2002年美国海军实验室报道采用移动的孔径对漫散射目标进行成像，实现了真正意义上的激光合成孔径二维成像，标志着合成孔径激光成像雷达进入了实验室验证研究阶段。在此阶段发展了较为系统的理论，分析了大气湍流对合成孔径激光成像雷达的影响，论证了该技术在大气中应用的可行性。

美国海军实验室在2002年首次突破性地实现了合成孔径激光成像雷达实验室尺度装置二维成像［17，18］，采用了1.55μm的半导体啁啾激光器和光纤技术，激光连续波输出功率5 mW，同时采用附加光学外差参考通道进行啁啾信号非线性调制波形变化测量，在30 cm处实现了90μm顺轨向分辨率和170μm交轨向分辨率，实验装置和实验结果如图1-2所示。2005年美国宇航公司在光纤组装的实验室尺度的合成孔径激光成像雷达装置上，使用移动的孔径，对漫散射目标实现了二维成像［19，20］。激光光源采用1.55μm的半导体激光器，7 mW输出功率，采用附加光学外差参考通道进行差频记录，采用数字计算的方法把短距离相对时间延时的、包含非线性啁啾的差频电子信号变换到长延时差频信号，以抑制啁啾频率非线性效应。同时也利用HCN吸收盒作为标准吸收谱用于同步啁啾光频的初始相位，在2 m的作用距离下，得到二维成像的顺轨向分辨率优于0.5 mm，交轨向分辨率约0.6 mm。实验结果不仅实现了聚束模式合成孔径光学成像，而且还能够通过改进算法对图像的细节进行较好的恢复，实验结果如图1-3所示。

图1-2　美国海军实验室研究装置示意图和实验结果

图1-3　美国宇航公司合成孔径激光成像雷达成像实验结果

在实验室验证取得突破性进展以后，美国雷声公司和诺斯罗普·格鲁门公司在美国国防先进研究计划局（DARPA）的资助下均独立成功研制了合成孔径激光成像雷达装置系统，展示了该技术对远距离目标进行高分辨成像的先进性和广阔应用前景。美国雷声公司于2006年2月17日报道了合成孔径激光成像雷达机载实验结果［21］，该样机采用1.5μm成熟的激光光源和光纤器件。2006年4月美国诺斯罗普·格鲁门公司采用最新研发的CO2激光器，也在DARPA的资助下，成功演示了机载合成孔径激光成像雷达成像实验。图1-4为相应的机载实验样机装置示意图。上述机载实验验证了该技术在空间远程探测和高分辨率成像等军事应用中的巨大潜力，引发了空间远程高分辨率成像的新技术革命。在美国军方的继续资助下，该技术正朝实用化方向进展。2006年秋利用机载实验实现了三维成像，2007年春对城市和峡谷等复杂目标进行了成像实验，展示了合成孔径激光成像雷达在三维目标成像和复杂目标成像方面的优势和潜力。

图1-4　美国DARPA资助的合成孔径激光成像雷达机载试验样机

2013年美国雷声公司获得DARPA合同，研究地基逆合成孔径激光雷达（ISAIL）对高轨目标成像问题，该项目分4个阶段实施，包含方案制定和实验室验证阶段；对中轨／同步轨道目标低功率成像验证阶段；加入自适应系统补偿大气湍流阶段；完成高功率激光系统，对同步轨道非合作目标进行成像阶段。

在极限灵敏度方面美国空军实验室（见图1-5、图1-6）、蒙大拿州立大学、JPL林肯实验室都进行了积极探索，同时合成孔径激光干涉三维成像与地面位移监控也成为近期研究热点［22～24］。图1-7为蒙大拿州立大学桌面SAIL的多模式成像，实现了条带、聚束和三维SAIL图像。图1-8为蒙大拿州立大学极限灵敏度成像实验，在1.2光子／像素条件下仍能实现SAIL成像。图1-9为JPL实验室获得的高载噪比和低载噪比条件下的线目标SAIL图像，在无大气湍流条件下借助PGA算法可实现1.5个光子／像素的成像灵敏度。

图1-5　雷声公司DARPA项目地基ISAIL研究

图1-6　美国空军实验室地基SAIL系统对高轨卫星模拟成像结果

(www.daowen.com)

图1-7　蒙大拿州立大学桌面SAIL多模式成像

（a）条带模式；（b）蜻蜓目标；（c）聚束模式；（d）喷砂硬币SAIL图像；（e）两幅SAIL图像干涉图；（f）三维SAIL图像

图1-8　蒙大拿州立大学极限灵敏度成像实验

（a）5幅独立SAIL图像的平均图像，其中每个像素约1.1个光子；（b）基于PAG相位自聚焦获取的图像；（c）相对于（a）采用5倍发射功率的最终结果；（d）相对于（b）采用发射功率的最终结果

图1-9　高载噪比和低载噪比条件下的线目标SAIL图像

差分合成孔径激光成像（DSAIL）算法也是克服平台振动干扰的可能手段之一。2016年蒙大拿州立大学在实验平台上开展了差分合成孔径激光成像技术研究［25］，研究结果表明，DSAIL方法的确对接近目标处的大气湍流更有效，但是缺点是成像分辨率下降，同时对复杂目标效果较差，且更依赖于较好的信噪比，在低信噪比情况下效果很差。

图1-10　差分合成孔径激光成像算法与相位梯度算法（PGA）结果对比

总之，经历了从理论到实践、从室内到室外的发展历程，目前国外正逐步开展实用化方面的技术研究，如平台振动影响抑制、大气湍流影响抑制、机载试验验证、地基对地球静止轨道（GEO）目标成像等技术验证。

在相关项目的支持下，国内多家单位积极开展合成孔径激光成像技术研究，包括中国科学院上海光机所［7，26～28］、西安电子科技大学［29，30］、中国科学院电子所［31］、中国科学院上海技术物理所［32］等，实现了SAIL系统实验室台面演示，均取得了毫米级分辨率的成像效果。图1-11是中国科学院电子所开展的室内三维合成孔径激光成像雷达的实验结果。

图1-11　中国科学院电子所合成孔径激光雷达干涉模式成像结果