龔文林,陳明亮,韓申生?

(1蘇州大學(xué)光電科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 蘇州 215006;2中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 201800)

0 引言

激光成像雷達(dá)是一種將調(diào)控的激光場輻照于待測目標(biāo),通過對目標(biāo)回波信號進(jìn)行探測和數(shù)據(jù)處理而獲取目標(biāo)圖像信息的主動成像技術(shù)[1]。由于該技術(shù)具備成像分辨率高、測距測速精度高、抗干擾能力強(qiáng)、全天時(shí)工作等優(yōu)勢,已在測繪、氣象監(jiān)測、考古、機(jī)器人自動導(dǎo)航、目標(biāo)識別等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。然而,現(xiàn)有的激光成像雷達(dá)技術(shù)均建立在麥克斯韋經(jīng)典電磁場理論和香農(nóng)經(jīng)典信息論基礎(chǔ)上,通過直接測量目標(biāo)反射信號的強(qiáng)度而獲取目標(biāo)信息,在圖像信息獲取方面受成像機(jī)理、單元器件以及環(huán)境適應(yīng)性等諸多限制,導(dǎo)致探測距離、空間分辨率、實(shí)時(shí)性和測距精度相互制約,在遠(yuǎn)距離、高速、高分辨激光三維成像應(yīng)用方面仍然存在諸多問題。比如:在遠(yuǎn)距離探測與識別方面,隱身目標(biāo)和超高速飛行目標(biāo)的探測與識別、水下目標(biāo)成像一直是個(gè)難題;對于星載對地高分辨三維成像而言,受激光器功耗和體積限制,目前僅能實(shí)現(xiàn)低幀頻單點(diǎn)測高,點(diǎn)云密度較低、激光足印較大,導(dǎo)致衛(wèi)星工作效率和空間分辨率均極低,難以滿足遙感應(yīng)用需求;對于空間碎片測量而言,只能在電視跟蹤的輔助手段下實(shí)現(xiàn)較大碎片的測距,無法做到激光主動三維成像。因此,迫切需要探索并發(fā)展建立在現(xiàn)代物理學(xué)和信息論基礎(chǔ)之上的新型激光成像雷達(dá)體制。

與傳統(tǒng)激光成像雷達(dá)技術(shù)不同,激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)屬于一種全新的凝視成像體制,它是建立在輻射場的高階相干性理論基礎(chǔ)之上,通過調(diào)控光場漲落、單像素探測器接收目標(biāo)回波信號并結(jié)合計(jì)算重構(gòu)方法獲取目標(biāo)的圖像信息[3?6]。該技術(shù)的物理原理源自于1995年的糾纏光源關(guān)聯(lián)成像[7]。后來,人們發(fā)現(xiàn)利用經(jīng)典熱光場也能實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)成像[8,9],為關(guān)聯(lián)成像往工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化提供了一種有效的途徑,已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了從X光到微波波段、空域到時(shí)域的關(guān)聯(lián)成像原理驗(yàn)證[10?19]。尤其在激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)方面,開展了較為深入的理論分析、技術(shù)攻關(guān)和演示實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該技術(shù)具備高的圖像獲取效率、超分辨成像和較強(qiáng)的抗煙霧干擾能力[20?26],在遠(yuǎn)距離、高分辨、高速運(yùn)動目標(biāo)探測與識別等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。

借鑒傳統(tǒng)激光雷達(dá)技術(shù),激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)主要分為兩種工作方式:(1)窄脈沖激光照明、直接測量目標(biāo)回波強(qiáng)度信息[10?12];(2)基于時(shí)間調(diào)制的長脈沖激光照明、外差探測方式測量目標(biāo)回波信息[27,28]。目前大多數(shù)研究集中在第一種工作方式,已經(jīng)建立了較為完善的理論體系,完成了公里級車載/機(jī)載激光三維關(guān)聯(lián)成像、公里級多個(gè)動目標(biāo)關(guān)聯(lián)成像和百公里級單光子探測靈敏度的激光三維關(guān)聯(lián)成像演示實(shí)驗(yàn)[29?31]。而長脈沖外差探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)研究目前處于初步階段,其優(yōu)勢主要在于隱秘性好、抗背景光干擾能力強(qiáng)以及可獲取的目標(biāo)信息維度更高,已經(jīng)有一些相關(guān)的理論分析、數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作[27,28,32?35]。

本文介紹了窄脈沖直接探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)和長脈沖外差探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)的原理方案、技術(shù)特點(diǎn)和近期主要研究進(jìn)展。進(jìn)而圍繞遠(yuǎn)距離、高分辨、高速運(yùn)動目標(biāo)探測與識別應(yīng)用,對激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)亟需解決的科學(xué)與技術(shù)問題、發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討和展望。

1 窄脈沖直接探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)

1.1原理方案

窄脈沖直接探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)原理方案結(jié)構(gòu)如圖1所示[10,11]。整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)分為發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩大部分,發(fā)射系統(tǒng)在贗熱光源面處產(chǎn)生一個(gè)脈沖式的隨機(jī)散斑場,經(jīng)分光片(BS)后分成兩束,其中反射光束通過參考鏡將贗熱光源面處的散斑場成像于面陣探測器(CCD)上,由該CCD記錄散斑場的空間強(qiáng)度分布;透射光束通過發(fā)射鏡將贗熱光源面處的散斑場成像于待測目標(biāo)上。接收系統(tǒng)中的接收鏡將目標(biāo)反射的光信號匯聚于單像元的光電倍增管(PMT)上,通過高速采集卡采集PMT探測到的一序列電壓信號。結(jié)合高速采集卡記錄的電壓信號與CCD所記錄的空間強(qiáng)度分布進(jìn)行關(guān)聯(lián)圖像重建,在凝視探測的條件下便可以獲取待測目標(biāo)的表面三維強(qiáng)度分布圖像。

圖1 窄脈沖直接探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)原理方案結(jié)構(gòu)圖[11]Fig.1 Principle schematic diagram of narrow pulsed ghost imaging lidar via direct detection[11]

1.2近期主要研究進(jìn)展

1.2.1 靜止目標(biāo)激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)研究進(jìn)展

激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)的原理方案起源于中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所2009年提出的無透鏡遠(yuǎn)場關(guān)聯(lián)成像[36]。2012年,該單位研制出一套窄脈沖直接探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)原理樣機(jī),初步驗(yàn)證了激光關(guān)聯(lián)成像具備超分辨成像能力并在一定程度上改善了大氣湍流對成像質(zhì)量的影響[10],如圖2所示。圖2(d)為激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)有效通光口徑為18 mm、接收系統(tǒng)有效通光口徑為420 mm時(shí)的成像結(jié)果,而圖2(e)為激光主動照明、接收系統(tǒng)有效通光口徑為420 mm時(shí)的成像結(jié)果,可以看出激光關(guān)聯(lián)成像可在一定程度上改善大氣湍流引起的像質(zhì)退化問題。圖2(g)和圖2(h)為探測距離900 m、發(fā)射系統(tǒng)有效通光口徑為18 mm時(shí),對圖2(f)所示的分辨率板目標(biāo)進(jìn)行激光關(guān)聯(lián)成像的結(jié)果,實(shí)現(xiàn)了超光學(xué)系統(tǒng)衍射極限1.6倍左右的超分辨成像。為了進(jìn)一步驗(yàn)證大氣散射對激光關(guān)聯(lián)成像質(zhì)量的影響,2013年中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所率先公開報(bào)道了探測距離為2 km、不同氣象條件下傳統(tǒng)成像與激光關(guān)聯(lián)成像的對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果,演示了激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)具備全天時(shí)、一定程度上穿透雨霧的成像能力[25],如圖3所示;而美國陸軍實(shí)驗(yàn)室于2014年也報(bào)道了類似的結(jié)果[37]。2015年,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所又開展了探測距離21.7 km、中霧條件下的跨海激光關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn),獲得了空間分辨率優(yōu)于0.5 m的成像結(jié)果。

圖2 探測距離900 m下的激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)超分辨成像和改善大氣湍流對成像質(zhì)量影響的室外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[10]Fig.2 Outdoor experimental demonstration of super-resolution imaging and improvement of imaging quality in atmospheric turbulence for ghost imaging lidar at 900 m range[10]

圖3 探測距離2 km、不同氣象條件下的激光關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)成像目標(biāo)參數(shù);(b)第一行至第五行依次為晴朗、多云、小雨、中霧和夜晚?xiàng)l件下的傳統(tǒng)成像(CI)和關(guān)聯(lián)成像(GI)結(jié)果[25]Fig.3 Experimental results of ghost imaging lidar in different weather conditions at 2 km range.(a)Parameters of imaging target;(b)Results of conventional imaging(CI)and ghost imaging(GI)in the weather condition of clear,cloudy,light rain,moderately foggy and night[25]

同時(shí),為了探索激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)技術(shù)在高分辨對地三維觀測上的應(yīng)用,在國家863計(jì)劃地球觀測與導(dǎo)航領(lǐng)域主題項(xiàng)目“強(qiáng)度關(guān)聯(lián)遙感成像技術(shù)研究(一期)”的支持下,2013年中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制出國際首臺可見光波段激光三維關(guān)聯(lián)成像原理樣機(jī),演示了探測波長為532 nm、探測距離為2 km、空間分辨率為0.1 m、測距分辨率為0.25 m的三維成像[11,38],如圖4所示。圖4(a)為激光三維關(guān)聯(lián)成像原理樣機(jī)實(shí)物圖,圖4(b)為對嘉定電力局屋頂進(jìn)行三維成像的結(jié)果。2015年,該單位又研制出遠(yuǎn)距離近紅外激光三維關(guān)聯(lián)成像工程樣機(jī),實(shí)現(xiàn)了探測距離為95.5 km的強(qiáng)散射點(diǎn)目標(biāo)激光三維關(guān)聯(lián)成像,并與激光主動照明焦平面成像雷達(dá)進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了激光關(guān)聯(lián)成像所具備的高探測靈敏度和改善大氣環(huán)境對成像質(zhì)量影響的能力。

圖4 激光三維關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。(a)532 nm激光三維關(guān)聯(lián)成像原理樣機(jī)實(shí)物圖;(b)對嘉定電力局屋頂進(jìn)行三維成像的結(jié)果[11]Fig.4 Experimental demonstration of three-dimensional ghost imaging.(a)Picture of 532 nm three-dimensional ghost imaging system;(b)Three-dimensional imaging result of the roof of Jiading Electricity Bureau[11]

為了研究單光子靈敏度下的激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)性能,上海交通大學(xué)和中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所開展了基于光子計(jì)數(shù)和首達(dá)光子的激光關(guān)聯(lián)成像理論和實(shí)驗(yàn)研究[31,39?41]。2015年,上海交通大學(xué)開展了基于時(shí)間關(guān)聯(lián)光子計(jì)數(shù)的激光關(guān)聯(lián)成像室內(nèi)原理驗(yàn)證,在回波光子數(shù)概率約為2.0%時(shí)仍可以獲得較好的成像結(jié)果[39]。2016年,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所提出了基于多路并行探測和基于時(shí)分復(fù)用的光子計(jì)數(shù)方案,通過對已有的532 nm激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行改造,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了探測距離為2.0 km、空間分辨率優(yōu)于10 cm的光子計(jì)數(shù)關(guān)聯(lián)成像[40]。2018年,上海交通大學(xué)和國防科技大學(xué)將首達(dá)光子成像方法引入激光關(guān)聯(lián)成像,開展了相關(guān)的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,演示了0.1光子/像素的首達(dá)光子激光關(guān)聯(lián)成像[41];在此基礎(chǔ)上,2020年研制出基于首達(dá)光子的遠(yuǎn)距離單像素激光成像雷達(dá)系統(tǒng),并在青海湖開展了外場實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了探測距離為100 km、0.01光子/像素的首達(dá)光子三維成像[31],如圖5所示。

圖5 探測距離為100 km首達(dá)光子單像素激光成像雷達(dá)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。(a)實(shí)驗(yàn)場景圖;(b)成像結(jié)果[31]Fig.5 Experimental demonstration of first-photon single-pixel imaging lidar at 100 km range.(a)Picture of experimental scene;(b)Imaging result[31]

1.2.2 相對運(yùn)動目標(biāo)激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)研究進(jìn)展

2011年,上海交通大學(xué)開展了運(yùn)動目標(biāo)激光關(guān)聯(lián)成像研究,分析了目標(biāo)橫向運(yùn)動對關(guān)聯(lián)成像質(zhì)量的影響[42]。2012年,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所提出了基于參考臂探測器記錄的散斑場強(qiáng)度分布平移補(bǔ)償進(jìn)而消除橫向運(yùn)動模糊的動目標(biāo)成像方案[43]?；谏鲜鏊枷?中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、國防科技大學(xué)和深圳大學(xué)等單位開展了軸向運(yùn)動模糊消除、運(yùn)動軌跡反演、運(yùn)動估計(jì)和基于追跡的漸進(jìn)關(guān)聯(lián)成像等理論和實(shí)驗(yàn)研究[44?47],為高速運(yùn)動目標(biāo)激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研制提供了技術(shù)指導(dǎo)。

在國家863計(jì)劃地球觀測與導(dǎo)航領(lǐng)域主題項(xiàng)目“強(qiáng)度關(guān)聯(lián)遙感成像技術(shù)研究(二期)”支持下,2016年中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研制出一套機(jī)載近紅外激光三維關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)試驗(yàn)樣機(jī),該樣機(jī)具備一定角度范圍內(nèi)的目標(biāo)搜索、高精度跟蹤和高分辨成像能力[29],如圖6所示。在完成了車載演示實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[30],2016年12月在西安閻良機(jī)場開展了基于運(yùn)-12平臺的機(jī)載對地激光三維關(guān)聯(lián)成像演示實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了探測距離1.04 km條件下橫向分辨率優(yōu)于0.48 m、高程分辨率優(yōu)于0.5 m的成像驗(yàn)證[29],其結(jié)果如圖7所示。圖7(a)為測試靶標(biāo),三線靶標(biāo)條紋間的中心距離為0.48 m、兩組靶標(biāo)的高程差為0.5 m;由于采樣過程中雷達(dá)系統(tǒng)與測試靶標(biāo)之間的距離一直在變化,若不對目標(biāo)回波信號進(jìn)行校正,則會導(dǎo)致關(guān)聯(lián)成像重構(gòu)結(jié)果失效[圖7(b)],而對目標(biāo)回波信號校正后的關(guān)聯(lián)成像重建結(jié)果如圖7(c)。2018年,通過對機(jī)載激光三維關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行改造,該單位和國防科技大學(xué)一起又演示了對三架大疆無人機(jī)進(jìn)行的測距、測軌和三維關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)(如圖8所示),初步驗(yàn)證了激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)在低小慢目標(biāo)探測領(lǐng)域的重要應(yīng)用。

圖6 機(jī)載近紅外激光三維關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)試驗(yàn)樣機(jī)[29]Fig.6 The experimental prototype of airborne near infrared three-dimensional ghost imaging lidar[29]

圖7 探測距離1.04 km機(jī)載對地激光三維關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果。(a)測試靶標(biāo);(b)回波信號未校正時(shí)的重建結(jié)果;(c)回波信號校正后的重建結(jié)果[29]Fig.7 Experimental demonstration result of airborne three-dimensional ghost imaging lidar at 1.04 km range.(a)Testing target;(b)Reconstruction result without signal correction;(c)Reconstruction result with signal correction[29]

圖8 激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)系統(tǒng)對編隊(duì)無人機(jī)進(jìn)行探測與成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。(a)三架無人機(jī)的飛行軌跡測試結(jié)果;(b)三架無人機(jī)的距離時(shí)變圖;(c)某一時(shí)刻的關(guān)聯(lián)成像結(jié)果Fig.8 Experimental demonstration of detection and imaging for three UAVs based on ghost imaging lidar system.(a)Testing result of flight trajectory of three UAVs;(b)Diagram of distance-time;(c)Ghost imaging result at a certain time

2 長脈沖外差探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)

窄脈沖直接探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)通過時(shí)域測量的方式獲取目標(biāo)距離信息,而長脈沖外差探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)的距離信息是通過時(shí)域調(diào)制信息與目標(biāo)回波信號的相關(guān)測量而獲得的。根據(jù)外差探測方式的不同,長脈沖外差探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)主要分為兩種工作方式:(1)長脈沖電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá),采用目標(biāo)回波電信號與時(shí)域調(diào)制電信號進(jìn)行相關(guān)測量[27];(2)長脈沖光外差探測(通常也稱“相干探測”)激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá),采用目標(biāo)回波光場與本征光場的平衡探測方式提取目標(biāo)信息[28]。相比于第一種工作方式,長脈沖光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)具備更高維的信息獲取能力和更強(qiáng)的抗背景光干擾能力,具有更好的應(yīng)用前景。

2.1原理方案

2.2近期主要研究進(jìn)展

2.2.1 電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)研究進(jìn)展

類似于窄脈沖直接探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá),我國在長脈沖外差探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)方面也率先開展了相關(guān)研究工作。2013年,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所在國家863計(jì)劃項(xiàng)目“激光三維強(qiáng)度關(guān)聯(lián)成像技術(shù)研究”的支持下率先開展了外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)研究。2015年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)開展了電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像的初步理論分析和數(shù)值模擬研究,數(shù)值模擬驗(yàn)證了高分辨三維成像的可行性[27],如圖10所示。圖10(a)為電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像原理方案,圖10(b)為測試靶標(biāo)(處于不同探測距離上的“HIT”三個(gè)字母),圖10(c)為關(guān)聯(lián)成像結(jié)果。2017年,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所理論分析了背景光對窄脈沖直接探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)、電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)和光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)成像質(zhì)量的影響,其數(shù)值模擬結(jié)果如圖11所示[32]。圖11(a)的結(jié)果表明窄脈沖直接探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)要求輻照信噪比(信號光與背景光強(qiáng)度比值)大于10 dB才能獲得較好的成像結(jié)果,而圖11(b)和圖11(c)所示的電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)和光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)在輻照信噪比分別為?20 dB和?30 dB條件下所獲得的成像結(jié)果與窄脈沖直接探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)在輻照信噪比為10 dB條件下的成像質(zhì)量相當(dāng),從而驗(yàn)證了光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)具備較強(qiáng)的抗背景光干擾和隱秘探測能力。緊接著該單位又開展了光源調(diào)制性能(如起始調(diào)制深度、調(diào)制深度衰減系數(shù)、頻率變化率)和探測器帶寬等參數(shù)對電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像質(zhì)量影響的理論和數(shù)值模擬仿真分析[33],并搭建了一套原理驗(yàn)證綜合實(shí)驗(yàn)平臺,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論和數(shù)值模擬結(jié)果的正確性,在輻照信噪比為?30 dB的條件下仍然獲得了較好的成像結(jié)果[34],如圖12所示。圖12(a)為所搭建的電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像綜合實(shí)驗(yàn)平臺光學(xué)結(jié)構(gòu)圖,圖12(b)為不同輻照信噪比的關(guān)聯(lián)成像結(jié)果。

圖10 電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像數(shù)值模擬驗(yàn)證。(a)電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像原理方案;(b)測試目標(biāo);(c)三維關(guān)聯(lián)成像結(jié)果[27]Fig.10 Simulation demonstration of heterodyne ghost imaging.(a)The principle scheme of heterodyne ghost imaging;(b)Testing target;(c)Three-dimensional ghost imaging result[27]

圖11 輻照信噪比對不同探測模式激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)性能影響數(shù)值模擬結(jié)果。(a)窄脈沖直接探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)成像結(jié)果;(b)電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)成像結(jié)果;(c)光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)成像結(jié)果[32]Fig.11 Simulation results of the influence of irradiation signal-to-noise ratio on ghost imaging lidar with different detection modes.(a)Result of narrow pulsed ghost imaging lidar;(b)Result of heterodyne ghost imaging lidar;(c)Result of pulse-compression ghost imaging lidar[32]

圖12 不同輻照信噪比下的電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。(a)電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像綜合實(shí)驗(yàn)平臺光學(xué)結(jié)構(gòu)圖;(b)不同輻照信噪比下的關(guān)聯(lián)成像結(jié)果[34]Fig.12 Experimental demonstration of heterodyne ghost imaging lidar in different irradiation SNR.(a)Optical schematic diagram of heterodyne ghost imaging lidar experimental platform;(b)Ghost imaging result in different irradiation SNR[34]

2.2.2光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)研究進(jìn)展

2016年,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所將脈沖壓縮技術(shù)、相干探測方法和激光關(guān)聯(lián)成像結(jié)合起來,率先公開報(bào)道了光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)方案,從理論上分析了光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像和解決多目標(biāo)探測距離-速度耦合問題的可行性,并且通過數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證[28]。圖13為不同點(diǎn)探測器數(shù)目下的光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像數(shù)值模擬結(jié)果。待測目標(biāo)由軸向距離分別為199.9、200、200.3 m且空間上不遮擋的三組雙縫組成,光源時(shí)間上采用啁啾調(diào)幅方式,調(diào)制帶寬為1 G。圖13(a)為采用單個(gè)點(diǎn)探測器下的目標(biāo)回波信號和差分關(guān)聯(lián)成像重建結(jié)果,圖13(b)和圖13(c)分別為采用10和100個(gè)點(diǎn)探測器時(shí)所對應(yīng)的目標(biāo)回波信號和關(guān)聯(lián)成像結(jié)果?？梢钥闯?由于系統(tǒng)距離分辨率為0.15 m,則目標(biāo)1和2在強(qiáng)度譜上不可區(qū)分(對應(yīng)P1),而目標(biāo)3和目標(biāo)1、2在強(qiáng)度譜上可分離(對應(yīng)P2);同時(shí)隨著點(diǎn)探測器數(shù)目的增加,關(guān)聯(lián)成像質(zhì)量將會得到提升。

圖13 不同點(diǎn)探測器數(shù)目下的光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)數(shù)值模擬結(jié)果[28]Fig.13 Simulation results of pulse-compression ghost imaging lidar in different number of single-pixel detectors[28]

基于圖9的原理裝置,中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所搭建了如圖14(a)所示的探測波長為1.55μm、調(diào)制時(shí)長為500μs、接收單模光纖芯徑為10μm下的光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)裝置,給出了接收信號光功率依次為5～1900 pW下的激光關(guān)聯(lián)成像結(jié)果[35],如圖14(b)所示?？梢钥闯?在接收信號光功率為5 pW[圖14(b)(1)]時(shí),仍可以較好地重構(gòu)出目標(biāo)圖像。此外,將待測目標(biāo)固定于喇叭上,通過喇叭的振動傳導(dǎo)到待測目標(biāo)上而模擬目標(biāo)的微振動情形,基于圖14(a)的光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)平臺,開展了微振動目標(biāo)激光關(guān)聯(lián)成像初步實(shí)驗(yàn)研究,如圖15所示,驗(yàn)證了光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)具有可同時(shí)獲取目標(biāo)圖像和微振動信息的能力[48]。

圖9 基于幅度調(diào)制的長脈沖光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)原理方案結(jié)構(gòu)圖[28]Fig.9 Principal schematic diagram of long pulse-compression ghost imaging lidar via amplitude modulation[28]

圖14 不同接收信號光功率下的光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖;(b)不同接收信號光功率下的關(guān)聯(lián)成像重建結(jié)果[35]Fig.14 Experimental results of pulse-compression ghost imaging in different receiving echo power.(a)Experimental schematic diagram of pulse-compression ghost imaging;(b)Reconstruction results of ghost imaging in different receiving echo power[35]

圖15 微振動目標(biāo)激光關(guān)聯(lián)成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果。(a)實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)圖;(b)解譯后的目標(biāo)微振動信號;(c)測試目標(biāo);(d)重建結(jié)果[48]Fig.15 Experimental results of ghost imaging for micro-vibration target.(a)Experimental schematic diagram;(b)Recovered micro-vibration of the target;(c)Testing target;(d)Reconstruction result[48]

3 激光關(guān)聯(lián)成像亟需解決的問題和發(fā)展趨勢

3.1現(xiàn)有激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)對比

根據(jù)已有的研究成果,窄脈沖直接探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)(Pulsed GI lidar)、電子外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)(Heterodyne GI lidar)和光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)(Pulse-compression GI lidar)的技術(shù)特點(diǎn)對比情況如表1所示。根據(jù)圖1、圖9和圖10,Pulsed GI Lidar的距離信息提取基于飛行時(shí)間的光場強(qiáng)度測量且只需對光場進(jìn)行空間調(diào)制,整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、光場調(diào)控和數(shù)據(jù)處理均相對簡單;Heterodyne GI Lidar的距離信息提取基于光場強(qiáng)度的電子外差測量,需要對光場進(jìn)行時(shí)間和空間兩維調(diào)制,與Pulsed GI Lidar相比,等價(jià)于增加了回波信號的脈沖積分時(shí)間進(jìn)而達(dá)到提升探測信噪比的目的。Pulse-compression GI Lidar的距離信息提取基于光場的相干測量,可以獲取回波信號的光場振幅和相位信息,因此除了目標(biāo)距離、速度和圖像信息獲取之外,還可以獲取目標(biāo)的微振動信息;同時(shí)由于回波光信號進(jìn)入探測器之前有本征光的放大作用,故具備更高的探測靈敏度。然而,Pulse-compression GI Lidar系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理相對復(fù)雜,且與Pulsed GI Lidar和Heterodyne GI Lidar相比,Pulse-compression GI Lidar為了保證探測的相干性,存在成像視場與接收口徑相互制約的矛盾,所以接收系統(tǒng)口徑通常比較小,導(dǎo)致接收效率比較低。此外,Heterodyne GI Lidar和Pulse-compression GI Lidar采用了時(shí)域相關(guān)測量,可以有效過濾背景光,故相比于Pulsed GI Lidar具備更強(qiáng)的抗背景光干擾能力,即使在輻照于目標(biāo)上的信號光比背景光弱很多的情況下仍可以獲取目標(biāo)信息,具備較好的隱秘性。

表1 三種激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)對比Table 1 Technology comparison of three kinds of ghost imaging lidar

3.2亟需解決的問題及發(fā)展趨勢

總的來說,窄脈沖直接探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)已經(jīng)開展了較為深入的研究,處于面向典型應(yīng)用場景進(jìn)行演示驗(yàn)證和應(yīng)用轉(zhuǎn)化的發(fā)展階段;而長脈沖外差探測體制激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)還處于初級研究階段,但由于其具備更多的技術(shù)優(yōu)勢,應(yīng)用場景將更為廣闊,且單光子水平下的光外差探測激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)將成為重點(diǎn)研究對象。然而,要想將激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)應(yīng)用于遠(yuǎn)距離、高分辨、高速運(yùn)動目標(biāo)探測與識別,仍然存在諸多科學(xué)和技術(shù)問題亟需梳理和解決,主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)具備“較大視場搜索-跟蹤-成像”一體化功能的激光關(guān)聯(lián)成像技術(shù)。由于目標(biāo)處于高速運(yùn)動狀態(tài)且探測距離比較遠(yuǎn),需解決較大視場的目標(biāo)快速搜索、基于單幀/極少數(shù)幀編碼照明和單光子探測靈敏度下的目標(biāo)跟蹤問題,探索成像分辨率不依賴于系統(tǒng)跟蹤精度的散斑場照明方式和關(guān)聯(lián)成像方案。

(2)強(qiáng)散射點(diǎn)下的弱目標(biāo)信息提取問題。激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)采用的是“面”到“點(diǎn)”的探測方式,一方面強(qiáng)散射點(diǎn)信號會限制探測器的增益致使弱信號得不到響應(yīng),另一方面強(qiáng)散射點(diǎn)信號的光子散粒噪聲會遠(yuǎn)大于弱信號的光子漲落,導(dǎo)致反射率較低的目標(biāo)區(qū)域信息難以提取,因此需探索有效分離強(qiáng)弱信號的探測方案和應(yīng)對強(qiáng)散射點(diǎn)問題的成像策略。

(3)高效、魯棒性強(qiáng)的時(shí)空兩維光場編碼和基于新型材料的高速光場調(diào)控。遠(yuǎn)距離探測通常會經(jīng)過復(fù)雜的大氣層,一方面大氣散射和大氣湍流會導(dǎo)致投射到目標(biāo)面上的散斑場發(fā)生畸變,另一方面大氣衰減和光束擴(kuò)散也會使得到達(dá)目標(biāo)上的光強(qiáng)較弱,致使光子散粒噪聲影響較大,這兩者均會導(dǎo)致探測信號與調(diào)制信號的關(guān)聯(lián)性降低。因此需借鑒通信中的編碼和糾錯(cuò)方法,優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)空兩維光場編碼方式和散斑場序列的輻照次序,提升激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)系統(tǒng)的魯棒性;同時(shí)探索基于超構(gòu)材料或超構(gòu)表面的新型光場調(diào)制器件,發(fā)展高能量利用率、MHz調(diào)制速率的時(shí)空兩維光場調(diào)控新方法,減少成像所需的采樣時(shí)間,改善時(shí)變環(huán)境對關(guān)聯(lián)成像質(zhì)量的影響。

(4)視頻級以上的圖像重建算法和較高的成像置信度。需解決百萬像素級圖像的激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)圖像重建算法的硬件化和不小于50 Hz的圖像輸出問題,厘清激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)系統(tǒng)的信息獲取能力上限,給出關(guān)聯(lián)成像圖像重建結(jié)果的置信度與定量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(5)多維信息融合處理與特征信息快速提取。激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)的回波信號中含有目標(biāo)的距離、速度、微振動、反射率等信息,需厘清該成像體制下目標(biāo)圖像、距離、速度、振動等信息的耦合規(guī)律,將這些信息的耦合關(guān)系作為先驗(yàn)信息用于關(guān)聯(lián)成像的圖像重建和融合處理,實(shí)現(xiàn)高維信息的表征、特征信息的分離和快速提取,以適用于不同場景下的實(shí)際應(yīng)用需求。

總之,激光關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)是一種基于電磁場的相干性理論和現(xiàn)代信息處理方法而發(fā)展起來的新型凝視成像體制。經(jīng)過近年來的持續(xù)性研究,該雷達(dá)的研究進(jìn)展最為顯著且屬于關(guān)聯(lián)成像領(lǐng)域最接近應(yīng)用轉(zhuǎn)化的成果,但在遠(yuǎn)距離、高分辨、高速運(yùn)動目標(biāo)探測與識別方面,仍然存在諸多有待梳理和解決的關(guān)鍵問題,需要廣大科研工作者進(jìn)一步的創(chuàng)新與努力。