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。

微波光子SAR最优子带融合的全分辨伪彩图生成方法

微波光子(MWP)雷达是一种通过光子器件对传统微波雷达硬件架构进行改进的新型雷达系统。借助光子器件卓越的物理特性,MWP雷达能够发射超宽带、高线性度的高质量线性调频信号,从而实现对目标的超高分辨率探测与成像。在目标成像与探测过程中,不同结构和特性的目标区域对不同频率信号的响应存在差异。因此,微波光子雷达具备通过散射差异生成伪彩图像的潜力,从而进一步提升微波光子合成孔径雷达(MWP-SAR)的信息获取能力。传统的遥感技术生成的伪彩图像分辨率较低,无法达到厘米级的分辨。因此,该文提出了一种在保证MWP-SAR高分辨率的前提下合成伪彩图像的方法。该算法首先建立了最优子带回波搜索模型,随后采用最优子带搜索算法对超宽带回波进行处理,以获取散射特性相差最大的子带回波通道。再对多子带差异图像进行色彩合成,通过这一处理步骤,能够生成对目标散射特性最佳描述的伪彩图像。同时,为了确保MWP-SAR的分辨率不受到损失,建立了一个融合模型,将全分辨率的SAR图像与多子带图像相融合,以维持伪彩图像的高分辨率。最终,通过实测的机载MWP-SAR数据成功地合成了全分辨率的伪彩色图像,从而验证了该算法的有效性。该算法可以使得MWP-SAR在成像时获取更多的目标信息,为成像雷达微波视觉的实现提供辅助。

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。

衍射光学系统的激光应用和稀疏成像分析

近年来衍射光学系统得到了快速发展,衍射器件(如二元光学器件和膜基透镜)相当于微波天线的固定移相器,微波相控阵天线成熟的理论和方法应可用于其性能分析。激光SAR和激光通信都具有单色且波长较长的特点,特别适合采用非成像衍射光学系统,通过衍射器件实现信号波前控制,减小焦距并有利于系统的轻量化。基于衍射光学系统,研究激光SAR和激光通信技术具有重要的理论意义和应用价值。该文给出了衍射光学系统的相控阵解释,介绍了基于衍射光学系统已开展的机载激光SAR和星载激光SAR研究工作。提出了艇载1 m衍射口径激光通信和干涉定位系统概念并分析了其性能,该系统在10 m短基线下,其作用距离将达到4×108 km,对应的定位精度在6 km量级,可用于深空探测。该文同时探讨了稀疏采样激光成像问题,在激光照射目标条件下,提出用傅里叶透镜将激光图像信号变换到频域,在低频区域利用小规模探测器实施稀疏采样,等效进行2维低通滤波处理,再用计算机重构目标图像的设想,给出了一些初步的仿真结果。

融合失配处理和LMS滤波的雷达通信一体化OFDM信号距离旁瓣抑制技术

随着5G乃至未来6G无线通信技术的发展,无线通信设备数量呈现爆炸式增长趋势。与之矛盾的是,电磁频谱环境日趋拥堵,接近枯竭的传统通信频段已无法满足激增的业务需求。在此背景下,面向雷达与通信的频谱共享的一体化信号引起了工业界和学术界的极大关注。然而,在匹配滤波框架下,一体化信号无法兼顾雷达和通信性能。通信信息势必会在雷达模糊函数中产生高旁瓣和伪峰。为此,部分学者基于正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)共享信号,提出将高旁瓣和伪峰外推至雷达观测窗口外的失配处理方法,用以兼顾雷达模糊性能。然而,该方法会产生信噪比损失,且信噪比损失随观测窗口增大而增大。鉴于此,本文提出融合失配处理和最小均方(Least Mean Square,LMS)滤波的算法。通过LMS和失配处理的深度融合,可突破信噪比损失与观测窗口宽度之间的约束,进而能在不减小观测范围的条件下降低信噪比损失,或在相同信噪比损失下大幅提升观测范围。

阵列结构下的低频信号合成方法研究

基于高频天线产生低频电磁波信号,实现多波段信号对目标的照射,不仅有可能减小低频天线尺寸,而且可能成为提高雷达目标探测性能的一种途径.本文将多普勒效应与阵列天线结构相结合,基于对阵列中各辐射单元的信号时序、相位和间距等参数的控制,提出了一种在目标区产生低频信号的方法.本文给出了阵列参数的选择原则,介绍了目标位于阵列方向和45°角扫描时的低频信号合成情况,对存在辐射单元间距误差、相位误差、目标偏离预定位置以及等间隔稀疏条件下的合成信号性能进行了分析,并采用峰值旁瓣比和积分旁瓣比来评价合成信号的性能.将频率1 GHz载波信号合成为频率400 MHz信号的仿真分析结果,表明了本文方法的有效性.

交错阵列甚低频信号产生方法研究

10 kHz量级甚低频电磁波信号具有较强的地物穿透能力,可用于地质勘探。由于其天线尺寸在10 km量级,其应用场合受到限制,研究基于适当尺寸高频雷达天线的甚低频电磁波信号产生方法具有重要意义。该文提出基于高频阵列天线产生甚低频信号的概念,利用阵列天线合成产生近光速远离运动雷达多普勒信号,实现信号频率的大幅降低。给出了发射波形、交错阵列设计和阵列参数选择方法。将周期脉冲串信号作为辐射单元信号,增大合成信号脉宽。利用阵列产生的脉宽展宽量填补脉冲信号的休止期,在目标区合成时间连续的甚低频信号。采用峰值旁瓣比(PSLR)、积分旁瓣比(ISLR)、阵列发射信号与合成信号的频谱对比评价合成低频信号的性能和发射信号的能量利用率。该文仿真了百米量级阵列100 MHz辐射单元信号在目标区合成10 kHz甚低频信号的情况:9行阵列构成交错阵列、辐射单元信号脉宽设置为0.115μs时,合成信号频谱的峰值旁瓣比和积分旁瓣比分别为–13.34 dB和–9.44 dB,10 kHz低频信号在合成信号中的能量占比为89.79%。该文分析了辐射单元间距误差、辐射单元信号时间、相位与幅度误差以及目标偏离预定位置的影响。仿真结果表明了该文方法的有效性。

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。

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。