摘要：主动成像激光雷达由系统本身提供照明，不必再依赖太阳角，可全天候工作，具有远距离、高分辨率、三维成像能力。特别是具有目标探测、识别和辨识等方面的超强能力，战场上在预警、信息获取、目标监视和侦查方面有很重要的应用。介绍了两种不同体制主动成像激光雷达：一种是采用相干成像合成孔径红外激光雷达，另一种是采用孔径平面散斑强度信息成像激光雷达。阐述了两种不同体制主动成像激光雷达的原理、特点和研究现状，并对其关键技术和应用前景进行了简要的分析。
关键词：激光雷达；合成孔径；散斑成像；相干探测
0 引言
主动成像激光雷达工作在光学波段，其工作波长远小于普通微波雷达，因此可以获得高分辨率的目标图像，这些图像看起来更自然、更容易理解，因此，其在军事侦察和遥感测绘等方面具有广阔的应用前景。主要介绍了两种不同体制的成像激光雷达，都具有远距离超高分辨率，针对这两种雷达作了一定的探讨，特别是采用相干合成孔径激光雷达能够突破光学孔径衍射限制获得高分辨率、远距离成像，这在未来的军事领域具有很广泛的应用前景。
1 散斑成像激光雷达
1.1 散斑成像（SI）激光雷达的原理
复空间频率与复图像间的关系是二维傅里叶变换与反变换的关系，空间频谱强度（复振幅平方）的傅里叶变换是复函数图像的自相关运算。因此，如果测量图像的功率谱并做傅里叶变换，便可以得到图像的自相关运算结果，再利用相应的算法就可以由图像的自相关运算便能得到图像结果，利用这一原理的激光成像方法就是散斑强度信息成像。典型的SI成像过程如图1所示，由发射源发出不同频率的脉冲激光对目标进行扫描，在每个扫描频率，光子在孔径面内由探测器阵列收集，获得散斑强度信息，通过对不同频率下探测器阵列采集到的强度信息做三维傅里叶变换，可以得到图像的三维自相关，再由自相关运算即可反解出图像。
图1.散斑成像原理
1.2 成像激光雷达系统及其关键技术
在美国国防高级研究计划局（DARPA）的支持下，麻省理工学院林肯实验室研制出了应用SI原理的集成三维成像激光雷达系统，该系统通过直接探测技术，可以获得高分辨率三维图像，并能对隐藏在植被或伪装下的目标成像。
激光发射系统的光源采用了林肯实验室开发的微芯片激光技术，该被动Q开关固态双频Nd:YAG激光器能以16kHz的脉冲重复频率发射波长为532nm的短脉冲激光。为了提高发射与接收系统的光能量耦合效率，同时抑制背景杂散光和虚预警率，激光器发出的单模激光光束经微光学衍射元件转换成32×32的点阵，通过双工机控制收发转换与发射接收光束的对准。为了扩大视场范围，采用由两个可以相对转动的累斯莱棱镜组成的扫描系统，它们分别由两个独立的电机驱动，通过电机上的光电编码器可以精确记录各个激光脉冲的发射方向。
光子探测接收系统采用了32×32APD焦平面阵列探测器，通过热电冷却器保持其恒温工作，室温下，单个光子探测效率大于20%，APD饱和增益大于108。探测器阵列的每个单元都有独立的飞行时间计数电路，时钟频率为2GHz，发射时分出部分脉冲用于计数开始，接收到的回波脉冲控制计数结束，这种计时方法省去了数模转换与非线性校正过程，简化了信号处理。雷达光学成像系统重量仅13.6kg。表1列出了该激光雷达系统的主要参数。
这一激光雷达系统在进行了飞行实验与数据采集。激光雷达系统被安装在直升机上，事先已经对目标进行定位，当飞机飞过目标上空时，激光雷达系统从多个角度透过树冠和伪装中随机出现的空隙采集图像数据，利用角度-角度-距离和时间数据将采集到的图像融合为完整的目标图像，实现穿透树叶和伪装的目标识别。目前，这一系统正在进一步向集成化、轻量化发展，以适应无人侦察机的要求[3]。除了反伪装侦查，这种直接探测成像激光雷达技术还可以应用于机器视觉、无人驾驶导航、质量控制等领域。
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3 结束语
SI技术通过采集孔径平面的强度信息（散斑图样）获得图像自相关来获取图像信息，由于只探测强度信息，不需要外差探测和复杂的聚焦光学系统，SI系统的接收器和硬件系统相比SAL会简单很多，但后续的图像处理比较复杂，同时和SAL类似，运载平台的移动允许更大范围的空间频率采样以改善分辨率，这种成像激光雷达适用于近距离的目标侦察与识别；SAL技术，通过孔径平面采集的振幅和相位信息获得图像，具有高分辨率成像能力，且SAL的方位分辨率与距离无关。能够进行远距离、大范围的地表或空间成像，在对地侦察与航空航天遥感等领域具有重要的应用价值，已成为国内外研究的热点。
目前，国外成像激光雷达已经走向应用阶段。随着激光技术、探测器技术和成像处理算法的快速发展，这两种成像激光雷达将会有更广阔的应用前景。
