合成孔徑雷達（SAR）成像與光學成像是高解析度對地觀測的兩大手段。SAR憑藉全天時、全天候、高解析度成像等特點，已廣泛應用於國土資源監測、農林業、地形測繪、海洋監視、減災防災、公共安全等領域，是世界各個國家和地區競相發展的戰略前沿技術。合成孔徑技術的基本原理是，天線在隨平臺沿方位向運動過程中依次在若干不同位置向地面主動發射脈衝訊號，之後將依次接收到的各位置的回波訊號透過訊號處理等效成同時接收，從而將實孔徑較小的天線“合成”為一個大孔徑的虛擬天線陣列，使方位向解析度得到大幅提升。SAR工作在微波頻段，在方位向上採用合成孔徑技術，在距離向上採用脈衝壓縮技術，可實現對地高解析度二維成像。然而，當前SAR成像解析度已逼近微波波長極限，例如X波段成像解析度已接近0.1 m。
激光合成孔徑雷達（SAL，又稱合成孔徑鐳射雷達）將合成孔徑技術從微波頻段拓展應用至光學頻段：一方面，可突破光學口徑衍射極限的限制，解決傳統鐳射雷達（LiDAR）系統在網格密度、成像解析度和探測能量上的技術瓶頸問題；另一方面，利用鐳射波長遠遠小於微波波長的特點，可突破SAR面臨的微波波長侷限，使系統頻寬提升1個數量級以上，使成像解析度得到顯著提升，在精細目標成像領域具有重要應用價值。
在高解析度對地觀測系統重大專項的支援下，中國科學院空天資訊創新研究院牽頭，聯合中國科學院上海光學精密機械研究所、中國科學院上海技術物理研究所、中國公司第四十四研究所以及北京自動化控制裝置研究所組建專案研究團隊，突破陣列SAL系統、運動補償、高分辨成像處理等核心關鍵技術，成功研製機載SAL工程樣機，並搭載於飛行平臺，在電力、林業、測繪、目標探測等領域開展技術校飛與應用校飛，推動SAL從實驗室向實際工程應用邁進。
陣列SAL系統技術
與傳統SAR系統相比，SAL系統提升了成像解析度和視場指向分辨能力，但受到鐳射衍射極限的影響，單個光斑的觀測視場有限，嚴重製約了SAL系統的對地觀測實際應用。以典型的5 mm有效光學口徑為例，其瞬時視場僅為0.38 mrad，3 km處的瞬時成像幅寬約為1.6 m，無法滿足高解析度寬幅成像的應用需求。因此，如何有效提升觀測視場是SAL系統走向實際應用面臨的首要問題。
SAL系統組成
為有效提升觀測視場，專案研究團隊創新提出了陣列SAL技術體制，透過陣列發射和陣列探測接收方式擴大SAL成像幅寬。SAL系統主要由電子學、光學和光機3個子系統組成，包括相干鐳射源、陣列天線（包括光學前端、掃描機構與控制兩部分）、多通道接收（包括多通道採集、陣列平衡探測兩部分）、內定標、資料記錄、系統監控與配電、高精度穩定平臺、運動測量和地面處理等9個單元（見圖1）。光學子系統用於實現鐳射源的產生、調製、放大、發射與接收，光機子系統用於實現波束指向與掃描控制以及平臺的運動測量，電子學子系統主要用於SAL系統監控以及回波資料的形成、儲存和處理。
為實現陣列設計，光學望遠鏡應用了1個發射鏡頭和3個接收鏡頭。發射光學系統共有10路，每路覆蓋不同的觀測視場，增大光斑覆蓋範圍。接收光學系統採用4×10路平衡探測器陣列，提高接收視場。在系統工作過程中，鐳射源經過寬頻調製與光纖分束器後分為兩組，一組作為發射光，一組作為本振光。發射光經過陣列光纖放大器放大、準直器準直、分束器分束，形成兩路：一路由發射望遠鏡發射，射向遠場目標，經目標反射返回，由接收望遠鏡接收並與本振光訊號進行外差探測，形成回波資料；另一路經過光延遲，與本振光訊號進行差分探測處理，並經模數轉換（A/D）採集得到內定標資料，用於成像過程中的通道間幅相誤差補償。
工作模式設計
為滿足農林遙感、地形測繪等不同領域的應用需求，陣列SAL系統設計了二維成像和三維成像兩種工作模式（見圖2）。二維成像模式採用1個發射鏡頭進行發射，3個接收鏡頭同時接收，3個接收鏡頭沿順軌方向佈設，透過資料處理域進行孔徑綜合以提高子孔徑解析度，實現目標的高分辨成像。三維成像模式採用1個發射鏡頭和1個接收鏡頭，接收鏡頭沿穿軌方向排布，接收端採用10路平衡探測器陣列，透過順軌方向平臺運動、穿軌方向高速振鏡鐳射掃描、高程方向寬頻訊號脈衝壓縮設計，實現寬幅相干三維成像。
關鍵技術攻關
SAL系統的工作波長極短，導致其對誤差極為敏感。為保證系統成像質量，專案研究團隊在SAL系統設計與研製過程中，重點攻克了陣列外差探測、空間波束對準、多通道相參一致性等一系列影響成像精度的核心技術難題。
針對陣列外差探測難題，專案研究團隊突破了陣列光外差探測器晶片串擾、通道一致性等關鍵技術，在國內首次研製了4×10線陣相干平衡探測器（見圖3），解決了單元靈敏度高、探測器晶片串擾嚴重、多通道一致性差、探測器陣列整合度低的問題，實現120通道大規模陣列外差接收，與傳統鐳射雷達相比，接收視場範圍具有數量級的提升。
鐳射發散角極窄，單個橢圓光斑大小為30 μrad×120 μrad，為滿足成像需求，光斑匹配度要達到90%以上，這意味著光斑對準精度要達到μrad量級。在陣列體制中，要實現陣列級多通道收發光斑之間以及3個接收鏡頭之間的μrad量級匹配對準是一項艱鉅的挑戰。針對這一難題，專案研究團隊提出了基於二維光楔靜態校準與快反實時掃描跟蹤的技術方案，透過光楔來調整3個接收望遠鏡光軸相對發射望遠鏡光軸之間的夾角，並採用平行光管、鐳射快反鏡、高幀頻相機、穩像控制器與測試光源等建立一條主動光軸穩定系統，透過測量光軸抖動，壓電快反鏡高速補償，形成高頻寬閉環控制迴路，透過主動抑制微振動達到消除環境干擾的目的，實現光路的精細調控，解決收發光斑之間高精度對準難題（見圖4）。
與微波相比，鐳射的相參性極易受到溫度、振動等環境因素的影響，造成各個混頻通道輸出的去斜訊號相位變化，而隨機相位的引入將破壞各通道間穩定的相位關係，嚴重影響後續訊號處理和成像質量。針對這一問題，專案研究團隊在SAL系統中設計了動態內定標測量系統，利用本振光與發射光的外差探測結果，對各接收通道外差探測結果中的隨機相位誤差進行逐脈衝測量與補償，實現多通道相參一致性（見圖5）。經內定標補償後，旁瓣得到有效抑制（見圖5c）。
技術校飛試驗
在完成SAL系統研製與關鍵技術攻關的基礎上，為充分驗證SAL系統的二維和三維成像能力，專案研究團隊基於塞斯納208飛行平臺（見圖6）開展了技術校飛試驗。
SAL系統二維成像模式下，載機飛行高度3 km，側視45°，作用距離4 km以上，成功獲取了幅寬約18 m的二維影象（見圖7a和7b）。SAL系統的三維成像工作在下視模式，作用距離3 km，針對目標較為豐富的城郊區域開展了資料獲取試驗，實現了幅寬優於600 m的大面積場景三維成像（見圖7c），場景中覆蓋了森林、河流、建築等典型目標。透過技術校飛試驗，專案研究團隊驗證了陣列SAL的各項效能指標，試驗結果證實了陣列SAL帶來的遠距離、高精度、大幅寬的體制優勢，為後續開展應用研究奠定了堅實基礎。
SAL資料高精度處理技術
機載飛行條件下，由大氣湍流引起的載機平臺的微小振動（亞波長）會引起訊號相位的顯著變化。由於鐳射波長較短（1.55 μm），傳統的運動測量系統難以達到亞微米量級的運動測量精度，無法實現高精度的SAL成像。因此，如何以亞波長量級進行運動誤差補償是SAL資料高精度處理面臨的核心難題。
為此，專案研究團隊提出了三角波陣列相干鐳射成像體制，並從孔徑綜合、脈間振動誤差、脈內振動誤差抑制3個方面入手，系統性解決了亞微米運動補償的難題。首先，利用方位多望遠鏡線陣接收優勢，透過孔徑綜合實現多普勒頻寬展寬（見圖8），從而實現雷達方位波束等效銳化，提高方位分辨能力，併成倍減少了合成孔徑時間，以降低方位運動補償難度。
為提高運動補償精度，專案研究團隊借鑑微波SAR中順軌干涉測量運動目標速度的方法，在機載SAL系統中，利用順軌干涉對由振動引起的相位誤差進行估計，實現脈間振動抑制與補償。
針對脈內振動誤差，專案研究團隊利用三角波調頻和差在速度和多普勒測量方面的優勢，構建了基於三角調頻連續波子帶差分干涉的振動誤差抑制與補償方法，實現脈內振動誤差補償，在補償相位誤差的基礎上，採用相位梯度自聚焦（PGA）演算法進一步提高影象質量。機載SAL二維成像模式4 km作用距離下，角錐目標和反射紙目標（反射紙寬度20 cm，間隔5 cm）在運動補償後，距離向非線性誤差得到校正，方位向殘餘運動誤差得到補償，目標得到良好聚焦，邊緣更加清晰（見圖9）。點目標分析結果（見圖10）表明，影象的峰值旁瓣比（PSLR）優於14 dB，影象解析度優於3 cm（方位）×4 cm（距離）。
資料成果及應用
2023年7—9月，中國科學院空天資訊創新研究院聯合中國測繪科學研究院、中國林業科學研究院資源資訊研究所、長沙理工大學、中國人民解放軍戰略支援部隊資訊工程大學等領域優勢單位，透過賽斯納208飛行平臺搭載SAL系統，在內蒙古巴彥淖爾、遼寧營口等地累計進行了20餘次的應用校飛試驗，並開展了測繪、林業、電力、目標探測等領域的應用研究，形成了相關領域的陣列SAL資料集，生成了沙丘、城市、橋樑、電力設施等典型場景的資料產品。
在林業應用研究方面，專案研究團隊以內蒙古巴彥淖爾為試驗區，開展了SAL三維成像資料獲取試驗及森林樣地調查工作。黃河大橋附近的白楊防護林點雲資料，在分別以高程（見圖11a）和地表-植被分類結果（見圖11b）進行渲染後，能夠較好地體現該場景下的森林結構特徵，例如防護林整齊的水平排列特徵（見圖11c）。在點雲的剖面圖中，可以清晰觀察到點雲對每棵樹木輪廓的描述（見圖11d），為進一步分析森林的垂直結構特徵提供了良好的基礎。白楊防護林高度分佈圖（見圖12）以吉林一號光學影像作為底圖，並在底圖上疊加森林高度資料，圖中紅色圓形代表實測樣地的位置；具有亞米級空間解析度的光學遙感影像給人以樹木種植較為整齊的觀感，而高度分佈圖更能清晰地反映出該區域樹木的疏密度及高度在空間分佈上所具有的差異性。在森林樣地調查獲取的16塊樣地中，有8塊位於SAL點雲資料覆蓋區域（見圖12），以這些樣地的平均高為參考值，對SAL森林高度進行精度評價，均方根誤差（RMSE）為1.11 m，估測精度為82.10%，相關性為0.88，滿足林業應用需求。
專案研究團隊利用SAL獲取的高精度高密度三維資料開展電力走廊內重要目標的精確分離研究，從而進行高效高精度電力線路巡檢及電力走廊地物安全性分析，實現電力走廊的管理。採用提出的多維融合與注意力池化網路（MFAP-Net）分類方法，可在分類結果中清晰地識別出左側220 kV和右側110 kV的電力線及電塔（見圖13），整體分類精度優於90%，滿足對電力走廊中電力線走向和電塔排布的分類要求。
專案研究團隊對沙漠、林地、城鎮、電力線路共4個場景的SAL點雲進行了地形提取（見圖14）和典型目標識別（見圖15和16），並利用地面控制點進行了高程精度評估，評估結果表明，SAL點雲生成的數字高程模型（DEM）可實現1：2000比例尺DEM高程精度，點雲密度均優於10個點/平方米。
專案研究團隊研製的陣列SAL可實現對觀測區域的二維、三維超高精度成像，在測繪、林業、電力、目標探測等領域的應用中得到有效驗證。相比於傳統鐳射雷達，SAL能夠更精細地刻畫地物結構，從而更準確地提取地物結構引數，可在森林生長、發育、演替規律研究，以及森林資源、生態現狀資訊獲取等方面發揮重要支撐作用。同時，SAL展現出的高精度、大比例尺測繪能力，以及由更高精度、更高分辨影象帶來的更優異的目標探測與解譯能力，在國土測繪、重點目標探測、國防安全等方面具有巨大應用潛力。未來，隨著我國深空探測領域的深入發展，星載SAL可對中低軌衛星、空間碎片等空間目標進行探測成像，在空間環境監測、空間攻防與對抗等領域也將具有重要應用價值。
致謝：感謝高解析度對地觀測系統重大專項的支援。
本文刊登於IEEE Spectrum中文版《科技縱覽》2024年6月刊。
專家簡介
汪丙南：中國科學院空天資訊創新研究院研究員，微波成像全國重點實驗室副主任，中國科學院大學博士生導師。
向茂生：中國科學院空天資訊創新研究院研究員。
王胤燊：中國科學院空天資訊創新研究院助理研究員，通訊作者。
周 煜：中國科學院上海光學精密機械研究所研究員。
賈建軍：中國科學院上海技術物理研究所研究員。
崔大健：中國電子科技集團第四十四研究所研究員。
朱勇濤：中國科學院上海技術物理研究所副研究員。
趙娟瑩：中國科學院上海技術物理研究所副研究員。
溫智磊：中國科學院空天資訊創新研究院助理研究員。
靳國旺：中國人民解放軍戰略支援部隊資訊工程大學教授。
林祥國：中國測繪科學研究院研究員。
陳立福：長沙理工大學副教授。
趙 磊：中國林業科學研究院資源資訊研究所副研究員。
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本文轉載自“悅智網”，原標題《激光合成孔徑雷達：將合成孔徑技術從微波拓展至光學頻段》。
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