本节对聚束非相干合成孔径激光成像雷达进行了实验验证。实验所用光路如图12-13所示，采用的是同路收发的系统，光束从光源出来后经过偏振分束棱镜和λ／4波片后进入望远镜放大系统，放大后以大孔径的平行光出射照在目标面上，目标反射回波按原路返回，在偏振分束镜上反射至接收光耦合器中，最终通过信号采集系统获得目标反射回波的强度信息。

实验中使用的调Q固体激光器（Passat Compiler 1 064）发出脉宽为8 ps，波长为1 064 nm红外波段的短脉冲，单脉冲能量在0.2 mJ左右，经过两级放大后以光斑直径为300 mm的平行光照射到被测目标。接收器所探测到的反射回波信息是光强随时间的变化，对应于被测目标的表面反射系数随被测目标深度的变化。被测目标为用3M反射膜制作的字母E，尺寸设定如图12-13所示，并放置于与水平面成62°倾角的平面上。采集系统从0°～360°进行反射投影数据采集，为了与实际雷达系统相对应，图像重建过程中只选取一部分角度范围的反射投影信息。

为了从投影中精确地重建目标图像，有必要确定目标投影采样角度数和单投影上采样点数。根据尼奎斯特采样定理，要想从傅里叶频域F（u，v）中得到目标的空域图像，傅里叶域F（u，v）采样间隔须小于1／xmax，xmax为目标某一方向上的最大尺寸。除此之外，目标f（u，v）是客观的物理量，具有有限的能量，那么傅里叶域F（u，v）同样也具有有限的能量范围。尽管傅里叶域F（u，v）带宽无限长，但是随着u，v的变大，F（u，v）取值逐渐趋向于零。因而可以根据所占能量的百分比来确定不同的截止频率umax，进而限定傅里叶域F（u，v）带宽，得到物体频域有限带宽umax。假设目标空域最大尺寸为xmax，频域截止频率为umax，要想完全重建目标图像，应采用标准的奈奎斯特采样定律，频域采样间隔要小于1／xmax。如图12-14所示，可以得到投影角度间隔Δφ（Δφ比较小）采样限制条件［41］为

根据上式，可求得投影个数Nφ，单个投影上采样点Nφ的限制条件为

式中，θ为采样角度范围，对于传统的反射层析有θ=2π。

在反射层析中，截止频率umax可由探测器和激光脉冲所确定的距离分辨率进行近似计算，具体过程为：选取探测器和光脉冲两者中对应的较低的距离分辨率作为系统距离分辨率ΔR，转换到频域：

定义频域sin c函数第一个零点为图像频域截止频率，即

从而可以得到实验中反射层析成像目标的采样角度数目和单个投影上采样点数限制条件。

本实验中，激光脉冲持续时间为8 ps，对应可得距离分辨率为

(www.daowen.com)

探测器采样率为20 GHz，对应距离分辨率为

故系统的总分辨率为xmax=300 mm，可得采样角度最大间隔：

但是在实际图像重建过程中，由于运用了反射层析算法，将对重建图像的分辨率要求有一定的提高，因此采样角度最大间隔应该比探测器限制的分辨率小，实验中设定的采样角度间隔为1°。

实验中，将目标固定在倾斜平台平面上，目标绕着平台的法线进行旋转，如图12-15（a）所示。旋转过程中，目标等位线如图12-15（b）所示。相同角度下位于同一距离等位线上的目标反射回波叠加在一起形成一维的投影图，如图12-15（c）所示。将所有角度不同距离的一维反射投影综合在一起，可得目标的二维投影图，如图12-15（d）所示。图12-15（d）为去除放大望远镜反射光以及背景噪声后所得到的目标的360°光强投影图以及其中0°～60°投影图的放大图，其纵坐标为距离坐标（1 bin=7.5 mm），横坐标代表不同的角度。

图12-16为不同角度范围的投影进行重建后的图像，由于聚束非相干机载雷达的探测角度有限，一般成像角度在60°左右，因此只取0°～60°投影数据进行图像重建，60°滤波反投影图像重建结果如图12-17所示。由图12-17可知，成像结果与计算机仿真结果在目标形状大小上基本一致，由于成像算法本身会产生伪迹，因此导致图像出现模糊。另外由图12-16可知，当成像角度增多时，图像的伪迹效果就会减弱，如果能获得目标360°投影进行重建，就能很好地抵消伪迹影响，重建清晰完整的目标图像。但是实际的雷达探测过程中只能探测到局域角度的目标投影，因此重建过程中的伪迹影响不仅会造成模糊，而且会使重建图像产生一定的畸变。要得到局域角度的目标清晰图像，就还需对局域角度的成像算法进行改进。但是综合来说本实验图像重建的结果与计算机仿真的结果基本匹配，且能从中较清楚的分辨出目标的具体信息，基本能达到对二维平面目标的成像要求。

图12-16　不同角度范围投影重建图像

（a）10°；（b）30°；（c）60°；（d）90°；（e）180°；（f）360°

图12-17　滤波反投影重建图像

（a）滤波反投影直接重建；（b）取阈值后直接重建；（c）投影归一化后重建；（d）归一化阈值后重建

聚束非相干合成孔径激光雷达扩展了合成孔径雷达的应用范围，具有结构简单、操作灵活多样的特点。本节从具体实验出发，通过模拟层析聚束模式的合成孔径激光雷达，证明了聚束非相干合成孔径激光雷达的可行性，并实现了利用实验数据对二维平面目标的图像重建，并用计算机仿真对重建图像进行了验证。与以往的轮廓成像相比，本方法的适用范围更广泛，是真正意义上的聚束非相干合成孔径激光雷达二维成像。在图像重建过程中，由于算法和局域角度信息量不足的问题，对重建出来的目标图像会造成一定的模糊和畸变［38～43］。