合成孔径激光成像雷达中时空偏振散斑产生机理及对成像影响研究

This subject aims at the research on formation mechanism of polarized space-time speckle effect in synthetic aperture imaging lidar (SAIL ), the influence on imaging and the technology of target recognition based on the stokes parameters for the application requirements of the SAIL in complex environment. It focused on the formation mechanism and representation of polarized space-time speckle, the influence on resolution element imaging and the image contrast in side-looking and down-looking SAILs. Replication experiments are developed to promote the practical application of the SAIL. The concept of the polarized space-time speckle effect in SAIL is proposed for the first time, and the complex polarization of the target reflection field is analyzed by the Stokes theory, which is a more appropriate choice for the optical field compared with the Jones matrix theory adopted in synthetic aperture radar (SAR). Polarization optics and the vector method are superposed to describe the formation of the polarized space-time speckle and effective measurement method is presented. Furthermore, the complex polarization of the target reflection detected by the SAIL is a new quantity to identify the target, which is significant in military application.

本项目针对合成孔径激光成像雷达在实际复杂地物反射场景下的应用需求，对合成孔径激光成像雷达目标时空偏振散斑产生机理、偏振散斑对成像的影响和基于斯托克斯分量的目标识别等方面进行深入研究，重点解决目标偏振散斑产生机理及表征和正侧视/直视两种工作模式下合成孔径激光雷达成像分辨率的影响及对比度的影响等关键科学问题，并开展验证性试验，推进合成孔径激光雷达的实际应用。首次在合成孔径激光成像雷达领域提出了偏振散斑的概念，采用斯托克斯分量对激光回波的偏振特性进行了分析，与传统微波合成孔径雷达采用琼斯矩阵的描述相比更加符合光频回波的特点。采用偏振光学和矢量光学叠加将偏振和散斑的产生机理进行了分析，并提出了有效的测量手段。首次提出采用合成孔径激光成像雷达测量目标的复反射特性，在保持其高分辨率优点的同时，增加了新的目标识别维度,在军事应用中有重要意义。

合成孔径激光成像雷达（Synthetic Aperture Imaging Ladar，简称SAIL）是目前能够在远距离获得厘米量级分辨率的最可行的光学成像手段。本项目根据计划书要求开展合成孔径激光成像雷达目标时空偏振散斑产生机理、偏振散斑对成像的影响和基于斯托克斯分量的目标识别等方面的深入研究，重点解决目标偏振散斑产生机理及表征和两种工作模式下合成孔径激光雷达成像分辨率的影响等关键科学问题，并开展验证性试验，推进合成孔径激光雷达的实际应用。根据标量衍射理论建立目标复反射引起的时空偏振散斑物理模型，模拟了时空偏振散斑场的分布图样，分析目标偏振散斑产生原因及其影响因素，并将目标复反射引入的偏振散斑用全斯托克斯矢量表示。详细分析了目标复反射引起的偏振散斑效应对合成孔径激光雷达成像分辨率的影响，推导了目标时空偏振散斑效应影响下侧视与直视合成孔径激光成像雷达回波数据方程，理论上得到侧视SAIL及直视SAIL分辨单元成像结果。实验上实现了不同种类目标回波光场消偏比与偏振度测量，设计了激光主动直接探测技术和相干探测技术对目标偏振复反射特性测量装置；提出了合成孔径激光成像雷达时空偏振散斑效应均化方案。项目总共发表SCI收录的学术论文5篇，EI收录的学术论文9篇，申请授权发明专利7项。项目同时协助培养了2名青年技术骨干，2名博士生及2名硕士生。