合成孔径激光雷达光学系统和作用距离分析

李道京 胡 烜

李道京, 胡 烜. 合成孔径激光雷达光学系统和作用距离分析[J]. 雷达学报, 2018, 7(2): 263-274. doi: 10.12000/JR18017
引用本文: 李道京, 胡 烜. 合成孔径激光雷达光学系统和作用距离分析[J]. 雷达学报, 2018, 7(2): 263-274. doi: 10.12000/JR18017
Li Daojing, Hu Xuan. Optical System and Detection Range Analysis of Synthetic Aperture Ladar[J]. Journal of Radars, 2018, 7(2): 263-274. doi: 10.12000/JR18017
Citation: Li Daojing, Hu Xuan. Optical System and Detection Range Analysis of Synthetic Aperture Ladar[J]. Journal of Radars, 2018, 7(2): 263-274. doi: 10.12000/JR18017

合成孔径激光雷达光学系统和作用距离分析

doi: 10.12000/JR18017
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(61771449)
详细信息
    作者简介:

    李道京(1964–),男,中国科学院电子学研究所研究员,博士生导师,主要研究方向为雷达系统和雷达信号处理

    胡 烜(1992–),男,中国科学院电子学研究所博士生,主要研究方向为雷达信号处理

    通讯作者:

    李道京   lidj@mail.ie.ac.cn

Optical System and Detection Range Analysis of Synthetic Aperture Ladar

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61771449)
  • 摘要: 该文对合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar, SAL)光学系统和作用距离进行了分析。根据SAL成像特点,提出了SAL使用非成像衍射光学系统的概念,并引入相控阵模型对其性能进行分析。通过在压缩光路中馈源和主镜两处使用二元光学器件,在口径300 mm条件下将2°接收视场信号收入光纤,对所需的相位参数和对应的波束方向图进行了计算仿真。给出了SAL作用距离方程,分析了相干探测和信号积累增益,明确了SAL具有良好的微弱信号探测能力的结论。针对实际应用需求,给出了一个远距离高分辨率机载SAL系统参数和工作模式。5 cm分辨率时,在连续条带成像模式下,其作用距离可达5 km,幅宽可达1.5 km;在滑动聚束成像模式下,作用距离可达10 km,幅宽可达1 km。

     

  • 图  1  SAL侧视观测几何

    Figure  1.  Side-looking observation geometry of SAL

    图  2  SAL视场中目标信号方向,距离和时间关系

    Figure  2.  The relationship among object signal direction, range and time in the view field of SAL

    图  3  光纤准直器几何结构

    Figure  3.  Geometry structure of fiber collimator

    图  4  基于相控阵的宽视场信号收入光纤示意图

    Figure  4.  Diagram of introducing wide view field signal into fiber based on phased array

    图  5  1维纳米光波导阵+空间高阶相位形成器件的宽视场信号收入光纤示意图

    Figure  5.  Diagram of introducing wide view field signal into fiber based on nanophotonic waveguide array and space higher-order phaser

    图  6  光纤准直器+空间高阶相位形成器件的宽视场信号收入光纤示意图

    Figure  6.  Diagram of introducing wide view field signal into fiber based on fiber collimator and space higher-order phaser

    图  7  理想2阶相位和对应的波束方向图展宽情况

    Figure  7.  Desired second-order phase and the related broading beam pattern

    图  8  8值化2阶相位和对应的波束方向图展宽情况

    Figure  8.  Second-order phase with 8 quantization bits and the related broading beam pattern

    图  9  16值化2阶相位和对应的波束方向图展宽情况

    Figure  9.  Second-order phase with 16 quantization bits and the related broading beam pattern

    图  10  SAL主镜和宽视场馈源都采用二元光学器件的衍射光学系统示意图

    Figure  10.  Diagram of diffractive optical system in which the binary optical element is used both on the feeder and primary mirror

    图  11  衍射主镜需形成的移相量、折叠相位曲线和波束方向图

    Figure  11.  The phase, folded phase and beam pattern of the diffractive primary mirror

    图  12  8值化主镜相位和波束方向图

    Figure  12.  The primary mirror phase with 8 quantization bits and the related beam pattern

    图  13  机载SAL扫描方式(通过扫描将距离向观测幅宽扩大2倍示意图)

    Figure  13.  Scanning model of airborne SAL (Double the swath through scanning)

    图  14  机载SAL条带成像模式扫描顺序和对应的波束覆盖范围示意图

    Figure  14.  Scanning order of airborne SAL strip-map imaging model and related beam scope

    表  1  机载SAL条带成像模式扫描参数

    Table  1.   Scanning parameters of airborne SAL with strip-map imaging model

    序号 雷达位置 扫描时间(s) 顺轨扫描范围(°) 顺轨扫描角速度(°/s) 交轨扫描范围(°) 交轨扫描角速度(°/s)
    1 0 $ \to $1 $0\to 2.7\to - 0.6$ 6.0 $ - 5\to - 3$ 2
    2 1 $ \to $2 $ - 0.6\to 1.5\to - 1.2$ 4.8 $ - 3\to - 1$ 2
    3 2 $ \to $3 $ - 1.2\to 0.3\to - 1.8$ 3.6 $ - 1\to 1$ 2
    4 3 $ \to $4 $ - 1.8\to - 0.9\to - 2.4$ 2.4 $1\to 3$ 2
    5 4 $ \to $6 $ - 2.4\to - 2.1\to 2.6$ 2.5 $3\to 5\to 3$ 2
    6 6 $ \to $7 $2.6\to - 2.7\to 1.8$ 9.8 $3\to 1$ 2
    7 7 $ \to $8 $1.8\to - 2.7\to 1.2$ 8.4 $1\to - 1$ 2
    8 8 $ \to $9 $1.2\to - 2.7\to 0.6$ 6.8 $ - 1\to - 3$ 2
    9 9 $ \to $10 $0.6\to - 2.7\to 0$ 6.0 $ - 3\to - 5$ 2
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    表  2  作用距离5 km机载SAL系统参数

    Table  2.   System parameters of airborne SAL with 5 km detection range

    参数 数值 参数 数值
    飞行高度 $H$(km) 2.5 飞行速度 $v$(m/s) 50
    平均入射角 $\theta $(°) 60 脉冲重复频率(kHz) 50
    顺轨/交轨波束宽度 ${\theta _{\rm{a}}}$, ${\theta _{\rm{c}}}$(mrad) 0.3, 35.0 目标散射系数 ${\sigma _0}$ 0.1
    地距向瞬时幅宽 $\Delta R$(m) 350 距离/方位分辨率 ${\rho _{\rm{r}}}$, ${\rho _{\rm{a}}}$(m) 0.05, 0.05
    顺轨/交轨扫描范围 $\Delta {\theta _{\rm{c}}}$, $\Delta {\theta _{\rm{a}}}$(°) $ \pm 3$, $ \pm 5$ 双程大气损耗 ${\eta _{{\rm{ato}}}}$ 0.4
    最近/最远斜距 $R$(km) 4.35, 5.92 接收望远镜口径 $D$(mm) 300
    顺轨/交轨扫描角速度大小 ${\omega _{\rm{a}}}$, ${\omega _{\rm{c}}}$ 表1所示 发射光学系统损耗 ${\eta _{\rm{t}}}$ 0.9
    顺轨/交轨扫描周期 ${T_{\rm{a}}}$, ${T_{\rm{c}}}$ 表1所示 接收光学系统损耗 ${\eta _{\rm{r}}}$ 0.8
    地距向扫描幅宽(km) 1.5 匹配损耗 ${\eta _{\rm{m}}}$ 0.5
    激光波长 $\lambda $(μm) 1.55 其他光学损耗 ${\eta _{{\rm{oth}}}}$ 0.8
    发射峰值功率 ${P_{\rm{t}}}$(W) 400 量子效率 ${\eta _{\rm{D}}}$ 0.5
    脉冲宽度 ${T_{\rm{p}}}$(μs) 5 电子学系统损耗 ${\eta _{{\rm{ele}}}}$ 0.5
    信号带宽 ${B_{\rm{r}}}$(GHz) 4 电子学噪声系数 ${F_{\rm{n}}}$(dB) 3
    目标后向散射立体角 $\varOmega $ ${\rm{{{π}} }}$ 图像信噪比 ${{\rm SNR}_{\min }}$(条带模式)(dB) 10.3
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    表  3  作用距离10 km机载SAL系统参数

    Table  3.   System parameters of airborne SAL with 10 km detection range

    参数 数值 参数 数值
    飞行高度 $H$(km) 3.3 目标散射系数 ${\sigma _0}$ 0.1
    入射角(°) 70 距离/方位分辨率 ${\rho _{\rm{r}}}$, ${\rho _{\rm{a}}}$(m) 0.05, 0.05
    顺轨/交轨波束宽度 ${\theta _{\rm{a}}}$, ${\theta _{\rm{c}}}$(mrad) 0.3, 35.0 双程大气损耗 ${\eta _{{\rm{ato}}}}$ 0.25
    最近/最远斜距 $R$(km) 9.21, 10.13 接收望远镜口径 $D$(mm) 300
    地距向瞬时幅宽(km) 1 发射光学系统损耗 ${\eta _{\rm{t}}}$ 0.9
    飞行速度 $v$(m/s) 50 接收光学系统损耗 ${\eta _{\rm{r}}}$ 0.8
    激光波长 $\lambda $(μm) 1.55 匹配损耗 ${\eta _{\rm{m}}}$ 0.5
    发射峰值功率 ${P_{\rm{t}}}$(W) 400 其他光学损耗 ${\eta _{{\rm{oth}}}}$ 0.8
    脉冲宽度 ${T_{\rm{p}}}$(μs) 5 量子效率 ${\eta _{\rm{D}}}$ 0.5
    脉冲重复频率(kHz) 50 电子学系统损耗 ${\eta _{{\rm{ele}}}}$ 0.5
    信号带宽 ${B_{\rm{r}}}$(GHz) 4 电子学噪声系数 ${F_{\rm{n}}}$(dB) 3
    目标后向散射立体角 $\varOmega $ ${\rm{{{π}} }}$ 图像信噪比 ${{\rm SNR}_{\min }}$(滑动聚束模式)(dB) 10
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-02-10
  • 修回日期:  2018-03-26
  • 刊出日期:  2018-04-28

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