1 中国科学院微小卫星创新研究院，上海 201304
2 上海微小卫星工程中心，上海 201304
对采用天基逆合成孔径雷达（ISAL）对300~2000 km轨道高度的低轨（LEO）目标的掠飞和绕飞成像模式进行了性能分析及可行性探究，分析了成像分辨率和成像时间、最小无模糊脉冲重复频率（PRF）和回波信噪比（SNR）等系统关键指标，并进行了对比。研究结果表明：绕飞成像模式相比于掠飞成像模式可以实现对于目标的多角度持续观测，且绕飞周期较短(1.5~2.1 h)，可以快速获取更为丰富的目标信息，具备进一步三维ISAL成像的潜力；脉冲积累时间虽然更长，但在300~2000 km轨道高度范围只有130~190 ms （掠飞成像为0.1~130 ms）；最小无模糊PRF （对于10 m转动直径的目标，约为15 Hz）减少一半（减少了对激光器高重频的要求）；由于更长的脉冲积累时间，绕飞模式的回波信噪比更高，通过后期处理可以获得更为清晰的图像结果；适用于对重要目标和高价值资产进行快速、高分辨率、全方位的持续观测。而掠飞模式适用于对相近轨道高度面的LEO目标进行遍历和成像，从而建立目标的特征库。
成像模式 天基 逆合成孔径激光雷达 LEO目标 imaging mode space-based Inverse Synthetic Aperture LADAR LEO targets 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220679
1 中国科学院空天信息创新研究院微波成像技术国家级重点实验室, 北京100190
2 中国科学院大学, 北京100049
3 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
合成孔径激光雷达是实现计算成像的一种重要途径。首先,介绍了多通道逆合成孔径激光雷达(ISAL)样机、成像探测实验及信号处理方法。然后,阐述了样机系统组成和关键技术解决途径。接着,利用基于一发多收脉冲体制和全光纤光路的相干激光雷达样机,给出了地面运动车辆目标的成像探测实验结果。最后,在收发扩束宽视场条件下,验证了多通道ISAL的高分辨率成像能力和顺轨干涉运动补偿成像方法的有效性。
成像系统 逆合成孔径激光雷达 相干成像 干涉处理 激光扩束 运动补偿 激光与光电子学进展
2021, 58(18): 1811017
1 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院, 北京 100094
提出一种基于相干光纤束(CFB)的无扫描、无透镜3D内窥成像方法。与传统内窥成像方法相比,该方法以裸光纤束端面为探头,无需集成任何微光机元件,结构简单,体积小,极易微型化。该方法融合了合成孔径激光雷达(SAL)、宽带线性调频激光雷达和数字全息激光雷达等,利用宽带线性调频激光器产生主动照明信号,并采用CFB收集、传输目标散射回波,同时根据离轴数字全息原理通过使用高速CCD阵列相机记录回波信号,最后利用SAL数据处理方法重构目标3D图像。建立了3D内窥成像系统的数学模型,给出了3D内窥成像的数据处理方法。理论和仿真结果表明,所提方法克服了光纤束固有结构造成的像素化图像伪影,具有精确的横向和纵向3D成像感知能力。
成像系统 图像探测系统 3D内窥成像 合成孔径激光雷达 离轴数字全息 光学学报
2021, 41(18): 1811003
1 西南技术物理研究所, 成都 610041
2 电子科技大学 基础与前沿研究院, 成都 610054
为了研究量子关联测量和Hong-Ou-Mandel干涉测量在激光雷达探测上的潜在应用, 采用基于色散位移光纤制备关联双光子源的方法和全同光子的Hong-Ou-Mandel干涉原理, 搭建了关联双光子产生平台和Hong-Ou-Mandel干涉平台, 进行了理论分析和实验检测。结果表明, 制备出的关联双光子源, 其双光子产生率最高约8kHz, 符合/偶然符合计数比最大值约为15, 验证了双光子源的量子关联特性; 测试了两路弱相干-单光子源的Hong-Ou-Mandel干涉, 干涉可见度为0.41±0.01, 若将一路光子信号作为激光雷达的回波信号, Hong-Ou-Mandel干涉测量可以将激光雷达的时间测量精度提升到0.95ps±0.03ps, 对应空间分辨率为284.06μm±9.94μm。相关实验结果为后续研究不同体制的量子光学-激光雷达技术奠定了基础。
量子光学 激光雷达 关联双光子源 Hong-Ou-Mandel干涉 quantum optics LADAR correlated two-photon source Hong-Ou-Mandel interference
1 电磁散射重点实验室，北京 100854
2 光学辐射重点实验室，北京 100854
将逆合成孔径雷达成像原理应用于激光波段和机载平台，在千公里级别探测距离上实现了对空间锥形目标的稀疏微动成像，对应距离/方位分辨率均为厘米级。通过建立机载逆合成孔径激光雷达成像模型，分析了平台和目标复合运动条件下的目标斜距和雷达回波构成，验证了机载逆合成孔径激光雷达对微动目标探测的可行性。针对激光波段方位向重复频率高、系统复杂和数据冗余等问题，提出了一种基于空间域压缩感知的微动目标稀疏成像算法，在方位向稀疏观测条件下，建立微动目标线性观测模型，并利用基于l1范数的优化方法进行稀疏信号求解，实现微动目标图像重构。基于电磁计算数据的实验结果验证了所提方法的有效性。
激光雷达 逆合成孔径 微动 压缩感知 稀疏成像 ladar inverse synthetic aperture micro-motions compressed sensing sparse imaging 红外与激光工程
2020, 49(S2): 20200190
基于大面阵InGaAs基线性背照工作模式APD光敏芯片，采用SMIC 0.35 μm 3.3 V CMOS工艺实现了一款单片集成面阵激光雷达读出电路。电路芯片与APD光敏芯片的每个像元通过In柱互连，实现电流脉冲的有效传输与接收。仿真和测试表明，基于可调节共源共栅输入级和自偏置共源放大级的像元级前置放大器实现了等效5 μA@2.5 ns脉宽的电流检测灵敏度；在片上125 MHz主时钟下，基于计数型和压控延迟型的二段式像元级TDC，通过多相位时钟插值技术实现了1 ns的高精度时间分辨率；采用分时供电的工作模式，32×32面阵读出电路芯片功耗节省了65%。
读出电路 前置放大器 时间数字转换电路 激光雷达 APD ROIC preamplifier time digital convertor ladar APD 红外与激光工程
2020, 49(8): 20190529
1 中国科学院空天信息创新研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院, 北京 100049
地球同步轨道(GEO)空间没有大气干扰,光束在GEO空间中传输不会衰减,也不会出现波面畸变,是合成孔径激光雷达(SAL)技术的理想应用场所。天基SAL可为GEO目标提供超衍射极限分辨率的光学图像。为了实现这一目标,利用在万有引力作用下绕地心沿不同圆周轨道运动的天基SAL和GEO目标的三维坐标关系,建立了基于光学外差探测的天基SAL成像理论模型,研究了与轨道参数有关的成像数据处理方法。研究结果表明,利用万有引力轨道运动,天基SAL能够对GEO目标实现超衍射极限分辨率成像;轨道半径、轨道平面夹角、成像位置等参数的变化会影响成像数据的处理过程,降低成像分辨率,造成聚焦图像的几何形变。交会点附近是天基SAL最佳的成像位置,此处天基SAL与GEO目标之间的距离近,聚焦图像的几何形变小,成像分辨率高。
遥感 高分辨率成像 合成孔径激光雷达 轨道运动 光学学报
2020, 40(18): 1828002
1 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
2 国防科技大学脉冲功率激光技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230037
3 西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室, 陕西 西安 710071
合成孔径激光雷达(SAL)是合成孔径与激光雷达的结合体。由于SAL的工作波长较短,可以在短时间内实现高分辨率成像,近年来发展较快。但短波长也会带来其他问题,对于机载SAL,其波长比载机振动幅度小1~2个数量级,所以载机的振动会给回波带来较大的相位误差,传统的惯导系统很难达到激光波长级的定位精度,需要进行基于数据的自聚焦才能实现SAL成像。针对这一问题,提出一种利用最小熵自聚焦(MEA)和deramp结合的全孔径成像算法,并利用该算法对SAL实测数据进行了成像处理,成像结果证明了该算法的有效性。
遥感 合成孔径激光雷达 全孔径成像 最小熵自聚焦 相位补偿
1 中国科学院微电子研究所，北京 100029
2 中国科学院大学，北京 100049
本文设计了一种应用于脉冲飞行时间 (TOF)成像激光雷达探测系统的高带宽、低噪声全差分放大器 (FDMA)。该芯片采用多级级联结构和有源电感技术，增大电路带宽和减少芯片面积，并且通过使用失调隔离技术，增强了各增益级对工艺偏差的鲁棒性。在输出级电路中，为使全差分放大器具有更强的驱动能力，采用了宽带放大器和输出缓冲器级联结构做为输出。同时，为了满足激光雷达系统的实际需求，采用复用失调隔离电路的方式，实现了级间带通滤波来限制放大器的适用带宽。采用 CMSC的 CMOS工艺进行了 FDMA流片。测试结果表明，该芯片具有 730.6 MHz的-3 dB带宽，在使用带通滤波器优化后的开环增益为 23.5 dB，等效输入噪声密度为 2.7 nV/sqrt(Hz)，有效地降低了系统噪声。芯片采用 3.3 V电源供电，功耗为 102.3 mW，整体面积为 0.25 mm×0.25 mm。作为激光雷达全系统集成芯片中的一部分，较好地满足系统指标要求。
激光雷达接收器 全差分放大器 级联式增益级 有源电感 laser detection and ranging (LADAR) receiver fully differential main amplifier cascaded gain stage ac-tive inductor
1 中国科学院电子学研究所, 北京 100190
2 中国科学院大学电子电气与通信工程学院, 北京 100049
合成孔径激光雷达(SAL)具有成像距离远、分辨率高、速度快等特点,在天基空间目标成像领域有重要的应用前景。针对天基SAL成像中回波信号弱、噪声大、成像质量差等问题,提出在交会点附近连续长时间观测的思路。基于简单假设,建立采用光学外差探测的天基SAL成像理论数学模型,获得回波数据方程,给出成像处理流程、成像分辨率和图像信噪比,数学仿真了不同信噪比下的天基SAL空间目标成像。理论分析和仿真成像结果表明:当回波数据信噪比高时,任何子段数据均可形成空间目标的高分辨率图像;当回波信号微弱、数据信噪比低时,采用连续长时间观测数据形成目标子图像,将所有子图像进行叠加,提升了目标图像信噪比,改善了成像质量。
遥感 雷达图像 天基合成孔径激光雷达 信噪比 图像叠加
