粗糙目標合成孔徑激光雷達信號仿真

戴佳良 吳代龍

摘 要：合成孔徑激光雷達具有良好的發展前景，因為它的技術優勢明顯，能夠通過光波合成孔徑實現高分辨率雷達成像，保證其核心技術獲得實質性突破。本文就探討了這樣一種技術--實際目標的外差探測技術，該技術會首為粗糙目標的粗糙表面建立蒙特卡羅模型，假設本振光與信號光的電場振動方向相同來展開理論分析，以獲得粗糙目標合成孔徑激光雷達信號的仿真結果，對其粗糙度變化所帶來的電流影響進行分析，最后得出結論。本文也將依據這一思路展開課題分析。

關鍵詞：合成孔徑激光雷達；光外差探測技術；粗糙度；電流影響

合成孔徑激光雷達信號仿真技術會專門研究某些粗糙目標，但粗糙目標的粗糙表面存在高度起伏必然會對光外差信號的調制效應帶來影響，在不同粗糙度目標下會引發退相干效應。此時就需要進行光外差探測定量技術分析，明確光外差信號的惡化與粗糙目標表面粗糙度參量的實際對應電量關系。例如當粗糙目標表面的相關長度達到100 時，它的光外差信號會根據粗糙表面高度的起伏發生均方根增加或減小變化，而這一均方根如果超過0.2 ，則代表光外差信號相對偏弱，此時光外差信號會隨著粗糙目標表面的相關長度減小而減小，為光外差探測帶來一定困難，此時就要采用合成孔徑激光雷達信號仿真技術。

一、關于激光合成孔徑雷達

激光合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Ladar，SAL）實際上就是傳統激光雷達技術與合成孔徑雷達技術的綜合體，它可有效提高傳統微波雷達的空間分辨率，作為雷達掃描工作效率更高，已經成為近年來全世界所熱議研究的重點技術課題。但是該技術在實踐應用過程中會受到光外差探測技術的制約影響，這是因為光外差探測實現條件異常苛刻，會涉及到列入模式匹配、偏振匹配、波前匹配等等問題，所以目前的激光合成孔徑雷達技術可以講還尚不成熟。

再一點，從技術硬性指標來看它的光波波長片段，所以在分析某些物體目標表面的高低起伏過程中會出現較大相位差，因此可以說它的多數研究目標表面都是粗糙的也就可以解釋。舉個例子，如果波長 =530nm時，它所存在的高度差就會引發回波 相位差，此時的目標表面不同位置回波外差信號一定會出現相互抵消，勢必降低外差效率。因此研究對象目標的隨機粗糙面高度起伏必然會對高度起伏外插信號產生影響。某些研究中會將目標表面視為是光滑面，不考慮目標的高低起伏粗糙面問題，也不考慮由粗糙面所引起的退相干效應，如此繼續研究則會出現系統性能評估誤差，不利于合成孔徑激光雷達技術的功能有效發揮。

在本文看來，在使用合成孔徑激光雷達信號技術時，需要針對目標粗糙表面建立蒙特卡羅模型，利用該模型來分析粗糙表面的高低起伏程度良好與高度起伏均方根問題，同時計算表面的橫向起伏長度，最后結合研究數據分析目標表面粗糙程度所導致的光外差中頻信號退相干效應問題，以便于開展光外差信號數值仿真過程，達到深入探討粗糙表面粗糙程度的光外差信號變化目的[1]。

二、針對粗糙表面的目標合成孔徑激光雷達信號仿真技術理論解析

在針對粗糙表面目標物進行目標合成孔徑激光雷達信號仿真技術分析過程中，可假設不考慮光學系統與傳輸路徑二者可能引發的光程差問題，所以可結合信號光與本振光初相位與振幅影響思考粗糙目標表面所存在的隨機高低起伏狀態，以達到探測光敏面所產生的光電流相位差問題，分析粗糙表面所產生的光外差信號為中頻電流所帶來的實際影響。在實際的研究中，應該利用探測器光敏面思考光電流相位差對光外差信號的實際影響，然后用坐標軸 直觀表示粗糙目標表面的高度起伏凹凸不平現象，結合合成孔徑激光雷達信號仿真技術下的回波信號思考粗糙目標表面的高度變化關系，如下式：

再次假設如果探測器光敏面在研究中被均勻劃分為多個小面元 s，且有 ，如果此時假設時間t =0，則有：

結合上式就可以分析得出如果利用合成孔徑激光雷達信號仿真技術，可實現對粗糙目標中頻電流的快速詭異，但由于它受到粗糙表面起伏

影響，需要進一步建立粗糙目標表面模型，即上文所提到的蒙特卡羅模型，結合線性濾波法，對粗糙目標表面的高度起伏做逆快速傅里葉轉換。在蒙特卡羅模型建立過程中，如果不存在任何光學系統像差，則需要對應探測器劃分來明確目標表面單元，具體可可劃分為 單元，并假設面元面積應該為 ，此時它目標邊長應該為 ， ，那么由此可了解到粗糙目標表面上的每一個起伏高度面元都應該表示為：

所以在歸一化中頻電流影響下，利用蒙特卡羅模型可以了解到粗糙目標表面的高低起伏均方根應該與表面相關長度 有直接關系，如果 不同，就說明中頻電流也是不同的[2]。

三、針對粗糙表面的目標合成孔徑激光雷達信號仿真結果分析

如上文的一系列理論實踐分析可了解到粗糙目標表面存在高低起伏的凹凸不平現象，所以采用到了蒙特卡羅模型構建仿真模型，對表面的不同位置回波進行了探測分析，得出了不同的光外差數據，引發退相干效應，所針對仿真對象的光信號接收信噪比也有大幅度下降。所以總結來說不同粗糙表面的表面形貌仿真結果也是不同的，它應該基于高斯分布研究展開。具體到實際研究中，例如對草地的粗糙度進行分析，它就涉及到不穩定層粗糙度的計算問題，要計算草地的粗糙程度平均值，然后再利用回波信號構建周期函數模型，結合草地各個位置的不同粗糙目標表面起伏來進行回波相位分析，以明確調制效應。

（一）粗糙度變化對粗糙表面歸一化中頻電流的影響結果分析

粗糙目標表面的粗糙度變化一定會對歸一化中頻電流產生一定影響，它基本上基于粗糙表面的橫向變化與縱向變化兩方面展開。舉例來說，用粗糙目標表面粗糙度的縱向變化來分析它對歸一化中頻電流所產生的具體影響。此時就要用到蒙塔卡羅模型，基于高度起伏均方根以及粗糙表面相關長度 共同分析粗糙面的重要參量，明確高度起伏均方根縱向的基本變化特征，同時也要表示粗糙目標粗糙面的的表面輪廓凹凸變化狀況，同時分析倉促安眠的高度變化劇烈程度，將這兩大變量作為是分析歸一化中頻電流影響結果的重要變化參量。

假設粗糙表面的相關長度l 已是定值，那么此時就可以分別對100個具有不同粗糙程度表面的粗糙目標進行實驗，讓它們均通過歸一化中頻電流，然后再計算中頻電流的平均值，最后再基于縱向理念計算100個平均值的歸一化中頻電流高度起伏方根，看起伏方根的變化過程。以下結合x，y軸展開計算，設置粗糙表面的相關長度分別為 ，假設條件為：

如此粗糙表面的相關長度l始終保持不變，那么粗糙表面的高度起伏離散點就應該保持在1000 左右，而采樣間隔應該為 [3]。

總結：

為粗糙目標粗糙表面建立蒙特卡羅模型，基于合成孔徑激光雷達信號仿真技術優化目標回波光外差信號以及目標粗糙程度參量，可保證光外差信號的基本穩定有效，實現對粗糙表面雷達信號結果的仿真優化。

參考文獻：

[1]黨文佳，曾曉東，馮喆琚.目標粗糙對合成孔徑激光雷達回波的退相干效應[J].物理學報，2013（2）：244-252.

[2]李甜田.目標粗糙表面對回波外差探測的影響[D].西安電子科技大學，2013.

[3]于香菊.合成孔徑激光雷達中光外差探測技術研究[D].西安電子科技大學，2011.

作者簡介：

戴佳良，男（1993.4.13），漢族，四川廣安岳池人，大學本科，助理工程師，研究方向：雷達發射機設計

吳代龍，男（1988.1），漢族，重慶，碩士研究生，助理工程師，研究方向：雷達頻率綜合器設計