带情况下也不是一件简单的事情。侧视合成孔径激光成像雷达采用光学外差探测方法，这需要把激光光源分成两部分：一部分用作发射光束；另外一部分用作本振光束，因此在任一臂的相位波动和干扰（如产生于大气扰动、运动平台振动、激光雷达系统本身不稳定性等的相位变化）都将被引入外差探测信号中而严重降低合成孔径激光成像雷达的性能。文献［8］采用相位梯度算法进行误差处理，文献［9］采用干涉方法实时测量相位波动并进行补偿，但都不是有效和彻底的解决方案。

为了克服这些困难，中国科学院上海光学精密机械研究所（下称上海光机所）提出了新型的直视合成孔径激光成像雷达体系结构［10］。直视合成孔径激光成像雷达的基本原理是在交轨向实行目标面上的目标横向距离分辨和在顺轨向实行孔径合成，其物理方法是采用空间波面变换操控和偏振正交同轴双光束成像投射分别实行目标的交轨向线性相位调制和顺轨向二次项相位历程，相位信息获取采用偏振干涉自差探测复数化接收，成像算法由实现交轨向聚焦成像的傅里叶变换和实现顺轨向聚焦成像的共轭二次项匹配滤波组成。侧视合成孔径激光成像雷达从射频合成孔径雷达拷贝而来，而直视合成孔径激光成像雷达的原理完全不能在射频波段被复制，说明直视合成孔径激光成像雷达的原理和方法已充分发挥了光学上容易实现灵活的波面变换和波面操控的特性，是一种全新的合成孔径成像原理，完全突破了合成孔径雷达的传统原理和方法。

直视合成孔径激光成像雷达具有如下固有优点：非常有效地降低了大气、运动平台、光雷达系统本身等相位干扰的影响，允许使用低质量的接收光学系统，照射光斑、接收口径可以很大，因此能够获得较大的光学足趾和较强的回波接收功率，不需要光学延时线，初始相位同步比较简单，可直视观察成像。直视合成孔径不仅能够用于星载和机载的对地观察，而且也可以采用逆合成孔径激光成像模式探测空间活动目标。上海光机所研制了一种直视合成孔径激光成像雷达演示样机［11］，开展了室外各种大气条件下的目标成像实验，实验表明在白天和夜晚的多种大气湍流条件下都得到了满意的成像结果，无需任何辅助相位补偿算法来抑制大气等的相位干扰，充分发挥了原理上固有的抗干扰特性。(www.daowen.com)

合成孔径激光成像雷达的工作模式如图1-1所示。

微波合成孔径雷达（SAR）和合成孔径激光成像雷达（SAIL）的相同和差异如表1-1所示。

图1-1　合成孔径激光成像雷达的工作模式

（a）直视工作模式（定义顺轨向为机载雷达飞行方向，等同于方位向，交轨向为目标面内对应光学足趾中心的横向方向）；（b）侧视工作模式（定义方位向为机载雷达飞行方向，距离向是以观察视线切面为参考的视线方向）

表1-1　微波SAR和光学SAIL比较

（续表）

合成孔径激光成像雷达从原理开始到工程样机的实现通常需要经过4个阶段的发展。第一阶段是进行所提出的合成孔径激光成像雷达原理的实验装置隔振平台尺度的贯通验证实验；第二阶段是进行实验室样机的实验室大尺度的带有微弱相位干扰因素的验证实验；第三阶段是发展演示样机并进行室外抗大气等相位干扰的验证和系统运行性能检验的试验；第四阶段是继续发展工程样机并进行机载抗干扰验证和系统性能测试试验。其中第一阶段和第二阶段是关键性的，因为它检验原理正确性，第三阶段是决定性的，因为它检验实际应用可行性。