成像探测相干激光雷达技术研究进展

相干激光雷达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,具有探测灵敏度高、抗干扰能力强的优点。文中阐述了相干探测体制激光雷达的优势和技术特点,介绍了基于单元探测器/面阵探测器开展的合成孔径激光雷达(SAL)、逆合成孔径激光雷达(ISAL)研究进展,讨论了相干激光雷达波形选择、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、探测器形式和系统灵敏度等问题,在此基础上进一步分析了基于衍射光学系统的激光雷达的特点和激光/红外复合成像探测的需求,并展望了相干激光雷达的应用前景。

激光本振红外光谱干涉成像及其艇载天文应用展望(特邀)

本文分析了红外干涉成像现状和难点,介绍了激光本振红外相干探测的原理,阐述了基于电子学的红外光谱细分和干涉成像原理,讨论了激光本振红外阵列探测器形式。激光本振和相干探测器的设置,可保证两个望远镜的红外信号相位的正确传递,在电子学实施窄带滤波形成的窄带红外信号有利于实现长基线干涉成像。在此基础上,类似微波综合孔径射电望远镜,通过不同空间位置的多个较小孔径,组合形成一个大的光学口径,以红外光谱“射电”望远镜形式实现高分辨率天文成像,可大幅降低红外成像系统的复杂度和体积重量。介绍了平流层飞艇平台的特点,该平台为长基线大衍射口径望远镜的安装提供了有利条件,且可大幅减少大气对天文观测的影响,有望成为天文观测的新型平台。给出了10 m基线、2 m衍射口径红外光谱干涉成像望远镜的布设方案,分析了其探测和成像性能,讨论了关键技术及其可能的技术途径。分析表明,基于平流层飞艇平台,3个2 m衍射口径望远镜的组合在10 m基线下可等效实现口径10 m望远镜的红外天文观测能力。

微波光子雷达逆合成孔径成像

微波光子逆合成孔径成像雷达,发挥光子大带宽、低传输损耗、抗电磁干扰等优势,可以提升成像分辨率,并有助于构建分布式阵列雷达,实现精确的三维成像。本文介绍了中国科学院空天信息创新研究院在微波光子雷达逆合成孔径成像方面的成果。首先,搭建了微波光子雷达,基于光子倍频技术产生宽带雷达信号,基于光子去斜处理进行回波信号接收,系统工作在Ku波段,带宽600 MHz,实现了对暗室内合作目标和外场非合作目标的二维ISAR成像。在此基础上,结合光射频传输技术和波分复用技术,搭建一发多收的微波光子光纤分布式阵列雷达,在实验室内实现了对3个角反射器的精确三维成像。上述试验结果验证了微波光子技术应用于雷达成像领域的可行性和提升系统关键性能的潜力。

分布式机场异物检测雷达处理算法研究

微弱目标检测是机场异物监测系统面临的关键问题。小尺寸异物回波弱、信杂比低,传统异物检测雷达对其探测能力有限。本文从实测数据出发对机场环境地杂波展开分析,并由此提出杂波空间去相关约束条件。在此基础上,本文提出分布式机场异物检测雷达的设想,其核心是利用目标与道面杂波不同的空间相关特性,通过多站回波相参积累提高微弱目标信杂比,并由此改善机场异物检测雷达的探测能力。考虑到非理想正交信号带来的性能恶化问题以及结合机场跑道异物的目标特性,本文针对机场特定环境提出“乒乓”相参模型。相参参数估计问题是分布式体制的共性问题之一,本文针对传统峰值法在低信杂比条件下估计精度差的问题提出引导信息预估计方法,并且在“乒乓”相参模型中定量分析了时延参数估计误差与相位参数估计误差引起信杂比增益损失的边界条件。最后,本文基于实测杂波数据开展仿真实验,仿真结果表明,本文所提及的分布式机场异物检测信号处理方法可以有效提高弱型异物的信杂比。

基于信道化架构的宽带I/Q不平衡校准技术

零中频接收机凭借其架构简单、易于集成等特点已被广泛应用于通信系统和雷达系统,为未来雷达通信一体化技术发展奠定了基础。然而,零中频接收机存在I/Q不平衡问题,这不仅会造成通信星座图的偏移,还会引入雷达虚假目标。现有宽带I/Q补偿方法的精度不高,且都集中于后处理,无法做到实时。因此,本文首先建立了宽带I/Q不平衡模型,并提出了一种融合信道化架构和盲估计补偿算法的宽带I/Q失衡校准技术。该技术利用信道化架构将宽带信号划分为窄带信号,并利用盲估计算法对带有镜像信号的子信道进行在线补偿。实验表明,该方法在获得高精度补偿参数的同时,完成了对宽带I/Q失衡的实时补偿。镜像抑制比达到55 dB。

多源多目标低空探测数据融合算法研究

在城市环境低空防御任务中,需要用多种传感器对入侵无人机的位置信息进行探测,针对传感器探测到的位置信息会有偏差的问题,本文提出了一种基于联合概率数据互联算法模型(JPDA)和卡尔曼滤波数据融合算法对多目标进行识别融合,并对多源数据进行融合。

星载10m合成孔径相干成像望远镜和波前估计

针对天文观测和深空探测需求,提出了星载10 m合成孔径相干成像望远镜概念和形式。给出了波长可调谐激光本振相干探测器形式,分析了大口径衍射薄膜镜的双波段实现方式和系统主要参数。提出了基于子镜结构的光学合成孔径相干成像算法,给出了基于相位恢复的阵列形变误差波前估计仿真结果,由于多个子镜所接收复信号的成像处理在计算机软件中完成,相比传统望远镜,可降低对微调机构等硬件的精度要求。该望远镜在短波红外1.45~1.65μm光谱范围内的中心波长角分辨率为0.15μrad;在中波红外4.55~4.75μm光谱范围内的中心波长角分辨率为0.46μrad,其探测灵敏度在原理上是传统10 m口径望远镜的约2.8倍。

多通道逆合成孔径激光雷达成像探测技术和实验研究

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。

一种基于深度学习的SAR城市建筑区域叠掩精确检测方法

建筑物叠掩检测在城市三维合成孔径雷达(3D SAR)成像流程中是至关重要的步骤,其不仅影响成像效率,还直接影响最终成像的质量。目前,用于建筑物叠掩检测的算法往往难以提取远距离全局空间特征,也未能充分挖掘多通道SAR数据中关于叠掩的丰富特征信息,导致现有叠掩检测算法的精确度无法满足城市3D SAR成像的要求。为此,该文结合Vision Transformer (ViT)模型和卷积神经网络(CNN)的优点,提出了一种基于深度学习的SAR城市建筑区域叠掩精确检测方法。ViT模型能够通过自注意力机制有效提取全局特征和远距离特征,同时CNN有着很强的局部特征提取能力。此外,该文所提方法还基于专家知识增加了用于挖掘通道间叠掩特征和干涉相位叠掩特征的模块,提高算法的准确率与鲁棒性,同时也能够有效地减轻模型在小样本数据集上的训练压力。最后在该文构建的机载阵列SAR数据集上测试,实验结果表明,该文所提算法检测准确率达到94%以上,显著高于其他叠掩检测算法。

一种基于65nm CMOS工艺的33.5~37.5GHz有源矢量合成型移相器

基于65 nm CMOS工艺设计了一款33.5~37.5 GHz的6 bit有源矢量合成型移相器(VSPS)。该移相器采用Lange类型的90°耦合器作为I/Q信号发生器,其中的电感采用8字形电感实现;此外,矢量合成部分采用电流合成结构,使芯片面积更加紧凑。后仿真结果显示,该移相器覆盖360°移相范围,对于64种移相角度状态,其整个工作频带下的相位均方根(RMS)误差约为0.33°~3.20°,移相附加增益幅度约为-8.38~-4.89 dB,其RMS误差小于0.59 dB,噪声系数约为12.55~15.55 dB,输入反射系数小于-15 dB,输出反射系数小于-7.9 dB,在33.5、35.5和37.5 GHz频率下,其1 dB压缩点输入功率分别为-1.38~0.96、-1.13~0.75和-0.30~1.40 dBm。该移相器核心电路面积仅约为0.11 mm^(2),在1.2 V的电源电压下,消耗14.6 mW的直流功率,具有面积紧凑、功耗较低、插入损耗适中且精度较高的优势,有利于相控阵系统大规模集成和应用。

一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法

雷达通信一体化波形设计是近年来的研究热点。基于紧凑式阵列的一体化波形支持多方向目标探测和多用户通信,但面对主瓣内同方向不同距离的干扰和窃听行为时,存在抗主瓣干扰能力差、通信信息泄露等问题。因此,该文提出了一种基于分布式孔径的雷达通信一体化波形设计方法以操控波形在三维空间的分布。首先,根据近场信号传播模型建立波形合成约束,在指定位置合成所需的雷达和通信波形。然后,对各个子孔径增加恒模约束,构建以最小化发射功率为准则的一体化波形优化模型。由于模型的非凸性,采用交替投影算法进行迭代求解。仿真结果表明,该文所提方法在雷达目标和通信目标位置同时合成了期望波形,实现了三维空间波形操控。

一种用于多视角雷达图像配准的改进RIFT算法

由于复杂的成像机制,对于存在丰富地表附属物的城镇、村庄等区域,从不同角度获取的雷达图像间存在明显的非线性辐射畸变和阴影特征差异,使得现有的图像配准方法不再适用。为了解决这一问题,本文在辐射不变特征变换(Radiation-Variation Insensitive Feature Transform,RIFT)的框架下分别从特征计算和特征向量生成两个方面进行改进,提出了一种基于多特征描述和阴影感知的多视角雷达图像配准方法。在特征计算阶段,算法利用log-Gabor滤波器实部和虚部的空间域性质对雷达图像中两种不同特征进行提取,使单一的特征变化不再影响特征描述,增强算法对非线性辐射畸变的鲁棒性。在特征向量生成阶段,利用log-Gabor滤波器对阴影区域响应低的性质,实现对图像阴影区域的检测,并为受阴影影响严重的子邻域所生成的特征向量施加掩膜,有效消除了阴影特征差异对图像配准的影响。实验结果表明,针对多视角雷达图像配准问题,本文方法在均方根误差、成功匹配概率和正确匹配点数上优于现有算法,能够实现多视角下雷达图像的精确配准。

薄膜衍射消热差红外光学系统设计

设计了一种薄膜衍射消热差红外光学系统。此光学系统口径为200 mm,焦距为200 mm,相对孔径为1,全视场角为3°,工作波段为10.7~10.9μm。该系统采用薄膜衍射镜作为主镜,厚度为微米量级,具有口径大、重量轻的优点,解决了现有红外光学系统重量和口径无法调和的矛盾。利用含有衍射面的折衍混合透镜进行校正主镜带来的强色散,有效解决薄膜衍射主镜成像视场小、谱段范围窄等问题。采用薄膜衍射主镜、折衍混合透镜,很好地利用了衍射面良好的消热差特性,再结合透镜材料的选择,对光学系统消热差起到了良好的作用,并且,衍射面的使用为系统设计优化过程中增加了自由度。薄膜衍射消热差红外光学系统重量轻、成像质量好、消热差性能优良,在红外遥感成像探测领域具有良好的应用前景。

衍射光学系统红外光谱目标探测性能

衍射光学系统具有大口径轻量化的优点,但其光谱范围较窄,能利用的红外信号能量较小,通常认为采用后会使红外相机的探测信噪比降低。基于衍射光学系统,分析了对地观测红外相机的目标探测性能,结合一个非制冷红外相机信噪比计算示例,明确了在地物背景和目标光谱特性不同的条件下,基于衍射光学系统的红外相机仍可能具有良好的目标探测性能。同时将红外相机等效噪声功率与激光和电子学系统进行对比,提出了红外探测系统的性能还可能进一步提高的观点,给出了一种引入激光本振结合电子学滤波细分红外光谱降低等效噪声功率的方法。

一种面向智能驾驶的毫米波雷达与激光雷达融合的鲁棒感知算法

基于多传感器融合感知是实现汽车智能驾驶的关键技术之一,已成为智能驾驶领域的热点问题。然而,由于毫米波雷达分辨率有限,且易受噪声、杂波、多径等因素的干扰,激光雷达易受天气的影响,现有的融合算法很难实现这两种传感器数据的精确融合,得到鲁棒的结果。针对智能驾驶中准确鲁棒的感知问题,该文提出了一种融合毫米波雷达和激光雷达鲁棒的感知算法。使用基于特征的两步配准的空间校正新方法,实现了三维激光点云和二维毫米波雷达点云精确的空间同步。使用改进的毫米波雷达滤波算法,减少了噪声、多径等对毫米波雷达点云的影响。然后根据该文提出的新颖的融合方法对两种传感器的数据进行融合,得到准确鲁棒的感知结果,解决了烟雾对激光性能影响的问题。最后,通过实际场景的实验测试,验证了该文算法的有效性和鲁棒性,即使在烟雾等极端环境中仍然能够实现准确和鲁棒的感知。使用该文融合方法建立的环境地图更加精确,得到的定位结果比使用单一传感器的定位误差减少了至少50%。

基于卷积注意力和胶囊网络的SAR少样本目标识别方法

合成孔径雷达(SAR)目标识别在军事和民用领域都具有重要的研究价值。但由于SAR数据获取成本高、样本数目少,传统的卷积神经网络提取目标特征的能力不足,准确率低下。提出结合卷积注意力和胶囊网络的分类模型,利用胶囊网络中的多维向量神经元表示目标更多的特征;同时,考虑到少样本情况下目标特征信息缺乏,为提高神经网络的学习效率,对胶囊网络加入注意力机制,通过学习不同特征的重要程度,引导分类网络重点关注对分类结果贡献大的特征,弱化对分类结果贡献小的特征,提高神经网络的学习效率。针对MSTAR数据集和实测车辆数据集的实验结果表明,该算法的准确率高于传统的卷积神经网络和胶囊网络算法。

一种基于电荷泵锁相环的高精度数字移相方法

移相器是相控阵雷达的核心器件,随着工作频率的逐步提升,传统移相器的插入损耗和相位控制误差恶化严重,导致额外增加的功耗及波束性能变差.本文基于电荷泵锁相环(Charge Pump Phase-Locked Loop,CP-PLL)开展了高精度数字移相方法的研究.在分析CP-PLL相位数学模型与移相机理的基础上,提出了通过数控电流源的方法实现对输出信号相位的精确控制,建立电路模型开展仿真分析,并设计了实验电路模块,通过仿真和实测的对比验证了该方法的有效性和精确性,实现了移相步进优于1°,移相精度优于移相值的10%.该CP-PLL可通过作为本振信号或直接产生发射信号应用于相控阵雷达系统中,具有精度高、功耗低、易集成等特点,从而取代移相器,有效提升相控阵雷达的性能.

基于几何约束移动最小二乘的TomoSAR山区点云高精度三维重建方法

层析合成孔径雷达(TomoSAR)是一种先进的山区三维重建技术手段。然而,TomoSAR点云存在着较强烈的高程向定位误差,给高精度的山区三维重建带来了挑战。针对这个问题,该文提出了一种基于几何约束移动最小二乘(MLS)的高精度TomoSAR山区点云三维重建方法。该方法不仅具有传统MLS基于局部子空间思想进行复杂曲面结构拟合的优势,还可以充分地利用TomoSAR点云高程随地距单调递增的特点进行重建误差修正。首先,将点云投影到新的方位-地距-高程坐标系。然后,使用所提的基于迭代求解的几何约束MLS进行高程向定位误差修正。最后,通过投影变换得到山区三维重建结果。仿真和实测的机载阵列TomoSAR山区数据以及AW3D30 DSM数据和1:10000 DEM数据,验证了该文方法的有效性,同时表明了机载阵列TomoSAR用于山区高精度三维重建等应用的可行性和优越性。

天基6.5 m衍射综合孔径红外射电望远镜

针对天文观测和深空探测需求,提出了天基激光本振6.5 m衍射综合孔径红外射电望远镜的概念和形式,给出了激光本振阵列探测器形式,设计了基于衍射光学系统的综合孔径红外射电望远镜结构。该望远镜采用孔径渡越补偿信号处理方法扩大光谱范围,具有光学系统复杂度低、体积小和质量轻的特点。给出了系统主要参数和成像仿真结果,当中心波长为1.55μm时,角分辨率约为0.24μrad,最大不模糊视场角度约为1.55 mrad,光谱范围为0.2μm,其探测灵敏度要比传统6.5 m口径望远镜高2倍,可观测的极限星等优于21。

2m衍射口径星载双波长陆海激光雷达系统研究

针对对地三维成像和海洋水深测量的需求,对轨道高度为500 km、口径为2 m的谐衍射光学系统星载双波长陆海激光雷达系统进行了分析。基于单光子阵列探测器,分析了大口径衍射光学系统的光学合成孔径实现方式,并设计了系统参数。波长为1.55μm的陆地观测激光雷达的主要性能指标为:地面像元分辨率4 m,交轨瞬时幅宽4 km,高程测量精度0.3 m。波长为0.516μm的海洋观测激光雷达的可探测水深达30 m。分析了激光本振阵列探测器的结构,提出了基于相干探测的光学合成孔径技术,有望采用计算成像的方式,利用多个子口径的低分辨率复图像信号相干合成高分辨率图像,同时提高图像的信噪比。相同系统参数下的对比分析表明,波长为1.55μm的陆地观测激光雷达采用相干探测体制后,探测性能优于传统的直接探测。采用子口径结构,可降低衍射光学系统的加工难度,同时子口径结构焦距短的特点使得光学系统的轴向尺寸和重量大幅减小。