粗糙目标合成孔径激光雷达信号仿真

戴佳良 吴代龙

摘 要：合成孔径激光雷达具有良好的发展前景，因为它的技术优势明显，能够通过光波合成孔径实现高分辨率雷达成像，保证其核心技术获得实质性突破。本文就探讨了这样一种技术--实际目标的外差探测技术，该技术会首为粗糙目标的粗糙表面建立蒙特卡罗模型，假设本振光与信号光的电场振动方向相同来展开理论分析，以获得粗糙目标合成孔径激光雷达信号的仿真结果，对其粗糙度变化所带来的电流影响进行分析，最后得出结论。本文也将依据这一思路展开课题分析。

关键词：合成孔径激光雷达；光外差探测技术；粗糙度；电流影响

合成孔径激光雷达信号仿真技术会专门研究某些粗糙目标，但粗糙目标的粗糙表面存在高度起伏必然会对光外差信号的调制效应带来影响，在不同粗糙度目标下会引发退相干效应。此时就需要进行光外差探测定量技术分析，明确光外差信号的恶化与粗糙目标表面粗糙度参量的实际对应电量关系。例如当粗糙目标表面的相关长度达到100 时，它的光外差信号会根据粗糙表面高度的起伏发生均方根增加或减小变化，而这一均方根如果超过0.2 ，则代表光外差信号相对偏弱，此时光外差信号会随着粗糙目标表面的相关长度减小而减小，为光外差探测带来一定困难，此时就要采用合成孔径激光雷达信号仿真技术。

一、关于激光合成孔径雷达

激光合成孔径雷达（Synthetic Aperture Ladar，SAL）實际上就是传统激光雷达技术与合成孔径雷达技术的综合体，它可有效提高传统微波雷达的空间分辨率，作为雷达扫描工作效率更高，已经成为近年来全世界所热议研究的重点技术课题。但是该技术在实践应用过程中会受到光外差探测技术的制约影响，这是因为光外差探测实现条件异常苛刻，会涉及到列入模式匹配、偏振匹配、波前匹配等等问题，所以目前的激光合成孔径雷达技术可以讲还尚不成熟。

再一点，从技术硬性指标来看它的光波波长片段，所以在分析某些物体目标表面的高低起伏过程中会出现较大相位差，因此可以说它的多数研究目标表面都是粗糙的也就可以解释。举个例子，如果波长 =530nm时，它所存在的高度差就会引发回波 相位差，此时的目标表面不同位置回波外差信号一定会出现相互抵消，势必降低外差效率。因此研究对象目标的随机粗糙面高度起伏必然会对高度起伏外插信号产生影响。某些研究中会将目标表面视为是光滑面，不考虑目标的高低起伏粗糙面问题，也不考虑由粗糙面所引起的退相干效应，如此继续研究则会出现系统性能评估误差，不利于合成孔径激光雷达技术的功能有效发挥。

在本文看来，在使用合成孔径激光雷达信号技术时，需要针对目标粗糙表面建立蒙特卡罗模型，利用该模型来分析粗糙表面的高低起伏程度良好与高度起伏均方根问题，同时计算表面的横向起伏长度，最后结合研究数据分析目标表面粗糙程度所导致的光外差中频信号退相干效应问题，以便于开展光外差信号数值仿真过程，达到深入探讨粗糙表面粗糙程度的光外差信号变化目的[1]。

二、针对粗糙表面的目标合成孔径激光雷达信号仿真技术理论解析

在针对粗糙表面目标物进行目标合成孔径激光雷达信号仿真技术分析过程中，可假设不考虑光学系统与传输路径二者可能引发的光程差问题，所以可结合信号光与本振光初相位与振幅影响思考粗糙目标表面所存在的随机高低起伏状态，以达到探测光敏面所产生的光电流相位差问题，分析粗糙表面所产生的光外差信号为中频电流所带来的实际影响。在实际的研究中，应该利用探测器光敏面思考光电流相位差对光外差信号的实际影响，然后用坐标轴 直观表示粗糙目标表面的高度起伏凹凸不平现象，结合合成孔径激光雷达信号仿真技术下的回波信号思考粗糙目标表面的高度变化关系，如下式：

再次假设如果探测器光敏面在研究中被均匀划分为多个小面元 s，且有 ，如果此时假设时间t =0，则有：

结合上式就可以分析得出如果利用合成孔径激光雷达信号仿真技术，可实现对粗糙目标中频电流的快速诡异，但由于它受到粗糙表面起伏

影响，需要进一步建立粗糙目标表面模型，即上文所提到的蒙特卡罗模型，结合线性滤波法，对粗糙目标表面的高度起伏做逆快速傅里叶转换。在蒙特卡罗模型建立过程中，如果不存在任何光学系统像差，则需要对应探测器划分来明确目标表面单元，具体可可划分为 单元，并假设面元面积应该为 ，此时它目标边长应该为 ， ，那么由此可了解到粗糙目标表面上的每一个起伏高度面元都应该表示为：

所以在归一化中频电流影响下，利用蒙特卡罗模型可以了解到粗糙目标表面的高低起伏均方根应该与表面相关长度 有直接关系，如果 不同，就说明中频电流也是不同的[2]。

三、针对粗糙表面的目标合成孔径激光雷达信号仿真结果分析

如上文的一系列理论实践分析可了解到粗糙目标表面存在高低起伏的凹凸不平现象，所以采用到了蒙特卡罗模型构建仿真模型，对表面的不同位置回波进行了探测分析，得出了不同的光外差数据，引发退相干效应，所针对仿真对象的光信号接收信噪比也有大幅度下降。所以总结来说不同粗糙表面的表面形貌仿真结果也是不同的，它应该基于高斯分布研究展开。具体到实际研究中，例如对草地的粗糙度进行分析，它就涉及到不稳定层粗糙度的计算问题，要计算草地的粗糙程度平均值，然后再利用回波信号构建周期函数模型，结合草地各个位置的不同粗糙目标表面起伏来进行回波相位分析，以明确调制效应。

（一）粗糙度变化对粗糙表面归一化中频电流的影响结果分析

粗糙目标表面的粗糙度变化一定会对归一化中频电流产生一定影响，它基本上基于粗糙表面的横向变化与纵向变化两方面展开。举例来说，用粗糙目标表面粗糙度的纵向变化来分析它对归一化中频电流所产生的具体影响。此时就要用到蒙塔卡罗模型，基于高度起伏均方根以及粗糙表面相关长度 共同分析粗糙面的重要参量，明确高度起伏均方根纵向的基本变化特征，同时也要表示粗糙目标粗糙面的的表面轮廓凹凸变化状况，同时分析仓促安眠的高度变化剧烈程度，将这两大变量作为是分析归一化中频电流影响结果的重要变化参量。

假设粗糙表面的相关长度l 已是定值，那么此时就可以分别对100个具有不同粗糙程度表面的粗糙目标进行实验，让它们均通过归一化中频电流，然后再计算中频电流的平均值，最后再基于纵向理念计算100个平均值的归一化中频电流高度起伏方根，看起伏方根的变化过程。以下结合x，y轴展开计算，设置粗糙表面的相关长度分别为 ，假设条件为：

如此粗糙表面的相关长度l始终保持不变，那么粗糙表面的高度起伏离散点就应该保持在1000 左右，而采样间隔应该为 [3]。

总结：

为粗糙目标粗糙表面建立蒙特卡罗模型，基于合成孔径激光雷达信号仿真技术优化目标回波光外差信号以及目标粗糙程度参量，可保证光外差信号的基本稳定有效，实现对粗糙表面雷达信号结果的仿真优化。

参考文献：

[1]党文佳，曾晓东，冯喆琚.目标粗糙对合成孔径激光雷达回波的退相干效应[J].物理学报，2013（2）：244-252.

[2]李甜田.目标粗糙表面对回波外差探测的影响[D].西安电子科技大学，2013.

[3]于香菊.合成孔径激光雷达中光外差探测技术研究[D].西安电子科技大学，2011.

作者简介：

戴佳良，男（1993.4.13），汉族，四川广安岳池人，大学本科，助理工程师，研究方向：雷达发射机设计

吴代龙，男（1988.1），汉族，重庆，硕士研究生，助理工程师，研究方向：雷达频率综合器设计