激光合成孔径雷达：将合成孔径技术从微波拓展至光学频段
来源：EETOP
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成孔径雷达（SAR）成像与光学成像是高分辨率对地观测的两大手段。SAR凭借全天时、全天候、高分辨率成像等特点，已广泛应用于国土资源监测、农林业遥感、地形测绘、海洋监视、减灾防灾、公共安全等领域，是世界各个国家和地区竞相发展的战略前沿技术。合成孔径技术的基本原理是，天线在随平台沿方位向运动过程中依次在若干不同位置向地面主动发射脉冲信号，之后将依次接收到的各位置的回波信号通过信号处理等效成同时接收，从而将实孔径较小的天线“合成”为一个大孔径的虚拟天线阵列，使方位向分辨率得到大幅提升。SAR工作在微波频段，在方位向上采用合成孔径技术，在距离向上采用脉冲压缩技术，可实现对地高分辨率二维成像。然而，当前SAR成像分辨率已逼近微波波长极限，例如X波段成像分辨率已接近0.1m。
激光合成孔径雷达（SAL，又称合成孔径激光雷达）将合成孔径技术从微波频段拓展应用至光学频段：一方面，可突破光学口径衍射极限的限制，解决传统激光雷达（LiDAR）系统在网格密度、成像分辨率和探测能量上的技术瓶颈问题；另一方面，利用激光波长远远小于微波波长的特点，可突破SAR面临的微波波长局限，使系统带宽提升1个数量级以上，使成像分辨率得到显著提升，在精细目标成像领域具有重要应用价值。
在高分辨率对地观测系统重大专项的支持下，中国科学院空天信息创新研究院牵头，联合中国科学院上海光学精密机械研究所、中国科学院上海技术物理研究所、中国电子科技集团公司第四十四研究所以及北京自动化控制设备研究所组建项目研究团队，突破阵列SAL系统、运动补偿、高分辨成像处理等核心关键技术，成功研制机载SAL工程样机，并搭载于飞行平台，在电力、林业、测绘、目标探测等领域开展技术校飞与应用校飞，推动SAL从实验室向实际工程应用迈进。
阵列SAL系统技术
与传统SAR系统相比，SAL系统提升了成像分辨率和视场指向分辨能力，但受到激光衍射极限的影响，单个光斑的观测视场有限，严重制约了SAL系统的对地观测实际应用。以典型的5mm有效光学口径为例，其瞬时视场仅为0.38mrad，3km处的瞬时成像幅宽约为1.6m，无法满足高分辨率宽幅成像的应用需求。因此，如何有效提升观测视场是SAL系统走向实际应用面临的首要问题。
SAL系统组成
为有效提升观测视场，项目研究团队创新提出了阵列SAL技术体制，通过阵列发射和阵列探测接收方式扩大SAL成像幅宽。SAL系统主要由电子学、光学和光机3个子系统组成，包括相干激光源、阵列天线（包括光学前端、扫描机构与控制两部分）、多通道接收（包括多通道采集、阵列平衡探测两部分）、内定标、数据记录、系统监控与配电、高精度稳定平台、运动测量和地面处理等9个单元（见图1）。光学子系统用于实现激光源的产生、调制、放大、发射与接收，光机子系统用于实现波束指向与扫描控制以及平台的运动测量，电子学子系统主要用于SAL系统监控以及回波数据的形成、存储和处理。
为实现阵列设计，光学望远镜应用了1个发射镜头和3个接收镜头。发射光学系统共有10路，每路覆盖不同的观测视场，增大光斑覆盖范围。接收光学系统采用4×10路平衡探测器阵列，提高接收视场。在系统工作过程中，激光源经过宽带调制与光纤分束器后分为两组，一组作为发射光，一组作为本振光。发射光经过阵列光纤放大器放大、准直器准直、分束器分束，形成两路：一路由发射望远镜发射，射向远场目标，经目标反射返回，由接收望远镜接收并与本振光信号进行外差探测，形成回波数据；另一路经过光延迟，与本振光信号进行差分探测处理，并经模数转换（A/D）采集得到内定标数据，用于成像过程中的通道间幅相误差补偿。
工作模式设计
为满足农林遥感、地形测绘等不同领域的应用需求，阵列SAL系统设计了二维成像和三维成像两种工作模式（见图2）。二维成像模式采用1个发射镜头进行发射，3个接收镜头同时接收，3个接收镜头沿顺轨方向布设，通过数据处理域进行孔径综合以提高子孔径分辨率，实现目标的高分辨成像。三维成像模式采用1个发射镜头和1个接收镜头，接收镜头沿穿轨方向排布，接收端采用10路平衡探测器阵列，通过顺轨方向平台运动、穿轨方向高速振镜激光扫描、高程方向宽带信号脉冲压缩设计，实现宽幅相干三维成像。
关键技术攻关
SAL系统的工作波长极短，导致其对误差极为敏感。为保证系统成像质量，项目研究团队在SAL系统设计与研制过程中，重点攻克了阵列外差探测、空间波束对准、多通道相参一致性等一系列影响成像精度的核心技术难题。
针对阵列外差探测难题，项目研究团队突破了阵列光外差探测器芯片串扰、通道一致性等关键技术，在国内首次研制了4×10线阵相干平衡探测器（见图3），解决了单元灵敏度高、探测器芯片串扰严重、多通道一致性差、探测器阵列集成度低的问题，实现120通道大规模阵列外差接收，与传统激光雷达相比，接收视场范围具有数量级的提升。
激光发散角极窄，单个椭圆光斑大小为30μrad×120μrad，为满足成像需求，光斑匹配度要达到90%以上，这意味着光斑对准精度要达到μrad量级。在阵列体制中，要实现阵列级多通道收发光斑之间以及3个接收镜头之间的μrad量级匹配对准是一项艰巨的挑战。针对这一难题，项目研究团队提出了基于二维光楔静态校准与快反实时扫描跟踪的技术方案，通过光楔来调整3个接收望远镜光轴相对发射望远镜光轴之间的夹角，并采用平行光管、激光快反镜、高帧频相机、稳像控制器与测试光源等建立一条主动光轴稳定系统，通过测量光轴抖动，压电快反镜高速补偿，形成高带宽闭环控制回路，通过主动抑制微振动达到消除环境干扰的目的，实现光路的精细调控，解决收发光斑之间高精度对准难题（见图4）。
与微波相比，激光的相参性极易受到温度、振动等环境因素的影响，造成各个混频通道输出的去斜信号相位变化，而随机相位的引入将破坏各通道间稳定的相位关系，严重影响后续信号处理和成像质量。针对这一问题，项目研究团队在SAL系统中设计了动态内定标测量系统，利用本振光与发射光的外差探测结果，对各接收通道外差探测结果中的随机相位误差进行逐脉冲测量与补偿，实现多通道相参一致性（见图5）。经内定标补偿后，旁瓣得到有效抑制（见图5c）。
技术校飞试验
在完成SAL系统研制与关键技术攻关的基础上，为充分验证SAL系统的二维和三维成像能力，项目研究团队基于塞斯纳208飞行平台（见图6）开展了技术校飞试验。
SAL系统二维成像模式下，载机飞行高度3km，侧视45°，作用距离4km以上，成功获取了幅宽约18m的二维图像（见图7a和7b）。SAL系统的三维成像工作在下视模式，作用距离3km，针对目标较为丰富的城郊区域开展了数据获取试验，实现了幅宽优于600m的大面积场景三维成像（见图7c），场景中覆盖了森林、河流、建筑等典型目标。通过技术校飞试验，项目研究团队验证了阵列SAL的各项性能指标，试验结果证实了阵列SAL带来的远距离、高精度、大幅宽的体制优势，为后续开展应用研究奠定了坚实基础。
SAL数据高精度处理技术
机载飞行条件下，由大气湍流引起的载机平台的微小振动（亚波长）会引起信号相位的显著变化。由于激光波长较短（1.55μm），传统的运动测量系统难以达到亚微米量级的运动测量精度，无法实现高精度的SAL成像。因此，如何以亚波长量级进行运动误差补偿是SAL数据高精度处理面临的核心难题。
为此，项目研究团队提出了三角波阵列相干激光成像体制，并从孔径综合、脉间振动误差、脉内振动误差抑制3个方面入手，系统性解决了亚微米运动补偿的难题。首先，利用方位多望远镜线阵接收优势，通过孔径综合实现多普勒带宽展宽（见图8），从而实现雷达方位波束等效锐化，提高方位分辨能力，并成倍减少了合成孔径时间，以降低方位运动补偿难度。
为提高运动补偿精度，项目研究团队借鉴微波SAR中顺轨干涉测量运动目标速度的方法，在机载SAL系统中，利用顺轨干涉对由振动引起的相位误差进行估计，实现脉间振动抑制与补偿。
针对脉内振动误差，项目研究团队利用三角波调频和差在速度和多普勒测量方面的优势，构建了基于三角调频连续波子带差分干涉的振动误差抑制与补偿方法，实现脉内振动误差补偿，在补偿相位误差的基础上，采用相位梯度自聚焦（PGA）算法进一步提高图像质量。机载SAL二维成像模式4km作用距离下，角锥目标和反射纸目标（反射纸宽度20cm，间隔5cm）在运动补偿后，距离向非线性误差得到校正，方位向残余运动误差得到补偿，目标得到良好聚焦，边缘更加清晰（见图9）。点目标分析结果（见图10）表明，图像的峰值旁瓣比（PSLR）优于14dB，图像分辨率优于3cm（方位）×4cm（距离）。
数据成果及应用
2023年7—9月，中国科学院空天信息创新研究院联合中国测绘科学研究院、中国林业科学研究院资源信息研究所、长沙理工大学、中国人民解放军战略支援部队信息工程大学等领域优势单位，通过赛斯纳208飞行平台搭载SAL系统，在内蒙古巴彦淖尔、辽宁营口等地累计进行了20余次的应用校飞试验，并开展了测绘、林业、电力、目标探测等领域的应用研究，形成了相关领域的阵列SAL数据集，生成了沙丘、城市、桥梁、电力设施等典型场景的数据产品。
在林业应用研究方面，项目研究团队以内蒙古巴彦淖尔为试验区，开展了SAL三维成像数据获取试验及森林样地调查工作。黄河大桥附近的白杨防护林点云数据，在分别以高程（见图11a）和地表-植被分类结果（见图11b）进行渲染后，能够较好地体现该场景下的森林结构特征，例如防护林整齐的水平排列特征（见图11c）。在点云的剖面图中，可以清晰观察到点云对每棵树木轮廓的描述（见图11d），为进一步分析森林的垂直结构特征提供了良好的基础。白杨防护林高度分布图（见图12）以吉林一号光学影像作为底图，并在底图上叠加森林高度数据，图中红色圆形代表实测样地的位置；具有亚米级空间分辨率的光学遥感影像给人以树木种植较为整齐的观感，而高度分布图更能清晰地反映出该区域树木的疏密度及高度在空间分布上所具有的差异性。在森林样地调查获取的16块样地中，有8块位于SAL点云数据覆盖区域（见图12），以这些样地的平均高为参考值，对SAL森林高度进行精度评价，均方根误差（RMSE）为1.11m，估测精度为82.10%，相关性为0.88，满足林业应用需求。
项目研究团队利用SAL获取的高精度高密度三维数据开展电力走廊内重要目标的精确分离研究，从而进行高效高精度电力线路巡检及电力走廊地物安全性分析，实现电力走廊的管理。采用提出的多维融合与注意力池化网络（MFAP-Net）分类方法，可在分类结果中清晰地识别出左侧220kV和右侧110kV的电力线及电塔（见图13），整体分类精度优于90%，满足对电力走廊中电力线走向和电塔排布的分类要求。
项目研究团队对沙漠、林地、城镇、电力线路共4个场景的SAL点云进行了地形提取（见图14）和典型目标识别（见图15和16），并利用地面控制点进行了高程精度评估，评估结果表明，SAL点云生成的数字高程模型（DEM）可实现1：2000比例尺DEM高程精度，点云密度均优于10个点/平方米。
项目研究团队研制的阵列SAL可实现对观测区域的二维、三维超高精度成像，在测绘、林业、电力、目标探测等领域的应用中得到有效验证。相比于传统激光雷达，SAL能够更精细地刻画地物结构，从而更准确地提取地物结构参数，可在森林生长、发育、演替规律研究，以及森林资源、生态现状信息获取等方面发挥重要支撑作用。同时，SAL展现出的高精度、大比例尺测绘能力，以及由更高精度、更高分辨图像带来的更优异的目标探测与解译能力，在国土测绘、重点目标探测、国防安全等方面具有巨大应用潜力。未来，随着我国深空探测领域的深入发展，星载SAL可对中低轨卫星、空间碎片等空间目标进行探测成像，在空间环境监测、空间攻防与对抗等领域也将具有重要应用价值。
致谢：感谢高分辨率对地观测系统重大专项的支持。
本文刊登于IEEESpectrum中文版《科技纵览》2024年6月刊。
文章来源于悦智网，作者汪丙南、向茂生等
专家简介
汪丙南：中国科学院空天信息创新研究院研究员，微波成像全国重点实验室副主任，中国科学院大学博士生导师。
向茂生：中国科学院空天信息创新研究院研究员。
王胤燊：中国科学院空天信息创新研究院助理研究员，通讯作者。
周 煜：中国科学院上海光学精密机械研究所研究员。
贾建军：中国科学院上海技术物理研究所研究员。
崔大健：中国电子科技集团第四十四研究所研究员。
朱勇涛：中国科学院上海技术物理研究所副研究员。
赵娟莹：中国科学院上海技术物理研究所副研究员。
温智磊：中国科学院空天信息创新研究院助理研究员。
靳国旺：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学教授。
林祥国：中国测绘科学研究院研究员。
陈立福：长沙理工大学副教授。
赵 磊：中国林业科学研究院资源信息研究所副研究员。
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