龔文林,陳明亮,韓申生?

(1蘇州大學光電科學與工程學院,江蘇 蘇州 215006;2中國科學院上海光學精密機械研究所量子光學重點實驗室,上海 201800)

0 引言

激光成像雷達是一種將調(diào)控的激光場輻照于待測目標,通過對目標回波信號進行探測和數(shù)據(jù)處理而獲取目標圖像信息的主動成像技術[1]。由于該技術具備成像分辨率高、測距測速精度高、抗干擾能力強、全天時工作等優(yōu)勢,已在測繪、氣象監(jiān)測、考古、機器人自動導航、目標識別等領域得到了廣泛應用[2]。然而,現(xiàn)有的激光成像雷達技術均建立在麥克斯韋經(jīng)典電磁場理論和香農(nóng)經(jīng)典信息論基礎上,通過直接測量目標反射信號的強度而獲取目標信息,在圖像信息獲取方面受成像機理、單元器件以及環(huán)境適應性等諸多限制,導致探測距離、空間分辨率、實時性和測距精度相互制約,在遠距離、高速、高分辨激光三維成像應用方面仍然存在諸多問題。比如:在遠距離探測與識別方面,隱身目標和超高速飛行目標的探測與識別、水下目標成像一直是個難題;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,目前僅能實現(xiàn)低幀頻單點測高,點云密度較低、激光足印較大,導致衛(wèi)星工作效率和空間分辨率均極低,難以滿足遙感應用需求;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)代物理學和信息論基礎之上的新型激光成像雷達體制。

與傳統(tǒng)激光成像雷達技術不同,激光關聯(lián)成像雷達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之上,通過調(diào)控光場漲落、單像素探測器接收目標回波信號并結合計算重構方法獲取目標的圖像信息[3?6]。該技術的物理原理源自于1995年的糾纏光源關聯(lián)成像[7]。后來,人們發(fā)現(xiàn)利用經(jīng)典熱光場也能實現(xiàn)關聯(lián)成像[8,9],為關聯(lián)成像往工程應用轉化提供了一種有效的途徑,已經(jīng)實現(xiàn)了從X光到微波波段、空域到時域的關聯(lián)成像原理驗證[10?19]。尤其在激光關聯(lián)成像雷達方面,開展了較為深入的理論分析、技術攻關和演示實驗,驗證了該技術具備高的圖像獲取效率、超分辨成像和較強的抗煙霧干擾能力[20?26],在遠距離、高分辨、高速運動目標探測與識別等領域有著重要的應用前景。

借鑒傳統(tǒng)激光雷達技術,激光關聯(lián)成像雷達主要分為兩種工作方式:(1)窄脈沖激光照明、直接測量目標回波強度信息[10?12];(2)基于時間調(diào)制的長脈沖激光照明、外差探測方式測量目標回波信息[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/機載激光三維關聯(lián)成像、公里級多個動目標關聯(lián)成像和百公里級單光子探測靈敏度的激光三維關聯(lián)成像演示實驗[29?31]。而長脈沖外差探測體制激光關聯(lián)成像雷達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以及可獲取的目標信息維度更高,已經(jīng)有一些相關的理論分析、數(shù)值模擬和實驗驗證工作[27,28,32?35]。

本文介紹了窄脈沖直接探測體制激光關聯(lián)成像雷達和長脈沖外差探測體制激光關聯(lián)成像雷達的原理方案、技術特點和近期主要研究進展。進而圍繞遠距離、高分辨、高速運動目標探測與識別應用,對激光關聯(lián)成像雷達亟需解決的科學與技術問題、發(fā)展趨勢進行了探討和展望。

1 窄脈沖直接探測體制激光關聯(lián)成像雷達

1.1原理方案

窄脈沖直接探測體制激光關聯(lián)成像雷達原理方案結構如圖1所示[10,11]。整個光學系統(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)生一個脈沖式的隨機散斑場,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上。接收系統(tǒng)中的接收鏡將目標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。結合高速采集卡記錄的電壓信號與CCD所記錄的空間強度分布進行關聯(lián)圖像重建,在凝視探測的條件下便可以獲取待測目標的表面三維強度分布圖像。

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

1.2近期主要研究進展

1.2.1 靜止目標激光關聯(lián)成像雷達研究進展

激光關聯(lián)成像雷達的原理方案起源于中國科學院上海光學精密機械研究所2009年提出的無透鏡遠場關聯(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聯(lián)成像雷達原理樣機,初步驗證了激光關聯(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)為激光關聯(lián)成像雷達發(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時的成像結果,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時的成像結果,可以看出激光關聯(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,對圖2(f)所示的分辨率板目標進行激光關聯(lián)成像的結果,實現(xiàn)了超光學系統(tǒng)衍射極限1.6倍左右的超分辨成像。為了進一步驗證大氣散射對激光關聯(lián)成像質(zhì)量的影響,2013年中國科學院上海光學精密機械研究所率先公開報道了探測距離為2 km、不同氣象條件下傳統(tǒng)成像與激光關聯(lián)成像的對比實驗結果,演示了激光關聯(lián)成像雷達具備全天時、一定程度上穿透雨霧的成像能力[25],如圖3所示;而美國陸軍實驗室于2014年也報道了類似的結果[37]。2015年,中國科學院上海光學精密機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聯(lián)成像實驗,獲得了空間分辨率優(yōu)于0.5 m的成像結果。

圖2 探測距離900 m下的激光關聯(lián)成像雷達超分辨成像和改善大氣湍流對成像質(zhì)量影響的室外實驗驗證[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聯(lián)成像實驗結果。(a)成像目標參數(shù);(b)第一行至第五行依次為晴朗、多云、小雨、中霧和夜晚條件下的傳統(tǒng)成像(CI)和關聯(lián)成像(GI)結果[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,為了探索激光關聯(lián)成像雷達技術在高分辨對地三維觀測上的應用,在國家863計劃地球觀測與導航領域主題項目“強度關聯(lián)遙感成像技術研究(一期)”的支持下,2013年中國科學院上海光學精密機械研究所研制出國際首臺可見光波段激光三維關聯(lián)成像原理樣機,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)為激光三維關聯(lián)成像原理樣機實物圖,圖4(b)為對嘉定電力局屋頂進行三維成像的結果。2015年,該單位又研制出遠距離近紅外激光三維關聯(lián)成像工程樣機,實現(xiàn)了探測距離為95.5 km的強散射點目標激光三維關聯(lián)成像,并與激光主動照明焦平面成像雷達進行了對比實驗,進一步驗證了激光關聯(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 激光三維關聯(lián)成像實驗驗證。(a)532 nm激光三維關聯(lián)成像原理樣機實物圖;(b)對嘉定電力局屋頂進行三維成像的結果[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聯(lián)成像雷達性能,上海交通大學和中國科學院上海光學精密機械研究所開展了基于光子計數(shù)和首達光子的激光關聯(lián)成像理論和實驗研究[31,39?41]。2015年,上海交通大學開展了基于時間關聯(lián)光子計數(shù)的激光關聯(lián)成像室內(nèi)原理驗證,在回波光子數(shù)概率約為2.0%時仍可以獲得較好的成像結果[39]。2016年,中國科學院上海光學精密機械研究所提出了基于多路并行探測和基于時分復用的光子計數(shù)方案,通過對已有的532 nm激光關聯(lián)成像雷達系統(tǒng)進行改造,實驗驗證了探測距離為2.0 km、空間分辨率優(yōu)于10 cm的光子計數(shù)關聯(lián)成像[40]。2018年,上海交通大學和國防科技大學將首達光子成像方法引入激光關聯(lián)成像,開展了相關的理論分析和實驗驗證,演示了0.1光子/像素的首達光子激光關聯(lián)成像[41];在此基礎上,2020年研制出基于首達光子的遠距離單像素激光成像雷達系統(tǒng),并在青海湖開展了外場實驗,實現(xiàn)了探測距離為100 km、0.01光子/像素的首達光子三維成像[31],如圖5所示。

圖5 探測距離為100 km首達光子單像素激光成像雷達實驗驗證。(a)實驗場景圖;(b)成像結果[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 相對運動目標激光關聯(lián)成像雷達研究進展

2011年,上海交通大學開展了運動目標激光關聯(lián)成像研究,分析了目標橫向運動對關聯(lián)成像質(zhì)量的影響[42]。2012年,中國科學院上海光學精密機械研究所提出了基于參考臂探測器記錄的散斑場強度分布平移補償進而消除橫向運動模糊的動目標成像方案[43]。基于上述思想,中國科學院上海光學精密機械研究所、國防科技大學和深圳大學等單位開展了軸向運動模糊消除、運動軌跡反演、運動估計和基于追跡的漸進關聯(lián)成像等理論和實驗研究[44?47],為高速運動目標激光關聯(lián)成像雷達系統(tǒng)的設計和研制提供了技術指導。

在國家863計劃地球觀測與導航領域主題項目“強度關聯(lián)遙感成像技術研究(二期)”支持下,2016年中國科學院上海光學精密機械研究所研制出一套機載近紅外激光三維關聯(lián)成像雷達試驗樣機,該樣機具備一定角度范圍內(nèi)的目標搜索、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驗的基礎上[30],2016年12月在西安閻良機場開展了基于運-12平臺的機載對地激光三維關聯(lián)成像演示實驗,實現(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的成像驗證[29],其結果如圖7所示。圖7(a)為測試靶標,三線靶標條紋間的中心距離為0.48 m、兩組靶標的高程差為0.5 m;由于采樣過程中雷達系統(tǒng)與測試靶標之間的距離一直在變化,若不對目標回波信號進行校正,則會導致關聯(lián)成像重構結果失效[圖7(b)],而對目標回波信號校正后的關聯(lián)成像重建結果如圖7(c)。2018年,通過對機載激光三維關聯(lián)成像雷達試驗樣機進行改造,該單位和國防科技大學一起又演示了對三架大疆無人機進行的測距、測軌和三維關聯(lián)成像實驗(如圖8所示),初步驗證了激光關聯(lián)成像雷達在低小慢目標探測領域的重要應用。

圖6 機載近紅外激光三維關聯(lián)成像雷達試驗樣機[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機載對地激光三維關聯(lián)成像實驗驗證結果。(a)測試靶標;(b)回波信號未校正時的重建結果;(c)回波信號校正后的重建結果[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 激光關聯(lián)成像雷達系統(tǒng)對編隊無人機進行探測與成像實驗驗證。(a)三架無人機的飛行軌跡測試結果;(b)三架無人機的距離時變圖;(c)某一時刻的關聯(lián)成像結果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聯(lián)成像雷達

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

2.1原理方案

2.2近期主要研究進展

2.2.1 電子外差探測激光關聯(lián)成像雷達研究進展

類似于窄脈沖直接探測體制激光關聯(lián)成像雷達,我國在長脈沖外差探測體制激光關聯(lián)成像雷達方面也率先開展了相關研究工作。2013年,中國科學院上海光學精密機械研究所在國家863計劃項目“激光三維強度關聯(lián)成像技術研究”的支持下率先開展了外差探測激光關聯(lián)成像雷達研究。2015年,哈爾濱工業(yè)大學開展了電子外差探測激光關聯(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聯(lián)成像原理方案,圖10(b)為測試靶標(處于不同探測距離上的“HIT”三個字母),圖10(c)為關聯(lián)成像結果。2017年,中國科學院上海光學精密機械研究所理論分析了背景光對窄脈沖直接探測激光關聯(lián)成像雷達、電子外差探測激光關聯(lián)成像雷達和光外差探測激光關聯(lián)成像雷達成像質(zhì)量的影響,其數(shù)值模擬結果如圖11所示[32]。圖11(a)的結果表明窄脈沖直接探測激光關聯(lián)成像雷達要求輻照信噪比(信號光與背景光強度比值)大于10 dB才能獲得較好的成像結果,而圖11(b)和圖11(c)所示的電子外差探測激光關聯(lián)成像雷達和光外差探測激光關聯(lián)成像雷達在輻照信噪比分別為?20 dB和?30 dB條件下所獲得的成像結果與窄脈沖直接探測激光關聯(lián)成像雷達在輻照信噪比為10 dB條件下的成像質(zhì)量相當,從而驗證了光外差探測激光關聯(lián)成像雷達具備較強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證綜合實驗平臺,實驗驗證了理論和數(shù)值模擬結果的正確性,在輻照信噪比為?30 dB的條件下仍然獲得了較好的成像結果[34],如圖12所示。圖12(a)為所搭建的電子外差探測激光關聯(lián)成像綜合實驗平臺光學結構圖,圖12(b)為不同輻照信噪比的關聯(lián)成像結果。

圖10 電子外差探測激光關聯(lián)成像數(shù)值模擬驗證。(a)電子外差探測激光關聯(lián)成像原理方案;(b)測試目標;(c)三維關聯(lián)成像結果[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聯(lián)成像雷達性能影響數(shù)值模擬結果。(a)窄脈沖直接探測激光關聯(lián)成像雷達成像結果;(b)電子外差探測激光關聯(lián)成像雷達成像結果;(c)光外差探測激光關聯(lián)成像雷達成像結果[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聯(lián)成像實驗驗證。(a)電子外差探測激光關聯(lián)成像綜合實驗平臺光學結構圖;(b)不同輻照信噪比下的關聯(lián)成像結果[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光外差探測激光關聯(lián)成像雷達研究進展

2016年,中國科學院上海光學精密機械研究所將脈沖壓縮技術、相干探測方法和激光關聯(lián)成像結合起來,率先公開報道了光外差探測激光關聯(lián)成像雷達方案,從理論上分析了光外差探測激光關聯(lián)成像和解決多目標探測距離-速度耦合問題的可行性,并且通過數(shù)值模擬進行了驗證[28]。圖13為不同點探測器數(shù)目下的光外差探測激光關聯(lián)成像數(shù)值模擬結果。待測目標由軸向距離分別為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)為采用單個點探測器下的目標回波信號和差分關聯(lián)成像重建結果,圖13(b)和圖13(c)分別為采用10和100個點探測器時所對應的目標回波信號和關聯(lián)成像結果?？梢钥闯?由于系統(tǒng)距離分辨率為0.15 m,則目標1和2在強度譜上不可區(qū)分(對應P1),而目標3和目標1、2在強度譜上可分離(對應P2);同時隨著點探測器數(shù)目的增加,關聯(lián)成像質(zhì)量將會得到提升。

圖13 不同點探測器數(shù)目下的光外差探測激光關聯(lián)成像雷達數(shù)值模擬結果[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,中國科學院上海光學精密機械研究所搭建了如圖14(a)所示的探測波長為1.55μm、調(diào)制時長為500μs、接收單模光纖芯徑為10μm下的光外差探測激光關聯(lián)成像實驗裝置,給出了接收信號光功率依次為5～1900 pW下的激光關聯(lián)成像結果[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,仍可以較好地重構出目標圖像。此外,將待測目標固定于喇叭上,通過喇叭的振動傳導到待測目標上而模擬目標的微振動情形,基于圖14(a)的光外差探測激光關聯(lián)成像實驗平臺,開展了微振動目標激光關聯(lián)成像初步實驗研究,如圖15所示,驗證了光外差探測激光關聯(lián)成像雷達具有可同時獲取目標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聯(lián)成像雷達原理方案結構圖[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聯(lián)成像實驗結果。(a)光外差探測激光關聯(lián)成像實驗結構圖;(b)不同接收信號光功率下的關聯(lián)成像重建結果[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 微振動目標激光關聯(lián)成像實驗結果。(a)實驗結構圖;(b)解譯后的目標微振動信號;(c)測試目標;(d)重建結果[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)有激光關聯(lián)成像雷達技術特點對比

根據(jù)已有的研究成果,窄脈沖直接探測激光關聯(lián)成像雷達(Pulsed GI lidar)、電子外差探測激光關聯(lián)成像雷達(Heterodyne GI lidar)和光外差探測激光關聯(lián)成像雷達(Pulse-compression GI lidar)的技術特點對比情況如表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間的光場強度測量且只需對光場進行空間調(diào)制,整個系統(tǒng)結構、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度的電子外差測量,需要對光場進行時間和空間兩維調(diào)制,與Pulsed GI Lidar相比,等價于增加了回波信號的脈沖積分時間進而達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,因此除了目標距離、速度和圖像信息獲取之外,還可以獲取目標的微振動信息;同時由于回波光信號進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)結構和數(shù)據(jù)處理相對復雜,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,導致接收效率比較低。此外,Heterodyne GI Lidar和Pulse-compression GI Lidar采用了時域相關測量,可以有效過濾背景光,故相比于Pulsed GI Lidar具備更強的抗背景光干擾能力,即使在輻照于目標上的信號光比背景光弱很多的情況下仍可以獲取目標信息,具備較好的隱秘性。

表1 三種激光關聯(lián)成像雷達技術特點對比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聯(lián)成像雷達已經(jīng)開展了較為深入的研究,處于面向典型應用場景進行演示驗證和應用轉化的發(fā)展階段;而長脈沖外差探測體制激光關聯(lián)成像雷達還處于初級研究階段,但由于其具備更多的技術優(yōu)勢,應用場景將更為廣闊,且單光子水平下的光外差探測激光關聯(lián)成像雷達將成為重點研究對象。然而,要想將激光關聯(lián)成像雷達應用于遠距離、高分辨、高速運動目標探測與識別,仍然存在諸多科學和技術問題亟需梳理和解決,主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)具備“較大視場搜索-跟蹤-成像”一體化功能的激光關聯(lián)成像技術。由于目標處于高速運動狀態(tài)且探測距離比較遠,需解決較大視場的目標快速搜索、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聯(lián)成像方案。

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

(3)高效、魯棒性強的時空兩維光場編碼和基于新型材料的高速光場調(diào)控。遠距離探測通常會經(jīng)過復雜的大氣層,一方面大氣散射和大氣湍流會導致投射到目標面上的散斑場發(fā)生畸變,另一方面大氣衰減和光束擴散也會使得到達目標上的光強較弱,致使光子散粒噪聲影響較大,這兩者均會導致探測信號與調(diào)制信號的關聯(lián)性降低。因此需借鑒通信中的編碼和糾錯方法,優(yōu)化設計時空兩維光場編碼方式和散斑場序列的輻照次序,提升激光關聯(lián)成像雷達系統(tǒng)的魯棒性;同時探索基于超構材料或超構表面的新型光場調(diào)制器件,發(fā)展高能量利用率、MHz調(diào)制速率的時空兩維光場調(diào)控新方法,減少成像所需的采樣時間,改善時變環(huán)境對關聯(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聯(lián)成像雷達圖像重建算法的硬件化和不小于50 Hz的圖像輸出問題,厘清激光關聯(lián)成像雷達系統(tǒng)的信息獲取能力上限,給出關聯(lián)成像圖像重建結果的置信度與定量評價標準。

(5)多維信息融合處理與特征信息快速提取。激光關聯(lián)成像雷達的回波信號中含有目標的距離、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系作為先驗信息用于關聯(lián)成像的圖像重建和融合處理,實現(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際應用需求。

總之,激光關聯(lián)成像雷達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,該雷達的研究進展最為顯著且屬于關聯(lián)成像領域最接近應用轉化的成果,但在遠距離、高分辨、高速運動目標探測與識別方面,仍然存在諸多有待梳理和解決的關鍵問題,需要廣大科研工作者進一步的創(chuàng)新與努力。