成像探测相干激光雷达技术研究进展

李道京,高敬涵,崔岸婧,吴 疆

(1. 中国科学院空天信息创新研究院 微波成像技术国家重点实验室, 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)

0 引 言

随着激光技术的发展,激光雷达作为一种现代雷达,目前已得到快速发展和广泛应用,其典型应用包括目标探测[1-2]、合成孔径激光雷达(SAL)和逆合成孔径激光雷达(ISAL)目标成像与识别[3]、地形测绘[4]和水深测量[5-7]、风场测量[8]和微动检测[9]等。激光信号相干性的提高,已使微波雷达常用的相干探测体制可用于激光雷达,极大地提升了激光雷达的系统性能,未来有可能在没有大气影响的空间应用[10-12]中发挥不可替代的作用。

基于单元探测器光纤结构的相干激光雷达的重要特征为采用激光本振相干探测,并通过平衡探测器实现混频和共模抑制。激光本振的存在使其探测灵敏度高、抗干扰能力强,探测性能在原理上远优于单光子探测器。关注并深入研究相干激光雷达技术,对激光雷达的发展和应用具有重要意义。基于SAL/ISAL研究工作基础,本文介绍了成像探测相干激光雷达技术的研究进展。

1 系统设计考虑

系统设计要考虑的因素较多,如波形和偏振选择、信号处理方法等,对SAL/ISAL来讲,还需考虑运动补偿方法和宽视场观测实现的问题。

大气气溶胶对激光有散射回波,在大气层内工作的远距激光雷达若使用连续波信号,会导致探测灵敏度损失,因此要首选脉冲信号。由于激光波长比微波短4个数量级,振动和平动产生的多普勒频率很大,微波雷达常用的调频连续波(FMCW)波形和去斜接收方法难以适用,很多文章和方案中的去斜接收和转台成像模型没有实际应用条件。

相干探测对偏振有严格要求。由于大气对激光有退偏,大部分地物对激光也有退偏,接收仅有一路线偏振的激光雷达可考虑发射圆偏,在偏振接收通道数量有限的条件下,可将退偏造成的能量损失减少到最小。

激光波长短至微米量级,雷达或目标微米量级的振动都会在SAL/ISAL的回波信号中引入较大的振动相位误差,导致成像结果散焦。在激光波段,几乎任何目标表面都是粗糙的,难以存在孤立的强散射点,这使传统的自聚焦方法缺乏使用条件。采用顺轨干涉处理方法进行振动相位误差估计并实施误差补偿[13],进一步发展为正交基线干涉处理运动补偿[14],是解决问题的重要措施,其有效性已经得到实验验证[15]。

信号处理应充分借鉴现代微波雷达的成熟技术,在距离向(快时间)划分距离门。对同一距离门,在慢时间(不同重复周期)对回波信号作相干积累,可同时保证距离分辨率和多普勒测速精度。文献[9]介绍了ISAL对近距运动目标成像和其微动多普勒特征检测情况。该信号处理方法尤其值得现有风场测量多普勒激光雷达参考。

2 作用距离方程

光纤结构下SAL/ISAL实现宽视场接收一直是争论的焦点,由此也产生了多种接收方式。要特别说明的是,使用多个单元探测器简单拼接实现宽视场,不能体现光学探测器物理结构特点,很难成为有效方案。在目前有限视场需求下,应首选束散角展宽方式[16]。微波雷达常用扩束方式[17],其技术实现容易,可用收发互易解释,物理概念清楚。扩束带来接收增益损失,有可能影响小信号的模数转换(ADC)采样,在电子学领域实施合理的增益补偿即可[18]。

此外,在远距离探测条件下,传播介质和目标的退偏效应也会影响探测性能。在此基础上,激光雷达作用距离方程可以表示为

(Tp·Bs)·(Tsa·Bd)

(1)

对于相干探测体制激光雷达,探测灵敏度可由等效噪声功率来进行表征,相干探测体制下散粒噪声功率占据主要部分,其等效噪声功率可以表示为hfcB,目标的成像探测信噪比在ADC后的信号处理中可通过快慢时间的相干积累来进一步提升(至少大于50 dB)。为避免探测灵敏度损失,系统设计要保证回波功率和等效噪声功率都应大于ADC量化功率门限,设置足够的电子学增益对保证系统探测性能具有重要意义。

在扩束条件下,文献[19]介绍了对合作车辆目标二相编码(BPSK)信号顺轨干涉运动补偿成像情况,在俯仰扩束外视场顺轨干涉处理条件下,结合子孔径Range-Doppler算法和Stolt变换几何校正实现了基于BPSK的70 m距离、73°大斜视角的高反射率运动目标ISAL成像,回波数据时长1.2 s,成像分辨率(4 cm)优于方位波束宽度对应的实孔径分辨率(10.5 cm),可补偿的激光振动信号频率范围大于30 kHz,运动补偿有效提高了两个通道复数图像的相干系数。

在发射不同偏振激光的条件下,提高上述实验系统的电子学增益,用BPSK信号对三轮车目标的成像结果如图1所示。图1a)和图1b)分别为发射垂直偏振激光时,垂直偏振接收通道和水平偏振接收通道的成像结果。图1c)和图1d)分别为发射圆偏振激光时,垂直偏振接收通道和水平偏振接收通道的成像结果。

图1 三轮车成像结果

在该实验中,收发俯仰扩束后束散角约为3°,回波数据时长1.4 s,基于顺轨干涉补偿的激光振动信号频率范围约50 kHz,成像距离分辨率15 cm,方位分辨率在毫米量级。实验表明,激光退偏现象明显,采用圆偏振激光发射时效果略好,两个通道成像结果相较于垂直偏振激光发射时图像熵分别减小了0.22、0.10,对比度分别增加了2.02、0.95。实验在没有高反射率纸处目标成像轮廓也较为清晰,表明了电子学增益提高后简洁扩束方法的有效性。

在短波段发射50 W连续波激光,当光纤结构束散角约6 urad时,对1 000 km远距、3 cm圆板角反射器开展远距目标探测实验,存储示波器和高速ADC同时获取的6处短时目标信号多普勒频谱与目标轨道估计的多普勒信息比较情况如图2所示。

图2 6处短时目标多普勒频谱

上述远距目标探测实验中,量化的电压动态范围为±0.5 V,量化位数为12位,对应的量化功率门限为-68.2dBm。系统带宽为4GHz,等效噪声功率为-62.9dBm。当ADC前的圆板角反射器回波功率为-112.2 dBm时,回波信号不能被ADC采样,需引入50 dB放大器将回波功率放大至-62.2 dBm。在ADC采样率为1 GHz的条件下,5.12 ms时长回波经相干积累和相位梯度自聚焦算法(PGA)处理后,目标信噪比提升至23 dB量级,验证了上述作用距离方程在通常大气条件下对远距目标的适用性,同时也验证了回波信号在ADC后相干积累提高探测信噪比的能力。要特别说明的是,上述实验在斜视条件下目标高速运动产生的最大多普勒频率达到3.5 GHz,实验也表明去斜接收方法无法使用。

基于激光本振的相干探测体制工作在散粒噪声限,直接探测体制工作在热噪声或背景噪声限。由于单光子探测器本质上属于直接探测体制,在此基础形成的基于包络检波的光子计数探测方法,可用二进制检测解释,仍属于一种非相干积累方式。从原理上讲,基于激光本振相干探测器的激光雷达探测灵敏度应远优于基于单光子探测器的激光雷达。

上述实验数据分析表明,在望远镜口径为2 m、发射功率为15 kW、激光发射接收波束宽度为25 urad、每目标跟踪相干积累时间为10 ms时,对1 m尺度目标,激光雷达的作用距离可在1 000 km量级。该作用距离的计算充分考虑了目标特性、实际系统损耗和大气影响等应用条件。在5 mrad观测视场下,10个目标跟踪时间100 ms,数据率可达到10 Hz。当发射脉宽为10 μs,通过距离向数据重排和数字信号处理,也可使多普勒频率分辨率优于10 kHz,并同时提高探测灵敏度。显然,采用相干探测体制,激光雷达的目标探测性能将大幅提高。

3 衍射光学系统和激光/红外复合

激光“单色”的特点,使激光雷达特别适合使用衍射光学系统,如轻量大口径衍射薄膜镜[20]。基于研制出的衍射薄膜镜结合全光纤光路多通道相干激光雷达原理样机,开展了SAL/ISAL成像试验工作[15,21]。该衍射光学系统样机激光中心波长1.55 μm,具有一发四收视场部分重叠功能,每组单模光纤接收波束宽度3 mrad～5 mrad,通过激光频率变化可调整接收波束宽度[18]。

为具备主被动探测、宽视场普查、窄视场详查结合能力,该研制样机为激光/红外双波段复合共口径成像系统,推动了光电成像技术的发展。双波段衍射薄膜镜通光口径为120 mm,衍射环数大于1 100,表面粗糙度Ra 55,衍射薄膜镜及其测试结果如图3所示。

图3 双波段衍射薄膜镜及其测试结果

4 阵列探测器及其应用

2020年美国Point Cloud公司研制出基于硅光芯片的FMCW激光雷达相干阵列探测器[22],像元规模为512(32×16),其结构形式来自光波导结构激光相控阵,可供SAL/ISAL使用。目前国内单元规模在1 000的激光相控阵收发芯片正在研制中,与美国公司类似的产品也在研发中。随着激光探测器技术发展,其像元规模不断扩大,激光SAL/ISAL探测器的应用显然不应止步于现有微波系统结构下的单元探测器。采用相干面阵探测器,SAL/ISAL图像有望和传统光学图像形式接近,即由现在的方位向和距离向,转为方位向和俯仰向。

考虑到大多数运动目标同时存在两维微转/平动,根据SAL/ISAL成像原理,在激光波段即可实现两维高分辨率成像(在短波0.001°小转角即可实现5 cm分辨率),且无需发射和处理宽带信号,这将使SAL/ISAL成像系统变得简单。基于新型相干阵列探测器,文献[23]给出了一种SAL/ISAL两维成像方法,并采用了现有光学系统结构,具有瞬时视场大、成像速度快的特点。

相干阵列探测器后级联高速ADC。当像元规模较大时,数据量很大,技术实现困难。现阶段其应用主要为了解决瞬时视场问题,通过多帧低分辨率图像的合成孔径处理形成高分辨率图像,不仅技术复杂,在总体性能上还面临大规模激光焦平面探测器的竞争。为此,需考虑利用现有大规模红外直接阵列探测器结合空间光路混频激光全息方法实现SAL/ISAL成像[24]。

利用像元尺寸20 μm、规模为320×256的短波红外直接阵列探测器,搭建桌面原理验证系统,对方位向运动的汽车模型获得的成像结果如图4所示。7帧低分辨率复图像经合成孔径处理和运动补偿明显提高了方位向成像分辨率,成像结果的图像熵由9.346 9减小到9.098 3,对比度由1.287 7增加至2.041 3。

图4 基于空间光路混频和直接阵列探测器的合成孔径激光成像结果

采用红外直接阵列探测器基于全息成像方法[25]实现激光相干成像,其优点是可利用的像元规模较大,初始复图像分辨率较高,但空间光路混频引入的误差环节较多,影响复图像形成精度,而其积分电路的存在,可能会限制目标相对运动速度。基于该技术路线开展深入的研究工作,对发展相干激光雷达成像技术也具有重要意义。

5 结束语

目前,相干探测技术已广泛应用于微波成像,随着光电子技术的快速发展,基于激光的光器件技术已大量应用于微波雷达,而微波雷达技术也越来越多地应用于激光雷达。分析微波成像和光学成像间的关系,研究成熟的基于相干探测的微波成像技术在光学成像领域应用的可行性,对基于电磁波的微波和光学成像探测技术融合发展,具有重要意义。

本文介绍了相干探测体制激光雷达技术的研究进展,结合SAL/ISAL研究工作情况,讨论了相干激光雷达波形设计、偏振选择、信号处理方法、扩束下的作用距离方程和探测性能、探测器形式、衍射光学系统激光雷达的优势和激光/红外复合成像探测等问题,有望提升SAL/ISAL系统性能,满足远距宽幅高分辨率成像的应用需求,对新一代激光雷达的研制、激光雷达与微波雷达的融合发展具有一定的指导意义。