中科院量子光学重点实验室

研究方向1:激光强度关联成像雷达技术及应用

更新时间:2020-09-01 【打印】 【关闭

 本研究方向学术带头人:龚文林“青年特聘”研究员

1)研究队伍情况

    课题组瞄准激光强度关联成像雷达系统的长期发展目标,目前建立了一支以工程应用为主、应用基础研究为辅的研究队伍,初步形成了顾全大局、协同攻关、集成创新、敢于拼搏、和谐相处的科研生活氛围和合理的激励机制。课题组的团队建制和任务分工如下:

    技术顾问:韩申生研究员

    课题组长:龚文林“青年特聘”研究员 (系统总体方案论证、设计及原理验证)

    课题副组长:陈明亮副研究员(系统工程及集成)

    课题组员:

    薄遵望助理研究员(系统测试及外场试验)

    高昕助理研究员(电子学设计及调试)

    邓陈进助理研究员(系统全链路仿真及定量评价)

    王成龙博士后(光学设计及装较)

    在读博士研究生:梅笑冬、潘龙、王鹏威、李育亮

    在读硕士研究生:李宜泽

 

      龚文林,“青年特聘”研究员,博士生导师。曾先后入选中科院青年创新促进会会员(2013)、首批上海光机所青年特聘研究员2014)、嘉定区青年领军人才(2015)、中科院青年创新促进会优秀会员(2017)。一直从事强度关联成像技术研究,近来年先后主持承担了国家预研、国家863计划、国家自然科学基金等项目10余项。提出了基于强度关联成像原理的新型激光成像雷达,实现了激光关联成像雷达技术从原理方案验证、关键技术攻关到机载演示验证的全链路创新研究。自主研制了国际上首台机载激光三维关联成像系统,实现了单像素凝视三维成像并演示了一定程度上改善大气湍流、穿烟雾、抗背景光影响以及超分辨成像的能力。发表SCI论文50余篇,他引900余次,获授权发明10余项。目前担任上海市科委量子领域专家组成员、中国光学工程学会委员、上海市激光学会青年委员会委员、国家重点研发计划评审专家,长期担任OSA/AIP/APS等系列的SCI期刊审稿人。

课题组荣获“2019年度上海市科技系统青年突击队”称号

 

2)研究方向简介

      基于光场的高阶关联特性,发展了一种全新的激光凝视成像雷达体制。激光强度关联成像技术利用具备时间分辨能力的单像元探测器记录目标返回的强度信息与主动调制的二维时空涨落强度分布信息进行关联运算,可获取目标的距离、速度、以及表面三维强度分布,具备单像素三维成像、超分辨、一定程度上穿烟雾的能力。该技术有望满足光学载荷在远距离、高分辨、全天时、高维信息以及环境适用性强等方面的发展需求,形成地基、航空以及星载平台的激光强度关联成像雷达系统,解决现有光学探测手段在远距离目标探测及识别、热点地区连续监视等面临的瓶颈问题,大幅度提升我国遥感成像技术水平,该技术在高分辨三维对地观测、突发性灾害监测、城市动态变化监测、汽车自动驾驶、材料表面三维面型检测等领域有着重大应用前景。

激光关联成像雷达基本原理

激光关联成像雷达与传统激光雷达的对比

 

3)课题组简介

      课题组是国际上第一个从理论上证明热光场可以进行强度关联成像的研究小组之一(2004 国际上第一个提出激光关联遥感成像方案(2009 国际上第一个演示激光关联成像技术可以穿烟雾、热浪能力(2012 ,国际上第一个研制出静态激光三维关联成像原理样机并完成演示实验(2013 ,国际上第一个研制出机载激光三维关联成像试验样机并完成机载试验(2016 ,国际上第一个演示多个动目标同时探测与成像(2018 ,实现了激光强度关联成像雷达从原理验证到关键技术攻关再到演示验证的全链路创新性研究。在激光三维关联成像雷达研究一直处于国际前列水平,得到MIT Technology Review、文汇报头条、 新浪网等专门报道,多次入选国家科技成就展和国家项目科技成果展。关于激光强度关联成像雷达,我们的工作被写入《Quantum Metrology, Imaging, and Communication》一书。

      课题组近五年来先后承担预研项目1项、国家863计划6项、面上项目1项、产学研项目1项、人才项目3项;开发横向课题若干项。近五年来在Scientific ReportsApplied Physics LettersOptics Letters等期刊上发表SCI学术论文25篇,在光学学报、中国激光等期刊上发表EI论文4篇且均被评为“优秀论文”,授权发明专利3项。

      近五年来该方向培养博士研究生4名,硕士研究生6名。其中获国家奖学金1人次、中科院院长奖1人次、上海光机所奖学金12人次、优秀毕业生2人次。近五年来该方向毕业生有3位博生生留所工作,其他先后去GEIBM、航天科工、上海专利局等单位参加工作。

4  课题组总体简况

 

4)主要研究进展及国内外评价

      课题组自从2005年开展了激光强度关联成像理论研究,目前基本建立了激光强度关联成像雷达全新成像体制的理论框架和应用体系。国际上率先提出了适合遥感探测的关联成像雷达方案【Appl. Phys. Lett. 95, 071110 (2009)Phys. Lett. A 375, 990-993 (2011)】;首次演示了远距离真实大气环境下的高分辨激光关联成像试验【Appl. Phys. Lett. 101, 141123 (2012)】和自然场景目标激光三维强度关联成像试验【arXiv1301.5767[quant-ph]Scientific Reports 6, 26133 (2016)】,部分研究成果已得到了文汇报头版头条、中国科学报、全球最新技术网站“MIT技术评论”、新浪等媒体的专门报道。而美国陆军实验室20141月在美国国防系统网站上报道了与我们类似的试验结论【http:// defenseSystems.com/articles/2014/01/06/arl-quantum-ghost-imaging.aspx】。2016年底,又率先研制出机载激光三维关联遥感成像试验样机,完成了1km机载对地三维成像演示实验【Remote Sens. 8, 991 (2018)】,验证了该技术在高分辨星载对地观测的可行性;得到了科技部的专门报道且入选2018年度科技部军民融合展。从国际上公开披露的有关信息来看,本课题组是目前国际公开报道中实现激光关联成像最远距离的研究小组,同时在激光关联成像的研究工作一直保持在国际前沿水平。

      首次将图像的稀疏先验与关联成像结合起来,实验验证了超系统衍射极限5倍以上的超分辨远场关联成像能力【Scientific Reports, 5, 9280, (2015)《入选2015年度Scientific Reports被引次数前100名》, Phys. Lett. A, 376, 1519-1522 (2012)】,为以后的高分辨遥感成像技术和高分辨显微成像技术的应用提供了理论依据。

      率先将激光关联成像从直接探测体制发展到相干探测体制,提出了啁啾调幅脉冲压缩激光关联成像技术,理论和数值模拟验证了强背光条件下三维成像和高精度测速能力,可有效解决强背景光干扰、隐秘探测以及传统激光雷达系统的距离-速度耦合问题,甚至有望实现微多普勒成像【Opt. Express, 24, 25983-25994 (2016)Photon. Res., 5, 431-435, (2017)】。

      率先从理论和实验论证了利用关联成像技术可以大幅度提高散射介质的成像质量【Opt. Lett. 36, 394-396 (2011)】,为在“准全天候”条件下工作的激光关联成像雷达和光学生物软组织成像奠定了基础;开展了基于稀疏限制的多点接收关联成像理论【JOSA A, 29, 1571-1579 (2012)Appl. Phys. Express 7, 102501 (2014)】、稀疏变换提高关联成像图像重建质量【Opt. Lett. 37, 1067-1069 (2012)】,基于线性关联成像的散斑场优化及可预置赝热光源【J. Opt. 065703 (2016),光学学报, 35, 0711005 (2015)《先后入选《光学学报》2015年度第7期“优秀论文”和2015年度F5000中国中国精品科技期刊顶尖学术论文》,中国激光,43, 0710003 (2016)】,为实现实时的关联成像技术提出了有效的方案;率先开展了运动目标关联成像理论和实验研究【Appl. Phys. Lett. 102, 021111 (2013) Photon. Res. 3, 153-157 (2015)】、基于光子计数的关联成像实验研究【中国激光,43, 1104001 (2016) ,入选《中国激光》2016年第11期“优秀论文”】和基于多路并行探测的单光子关联成像理论和数值模拟研究【光学学报,390511001 (2019),入选《光学学报》2019年第5优秀论文】,为以后的机载关联激光三维成像雷达的系统研制和高速运动目标成像提供了理论依据和技术支撑。

5  不同表达基下对“中”环的重建结果。(a)原始目标;(bGI的重建结果;(c)笛卡尔表达基下得到的GISC重建结果;(d)原始目标的离散余弦变换系数;(e)离散余弦表达基下得到的GISC重建结果。(Scientific Reports, 5, 9280, (2015)

6  基于正交结构特性的三维关联成像雷达重建结果。(a)原始目标;(b)图(a)中的部分切片图像;(c)和(d)为基于正交结构特性所重建图像的投影图和3D显示图;(e)和(f)分别为采用和不采用基于正交结构特性所重建的若干个对应切片图像。(Opt. Express 23, 14541-14551 (2015)

探测距离560m的塔顶静态三维关联成像雷达实验结果。(a)目标时间分辨回波信号;(b)原始目标;(c)三维重构结果;(d)三维重构结果在x-y平面的投影图像;(e-j)分别为图(a)中所标示的1-6回波位置所对应的层析结果。

Three-dimensional ghost imaging lidar via sparsity constraintScientific Reports6, 26133 (2016)

8  飞行高度1040m激光三维关联成像机载实验结果。(a)阎良机场;(b)运12型运输机;(c)载荷排布结构图;(d)载荷主体;(e)三维靶标;(f)关联成像结果。(First experimental demonstration of NIR Airborne 3D GISC Lidar, AOPC2017, 2017.6 《王成龙做报告,大会优秀Oral

 

9  可用于原理演示或教学的激光关联成像实验装置(550×400×200mm 

10  基于DMD的远距离主被动双用型计算成像试验样机(700×450×200mm

 

11  车载/机载激光三维关联成像试验样机(660×604×646mm

 

12  MIT Technology Review对我们工作的评价

13  新浪网对我们研究成果的报道

14  文汇报头版头条对我们研究成果的报道

15  科技部对我们项目成果的报道

 

16  多次入选国家科技创新成就展和科技部项目成果展

17  青海外场试验期间日常生活及节假日趣事剪影

  18  荆门球载试验和西安机载试验剪影

附:近五年来发表SCI论文及授权发明专利情况

1)发表SCI论文

1) Zijie Li, Qing Zhao, and Wenlin Gong, Experimental investigation of ghost imaging in background light environments, Journal of Optics, 22, 025201 (2020).

2)Zunwang Bo, Wenlin Gong, and Shensheng Han, Focal-plane three-dimensional imaging method based on temporal ghost imaging: a proof of concept simulation   Journal of the Optical Society of America A, 37, 417-521 (2020).

3)Xiaodong Mei, Chenglong Wang, Yami Fang, Ting Song, Wenlin Gong and Shensheng Han, Influence of the source’s energy fluctuation on computational ghost imaging and effective correction approaches, Chinese Optics Letters, 18, 042602 (2020).

4)Heyan Huang, Cheng Zhou, Wenlin Gong, and Lijun Song, Block matching low-rank for ghost imaging, Optics Express, 27, 38624-38634 (2019).

5)Cheng Zhou, Tian Tian, Chao Gao, Wenlin Gong and Lijun Song, Multi-resolution progressive computational ghost imaging, Journal of Optics, 21, 055702 (2019)

6)Shuang Ma, Zhentao Liu, Chenglong Wang, Chenyu Hu, Enrong Li, Wenlin Gong, Zhishen Tong, Jianrong Wu, Xia Shen, and Shensheng Han, Ghost imaging LiDAR via sparsity constraints using push-broom scanning, Optics Express, 27, 13219-13228 (2019)

7) Shensheng Han, Hong Yu, Xia Shen, Honglin Liu, Wenlin Gong and Zhentao Liu, A Review of Ghost Imaging via Sparsity Constraints, Applied Science 8, 1379 (2018).

8) Cong Yue, Ping Chen, Xiaofeng Lv, Chenglong Wang, Shuxu Guo, Junfeng Song, Wenlin Gong, and Fengli Gao, Object reconstruction using the binomial theorem for Ghost Imaging, IEEE Photonics Journal, 10, 3901713 (2018).

9)Chenglong Wang, Xiaodong Mei, Long Pan, Pengwei Wang, Wang Li, Xin Gao, Zunwang Bo, Mingliang Chen, Wenlin Gong, and Shensheng Han, Airborne Near Infrared Three-Dimensional Ghost Imaging LiDAR via Sparsity Constraint, Remote Sensing, 10, 732 (2018).

10) Han Wu, Chenglong Wang, and Wenlin Gong, Ghost imaging via sparse structured illumination source, Optics Express, 26, 4183-4191 (2018).

11) Pengwei Wang, Wei Li, Chenglong Wang, Zunwang Bo, and Wenlin Gong, Super-resolution imaging via sparsity constraint and sparse speckle illumination, Chinese Physics B, 27, 074202 (2018).

12) Xiaofeng Lv, Shuxu Guo, Chenglong Wang, Chao Yang, Hongwei Zhang, Junfeng Song, Wenlin Gong, and Fengli Gao, Experimental Investigation of Iterative Pseudo-inverse Ghost Imaging, IEEE Photonics Journal, 10, 3900708 (2018).

13) Chenjin Deng, Long Pan, Chenglong Wang, Xin Gao, Wenlin Gong, and Shensheng Han, Performance analysis of ghost imaging lidar in background light, Photonics Research, 5, 431-435 (2017).

14) Zhan Lei, Chunfang Wang, Dawei Zhang, Luxiao Wang, and Wenlin Gong, Second-Order Intensity-Correlated Imaging Through the Scattering Medium, IEEE Photonics Journal, 9, 7500207 (2017).

15) Wenlin Gong, Chengqiang Zhao, Hong Yu, Mingliang Chen, Wendong Xu and Shensheng Han, Three-dimensional ghost imaging lidar via sparsity constraint, Scientific Reports, 6, 26133 (2016).

16) Wenlin Gong, Hong Yu, Chengqiang Zhao, Zunwang Bo, Mingliang Chen and Wendong Xu, Improving the Imaging Quality of Ghost Imaging Lidar via Sparsity Constraint by Time-Resolved Technique, Remote Sensing, 8, 991 (2016).

17) Chenjin Deng, Wenlin Gong, and Shensheng Han, Pulse-compression ghost imaging lidar via coherent detection, Optics Express, 24, 25983-25994 (2016).

18) Chao Yang, Chenglong Wang, Jian Guan, Chi Zhang, Shuxu Guo, Wenlin Gong, and Fengli Gao, Scalar-matrix-structured ghost imaging, Photonics Research, 4, 281-285, (2016).

19) Wenlin Gong, Correlated imaging for a reflective target with a smooth or rough surface, Journal of Optics, 18, 085702 (2016).

20) Chenglong Wang, Wenlin Gong, Xuehui Shao and Shensheng Han, The influence of the property of random coded patterns on fluctuation-correlation ghost imaging, Journal of Optics, 18, 065703 (2016).

21) Zunwang Bo, Wenlin Gong, Enrong Li, and Shensheng Han, Motion de-blurring by second-order intensity-correlated imaging, Chinese Optics Letters, 14, 070301 (2016).

22) Wenlin Gong, and Shensheng Han, High-resolution far-field ghost imaging via sparsity constraint, Scientific Reports, 5, 9280 (2015).

23) Wenlin Gong,Photonics Research, 3, 234-237 (2015).

24) Xiaohui Li, Chenjin Deng, Mingliang Chen, Wenlin Gong, and Shensheng Han, Ghost imaging for an axially moving target with an unknown constant speed Photonics Research, 3, 153-157 (2015).

25) Hong Yu, Enrong Li, Wenlin Gong, and Shensheng Han, Structured image reconstruction for three-dimensional ghost imaging lidar Opt. Express 23, 14541-14551 (2015).

2)授权发明专利

1)  薄遵望龚文林,韩申生,陈明亮,基于时间关联的三维成像装置和成像方法,ZL201710000722.02019-05-17授权)

2)  李望韩申生龚文林陈明亮高昕薄遵望,基于多路半导体激光器的主动关联成像光学系统,ZL201710527101.8 2019-08-13授权)

3)  韩申生,薄遵望龚文林,强度关联复值目标成像装置,ZL201210585916.92015-05-13授权)