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合成孔径激光雷达关键技术和应用前景

主办单位: 中国科学院老科协
承办单位:中国科学院老科协电子所分会
举办时间:2018-06-29       【字号: 访问量:

目录

简介
主持人致辞
主旨报告
讨论与交流
主要专家简介:
  1. 宋家骏(主持人),中科院老科协电子所分会理事长,中科院电子所研究员,合成孔径雷达技术专家,曾任我国某卫星副总设计师
  2. 李道京(主旨报告),中科院电子所微波成像技术重点实验室研究员、博士生导师,主要研究方向为雷达系统和雷达信号处理。2010年对激光SAR开始了系统的研究工作。
  3. (以下按姓氏笔画顺序排列)
  4. 王伯懿,中科院力学所研究员、原副所长,中科院老科协力学所分会理事长,中科院老科协专家咨询团副团长
  5. 王庚辰,中科院大气物理所研究员,中科院老科协大气物理所分会副理事长,中科院老科协老专家咨询团副团长
  6. 冯  庆,中科院电子所人事处副处长
  7. 孙克忠,中科院地质地球所研究员,中科院老科协地质地球所分会副秘书长
  8. 孙殿义,中科院电子所党委书记,副所长
  9. 李乃煌,中科院遥感与数字地球所原副所长,中科院老科协副理事长,科技咨询委员会主任,中科院老科协遥感与数字地球所分会理事长
  10. 李前康,中科院电子所高级工程师,中科院老科协电子所分会副理事长,激光技术
  11. 李悌兴,中科院老科协电子所分会顾问,激光技术
  12. 杨汝良,中科院电子所研究员,原副所长
  13. 何远光,中科院老科协执行理事长兼秘书长,中科院原局长
  14. 张志林,中科院老科协顾问,中科院原局长
  15. 陈  伟,中科院电子所综合办公室主任
  16. 林世昌,中科院电子所研究员,中科院老科协电子所分会理事长,曾任中国电工学会理事、电子束离子束分会主任委员
  17. 单焕炎,中科院电子所研究员,中科院老科协电子所分会咨询组组长,激光技术
  18. 钮得禄,中科院电子所研究员,微波器件
  19. 洪延超,中科院老科协副理事长,中科院老科协老专家咨询团团长,中科院老科协大气物理所分会理事长
  20. 姚海琴,中科院电子所人事处处长
  21. 桂文庄,中科院老科协副理事长,中科院原高技术局局长,研究员
  22. 麻莉雯,中科院老科协办公室主任
  23. 屠乃琪,中科院国家天文台研究员,中科院老科协天文台分会秘书长
  24. 蔡安生,中科院电子所研究员,遥感技术
展开

【简介】

 

普通激光雷达成像系统和光学照相机一样,高分辨率远距离成像需要很大的光学孔径(因此需要很大的镜头)。但实际系统中,很多因素限制了系统光学孔径的增加。为解决这一问题,把(微波)合成孔径成像技术应用于激光雷达成像系统中,发展了合成孔径激光雷达(激光SAR)。由于光波波长远远小于微波波长,所以合成孔径激光雷达的分辨率可以远远高于微波合成孔径雷达。通常微波合成孔径雷达的最高分辨率约在分米量级,而合成孔径激光雷达的分辨率可以达到厘米到毫米量级,因此合成孔径激光雷达有很诱人的发展前景。本次沙龙就是介绍和讨论合成孔径激光雷达的关键技术和应用前景。

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【主持人致辞】

 

宋家骏:各位领导,各位专家,今天是院老科协电子所分会承办的第七次科学技术前沿学术沙龙。这次沙龙的主题是合成孔径激光雷达,关键技术和应用前景。请林世昌理事长讲话。

林世昌:非常感谢大家来参加沙龙活动!我们搞沙龙,己是第七次了,今天的沙龙还是比较有意思的,我们所的强项是微波,微波合成孔径雷达已有相当的水平,现在研究激光合成孔径雷达,是一个新的方向。今天请年轻的科学家给我们讲一讲,激光合成孔径雷达的关键技术和应用前景,希望大家关注,参加讨论。下面请李道京博士给我们做主旨报告。

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【主旨报告】

 

李道京:合成孔径激光雷达关键技术和应用前景

激光雷达成像系统和光学成像系统一样,高分辨率远距离成像需要很大的系统光学孔径,但实际系统中很多因素限制了系统光学孔径的增加,为此可考虑合成孔径成像。合成孔径成像包括雷达平台运动、目标静止成像和雷达平台静止、目标运动成像两种方式。两者的工作原理都是基于相对运动产生大的等效孔径获,从而获得高的横向分辨率,其基本条件是信号具备高的相干性,故合成孔径成像的概念在原理上适用微波、毫米波和激光信号。激光信号相干性的提高,使合成孔径激光雷达的技术实现成为可能,开展相关研究工作具有重要意义。下面的报告介绍了合成孔径激光雷达的研究进展和系统体制,阐述了其关键技术和可能的技术途径,展望了其应用前景并给出了可能的系统参数和指标。

一、研究进展

合成孔径激光雷达(Synthetic Aperture Ladar, SAL)是合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)技术在激光波段的一种应用形式,也可称为激光SAR。通过发射宽带激光信号获取纵向高分辨率,通过合成孔径技术获取横向高分辨率。由于SAL的波长较短,目标横向运动和自转形成非常小的角度(约千分之四度, 0.07mrad )就可以使SAL获得0.1m的横向分辨率图像,这使得SAL在原理上可以高数据率对远距离目标进行高分辨率成像观测。

激光信号相干性提高,已使SAL的技术实现成为可能。1990年,林肯实验室利用宽带激光雷达获得在轨卫星的第一幅距离-多普勒图像。2011年美国洛克希德·马丁公司基于相位编码信号完成了机载SAL演示样机的飞行实验,对距离1.6km的地面目标获得了幅宽1m,分辨率优于3.3cm的成像结果。2013年,美国国防部与Raytheon公司签订合同,宣布由其研制远距离成像激光雷达,用于对GEO轨道目标进行ISAL(Inverse Synthetic Aperture Ladar, ISAL)成像。2017年,中科院电子所和上光所分别报道了机载侧视SAL和直视SAL飞行成像试验,获得了地面高反射率合作目标的成像结果。2018年,美国报道了EAGLE计划中的GEO 轨道ISAL。

二、系统体制

目前合成孔径激光雷达的系统体制主要有全光学成像和基于数字信号处理的电子学成像两种。和基于数字信号处理的电子学成像技术相比,全光学成像处理具有速度快实时性好的特点,但其成像处理精度较低,对实际系统中存在的各种相位误差补偿能力较弱,现阶段SAL实现方案还是应以电子学方法为主。

SAL电子学实现方案的主要特征为其信号产生、接收和成像处理的流程与微波SAR接近,基于MZ产生宽带信号,同时考虑在微波频段实现信号的解调,并采用数字去斜接收技术简化系统光路。

基于电子学实现信号产生和成像处理的机载SAL实现方案框图如图1所示。

图1 基于电子学的机载SAL实现方案框图

三、关键技术

从目前的研究进展看,SAL走向实际应用仍需突破以下关键技术:

1、激光信号相干性保持

激光频率比微波频率高三个数量级以上,相对微波信号,激光信号的相干性从原理上就比较差。目前激光信号相干性的评价指标远不如微波信号完备,主要为线宽且其数值在kHZ量级,远大于微波信号的慢时频率分辨率,这严重制约了SAL对远距离目标的高分辨率成像能力。

在激光波段对远距离目标实现高分辨率合成孔径成像的核心是要解决好本振信号的相干性和大功率发射信号的相位误差校正问题。大功率激光发射信号的相位误差可通过设置参考通道进行定标校正,在此基础上,SAL能实现的最高横向分辨率决定于本振信号的相干性。

设置发射信号参考通道对其非线性失真相位实施定标校正,以及通过本振延时光纤实现信号相干性保持方法如图2所示。

图2 信号的相干性保持和相位误差校正方法框图

对本振信号进行延时处理,能够有效降低本振信号相干性差对SAL成像的影响,在此过程中,减少本振信号延时误差具有重要意义。若采用光纤对本振信号进行延时处理,延时距离受限于激光相干长度且难以时变,基于本振光纤延时的SAL信号相干性保持方法只适用于目标距离较近且合成孔径时间内目标距离变化量较小的情况。

在目标距离较远或合成孔径时间内目标距离变化量较大的情况下,可以考虑采用本振数字延时的方法保持SAL信号的相干性,其基本思路是设置本振参考通道,通过自外差的方式将本振信号频率不稳引入的相位误差记录下来,在数字域延时后对回波信号进行补偿。

2、振动相位误差估计与补偿

SAL的波长短至微米量级,雷达或目标微米量级的振动都会在SAL的回波信号中引入较大的振动相位误差,导致成像结果散焦。在激光波段,几乎任何目标表面都是粗糙的,难以存在孤立的强散射点,这使传统的自聚焦方法缺乏使用条件。

可在重叠视场条件下采用多通道顺轨干涉处理方法进行振动相位误差估计并实施补偿,其基本思路是通过多通道的干涉相位反演振动相位误差的梯度,再对梯度积分获得振动相位误差的估计结果。对于SAL,多通道既可以基于外视场多望远镜实现,也可以基于内视场多探测器实现,这主要取决于目标距离的远近和振动相位误差的幅度和频率。

一个基于内视场正交基线探测器干涉处理实现振动相位误差估计与补偿以及宽幅成像的机载SAL观测几何关系如图3所示。

图3 机载SAL发射和接收视场/运补和成像探测器观测几何关系

3、非成像衍射光学系统

与传统光学系统图像概念不同,SAL获取的图像在斜距-多普勒频率两维。需要宽的接收视场,但不要求具有高的空间角分辨率,具备采用一个或少量光电探测器实现激光雷达宽视场接收的使用条件,在原理上可用“非成像光学系统”。据此特点,SAL应可通过偏置探测器在“离焦”状态形成重叠视场,以进行振动相位误差估计,也应可通过“散焦”扩大瞬时观测范围。

SAL单色且波长较长的特点,使其特别适合采用衍射光学系统,通过衍射器件(如二元光学器件)实现信号波前控制,减小焦距并有利于系统的轻量化,在此过程中,SAR相控阵天线的模型可用于分析衍射光学系统的性能,SAR常用的信号处理方法可用于实现孔径渡越补偿和聚焦。

一个在压缩光路中馈源和主镜两处使用二元光学器件的机载SAL衍射光学系统如图4所示。

图4 机载SAL衍射光学系统示意图

四、应用前景

由于在高分辨率高数据率成像方面的优势,SAL/ISAL在以下两方面有良好的应用前景:

1、机载SAL对地成像

可能的机载SAL参数和指标如下:平均功率100W;接收望远镜口径约200mm;作用距离优于5km;成像分辨率约5cm;瞬时幅宽100-200m;扫描幅宽1km;工作模式为侧视条带/斜视DBS/视频成像;在0.3s即可获得尺寸在300m量级的5cm高分辨率图像 。

除使用顺轨干涉处理实现振动相位误差估计与补偿外,选用一个抗振性能优异的磁悬浮稳定平台,对机载SAL的技术实现也具有重要意义。

2、地基ISAL对GEO轨道空间目标成像观测

可能的GEO轨道空间目标成像观测地基ISAL参数和指标如下:平均功率100kW;接收望远镜口径约5-8m;作用距离优于36000km;成像分辨率约0.3m;成像时间在10s量级。

地基ISAL可使用基于二元光学器件的大口径衍射光学系统,对GEO目标成像的难点在于本振信号相干性保持、目标三维自转条件下的振动相位误差估计与高分辨率成像、以及大气时变相位误差校正。采用本振数字延时方法、长基线正交观测结构并引入自适应光学对地基ISAL的技术实现具有重要意义。

五、结束语

激光具有波粒二象性,SAL充分利用了激光的波特性。由于SAL使用相干探测体制,本振信号的存在使目标微弱小回波可实施光电转换为后续积累提供条件,其探测性能远优于目前的单光子探测器。与此同时,SAL可使用径衍射光学系统,并可全面引入SAR信号处理方法,其深入研究将极大地推动相干激光雷达技术的发展。

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【讨论与交流】

 

宋家骏:下面进行讨论,可以提问题,让李道京来解答,也可以谈自己看法。这个技术也算是个新技术。激光雷达跟光学照相它的区别在哪儿?光学照相,一个它是被动的,它是靠阳光照亮,我们才能拍照。而雷达是主动的,我发射光,接收回来的光,不需要外面的条件,所以它不受限制。再一个不同在于,光学照相的分辨率完全取决于镜头的口径,比如说分辨率0.1米,在飞机上很容易实现的,你要到几百公里上千公里的卫星上做几十米大的镜头,很难很难。再远更不用提了,完全取决于孔径。但是激光雷达的分辨率不是取决于孔径,是取决于接收能量。分辨率极限取决于波长,比如说微波30公分的波长,分辨率绝对不能小于30公分。光的波长是微米级的,所以分辨率很高。一个是特性的区别,人不会反射微波,雷达就看不到人,所以它看的东西是不一样的。微波雷达主要看军事目标,金属的东西很容易看到,像咱们一般环境的东西,地上写个字,微波雷达是看不见,但是光学能看到。光学能看到人,而且能看到你穿的什么衣服,性质不一样,各有各的用处。咱们大家讨论讨论,大家有什么新的见解。

李道京:我觉得隔行如隔山,工作中我确实能感觉到电子学和光学的差别,因为大家对望远镜的认识和对天线的认识还是有些不同,我感到若都用电磁波解释可能更合理,用几何光学解释不一定合理。望远镜有几个性质,焦距比一般比口径大两倍,但是用二元光学器件来做,焦距就可以短了。我们微波相阵天线现在没有焦距的概念,早先我们抛物面天线也有,需要长焦距是因为镜子在单位空间里产生的延时不能很大,大口径要引入一个大的相位(或延时),但现有材料产生不出来。但是你如果用衍射来解释,这个东西就很简单了。我在网上看到很多人对薄膜望远镜持不同意见,说美国这个不靠谱,但我觉得这是个方向。传统望远镜焦距长了以后,所需的相差就少了,容易做,如果焦距短,它要求单位空间里的产生相差很大,就不容易做了,材料决定着相差。讲到这儿就讲到基本的原理和方法,我们微波雷达强调波的特性,其天线我们一般用衍射来解释。光也是电磁波,光学系统的极限分辨率也是用衍射来解释,定义完全是一样的。从这个意义上来讲,光学和微波没有大的区别,数学上没有任何变化。

屠乃琪:李博士,在合成孔径激光雷达的研究方法上,上海光机所偏向光学波动性,电子所偏向电子量子性,发挥各所特长。电子所在接收回波信号处理方面更有优势,是不是?

李道京:我们都是利用激光的波特性。我解释一下,上海光机所做的工作比我们深入多了,他们一直在做,做的时间也长,我去学习过多次。他们SAL成像,对电子学方案考虑的少。咱们现在的照相机已没有太多光学部件,主要是一个望远镜(一个光学镜头),再加上探测器,探测器光电转换后就全是电子学的东西。我们所SAL成像是光电转换以后,用SAR信号处理的方法来做。早期SAR成像使用光学系统聚焦,这宋老师原来做过,合成孔径激光雷达的聚焦也可用光学系统来做,上光所在成像过程中使用的光学器件比较多,我们所成像处理主要在电子学做。我的观点是用电子学做,计算机实现数字成像更容易,容易实现误差补偿。工作原理都是一样的,就是实现方案不同。

王庚辰:首先谢谢李博士,我虽然没有太听懂,但是我感觉非常精彩,非常前沿。我是大气所的,我很关心这个在大气研究方面有没有什么应用前景。第二个问题是,因为你用的是激光,从大气角度讲是微波和激光的一个非常大的差别就是它们在大气当中的传输特征是完全不一样的,当你用激光雷达在大气当中应用,不管是空对地还是地对空,都会受到大气的干扰,大气的压力、温度等参数都会对激光本身的信号,它的光学特性,它的相位和成像质量等产生影响,甚至会造成波长的漂移等等一系列问题。所以我的问题是,当你们进行外差测量时,在混频的时候,是不是会遇到这样的技术问题?

李道京:第一个问题,我们激光SAR属于相干雷达,能用于测大气。可以测风,云穿透不了,所以只能测风场。第二个问题,关于大气的影响,肯定存在,咱们不能说不存在,但要研究在大气干扰情况下,我们怎么把这个干扰卸掉。针对这个问题,需要研究新的解决方法。在大气影响条件下相干体制激光雷达能不能用?我认为应该能用。例如相干激光通信。很多人认为相干激光通信没前途,因为有大气的影响,但我不这么看。我觉得从技术发展来说,相干体制的激光通信应会变成主流方向。量子通信卫星的成功,至少说相干激光信号的调制和解调已没问题。相干激光通信这个事,量子卫星做完后说明是可行的。即便激光通信受天气影响较大,用时需挑天好的时候,有云有雾不行,我认为这仍然是个重要的发展方向。又如我们的手机通信,现在主要是相干体制的,调相调频的非常多,调幅的基本没有。激光有它的不足,但是要看在什么条件下应用。空间应用就应该重点发展激光,至少大气影响小。我认为SAL代表了很重要的技术发展方向,走向应用还是有可能的。研究工作布局要有前瞻性。也许过两天,美国公布一张清晰的SAL图像,会使我们很多研究人员先发蒙,然后再跟风。现在我们的状态是,不是觉得这事有可能我们就付出努力,老是讲可行性,本质是缺乏创新精神。SAL我认为还是可行的,很值得继续前进。

洪延超:我不懂激光,但是我知道它的波长比微波还要短,微米量级的。如果能够用到大气探测当中当然非常好。利用激光雷达测云的高度,能见度,以前有过应用,但是以前的激光雷达和我们的合成孔径激光雷达还是不太一样。若这种雷达做成,能够远距离、高分辨率快速成像,用来观测空中运动物体,那就太有用处了,是否可以用来观测隐形飞机?

李道京:激光雷达可用于大气探测中的风场测量。测风激光雷达目前有相干和非相干两种体制,两个在同步发展,国内有很多产品。我认为如果能做相干的可能会好一些。刚才讲到灵敏度的问题,搞光学的人很少注意灵敏度,因为普通光学相机有太阳光被动照射,大家不注意能量带来的问题。激光雷达则不同,如果你灵敏度低了,很多信息你看不到,你的探测距离可能也比较近。所以我刚才讲,如果你改成相干的,你的探测灵敏度会高,探测距离可能会很远,这是一个很大的变化。尽管激光测风方法很多,但长远看,激光测风应该转到相干体制上来。早期的微波雷达相干性都很差,我们通过不断努力现在把相干性做上去了,一旦相干性做上去,系统的衍射性能就能得到保证。从原理上讲,SAL也有可能观测隐形飞机。

单焕炎:你在飞机上面,要开始拍摄照片了,我坐在实验室里打开计算机,你按下按钮开始拍摄照片,要多长时间我计算机上就能显示你拍摄到的图片?这是第一个问题。光学跟微波本身是一家,没有太大的区别。但是也不能说它们完全没有差别,微波有微波的特性,光学有光学的特性。你现在做的很好的工作就是把在微波上取得的经验,再跟光学的结合起来,创造我们自己的工作模式。这是你工作的一个创造,我觉得这是很好的一个工作。各自有各自的特点,而且各自发挥各自的作用。比如说CCD相机,它虽然是光学的,但是它现在的分辨率显然很容易做的很高,它可以是多光谱的,现在可以高光谱了,甚至还做到超光谱了。CCD相机可以做得很小,不需要源,它可以放在微小的卫星上发射出去,在那里收集情报。它在那里开始拍摄照片,你在计算机上马上就能显示,这个收到的时间是很短的。从这点来说,光学很容易做到高分辨率,甚至它可以有上千个波段,它切换很容易,很快。微波也有微波的特点,微波的特点是全天候,全天时,这是光学所没法做到的,光学没法做到全天候全天时,这是它的弱点,但是它不需要源,它可以做得很小。我觉得还得按照我们自己的思路,把这两个结合起来,把我们特色的雷达做出来,真的很有意义的。

李道京:第一个,关于延时的问题。用激光合成孔径成像延时时间很短,我们为什么把频率不断升高,从需求上讲有一个快速成像的需求。如成像制导,可能需要几赫兹的图像刷新率。我们现在的微波SAR有一个问题,成像时间很长,如十几秒,十几秒以后才能成一张高分辨率图。但是我们如果用激光的话,就变成零点几秒出一张高分辨率的图像。比如说0.5秒,就变成两赫兹图像刷新率,就可以考虑用于成像制导了,这就是我们为什么努力把频率升高的一个主要的应用需求。从合成孔径成像来说,你肯定飞过目标以后才能成像,微波SAR和SAL这个延时都会有的,只不过是时间长短不同,SAL的延时很小。

第二个问题,我们为什么做这个事?我们不是替代光学,从技术发展的角度来说,我们应该考虑激光成像,因为激光功率很大,它特别适合于远距离应用,而且能量照射区间很小,适于对重点区域和目标观测。我们为什么现在做这个工作,主要想利用它功率大、波束窄这个优点,即便不能全天候工作,下雨肯定不能用。但是你也得想,换一种应用条件,比如在没有大气影响的外层空间,它的应用机会就来了。再比如说,我们非常远的深空探测问题,空间目标观测问题,假设几何关系能定下来,我们用SAL成像的这个机会就有了,而且是主动成像。好多同志可能对主动成像和被动成像的区别不太好理解。实际上主动成像的抗干扰能力强一些,因为我可以过滤掉太阳光的背景。如果对地成像SAL能做,就有可能变成一个高数据率的SAR成像,微波做不到这个高数据率,而且得到的图像是主动的,这可能是比较大的变化。当然天气不好就不要用了,只能这样。我今天特别讲了天基的10米口径望远镜的实现问题(地基10米肯定能做),关键是要说明一个概念:可以用基于二元器件实现10米口径。这个概念对传统光学影响很大,而且它完全是用衍射来解释的。

孙克忠:我是地质地球所的,首先感谢李博士做激光雷达的报告。6月14号我们所搞了个沙龙,题目是空间环境跟人类的关系。在会上通过电子所林世昌老师的发言,我知道电子所是搞距地球30公里以下的部分,而我们研究所的空间是搞30公里以上的部分。这里边有一个问题,讲到太阳风,太阳不断地抛射高能的带电离子,有时候集中抛射,集中一大堆物质抛射出来了,不集中的时候也不断地抛射高能带电离子,就形成了太阳风。快到达地球的时候,被地球磁层挡住了,带电的高能离子就没有侵害到人类,但是有一部分通过折射进来了。这些东西影响到我们30公里以下人类的生活,比如说无线电通讯,导航等的正常运行,太阳风集中抛射的时候,我们可能进行一些修正,避免一些数据传输当中产生误差。激光雷达有没有考虑到这个问题?太阳风出来的时候,我们激光雷达可能还要正常工作,这个时候有没有影响?

李道京:肯定有影响,关键是它能不能进到雷达工作的频带。我们主动雷达的优点是有窄带系统,通过滤波,可以把跟我频率不一样的干扰卸掉了。如果你进来,对我们肯定有影响,就变成我的干扰,影响我系统的灵敏度。第二个,激光雷达也许能探测到太阳风,太阳风估计对激光雷达也是有影响的。激光雷达是是主动系统,它提取信息时针对性很强,光谱范围很窄。像我们现在波长1.5微米,其工作带宽仅在10 GHz以内,距离向成像分辨率都很高到厘米量级了,谱段是很窄一段,这是主动系统的优点。你说的干扰这个问题肯定有,但是从抗干扰的角度来说,激光雷达也应有对应的措施。如果我是窄带系统的话,我在信号处理里就可做滤波处理抑制干扰了。今天我给各位老师汇报的还是仅仅从简单的激光收发来讲的,实际系统设计中,比如说天基的激光SAR,可能要考虑把主动和被动做在一起,主被动结合后这个系统的应用价值就相当高了。SAL真正从技术实现到工程应用的话,我们还有相当长的路要走,参数指标变化可能也相当多,随着技术发展设计的系统功能会较多。

何远光:我问两个问题,第一个,既然激光雷达观测小目标比较有优点,能观测到厘米级,这么好的东西为什么近十年才出现?2011年美国开始做实验,我们是2017年。第二个问题,目前研究单位较多,我们目前总体水平在什么情况?

李道京:从2011年到现在已经7年了,SAL的研究进展不太理想,我觉得关键是我们可能对这个问题的难度认识不够。激光有几个问题,第一就是相干性。其实做激光SAR的研究很早就做了,在2011年拿到飞机上飞了,但是在这之前的十几年大家一直在实验室室内做,我们所也做了很多,关键问题我认为还是相干性不行,即远距离的相干性不行,制约了它的发展。我刚才也汇报了几个办法,但还需实际系统验证。在应用层面我个人认为,激光SAR目前跟焦平面成像激光雷达关系还没有说清楚。因为焦平面发展很快,成像能力已很强,激光SAR在近距离比如说几公里应用优势不明显。我感觉第一问题还是相干性,这是个大事。从这几家研究所工作看,是各有千秋,大家对共性问题还没有形成共识。今天我讲的技术问题已经很深入了,光学系统问题是一个焦点,这个问题可能互相还需要深入交流,后面还有很多磨合的工作。大家面对的问题都是清楚的,但是对解决问题的技术途径还有不同的看法。下面讲一下跟量子雷达的关系。我觉得做量子雷达的人可考虑跟我们的思路结合问题,因为雷达目标探测核心是能量问题,功率和口径都要大。要远距离探测隐身目标,也要把口径做上去才行。

关于后头的工作,有三个应用方向:第一个机载,到底有没有必要做,面临的是焦平面的竞争,但是我觉得很值得做。第二个,天基的,两个方向,对地和对空目标。第三个就是地基,地基我们还在积极推动。我觉得现在关键的问题就是我们对SAL光学系统要达成共识。SAL成像处理的过程主要用是电子学SAR流程,技术成熟。我个人认为,现在要做的研究工作也已经不多了,比如说激光信号的调制解调技术已较为成熟,也许激光通信很快就要全改成相干调制的了。说到最后就是应用问题,原理应该是有共识,怎么实现还有分歧。我讲的这些东西其实已有很多文章论述,这个事大家还是关注的不够。花这么大精力做这个的另一个原因就是为了反隐身,在激光波段上隐身飞机的能力失效了,由于大气影响使激光信号衰减较大,所以我一直讲应该把口径做上去,这个机会可能就来了。这是个人观点。

宋家骏:隐形飞机微波看不见它,但是人的眼睛可以看见,激光SAR用激光,所以也能看见。激光SRA就是一个成像遥感设备,对SAL大气是干扰,有人专门测大气的。

桂文庄:我对雷达不大懂,以前老上电子所来,听过多次介绍。今天讲的这件事其实是非常好的学科交叉问题。本来光就是电磁波,微波由于波段的不同就分岔了,各走各的。大家都知道做望远镜也是很难的,尤其是大口径望远镜,现在做的最大的口径做到20米,精度要求是几分之一的波长,这个难度是非常非常大的。但是越做越大,事情就很麻烦,几何光学到这个程度可能走到顶了。后来发展衍射光学,它可以做得很小,有很多应用,这方面成都光电所做得很好,他们有一个国家重点实验室。现在咱们把这些都结合起来了。原来是电子所搞电子的,光学所搞光学的,器件搞器件的,互不联系。现在我们把这几个方面学科研究的东西结合在一起,这对创新是非常非常重要的。我们眼界要开阔一点,你要看看别人怎么弄,学科交叉对学科的促进是很大的。今天我觉得很开眼界,李老师他们确确实实把光学和我们的电子学怎么交叉结合这件事情讲得很好。现在搞激光雷达出现了两条不同的路线,搞光学的是光学的思路,搞电子学的是电子学的思路,我觉得这也很正常。搞光学的有很多从光学出发的想法,他们用了一些衍射光学新的东西在里头;搞电子学的认为微波这一套东西很成熟了,把光学的东西吸收进去,把一些很重要的电子学器件和二元光学器件紧密结合,这是非常好的一种启发。我们新的创新确实需要学科交叉。

另外我也感觉到,在电子学方面,我们和国际上相比还是落后的。我们许多工作都是跟在人家后面做,说到底我们还是缺乏自己的原始创新。这个差距我们怎么缩小?过去我们老讲完成国家任务是最主要的,做出东西来能用是最重要的。但是这几十年发展过去了,我们的东西一定要有更好更新的创新,我们这些老头子没有办法了,年轻一代要更加努力。像刚才李老师讲到激光雷达现在发展到了瓶颈,两个最主要的问题,一个是相干性的问题,这个解决不好就成不好像。另外是振动的影响,激光波长短,振动影响大。刚才介绍了很多办法,但是要更好地解决这些问题需要有一些我们自己的创新在里头,要有新的思路在里头。

其实我也很关心最近的一些事,尤其是量子雷达的事情。激光雷达在网上没有什么宣传,但是量子雷达宣传的特别厉害。而且让外人一看是很成熟了,感觉隐身飞机都可以看见了。我反对这种过分夸大的宣传,把我们说得了不得了,这种风气要不得。我们科学院的传统就是踏踏实实的,少说多做。刚才李老师有个观点,说我光学雷达和量子雷达相比,可能在探测能力上还会更强,我觉得这件事情是非常重要的。我原来认为量子雷达的优势是对微弱信号的探测,我的理解可能是错了,刚才听李老师说,最后它要接收清楚还得靠口径大一点,还得靠能量多一点。对于判断光学雷达和量子雷达相比会不会有更高的探测能力,是不是还得再下点功夫,从理论上、实验上进一步去阐明它,把它搞清楚。这个事情其实是蛮重要的,值得深入地去探讨。

为了说服人们对我们工作的支持,我觉得还是要加大宣传。不仅要宣传我们技术成熟到什么程度,还要从应用的角度上去说服他们,我们的技术到底有什么优势,我们在应用上能够解决什么人家解决不了的问题,或者能解决得更好。过去我们电子所工作做得很扎实,但是宣传得不够,以后得注意宣传工作。另外我觉得今天这个报告非常好,技术性非常强,但是像我这样的外行就听得不是太懂。其实还可以讲得更通俗一点,从它的应用前景上还可以多讲一些,我们这些老同志很感兴趣将来的应用。我有点事要先退席了,谢谢各位。

王庚辰:这不是一般激光雷达,合成孔径激光雷达对快速发现目标非常有优势,不是探测大气,SAL有没有尝试放在其他的更有效的波段?

李道京:我们所主要是用1.55微米,我们选这个波长主要是因为激光通讯在1.55微米波段的成熟器件比较多。关于波长选择,只要激光器体积小,重量轻,效率高就可以了。

洪延超:应用前景是大家很关心的问题,原理性的东西我们也听不懂。这个雷达和以前用的激光雷达没有本质上的差别,比如说对隐形飞机,地基激光雷达能够根据图像的形状来判断是不是隐形飞机,有没有这种可能性?就像我们研究一个项目一样,总要有一个目标,实现这些目标的难点在什么地方,需要解决什么问题,还是比较清楚的,这些问题解决以后,就能实现应用目标。

李道京:今天我们讨论合成孔径激光雷达,主要就讲这件事的需求,它的优势在哪儿,SAL优势就是能远距离高分辨率成像。相当于可以做一个等效口径很大的望远镜,这个望远镜的等效口径可能是100米,现在30米的正在造,但是要做到100米不容易。

洪延超:地基还是可以做的,如天眼那么大,都做出来了。

李道京:对地基ISAL现在要把孔径做大,我们用合成孔径的办法,望远镜的真实口径就不要再做那么大了,一个小孔径的如6米的就够了。如果说想把发射功率搞小一点,就做个10米。我们合成孔径激光雷达的优点就是远距离高分辨率成像。关于观测目标和对象,现在我是按照SAR的应用方向表述的:第一,机载的;第二,星载的;第三就是地基的看运动目标的。今天我给大家也都报告了。从应用能力上看,激光雷达可能具备一定的反隐身目标能力,那你为什么要用激光SAR去看呢?就是为了获取它的影像。假设是5厘米分辨率的影像,那几何特征就很明显,目标识别就容易,可以实现远距离高分辨率成像观测,这是SAL原理上的优势。

洪延超:需要解决什么问题很清楚,这已经是很大的进步了。

宋家骏:目标运动对合成孔径成像是有利的,SAL应可对运动飞机成像。

李道京:其实这些工作国内外都在做,国外肯定做的更多,这些工作很有意义,这研究方向肯定没问题。

屠乃琪:合成孔径激光雷达有广阔前景,运动目标快速实时成像,哪个国家先实现了,哪个国家就技术领先。

李道京:尽管我们电子学和光学对SAL的认识上还有一些区别,对合成孔径成像的理解深度也不太一样,但这些工作慢慢地会沟通好的。目前要特别重视在基本原理方面的沟通工作,包括对薄膜望远镜的再认识。

李乃煌:我是遥感所的,这个是不是可以称为激光遥感?

李道京:是。

李乃煌:我们所还有人在做量子遥感,你是否知道?

李道京:我们去年在长春开激光的会,当时会议就有报告讲到量子探测,后来就说到目前量子探测的定义还不是很严格。大会有专家说量子探测时正常应该仅发射几个光子,在这个条件下讨论接收这几个光子的探测能力,才能称之为量子雷达,对此当时我确实有些诧异。什么是量子,实际上就是用这个界定,研究量子,实际上是要求你仅发射几个光子。但是现在事实上是什么,很多人都是连续的在发射激光,然后在那儿研究单光子探测性能。今天我给大家汇报的SAL,这个工作本质上仍然是停留在能量探测上,探测要有足够的能量。第二,SAL探测能力将会比单光子的探测能力高两到三个数量级,这是从理论分析上来说肯定比它高。这个道理很简单,因为本振的存在使小信号的光电转换成为可能了。从频域滤波来讲,SAL有本振,就变成外差探测了,就可以实施窄带滤波,这在信号理论上也是通的。量子探测应围绕几个光子做工作,SAL是连续的发射激光,两者的区别很大。我们在SAL介绍中,主要使用微波SAR的术语表述,并明确SAL利用激光的波特性。

宋家骏:咱们成像利用的是光波,而不是量子。量子通信用的是纠缠,两个量子是有纠缠,发两个,那个变了这个就知道了,跟我们成像完全不是一个概念。

李道京:若按照大部分专家观点,研究量子雷达,你只能发几个光子,然后再研究它的传播问题、它的和目标相互作用问题、它的接收问题和它的探测问题。

单焕炎:我简单举个例子,什么叫量子通信,假如说我拿三个硬币,每一个硬币代表一个光子。我拿两个硬币在我的实验室里制备纠缠,什么叫纠缠,比如说我这个硬币扔上去掉在桌子上,捂住,硬币是正面冲上还是反面冲上,不知道,打开看才知道。假如说两个硬币同时扔上去,掉在桌面上分别捂住,两个硬币正面冲上还是反面冲上,不知道,而且彼此无关,这是相互独立的。什么叫纠缠,我两个硬币扔上去,捂住,这个是正面冲上还是负面冲上,不知道,只有打开才知道。如果我打开其中一个是正面冲上,我断定另一个硬币肯定是负面冲上,这就叫做纠缠。这个纠缠怎么做,就是在实验室里做,我在实验室里要制备两个光子纠缠,纠缠了之后,我把其中一个光子留在我这儿,把另一个光子发射到卫星上去,然后我再拿第三个携带着信息的光子跟我实验室的这个光子进行组合测量,测量之后,把这个测量的数据再发射到卫星上去,在卫星上把它接收的测量数据再跟前面接收到的光子进行组合测量,在卫星上的那个光子最后就坍塌成为我所携带信号的这个光子的状态,把信号就带到卫星上去了。所谓量子通讯,我携带信号的光子没有发射到卫星上去,通过纠缠光子的组合测量,使卫星上的光子塌缩成为实验室的携带信息的光子的状态。

杨汝良:今天,听了李道京研究员的报告,学到了很多激光合成孔径雷达技术发展的新动态,包括激光合成孔径雷达的相干性、激光相控阵天线、激光SAR分辨率、运动补偿、经典光学与衍射光学在激光合成孔径雷达的应用、机载、星载、地基激光合成孔径雷达应用前景等。激光合成孔径雷达技术取得的这些新进展,值得祝贺。 电子所发展合成孔径雷达技术已经40多年。频段上,完成了L、S、C、X、KU、KA等各种频段的合成孔径雷达,分辨率从10m到5m、1m、0.5m、0.3m、0.1m。完成了机载、无人机载、星载合成孔径雷达系统研制,正在进一步发展高分辨率、 极化、干涉、双星、双天线、高分辨率宽测绘带、运动目标检测等合成孔径雷达新技术。电子所从微波合成孔径雷达向光学合成孔径雷达发展,有三条路径:激光合成孔径雷达、太赫兹合成孔径雷达、微波光子合成孔径雷达。从微波向光学发展,频段是从低频向高频发展。光学向微波发展,是从频率高端向低端发展。这种碰撞将会产生新概念和新理论。经典光学、衍射光学的应用,将会产生新的成果。中科院空天信息研究院成立,电子所、光电院、遥感所涉及激光的研究队伍将进一步整合,希望在机载、星载、地基激光合成孔径雷达技术研究中,凝练目标,优选有显示度的题目,不断创新,做出新的贡献。

杨汝良:激光合成孔径雷达图像质量指标体系与微波合成孔径雷达图像质量指标体系有没有新的区别?

李道京:其实人家光学影像的评价跟我们SAR有些不太一样,SAL出来的图就是和光学影像接近的,因为波长一样。SAL的图像评估方法应结合SAR的和光学影像的,我认为最后两者评价方法是能趋同的。光学也有图像信噪比指标,其定义是图像中亮度较高区域的灰度均方差和均值之比,这和SAR图像的信噪比定义不同。

林世昌:今天的沙龙就到这里,谢谢大家。

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