1）原理

由直视合成孔径激光成像雷达的原理可知，由于采用了偏振正交的同轴双光束波面变换放大投射到目标位置，反射回波通过自差探测接收，因此，具有系统结构简单、光学足趾可控、高分辨率等优点，能有效降低大气、运动平台、光雷达系统本身等相位干扰，我们的直视合成孔径激光成像雷达不仅在实验室获得了理想的目标成像［18］，同时也已经在室外各种大气湍流条件下的目标进行了成像实验，获得了良好的成像结果［19］，无需任何辅助相位补偿算法来抑制大气等相位干扰，充分发挥了原理上固有的抗干扰性。

本节在条带扫描直视SAIL基础上，提出了一种静态直视合成孔径激光成像雷达的工作模式［20］。其工作过程为：保持雷达（或搭载平台）与目标相对静止，在交轨向上通过相同曲率半径柱面镜的相对运动产生目标交轨向与目标位置有关的空间线性相位项调制，同时在顺轨向上通过不同曲率半径柱面镜的顺轨向同向运动产生与目标顺轨向位置有关的空间二次项相位历程。这种静态直视SAIL是通过内光场的顺轨向波面相位运动调制来获得孔径合成所需要的二次项相位历程，这是传统微波SAR和侧视光学SAIL所不能实现的模式，是直视SAIL所特有工作方式。

静态直视SAIL实验装置的原理如图5-17所示，由发射装置、大口径的平行光管、接收装置和控制计算机组成。发射装置主要包含激光光源、λ／2波片、透镜L1、柱面镜L2～L4、两个偏振分束器（PBS，分别用以分束和合束）、两个λ／4波片、4个反射镜、两个直线扫描驱动电机、信号发生器以及发射望远镜主镜。其中透镜L1用来改变内发射场位置光斑的振幅大小，柱面镜L2～L4位于发射望远镜前焦面，L2和L3为交轨向方向柱面镜，仅对交轨向的波面进行变换，通过L2和L3的平动扫描产生交轨向的线性相位差，同时对其进行异向偏置Sb产生目标图像频率单边带平移。L4紧贴着L2，用以调制顺轨向的波面相位。接收装置主要包含接收望远镜、λ／2波片、偏振分束镜、两个小透镜、平衡探测器以及模数转换器。信号发生器和数字采集系统通过计算机连接控制，控制柱面镜的扫描和信号的采集。实际工作状态下，目标与雷达保持相对静止，交轨向柱面镜做周期性往复快时间平动扫描，顺轨向沿垂直纸面方向慢时间平动扫描，采用大口径10 m平行光管用来模拟远场衍射，将内光场调制相位放大发射到目标位置处，目标放置于平行光管焦平面位置，最后回波通过接收装置获取目标信号。

图5-17　静态直视SAIL实验装置原理

实验过程中，在交轨向柱面镜快时间扫描的同时，顺轨向柱面镜进行慢时间扫描，其内发射场的光场为

式中，光阑窗口宽度为Wx×Wy，扫描时间为系统快时间变量记为tn，f，交轨向柱面镜运动速度为vx，扫描时间宽度为，扫描的慢时间变量记为ts，m，顺轨向柱面镜运动速度为vy，扫描时间宽度为，Sb为交轨向往复扫描中的相位二次项附加的相等的中心位移，因此tn，f=0的两个交轨向柱面镜的中心位置均位于Sb。

由发射主镜产生的发射光场通过夫琅禾费衍射到达目标面，实验采用大口径平行光管来模拟远场衍射，因此在平行光管的焦平面上的光场事实上是内光场的尺度放大（-M倍）。，Z是目标距平行光管的距离，且Z=F，ft是发射主镜焦距。忽略水平偏振光束和垂直偏振光束的相同相位因子如夫琅禾费衍射相位二次项，因此正向扫描的垂直偏振光束和水平偏振光束在目标面上的外光场分别为

式中，Et=E0tat／M，而tat为大气通过率。可以看到光学足趾（扫描条幅）的尺度为MWx×MWy。

同样采用点目标来分析回波收集情况。目标回波由接收望远镜接收，从目标到光学望远镜接收天线的传播也用夫琅禾费衍射描述。假定目标点（xp，yp）的有限尺度为dx×dy，在光学接收天线平面上的正向扫描的垂直偏振和水平偏振的接收场强分别为

式中，为目标点的光场反射率。

扫描时的接收探测采用平衡接收方式，其偏振相同和偏振相反的两路平衡接收后的光电流为

信息处理可以采用交轨向傅里叶变换聚焦和顺轨向共轭相位二次项匹配滤波聚焦成像算法。首先对目标回波进行交轨向聚焦成像，采用傅里叶变换实现。因此，回波经过交轨向聚焦成像为

式中的项表明交轨向的成像占据了正负两个边带，而同向位移Sb表明最终可以平移成像点的位置。为了消除孪生重叠，采用成像频率域单边滤波，令成像面即条幅宽度为可以实现ξ＞0的正频率域单边滤波成像。分析中均采用正频率域单边滤波成像。

然后经过顺轨向匹配滤波后，最终的二维聚焦成像输出为，设计

因此，其成像分辨率表示为

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式中，K为光阑宽度与扫描时间的比值，即。

2）实验验证

根据图5-17所示光路进行了实验室原理验证，目标与平台保持相对静止。实验中的发射光束采用波长532 nm、功率100 mW的绿光激光器，位于激光器和偏振分束器之间的透镜L1的焦距为100 mm，激光器距内发射光场的距离约为400 mm，该透镜可调平移范围大约为200 mm，因此其在内发射光场的光斑直径随距离的变化如图5-18所示。柱面镜L2～L4的焦距均为60 mm，口径为14 mm×14 mm。交轨向柱面镜L2和L3的扫描速率为2 mm／s，顺轨向柱面镜L4的扫描速率为0.002 5 mm／s，交轨向相对扫描使得在目标面产生线性相位差变化，顺轨向平动扫描产生二次项相位历程，如图5-19为内发射光场的顺交轨向的相位差分布。发射主镜Φ155.5 mm，焦距500 mm。

图5-18　光斑直径随透镜位置的关系

图5-19　内发射场不同时刻的扫描相位差

实验中的内光场光斑为2 mm，目标面光斑尺寸约为40 mm。目标放置于10 m焦距平行光管的后焦面上，下面分别对点目标、二维面目标进行信号的收集成像，目标采用3M反射纸，接收望远镜主镜Φ155.5 mm，焦距500 mm，接收信号经光桥接器实现自差相干后，由平衡接收机进行信号采集。采集卡的采样频率设置为1 kHz，其柱面镜偏置2 mm，因此最终成像的频率范围为125～375 Hz，中心频率为250 Hz。顺轨向采样400个点，采样频率为0.5 Hz，其内光场步长为5μm。最后将采集到的二维数据经过交轨向傅里叶变换聚焦和顺轨向匹配滤波聚焦后获得二维重构图像。

（1）点目标成像实验。

图5-20　点目标的成像过程

（a）回波数据；（b）交轨向傅里叶变换；（c）顺轨向二次相位项历程；（d）目标点图像；（e）交轨向分辨率；（f）顺轨向分辨率

理论上，交轨向的理论分辨率与柱面镜的扫描范围成反比，实验中的扫描范围为1.2 mm，对应的理论分辨率为0.53 mm；顺轨向的理论分辨率同样与顺轨向的扫描范围有关，实验的扫描范围为1.5 mm，对应的理论分辨率为0.85 mm。对0.5 mm×0.5 mm尺寸的点目标进行了成像实验，结果如图5-20所示。图5-20（a）为采集卡收集到的原始回波信号，图5-20（b）为进行交轨向傅里叶变换后的图像，图5-20（c）为点目标的顺轨向二次波面相位，图5-20（d）为点目标的二维重建图像，从图5-20（e）和图5-20（f）可以看到点目标的最小值全宽为0.8 mm×1.1 mm。与理论值造成偏差的主要原因是由于内发射场柱面镜的非线性运动和内发射场的等效波面像差，其像差包含安装和柱面镜本身造成的像差。

（2）二维目标成像实验。

在同样的实验条件下，对二维目标进行了成像实验，如图5-21、图5-22所示。图5-21（a）为多矩形条带横纵向排列的目标，其镂空白纸后面为SM反射纸，矩形条带尺寸宽分别有1，2，3，4 mm，高度为8 mm，间隔1.5 mm。该目标与照射光斑垂直即采用直视观察，图5-21（b）为二维的重建图像。同理，一个23 mm×20 mm的平面飞机被采集与重建，如图5-22所示。

图5-21　条幅目标图像

（a）实物；（b）成像

图5-22　平面飞机目标成像

（a）实物；（b）成像

实验的目标图像出现较强的光强分布不均匀现象，其中一个原因是目标表面的反射率不均匀，还有另一个主要原因是漫反射目标的激光散斑效应引起的。由于散斑会引起接收回波的振幅分布和相位分布的随机性，对于静态SAIL通过内光场的相位调制放大发射到远场目标位置，其相位的随机性能够被很好地抑制，但还存在振幅的随机性。

需要说明的是，本实验的静态直视合成孔径激光成像雷达是在实验室内采用10 m平行光管来模拟远场条件。实际上，该静态直视合成孔径激光成像雷达完全具有直视SAIL的所有优点，同样可以自动补偿消除大气湍流及平台振动引起的相位干扰，因此该静态直视SAIL完全可以直接应用于室外实验。

至此，已经在实验室完成了静态直视SAIL的原理验证，验证了在搭载平台与目标相对静止情况下的目标成像，在实际的机载实验中，在飞机运动的情况下，可以采用增加一个光束扫描器来实现光斑与目标的相对静止，这种模式称为聚束模式直视SAIL，可以实现目标能量的积累，有效增加回波的能量，提高成像的信噪比。