目錄

• 簡介

• 主持人致辭

• 主旨報告

• 李道京：合成孔徑激光雷達關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景

• 討論與交流

• 主要專家簡介：

• 展開

【簡介】

普通激光雷達成像系統(tǒng)和光學(xué)照相機一樣，高分辨率遠距離成像需要很大的光學(xué)孔徑（因此需要很大的鏡頭）。但實際系統(tǒng)中，很多因素限制了系統(tǒng)光學(xué)孔徑的增加。為解決這一問題，把（微波）合成孔徑成像技術(shù)應(yīng)用于激光雷達成像系統(tǒng)中，發(fā)展了合成孔徑激光雷達（激光SAR）。由于光波波長遠遠小于微波波長，所以合成孔徑激光雷達的分辨率可以遠遠高于微波合成孔徑雷達。通常微波合成孔徑雷達的最高分辨率約在分米量級，而合成孔徑激光雷達的分辨率可以達到厘米到毫米量級，因此合成孔徑激光雷達有很誘人的發(fā)展前景。本次沙龍就是介紹和討論合成孔徑激光雷達的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景。

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【主持人致辭】

宋家駿：各位領(lǐng)導(dǎo)，各位專家，今天是院老科協(xié)電子所分會承辦的第七次科學(xué)技術(shù)前沿學(xué)術(shù)沙龍。這次沙龍的主題是合成孔徑激光雷達，關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景。請林世昌理事長講話。

林世昌：非常感謝大家來參加沙龍活動！我們搞沙龍，己是第七次了，今天的沙龍還是比較有意思的，我們所的強項是微波，微波合成孔徑雷達已有相當(dāng)?shù)乃?，現(xiàn)在研究激光合成孔徑雷達，是一個新的方向。今天請年輕的科學(xué)家給我們講一講，激光合成孔徑雷達的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景，希望大家關(guān)注，參加討論。下面請李道京博士給我們做主旨報告。

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【主旨報告】

李道京：合成孔徑激光雷達關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用前景

激光雷達成像系統(tǒng)和光學(xué)成像系統(tǒng)一樣，高分辨率遠距離成像需要很大的系統(tǒng)光學(xué)孔徑，但實際系統(tǒng)中很多因素限制了系統(tǒng)光學(xué)孔徑的增加，為此可考慮合成孔徑成像。合成孔徑成像包括雷達平臺運動、目標(biāo)靜止成像和雷達平臺靜止、目標(biāo)運動成像兩種方式。兩者的工作原理都是基于相對運動產(chǎn)生大的等效孔徑獲，從而獲得高的橫向分辨率，其基本條件是信號具備高的相干性，故合成孔徑成像的概念在原理上適用微波、毫米波和激光信號。激光信號相干性的提高，使合成孔徑激光雷達的技術(shù)實現(xiàn)成為可能，開展相關(guān)研究工作具有重要意義。下面的報告介紹了合成孔徑激光雷達的研究進展和系統(tǒng)體制，闡述了其關(guān)鍵技術(shù)和可能的技術(shù)途徑，展望了其應(yīng)用前景并給出了可能的系統(tǒng)參數(shù)和指標(biāo)。

一、研究進展

合成孔徑激光雷達（Synthetic Aperture Ladar, SAL）是合成孔徑雷達（Synthetic Aperture Radar, SAR）技術(shù)在激光波段的一種應(yīng)用形式，也可稱為激光SAR。通過發(fā)射寬帶激光信號獲取縱向高分辨率，通過合成孔徑技術(shù)獲取橫向高分辨率。由于SAL的波長較短，目標(biāo)橫向運動和自轉(zhuǎn)形成非常小的角度（約千分之四度， 0.07mrad ）就可以使SAL獲得0.1m的橫向分辨率圖像，這使得SAL在原理上可以高數(shù)據(jù)率對遠距離目標(biāo)進行高分辨率成像觀測。

激光信號相干性提高，已使SAL的技術(shù)實現(xiàn)成為可能。1990年，林肯實驗室利用寬帶激光雷達獲得在軌衛(wèi)星的第一幅距離-多普勒圖像。2011年美國洛克希德·馬丁公司基于相位編碼信號完成了機載SAL演示樣機的飛行實驗，對距離1.6km的地面目標(biāo)獲得了幅寬1m，分辨率優(yōu)于3.3cm的成像結(jié)果。2013年，美國國防部與Raytheon公司簽訂合同，宣布由其研制遠距離成像激光雷達，用于對GEO軌道目標(biāo)進行ISAL（Inverse Synthetic Aperture Ladar, ISAL）成像。2017年，中科院電子所和上光所分別報道了機載側(cè)視SAL和直視SAL飛行成像試驗，獲得了地面高反射率合作目標(biāo)的成像結(jié)果。2018年，美國報道了EAGLE計劃中的GEO 軌道ISAL。

二、系統(tǒng)體制

目前合成孔徑激光雷達的系統(tǒng)體制主要有全光學(xué)成像和基于數(shù)字信號處理的電子學(xué)成像兩種。和基于數(shù)字信號處理的電子學(xué)成像技術(shù)相比，全光學(xué)成像處理具有速度快實時性好的特點，但其成像處理精度較低，對實際系統(tǒng)中存在的各種相位誤差補償能力較弱，現(xiàn)階段SAL實現(xiàn)方案還是應(yīng)以電子學(xué)方法為主。

SAL電子學(xué)實現(xiàn)方案的主要特征為其信號產(chǎn)生、接收和成像處理的流程與微波SAR接近，基于MZ產(chǎn)生寬帶信號，同時考慮在微波頻段實現(xiàn)信號的解調(diào)，并采用數(shù)字去斜接收技術(shù)簡化系統(tǒng)光路。

基于電子學(xué)實現(xiàn)信號產(chǎn)生和成像處理的機載SAL實現(xiàn)方案框圖如圖1所示。

圖1 基于電子學(xué)的機載SAL實現(xiàn)方案框圖

三、關(guān)鍵技術(shù)

從目前的研究進展看，SAL走向?qū)嶋H應(yīng)用仍需突破以下關(guān)鍵技術(shù)：

1、激光信號相干性保持

激光頻率比微波頻率高三個數(shù)量級以上，相對微波信號，激光信號的相干性從原理上就比較差。目前激光信號相干性的評價指標(biāo)遠不如微波信號完備，主要為線寬且其數(shù)值在kHZ量級，遠大于微波信號的慢時頻率分辨率，這嚴重制約了SAL對遠距離目標(biāo)的高分辨率成像能力。

在激光波段對遠距離目標(biāo)實現(xiàn)高分辨率合成孔徑成像的核心是要解決好本振信號的相干性和大功率發(fā)射信號的相位誤差校正問題。大功率激光發(fā)射信號的相位誤差可通過設(shè)置參考通道進行定標(biāo)校正，在此基礎(chǔ)上，SAL能實現(xiàn)的最高橫向分辨率決定于本振信號的相干性。

設(shè)置發(fā)射信號參考通道對其非線性失真相位實施定標(biāo)校正，以及通過本振延時光纖實現(xiàn)信號相干性保持方法如圖2所示。

圖2 信號的相干性保持和相位誤差校正方法框圖

對本振信號進行延時處理，能夠有效降低本振信號相干性差對SAL成像的影響，在此過程中，減少本振信號延時誤差具有重要意義。若采用光纖對本振信號進行延時處理，延時距離受限于激光相干長度且難以時變，基于本振光纖延時的SAL信號相干性保持方法只適用于目標(biāo)距離較近且合成孔徑時間內(nèi)目標(biāo)距離變化量較小的情況。

在目標(biāo)距離較遠或合成孔徑時間內(nèi)目標(biāo)距離變化量較大的情況下，可以考慮采用本振數(shù)字延時的方法保持SAL信號的相干性，其基本思路是設(shè)置本振參考通道，通過自外差的方式將本振信號頻率不穩(wěn)引入的相位誤差記錄下來，在數(shù)字域延時后對回波信號進行補償。

2、振動相位誤差估計與補償

SAL的波長短至微米量級，雷達或目標(biāo)微米量級的振動都會在SAL的回波信號中引入較大的振動相位誤差，導(dǎo)致成像結(jié)果散焦。在激光波段，幾乎任何目標(biāo)表面都是粗糙的，難以存在孤立的強散射點，這使傳統(tǒng)的自聚焦方法缺乏使用條件。

可在重疊視場條件下采用多通道順軌干涉處理方法進行振動相位誤差估計并實施補償，其基本思路是通過多通道的干涉相位反演振動相位誤差的梯度，再對梯度積分獲得振動相位誤差的估計結(jié)果。對于SAL，多通道既可以基于外視場多望遠鏡實現(xiàn)，也可以基于內(nèi)視場多探測器實現(xiàn)，這主要取決于目標(biāo)距離的遠近和振動相位誤差的幅度和頻率。

一個基于內(nèi)視場正交基線探測器干涉處理實現(xiàn)振動相位誤差估計與補償以及寬幅成像的機載SAL觀測幾何關(guān)系如圖3所示。

圖3 機載SAL發(fā)射和接收視場/運補和成像探測器觀測幾何關(guān)系

3、非成像衍射光學(xué)系統(tǒng)

與傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)圖像概念不同，SAL獲取的圖像在斜距-多普勒頻率兩維。需要寬的接收視場，但不要求具有高的空間角分辨率，具備采用一個或少量光電探測器實現(xiàn)激光雷達寬視場接收的使用條件，在原理上可用“非成像光學(xué)系統(tǒng)”。據(jù)此特點，SAL應(yīng)可通過偏置探測器在“離焦”狀態(tài)形成重疊視場，以進行振動相位誤差估計，也應(yīng)可通過“散焦”擴大瞬時觀測范圍。

SAL單色且波長較長的特點，使其特別適合采用衍射光學(xué)系統(tǒng)，通過衍射器件（如二元光學(xué)器件）實現(xiàn)信號波前控制，減小焦距并有利于系統(tǒng)的輕量化，在此過程中，SAR相控陣天線的模型可用于分析衍射光學(xué)系統(tǒng)的性能，SAR常用的信號處理方法可用于實現(xiàn)孔徑渡越補償和聚焦。

一個在壓縮光路中饋源和主鏡兩處使用二元光學(xué)器件的機載SAL衍射光學(xué)系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 機載SAL衍射光學(xué)系統(tǒng)示意圖

四、應(yīng)用前景

由于在高分辨率高數(shù)據(jù)率成像方面的優(yōu)勢，SAL/ISAL在以下兩方面有良好的應(yīng)用前景：

1、機載SAL對地成像

可能的機載SAL參數(shù)和指標(biāo)如下：平均功率100W；接收望遠鏡口徑約200mm；作用距離優(yōu)于5km；成像分辨率約5cm；瞬時幅寬100-200m；掃描幅寬1km；工作模式為側(cè)視條帶/斜視DBS/視頻成像；在0.3s即可獲得尺寸在300m量級的5cm高分辨率圖像 。

除使用順軌干涉處理實現(xiàn)振動相位誤差估計與補償外，選用一個抗振性能優(yōu)異的磁懸浮穩(wěn)定平臺，對機載SAL的技術(shù)實現(xiàn)也具有重要意義。

2、地基ISAL對GEO軌道空間目標(biāo)成像觀測

可能的GEO軌道空間目標(biāo)成像觀測地基ISAL參數(shù)和指標(biāo)如下：平均功率100kW；接收望遠鏡口徑約5-8m；作用距離優(yōu)于36000km；成像分辨率約0.3m；成像時間在10s量級。

地基ISAL可使用基于二元光學(xué)器件的大口徑衍射光學(xué)系統(tǒng)，對GEO目標(biāo)成像的難點在于本振信號相干性保持、目標(biāo)三維自轉(zhuǎn)條件下的振動相位誤差估計與高分辨率成像、以及大氣時變相位誤差校正。采用本振數(shù)字延時方法、長基線正交觀測結(jié)構(gòu)并引入自適應(yīng)光學(xué)對地基ISAL的技術(shù)實現(xiàn)具有重要意義。

五、結(jié)束語

激光具有波粒二象性，SAL充分利用了激光的波特性。由于SAL使用相干探測體制，本振信號的存在使目標(biāo)微弱小回波可實施光電轉(zhuǎn)換為后續(xù)積累提供條件，其探測性能遠優(yōu)于目前的單光子探測器。與此同時，SAL可使用徑衍射光學(xué)系統(tǒng)，并可全面引入SAR信號處理方法，其深入研究將極大地推動相干激光雷達技術(shù)的發(fā)展。

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【討論與交流】

宋家駿：下面進行討論，可以提問題，讓李道京來解答，也可以談自己看法。這個技術(shù)也算是個新技術(shù)。激光雷達跟光學(xué)照相它的區(qū)別在哪兒？光學(xué)照相，一個它是被動的，它是靠陽光照亮，我們才能拍照。而雷達是主動的，我發(fā)射光，接收回來的光，不需要外面的條件，所以它不受限制。再一個不同在于，光學(xué)照相的分辨率完全取決于鏡頭的口徑，比如說分辨率0.1米，在飛機上很容易實現(xiàn)的，你要到幾百公里上千公里的衛(wèi)星上做幾十米大的鏡頭，很難很難。再遠更不用提了，完全取決于孔徑。但是激光雷達的分辨率不是取決于孔徑，是取決于接收能量。分辨率極限取決于波長，比如說微波30公分的波長，分辨率絕對不能小于30公分。光的波長是微米級的，所以分辨率很高。一個是特性的區(qū)別，人不會反射微波，雷達就看不到人，所以它看的東西是不一樣的。微波雷達主要看軍事目標(biāo)，金屬的東西很容易看到，像咱們一般環(huán)境的東西，地上寫個字，微波雷達是看不見，但是光學(xué)能看到。光學(xué)能看到人，而且能看到你穿的什么衣服，性質(zhì)不一樣，各有各的用處。咱們大家討論討論，大家有什么新的見解。

李道京：我覺得隔行如隔山，工作中我確實能感覺到電子學(xué)和光學(xué)的差別，因為大家對望遠鏡的認識和對天線的認識還是有些不同，我感到若都用電磁波解釋可能更合理，用幾何光學(xué)解釋不一定合理。望遠鏡有幾個性質(zhì)，焦距比一般比口徑大兩倍，但是用二元光學(xué)器件來做，焦距就可以短了。我們微波相陣天線現(xiàn)在沒有焦距的概念，早先我們拋物面天線也有，需要長焦距是因為鏡子在單位空間里產(chǎn)生的延時不能很大，大口徑要引入一個大的相位（或延時），但現(xiàn)有材料產(chǎn)生不出來。但是你如果用衍射來解釋，這個東西就很簡單了。我在網(wǎng)上看到很多人對薄膜望遠鏡持不同意見，說美國這個不靠譜，但我覺得這是個方向。傳統(tǒng)望遠鏡焦距長了以后，所需的相差就少了，容易做，如果焦距短，它要求單位空間里的產(chǎn)生相差很大，就不容易做了，材料決定著相差。講到這兒就講到基本的原理和方法，我們微波雷達強調(diào)波的特性，其天線我們一般用衍射來解釋。光也是電磁波，光學(xué)系統(tǒng)的極限分辨率也是用衍射來解釋，定義完全是一樣的。從這個意義上來講，光學(xué)和微波沒有大的區(qū)別，數(shù)學(xué)上沒有任何變化。

屠乃琪：李博士，在合成孔徑激光雷達的研究方法上，上海光機所偏向光學(xué)波動性，電子所偏向電子量子性，發(fā)揮各所特長。電子所在接收回波信號處理方面更有優(yōu)勢，是不是？

李道京：我們都是利用激光的波特性。我解釋一下，上海光機所做的工作比我們深入多了，他們一直在做，做的時間也長，我去學(xué)習(xí)過多次。他們SAL成像，對電子學(xué)方案考慮的少。咱們現(xiàn)在的照相機已沒有太多光學(xué)部件，主要是一個望遠鏡（一個光學(xué)鏡頭），再加上探測器，探測器光電轉(zhuǎn)換后就全是電子學(xué)的東西。我們所SAL成像是光電轉(zhuǎn)換以后，用SAR信號處理的方法來做。早期SAR成像使用光學(xué)系統(tǒng)聚焦，這宋老師原來做過，合成孔徑激光雷達的聚焦也可用光學(xué)系統(tǒng)來做，上光所在成像過程中使用的光學(xué)器件比較多，我們所成像處理主要在電子學(xué)做。我的觀點是用電子學(xué)做，計算機實現(xiàn)數(shù)字成像更容易，容易實現(xiàn)誤差補償。工作原理都是一樣的，就是實現(xiàn)方案不同。

王庚辰：首先謝謝李博士，我雖然沒有太聽懂，但是我感覺非常精彩，非常前沿。我是大氣所的，我很關(guān)心這個在大氣研究方面有沒有什么應(yīng)用前景。第二個問題是，因為你用的是激光，從大氣角度講是微波和激光的一個非常大的差別就是它們在大氣當(dāng)中的傳輸特征是完全不一樣的，當(dāng)你用激光雷達在大氣當(dāng)中應(yīng)用，不管是空對地還是地對空，都會受到大氣的干擾，大氣的壓力、溫度等參數(shù)都會對激光本身的信號，它的光學(xué)特性，它的相位和成像質(zhì)量等產(chǎn)生影響，甚至?xí)斐刹ㄩL的漂移等等一系列問題。所以我的問題是，當(dāng)你們進行外差測量時，在混頻的時候，是不是會遇到這樣的技術(shù)問題？

李道京：第一個問題，我們激光SAR屬于相干雷達，能用于測大氣?？梢詼y風(fēng)，云穿透不了，所以只能測風(fēng)場。第二個問題，關(guān)于大氣的影響，肯定存在，咱們不能說不存在，但要研究在大氣干擾情況下，我們怎么把這個干擾卸掉。針對這個問題，需要研究新的解決方法。在大氣影響條件下相干體制激光雷達能不能用？我認為應(yīng)該能用。例如相干激光通信。很多人認為相干激光通信沒前途，因為有大氣的影響，但我不這么看。我覺得從技術(shù)發(fā)展來說，相干體制的激光通信應(yīng)會變成主流方向。量子通信衛(wèi)星的成功，至少說相干激光信號的調(diào)制和解調(diào)已沒問題。相干激光通信這個事，量子衛(wèi)星做完后說明是可行的。即便激光通信受天氣影響較大，用時需挑天好的時候，有云有霧不行，我認為這仍然是個重要的發(fā)展方向。又如我們的手機通信，現(xiàn)在主要是相干體制的，調(diào)相調(diào)頻的非常多，調(diào)幅的基本沒有。激光有它的不足，但是要看在什么條件下應(yīng)用。空間應(yīng)用就應(yīng)該重點發(fā)展激光，至少大氣影響小。我認為SAL代表了很重要的技術(shù)發(fā)展方向，走向應(yīng)用還是有可能的。研究工作布局要有前瞻性。也許過兩天，美國公布一張清晰的SAL圖像，會使我們很多研究人員先發(fā)蒙，然后再跟風(fēng)?，F(xiàn)在我們的狀態(tài)是，不是覺得這事有可能我們就付出努力，老是講可行性，本質(zhì)是缺乏創(chuàng)新精神。SAL我認為還是可行的，很值得繼續(xù)前進。

洪延超：我不懂激光，但是我知道它的波長比微波還要短，微米量級的。如果能夠用到大氣探測當(dāng)中當(dāng)然非常好。利用激光雷達測云的高度，能見度，以前有過應(yīng)用，但是以前的激光雷達和我們的合成孔徑激光雷達還是不太一樣。若這種雷達做成，能夠遠距離、高分辨率快速成像，用來觀測空中運動物體，那就太有用處了，是否可以用來觀測隱形飛機？

李道京：激光雷達可用于大氣探測中的風(fēng)場測量。測風(fēng)激光雷達目前有相干和非相干兩種體制，兩個在同步發(fā)展，國內(nèi)有很多產(chǎn)品。我認為如果能做相干的可能會好一些。剛才講到靈敏度的問題，搞光學(xué)的人很少注意靈敏度，因為普通光學(xué)相機有太陽光被動照射，大家不注意能量帶來的問題。激光雷達則不同，如果你靈敏度低了，很多信息你看不到，你的探測距離可能也比較近。所以我剛才講，如果你改成相干的，你的探測靈敏度會高，探測距離可能會很遠，這是一個很大的變化。盡管激光測風(fēng)方法很多，但長遠看，激光測風(fēng)應(yīng)該轉(zhuǎn)到相干體制上來。早期的微波雷達相干性都很差，我們通過不斷努力現(xiàn)在把相干性做上去了，一旦相干性做上去，系統(tǒng)的衍射性能就能得到保證。從原理上講，SAL也有可能觀測隱形飛機。

單煥炎：你在飛機上面，要開始拍攝照片了，我坐在實驗室里打開計算機，你按下按鈕開始拍攝照片，要多長時間我計算機上就能顯示你拍攝到的圖片？這是第一個問題。光學(xué)跟微波本身是一家，沒有太大的區(qū)別。但是也不能說它們完全沒有差別，微波有微波的特性，光學(xué)有光學(xué)的特性。你現(xiàn)在做的很好的工作就是把在微波上取得的經(jīng)驗，再跟光學(xué)的結(jié)合起來，創(chuàng)造我們自己的工作模式。這是你工作的一個創(chuàng)造，我覺得這是很好的一個工作。各自有各自的特點，而且各自發(fā)揮各自的作用。比如說CCD相機，它雖然是光學(xué)的，但是它現(xiàn)在的分辨率顯然很容易做的很高，它可以是多光譜的，現(xiàn)在可以高光譜了，甚至還做到超光譜了。CCD相機可以做得很小，不需要源，它可以放在微小的衛(wèi)星上發(fā)射出去，在那里收集情報。它在那里開始拍攝照片，你在計算機上馬上就能顯示，這個收到的時間是很短的。從這點來說，光學(xué)很容易做到高分辨率，甚至它可以有上千個波段，它切換很容易，很快。微波也有微波的特點，微波的特點是全天候，全天時，這是光學(xué)所沒法做到的，光學(xué)沒法做到全天候全天時，這是它的弱點，但是它不需要源，它可以做得很小。我覺得還得按照我們自己的思路，把這兩個結(jié)合起來，把我們特色的雷達做出來，真的很有意義的。

李道京：第一個，關(guān)于延時的問題。用激光合成孔徑成像延時時間很短，我們?yōu)槭裁窗杨l率不斷升高，從需求上講有一個快速成像的需求。如成像制導(dǎo)，可能需要幾赫茲的圖像刷新率。我們現(xiàn)在的微波SAR有一個問題，成像時間很長，如十幾秒，十幾秒以后才能成一張高分辨率圖。但是我們?nèi)绻眉す獾脑?，就變成零點幾秒出一張高分辨率的圖像。比如說0.5秒，就變成兩赫茲圖像刷新率，就可以考慮用于成像制導(dǎo)了，這就是我們?yōu)槭裁磁Π杨l率升高的一個主要的應(yīng)用需求。從合成孔徑成像來說，你肯定飛過目標(biāo)以后才能成像，微波SAR和SAL這個延時都會有的，只不過是時間長短不同，SAL的延時很小。

第二個問題，我們?yōu)槭裁醋鲞@個事？我們不是替代光學(xué)，從技術(shù)發(fā)展的角度來說，我們應(yīng)該考慮激光成像，因為激光功率很大，它特別適合于遠距離應(yīng)用，而且能量照射區(qū)間很小，適于對重點區(qū)域和目標(biāo)觀測。我們?yōu)槭裁船F(xiàn)在做這個工作，主要想利用它功率大、波束窄這個優(yōu)點，即便不能全天候工作，下雨肯定不能用。但是你也得想，換一種應(yīng)用條件，比如在沒有大氣影響的外層空間，它的應(yīng)用機會就來了。再比如說，我們非常遠的深空探測問題，空間目標(biāo)觀測問題，假設(shè)幾何關(guān)系能定下來，我們用SAL成像的這個機會就有了，而且是主動成像。好多同志可能對主動成像和被動成像的區(qū)別不太好理解。實際上主動成像的抗干擾能力強一些，因為我可以過濾掉太陽光的背景。如果對地成像SAL能做，就有可能變成一個高數(shù)據(jù)率的SAR成像，微波做不到這個高數(shù)據(jù)率，而且得到的圖像是主動的，這可能是比較大的變化。當(dāng)然天氣不好就不要用了，只能這樣。我今天特別講了天基的10米口徑望遠鏡的實現(xiàn)問題（地基10米肯定能做），關(guān)鍵是要說明一個概念：可以用基于二元器件實現(xiàn)10米口徑。這個概念對傳統(tǒng)光學(xué)影響很大，而且它完全是用衍射來解釋的。

孫克忠：我是地質(zhì)地球所的，首先感謝李博士做激光雷達的報告。6月14號我們所搞了個沙龍，題目是空間環(huán)境跟人類的關(guān)系。在會上通過電子所林世昌老師的發(fā)言，我知道電子所是搞距地球30公里以下的部分，而我們研究所的空間是搞30公里以上的部分。這里邊有一個問題，講到太陽風(fēng)，太陽不斷地拋射高能的帶電離子，有時候集中拋射，集中一大堆物質(zhì)拋射出來了，不集中的時候也不斷地拋射高能帶電離子，就形成了太陽風(fēng)?？斓竭_地球的時候，被地球磁層擋住了，帶電的高能離子就沒有侵害到人類，但是有一部分通過折射進來了。這些東西影響到我們30公里以下人類的生活，比如說無線電通訊，導(dǎo)航等的正常運行，太陽風(fēng)集中拋射的時候，我們可能進行一些修正，避免一些數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)中產(chǎn)生誤差。激光雷達有沒有考慮到這個問題？太陽風(fēng)出來的時候，我們激光雷達可能還要正常工作，這個時候有沒有影響？

李道京：肯定有影響，關(guān)鍵是它能不能進到雷達工作的頻帶。我們主動雷達的優(yōu)點是有窄帶系統(tǒng)，通過濾波，可以把跟我頻率不一樣的干擾卸掉了。如果你進來，對我們肯定有影響，就變成我的干擾，影響我系統(tǒng)的靈敏度。第二個，激光雷達也許能探測到太陽風(fēng)，太陽風(fēng)估計對激光雷達也是有影響的。激光雷達是是主動系統(tǒng)，它提取信息時針對性很強，光譜范圍很窄。像我們現(xiàn)在波長1.5微米，其工作帶寬僅在10 GHz以內(nèi)，距離向成像分辨率都很高到厘米量級了，譜段是很窄一段，這是主動系統(tǒng)的優(yōu)點。你說的干擾這個問題肯定有，但是從抗干擾的角度來說，激光雷達也應(yīng)有對應(yīng)的措施。如果我是窄帶系統(tǒng)的話，我在信號處理里就可做濾波處理抑制干擾了。今天我給各位老師匯報的還是僅僅從簡單的激光收發(fā)來講的，實際系統(tǒng)設(shè)計中，比如說天基的激光SAR，可能要考慮把主動和被動做在一起，主被動結(jié)合后這個系統(tǒng)的應(yīng)用價值就相當(dāng)高了。SAL真正從技術(shù)實現(xiàn)到工程應(yīng)用的話，我們還有相當(dāng)長的路要走，參數(shù)指標(biāo)變化可能也相當(dāng)多，隨著技術(shù)發(fā)展設(shè)計的系統(tǒng)功能會較多。

何遠光：我問兩個問題，第一個，既然激光雷達觀測小目標(biāo)比較有優(yōu)點，能觀測到厘米級，這么好的東西為什么近十年才出現(xiàn)？2011年美國開始做實驗，我們是2017年。第二個問題，目前研究單位較多，我們目前總體水平在什么情況？

李道京：從2011年到現(xiàn)在已經(jīng)7年了，SAL的研究進展不太理想，我覺得關(guān)鍵是我們可能對這個問題的難度認識不夠。激光有幾個問題，第一就是相干性。其實做激光SAR的研究很早就做了，在2011年拿到飛機上飛了，但是在這之前的十幾年大家一直在實驗室室內(nèi)做，我們所也做了很多，關(guān)鍵問題我認為還是相干性不行，即遠距離的相干性不行，制約了它的發(fā)展。我剛才也匯報了幾個辦法，但還需實際系統(tǒng)驗證。在應(yīng)用層面我個人認為，激光SAR目前跟焦平面成像激光雷達關(guān)系還沒有說清楚。因為焦平面發(fā)展很快，成像能力已很強，激光SAR在近距離比如說幾公里應(yīng)用優(yōu)勢不明顯。我感覺第一問題還是相干性，這是個大事。從這幾家研究所工作看，是各有千秋，大家對共性問題還沒有形成共識。今天我講的技術(shù)問題已經(jīng)很深入了，光學(xué)系統(tǒng)問題是一個焦點，這個問題可能互相還需要深入交流，后面還有很多磨合的工作。大家面對的問題都是清楚的，但是對解決問題的技術(shù)途徑還有不同的看法。下面講一下跟量子雷達的關(guān)系。我覺得做量子雷達的人可考慮跟我們的思路結(jié)合問題，因為雷達目標(biāo)探測核心是能量問題，功率和口徑都要大。要遠距離探測隱身目標(biāo)，也要把口徑做上去才行。

關(guān)于后頭的工作，有三個應(yīng)用方向：第一個機載，到底有沒有必要做，面臨的是焦平面的競爭，但是我覺得很值得做。第二個，天基的，兩個方向，對地和對空目標(biāo)。第三個就是地基，地基我們還在積極推動。我覺得現(xiàn)在關(guān)鍵的問題就是我們對SAL光學(xué)系統(tǒng)要達成共識。SAL成像處理的過程主要用是電子學(xué)SAR流程，技術(shù)成熟。我個人認為，現(xiàn)在要做的研究工作也已經(jīng)不多了，比如說激光信號的調(diào)制解調(diào)技術(shù)已較為成熟，也許激光通信很快就要全改成相干調(diào)制的了。說到最后就是應(yīng)用問題，原理應(yīng)該是有共識，怎么實現(xiàn)還有分歧。我講的這些東西其實已有很多文章論述，這個事大家還是關(guān)注的不夠?；ㄟ@么大精力做這個的另一個原因就是為了反隱身，在激光波段上隱身飛機的能力失效了，由于大氣影響使激光信號衰減較大，所以我一直講應(yīng)該把口徑做上去，這個機會可能就來了。這是個人觀點。

宋家駿：隱形飛機微波看不見它，但是人的眼睛可以看見，激光SAR用激光，所以也能看見。激光SRA就是一個成像遙感設(shè)備，對SAL大氣是干擾，有人專門測大氣的。

桂文莊：我對雷達不大懂，以前老上電子所來，聽過多次介紹。今天講的這件事其實是非常好的學(xué)科交叉問題。本來光就是電磁波，微波由于波段的不同就分岔了，各走各的。大家都知道做望遠鏡也是很難的，尤其是大口徑望遠鏡，現(xiàn)在做的最大的口徑做到20米，精度要求是幾分之一的波長，這個難度是非常非常大的。但是越做越大，事情就很麻煩，幾何光學(xué)到這個程度可能走到頂了。后來發(fā)展衍射光學(xué)，它可以做得很小，有很多應(yīng)用，這方面成都光電所做得很好，他們有一個國家重點實驗室?，F(xiàn)在咱們把這些都結(jié)合起來了。原來是電子所搞電子的，光學(xué)所搞光學(xué)的，器件搞器件的，互不聯(lián)系。現(xiàn)在我們把這幾個方面學(xué)科研究的東西結(jié)合在一起，這對創(chuàng)新是非常非常重要的。我們眼界要開闊一點，你要看看別人怎么弄，學(xué)科交叉對學(xué)科的促進是很大的。今天我覺得很開眼界，李老師他們確確實實把光學(xué)和我們的電子學(xué)怎么交叉結(jié)合這件事情講得很好?，F(xiàn)在搞激光雷達出現(xiàn)了兩條不同的路線，搞光學(xué)的是光學(xué)的思路，搞電子學(xué)的是電子學(xué)的思路，我覺得這也很正常。搞光學(xué)的有很多從光學(xué)出發(fā)的想法，他們用了一些衍射光學(xué)新的東西在里頭；搞電子學(xué)的認為微波這一套東西很成熟了，把光學(xué)的東西吸收進去，把一些很重要的電子學(xué)器件和二元光學(xué)器件緊密結(jié)合，這是非常好的一種啟發(fā)。我們新的創(chuàng)新確實需要學(xué)科交叉。

另外我也感覺到，在電子學(xué)方面，我們和國際上相比還是落后的。我們許多工作都是跟在人家后面做，說到底我們還是缺乏自己的原始創(chuàng)新。這個差距我們怎么縮??？過去我們老講完成國家任務(wù)是最主要的，做出東西來能用是最重要的。但是這幾十年發(fā)展過去了，我們的東西一定要有更好更新的創(chuàng)新，我們這些老頭子沒有辦法了，年輕一代要更加努力。像剛才李老師講到激光雷達現(xiàn)在發(fā)展到了瓶頸，兩個最主要的問題，一個是相干性的問題，這個解決不好就成不好像。另外是振動的影響，激光波長短，振動影響大。剛才介紹了很多辦法，但是要更好地解決這些問題需要有一些我們自己的創(chuàng)新在里頭，要有新的思路在里頭。

其實我也很關(guān)心最近的一些事，尤其是量子雷達的事情。激光雷達在網(wǎng)上沒有什么宣傳，但是量子雷達宣傳的特別厲害。而且讓外人一看是很成熟了，感覺隱身飛機都可以看見了。我反對這種過分夸大的宣傳，把我們說得了不得了，這種風(fēng)氣要不得。我們科學(xué)院的傳統(tǒng)就是踏踏實實的，少說多做。剛才李老師有個觀點，說我光學(xué)雷達和量子雷達相比，可能在探測能力上還會更強，我覺得這件事情是非常重要的。我原來認為量子雷達的優(yōu)勢是對微弱信號的探測，我的理解可能是錯了，剛才聽李老師說，最后它要接收清楚還得靠口徑大一點，還得靠能量多一點。對于判斷光學(xué)雷達和量子雷達相比會不會有更高的探測能力，是不是還得再下點功夫，從理論上、實驗上進一步去闡明它，把它搞清楚。這個事情其實是蠻重要的，值得深入地去探討。

為了說服人們對我們工作的支持，我覺得還是要加大宣傳。不僅要宣傳我們技術(shù)成熟到什么程度，還要從應(yīng)用的角度上去說服他們，我們的技術(shù)到底有什么優(yōu)勢，我們在應(yīng)用上能夠解決什么人家解決不了的問題，或者能解決得更好。過去我們電子所工作做得很扎實，但是宣傳得不夠，以后得注意宣傳工作。另外我覺得今天這個報告非常好，技術(shù)性非常強，但是像我這樣的外行就聽得不是太懂。其實還可以講得更通俗一點，從它的應(yīng)用前景上還可以多講一些，我們這些老同志很感興趣將來的應(yīng)用。我有點事要先退席了，謝謝各位。

王庚辰：這不是一般激光雷達，合成孔徑激光雷達對快速發(fā)現(xiàn)目標(biāo)非常有優(yōu)勢，不是探測大氣，SAL有沒有嘗試放在其他的更有效的波段？

李道京：我們所主要是用1.55微米，我們選這個波長主要是因為激光通訊在1.55微米波段的成熟器件比較多。關(guān)于波長選擇，只要激光器體積小，重量輕，效率高就可以了。

洪延超：應(yīng)用前景是大家很關(guān)心的問題，原理性的東西我們也聽不懂。這個雷達和以前用的激光雷達沒有本質(zhì)上的差別，比如說對隱形飛機，地基激光雷達能夠根據(jù)圖像的形狀來判斷是不是隱形飛機，有沒有這種可能性？就像我們研究一個項目一樣，總要有一個目標(biāo)，實現(xiàn)這些目標(biāo)的難點在什么地方，需要解決什么問題，還是比較清楚的，這些問題解決以后，就能實現(xiàn)應(yīng)用目標(biāo)。

李道京：今天我們討論合成孔徑激光雷達，主要就講這件事的需求，它的優(yōu)勢在哪兒，SAL優(yōu)勢就是能遠距離高分辨率成像。相當(dāng)于可以做一個等效口徑很大的望遠鏡，這個望遠鏡的等效口徑可能是100米，現(xiàn)在30米的正在造，但是要做到100米不容易。

洪延超：地基還是可以做的，如天眼那么大，都做出來了。

李道京：對地基ISAL現(xiàn)在要把孔徑做大，我們用合成孔徑的辦法，望遠鏡的真實口徑就不要再做那么大了，一個小孔徑的如6米的就夠了。如果說想把發(fā)射功率搞小一點，就做個10米。我們合成孔徑激光雷達的優(yōu)點就是遠距離高分辨率成像。關(guān)于觀測目標(biāo)和對象，現(xiàn)在我是按照SAR的應(yīng)用方向表述的：第一，機載的；第二，星載的；第三就是地基的看運動目標(biāo)的。今天我給大家也都報告了。從應(yīng)用能力上看，激光雷達可能具備一定的反隱身目標(biāo)能力，那你為什么要用激光SAR去看呢？就是為了獲取它的影像。假設(shè)是5厘米分辨率的影像，那幾何特征就很明顯，目標(biāo)識別就容易，可以實現(xiàn)遠距離高分辨率成像觀測，這是SAL原理上的優(yōu)勢。

洪延超：需要解決什么問題很清楚，這已經(jīng)是很大的進步了。

宋家駿：目標(biāo)運動對合成孔徑成像是有利的，SAL應(yīng)可對運動飛機成像。

李道京：其實這些工作國內(nèi)外都在做，國外肯定做的更多，這些工作很有意義，這研究方向肯定沒問題。

屠乃琪：合成孔徑激光雷達有廣闊前景，運動目標(biāo)快速實時成像，哪個國家先實現(xiàn)了，哪個國家就技術(shù)領(lǐng)先。

李道京：盡管我們電子學(xué)和光學(xué)對SAL的認識上還有一些區(qū)別，對合成孔徑成像的理解深度也不太一樣，但這些工作慢慢地會溝通好的。目前要特別重視在基本原理方面的溝通工作，包括對薄膜望遠鏡的再認識。

李乃煌：我是遙感所的，這個是不是可以稱為激光遙感？

李道京：是。

李乃煌：我們所還有人在做量子遙感，你是否知道？

李道京：我們?nèi)ツ暝陂L春開激光的會，當(dāng)時會議就有報告講到量子探測，后來就說到目前量子探測的定義還不是很嚴格。大會有專家說量子探測時正常應(yīng)該僅發(fā)射幾個光子，在這個條件下討論接收這幾個光子的探測能力，才能稱之為量子雷達，對此當(dāng)時我確實有些詫異。什么是量子，實際上就是用這個界定，研究量子，實際上是要求你僅發(fā)射幾個光子。但是現(xiàn)在事實上是什么，很多人都是連續(xù)的在發(fā)射激光，然后在那兒研究單光子探測性能。今天我給大家匯報的SAL，這個工作本質(zhì)上仍然是停留在能量探測上，探測要有足夠的能量。第二，SAL探測能力將會比單光子的探測能力高兩到三個數(shù)量級，這是從理論分析上來說肯定比它高。這個道理很簡單，因為本振的存在使小信號的光電轉(zhuǎn)換成為可能了。從頻域濾波來講，SAL有本振，就變成外差探測了，就可以實施窄帶濾波，這在信號理論上也是通的。量子探測應(yīng)圍繞幾個光子做工作，SAL是連續(xù)的發(fā)射激光，兩者的區(qū)別很大。我們在SAL介紹中，主要使用微波SAR的術(shù)語表述，并明確SAL利用激光的波特性。

宋家駿：咱們成像利用的是光波，而不是量子。量子通信用的是糾纏，兩個量子是有糾纏，發(fā)兩個，那個變了這個就知道了，跟我們成像完全不是一個概念。

李道京：若按照大部分專家觀點，研究量子雷達，你只能發(fā)幾個光子，然后再研究它的傳播問題、它的和目標(biāo)相互作用問題、它的接收問題和它的探測問題。

單煥炎：我簡單舉個例子，什么叫量子通信，假如說我拿三個硬幣，每一個硬幣代表一個光子。我拿兩個硬幣在我的實驗室里制備糾纏，什么叫糾纏，比如說我這個硬幣扔上去掉在桌子上，捂住，硬幣是正面沖上還是反面沖上，不知道，打開看才知道。假如說兩個硬幣同時扔上去，掉在桌面上分別捂住，兩個硬幣正面沖上還是反面沖上，不知道，而且彼此無關(guān)，這是相互獨立的。什么叫糾纏，我兩個硬幣扔上去，捂住，這個是正面沖上還是負面沖上，不知道，只有打開才知道。如果我打開其中一個是正面沖上，我斷定另一個硬幣肯定是負面沖上，這就叫做糾纏。這個糾纏怎么做，就是在實驗室里做，我在實驗室里要制備兩個光子糾纏，糾纏了之后，我把其中一個光子留在我這兒，把另一個光子發(fā)射到衛(wèi)星上去，然后我再拿第三個攜帶著信息的光子跟我實驗室的這個光子進行組合測量，測量之后，把這個測量的數(shù)據(jù)再發(fā)射到衛(wèi)星上去，在衛(wèi)星上把它接收的測量數(shù)據(jù)再跟前面接收到的光子進行組合測量，在衛(wèi)星上的那個光子最后就坍塌成為我所攜帶信號的這個光子的狀態(tài)，把信號就帶到衛(wèi)星上去了。所謂量子通訊，我攜帶信號的光子沒有發(fā)射到衛(wèi)星上去，通過糾纏光子的組合測量，使衛(wèi)星上的光子塌縮成為實驗室的攜帶信息的光子的狀態(tài)。

楊汝良：今天，聽了李道京研究員的報告，學(xué)到了很多激光合成孔徑雷達技術(shù)發(fā)展的新動態(tài)，包括激光合成孔徑雷達的相干性、激光相控陣天線、激光SAR分辨率、運動補償、經(jīng)典光學(xué)與衍射光學(xué)在激光合成孔徑雷達的應(yīng)用、機載、星載、地基激光合成孔徑雷達應(yīng)用前景等。激光合成孔徑雷達技術(shù)取得的這些新進展，值得祝賀。 電子所發(fā)展合成孔徑雷達技術(shù)已經(jīng)40多年。頻段上，完成了L、S、C、X、KU、KA等各種頻段的合成孔徑雷達，分辨率從10m到5m、1m、0.5m、0.3m、0.1m。完成了機載、無人機載、星載合成孔徑雷達系統(tǒng)研制，正在進一步發(fā)展高分辨率、 極化、干涉、雙星、雙天線、高分辨率寬測繪帶、運動目標(biāo)檢測等合成孔徑雷達新技術(shù)。電子所從微波合成孔徑雷達向光學(xué)合成孔徑雷達發(fā)展，有三條路徑：激光合成孔徑雷達、太赫茲合成孔徑雷達、微波光子合成孔徑雷達。從微波向光學(xué)發(fā)展，頻段是從低頻向高頻發(fā)展。光學(xué)向微波發(fā)展，是從頻率高端向低端發(fā)展。這種碰撞將會產(chǎn)生新概念和新理論。經(jīng)典光學(xué)、衍射光學(xué)的應(yīng)用，將會產(chǎn)生新的成果。中科院空天信息研究院成立，電子所、光電院、遙感所涉及激光的研究隊伍將進一步整合，希望在機載、星載、地基激光合成孔徑雷達技術(shù)研究中，凝練目標(biāo)，優(yōu)選有顯示度的題目，不斷創(chuàng)新，做出新的貢獻。

楊汝良：激光合成孔徑雷達圖像質(zhì)量指標(biāo)體系與微波合成孔徑雷達圖像質(zhì)量指標(biāo)體系有沒有新的區(qū)別？

李道京：其實人家光學(xué)影像的評價跟我們SAR有些不太一樣，SAL出來的圖就是和光學(xué)影像接近的，因為波長一樣。SAL的圖像評估方法應(yīng)結(jié)合SAR的和光學(xué)影像的，我認為最后兩者評價方法是能趨同的。光學(xué)也有圖像信噪比指標(biāo)，其定義是圖像中亮度較高區(qū)域的灰度均方差和均值之比，這和SAR圖像的信噪比定義不同。

林世昌：今天的沙龍就到這里，謝謝大家。