基于实验基础和对于基础科学问题的认识，上海光机所探索设计和研制了一个探测距离为50 km的Φ300 mm口径的合成孔径激光成像雷达演示样机，同时为了实现在实验室空间内进行成像性能验证，设计了附加光学装置。理论设计和实验结果表明该组合演示样机在14 m传输距离上产生光学足趾尺寸为22 mm×22 mm，二维成像分辨率的理论设计为0.38 mm（顺轨向）×0.84 mm（交轨向），而实验测试值优于1.4 mm（顺轨向）×1.2 mm（交轨向）。

大口径合成孔径激光成像雷达演示样机的近场验证实验结构如图11-19所示。演示样机的光学本体由啁啾激光源、光纤放大器、HCN时间同步回路、本振准直器及光路、信号发射准直器及光路、接收／发射双向回路（分光棱镜1和2）、收发主望远镜、接收通道匹配传输4f望远镜和平衡接收棱镜（分光棱镜3）所组成。接收／发射双向回路、接收通道4f望远镜和光学主望远镜构成回波空间二次项相位的补偿光路，其原理已有报道［3～5］。发射通道附加望远镜、主望远镜的孔径光阑和探测器光阑组成近距离模拟附加装置，其具有两个作用：①附加望远镜离焦，从而在目标面前实现聚焦而形成一个曲率半径很小的照明二次项投影。②采用探测器光阑形成很小光学外差的接收孔径，以在近距离的目标上产生足够大的外差接收视场。应当注意矩形孔径下的SAIL具有最好的成像分辨率［14］，所设计的演示样机中均采用矩形孔径。

合成孔径激光成像雷达演示样机的具体工作过程为：激光发射源由光纤放大器放大并输出3路光纤光束，一路作为HCN光谱吸收盒的触发光信号，以克服啁啾激光器初始发射频率随机性导致的不同脉冲间产生随机相位误差的问题，一路经准直镜形成本机振荡准直激光光束。主功率光纤的光束经准直镜形成发射激光光束，其经过偏振镜、次望远镜、第一偏振分光棱镜（透射）、λ／4波片、主望远镜和主光阑发射向目标。主望远镜配合次望远镜的离焦将对目标产生一个数米量级曲率半径的照明波前。目标的回波激光波前通过主望远镜、λ／4波片、第一偏振分光棱镜（反射）、4f望远镜、第二偏振分光棱镜（反射）与本机振荡准直激光光束合束。其中主望远镜需要少许离焦以消除回波波面的固有偏置，λ／4波片用于控制回波在第一偏振分光棱镜的反射。回波和本振光束一同通过半波片和接收机光阑入射2×2光学桥接器，其中半波片用于旋转光束45°使得所分成的两路干涉光束被平衡接收机的两个光电探测器接收。该SAIL系统具有集成化控制系统，采用计算机为控制中心，可以实现激光器控制、数据采集、目标平台移动、实时图像处理等全过程自动化处理。因此本系统能够采集数据的同时，根据分析计算与图像处理显示原始图像数据，交轨向压缩图、交轨向压缩图及二维成像图3个图像，实现了SAIL成像的实时性。

限于实验室场地限制，目标工作距离设定为14 m。演示样机的望远镜主镜口径为Φ300 mm，主望远镜系统放大倍率设定为10倍，次望远镜系统放大倍率设定为10倍，作为光源的光线耦合器发射光斑为2.87 mm，因此主镜面发射光斑为Φ287 mm，经由方形光阑切割为100 mm×100 mm的出射光斑。由于目标距离为14 m，则主望远镜离焦量约为110.8 mm。因此设计发射系统望远镜离焦以在目标面形成3.3 m的等效发射半径，32 mm×32 mm的照明光斑以覆盖接收视场，并预留一定余量。由于发射波面和接收波面曲率不等，等效的合成孔径二次项半径为其两者倒数和的倒数，因此等效合成孔径二次项半径约为2.67 m。接收机光阑孔径为0.2 mm×0.2 mm，相当于天线的入瞳为2 mm×2 mm，因此在目标面上的光学外差接收视场尺度为22 mm×22 mm。综合照明光斑和接收视场，组合演示样机的光学足趾为22 mm×22 mm，因此顺轨向理论分辨率约为0.38 mm。(www.daowen.com)

考虑到HCN工作特性，激光啁啾范围设定为1 549～1 553nm，即啁啾波长差为4 nm。波长扫描速率为100 nm／s，啁啾速率为1.267 4×1013Hz／s。由于目标采用45°放置，因此交轨向理论分辨率约为0.84 mm（深度向分辨率为0.6 mm）。总之，理论成像分辨率为0.38 mm（顺轨向）×0.84 mm（交轨向），这里给出的成像分辨率相当于成像的点扩散函数宽度。本振光学系统与目标中心差距光程差约为60 mm，分别采用了光纤延迟线与自由空间光学反射镜系统，所产生的外差信号中心频率为2.5 kHz。目标顺轨向步进间隔为0.1 mm，示波器采样频率为2.5 MHz。探测到的二维分布的光电子信号经过交轨向傅里叶变换聚焦和顺轨向的相位二次项匹配滤波后将产生与目标字符相同的实验结果输出图像。受激光器啁啾特性限制导致重复频率很低，实验采用一步一停的实验方式，实验过程相当于条带扫描模式［15］。

实验目标为3个英文字母“C”，“A”，“S”，总的尺寸为36 mm（长）×10 mm（高），其成像结果如图11-20所示，此时的匹配滤波器宽度为光学足趾的一半左右。成像分辨率可以采用一个类似点函数的点目标的成像来测定。实验室中采用的点目标尺寸为Φ1 mm，成像点的（接近零值）全宽度为1.4 mm（顺轨向）×1.2 mm（交轨向），为简单起见，认定它为成像分辨率，实际值还要好一些。测量分辨率低于理论设计值，主要原因是顺轨向聚焦成像时的匹配滤波的实际可采用的积分宽度低于足趾宽度，交轨向聚焦成像时的傅里叶变换的实际可采用的积分宽度也低于激光脉冲时间，这是考虑了激光散斑、非线性啁啾等的影响。

输出图像上存在非常明显的强度随机分布特性，这是由于漫反射目标激光回波的散斑效应所造成的。已知目标分辨单元的设计尺寸为0.38 mm×0.6 mm，相当于在接收面产生的激光散斑强度的平均尺寸［16］为57.1 mm×36.2 mm，其远远大于天线的外差接收口径2 mm×2 mm，可以预计成像中会出现强烈的散斑效应。

实验安排上在目标面上也设置了一个反射镜，其与SAIL构成了一个干涉测长装置，因此可以实时测量目标光路中引入的外界相位干扰，用于对顺轨向取得的相位因子进行补偿以得到质量提高的输出像。图11-20的实验结果是经过干扰相位测量和补偿的。