有源电光传感技术的展望

admin

有源电光传感系统利用激光发射的传输光场与远处物体相互作用，接收系统检测带有物体信息的散射光。因此，有源电光传感系统类似于微波雷达系统，不同点在于可以工作在电磁波谱的可见光和红外区域。由于可见光和红外的波长较短，有源电光系统比雷达系统具有较高的角度分辨率和精度范围。与无源电光系统相比，又具有控制照明的优势，例如，控制照明可以使有源电光传感系统在白天或者夜间在短波段工作，又可以很好地控制阴影效应。因此，有源电光传感系统与微波雷达相比具有良好的分辨率，与无源电光系统相比有照明优势。
这些功能结合在一起使得其应用于新型独特的可操作重要商业、军事和情报领域。一个理想应用的例子是与雷达影像相比其提供的影像更接近于人眼观察到的影像，但是在距离方面又远远超过了无源电光感应系统。三维地图是有源电光传感的一项重要商业和军事应用，其提供的关键信息是现有替代技术所不能提供的。预计有源电光传感测量提供的全球性、三维数据库将会支撑民用、商用和军用需求的各种类型的组织地理空间信息。有源电光传感系统潜在的科研、商业、军事转型应用是来自太空的风向和速度的精确映射，使天气预报更加准确，为飞机提供更高效的飞行路线，提高远程武器的精确度。另外一个实例是物美价廉的3D图像为引导无人驾驶汽车或控制机器人提供必要的信息。有源电光传感非常适合高敏感振动检测，可以判断功率是否流过变压器或液体是否流过管道或远程遥控车载多少液压缸以及是否需要补给。
下面节选委员会给出的主要结论和建议：
结论1-1：有源电光传感利用照明控制实现无源电光传感无法实现的测量。利用照明控制包括其相干特性。
结论1-2：有源电光传感提供了许多雷达具有的控制照明优势，工作在更短波段，更大范围精度和角分辨率以及更多的文字可解释性。
结论2-18：有源电光传感有望显著改变商业、军事和情报业务，正如雷达在过去七十年所作的贡献。
传统雷达和有源电光传感之间的接近类比可以作为有源电光传感发展路线的指南。雷达作为第二次世界大战发明的改变游戏规则的技术，现在已经非常成熟，以新颖方式客服了各种限制，激增了范围更广的军事和商业应用。雷达开发出来的很多种技术都与有源电光传感相类似，如先进波形合成孔径成像渐渐地被有源电光传感所应用。
光学有源电光传感有两种主要类型：1)直接检测，直测量返回信号的强度；2)外差或相干检测，测量返回信号的电磁场，包括相位和强度。直接检测可以生成类似于无源电光传感的传统二维灰度图像，而有源电光传感产生的二维灰度图像可以提高额外的自由度，类似于无源电光传感的增强功能，也就是说，增强偏振度、颜色、时间调制。不同点在于有源传感器使用照明控制(定时、波形、频谱特性、偏振等)，受控照明的一种结果是利用光速测量距离，利用时钟测量往返时间，这样很容易创建一个区域的3D图像，如图1所示。

相同的时钟可以控制检测器的开关，因此，只有物体附件范围的后向散射被观察到，也就是说在能力范围内解决目标，只要足够照明达到目标并返回到传感器，范围内输出干预散射。在目标前/后消除散射和混乱是有源电光传感的一项重要功能(如图2所示)。

虽然有源电光传感传输的光子不是免费的为系统增加了复杂度，但是其优点在于只要你愿意投入就可以得到尽可能多的光子。在实际探测中没有阴影，传感器到任何一点的有源电光成像都有视线接触。
通常，有源电光传感技术利用的光具有窄波长带，从粗糙表面的不同部分干涉窄带散射光在接收端产生的光区和暗区称为斑点。斑点是很多有源电光传感应用的噪声源，但斑点又携带了很多可以被利用的目标信息。表面散射和体散射物体都是有益的。有源电光传感有着广泛的体散射应用，如感知风力、气溶胶、化学和气体生物云。体散射和表面散射也适用于水下。委员会发现组成有源电光传感的所有器件，包括系统架构以及与有源电光传感相关的现象论成为了重大任务。
外差检测又称相干检测，利用本地振荡器输出激光脉冲的抽样，拍打返回信号来测量相位和强度。相干检测甚至可以测量与振动物体相关的多普勒频移，这种技术也称为激光vibrometry。合成孔径技术，如合成孔径激光雷达(SAL)和多输入多输出(MIMO)技术，也采用相干方法，因为他们需要捕获整个光瞳平面的抽样，包括光瞳平面相位和强度。
随着感应模式的快速发展，有源电光传感的组件，如激光器、探测器、光学元件及其加工也日趋完善。委员会预计在未来十年会不定期开发新型不可预知的应用领域，它还预测受各种需求的驱动，将会引领全球开发此项技术。有机电光传感是一个巨大的研发领域并且在欧洲、亚洲和美国有广阔的应用范围。以中国为例，受严重空气污染影响，该国会很自然投资开发有源电光传感设备来测量空气污染参数。美国在开发军事应用领域的有源电光传感系统是处于世界领先地位的。然而，重要的电光技术是在全球范围内开发的。例如，大多数的商业绘图和测量系统都是在美国以外生产的，所有的DARPA大型挑战(2004~2005)无人驾驶车辆所用系统都是由德国SICK公司生产制造的，因为该公司提供的产品成本比较低实用性比较强。具有文献记载，欧洲已经证实在各种军事有源电光传感器方面有很强的能力。许多外贸型器件激光器和探测器技术在商业和高端有源电光传感方面比美国同行更加先进。
无论是商业领域还是军事领域，复杂系统都需要时间和资源来开发。仅为军方开发系统需要大量资源。而商业部门可以为巨大的商业利益承担开发有源电光传感的商业成本。批量制造可以大大降低生产成本。廉价、大容量系统使有源电光传感的自动化应用成为游戏规则改变者。
结论2-16：有源电光传感的商业应用将变得更为广泛，大大提高有源电光传感的使用率从而大大降低成本。
结论2-17：机器人，如自主车辆导航，很可能成为有源电光传感技术的重要商业和军事应用。
结论2-19：大多数用于军事和安保应用领域的有源电光传感器都可以分成两类：(1)廉价商用设备适应军事应用，或(2)为军事应用开发独特的有源电光传感系统。第一类适用于非国家行动或资源贫乏国家，第二类仅适用于有大量资源国家。
高性能、专业化的有源电光传感设备和系统需要大量投资开发解决重要的工程难题，还需要持久地部署筹备时间到现场实际系统。开发和维持大型基础设施相关技术是昂贵和费时的。
结论2-20：高端有源电光传感器的开发项目涉及可观测活动或者这些方案正在执行的指标。
结论2-21：广泛的商业可利用性为竞争对手以有限资源进入有源电光传感技术市场提供了便利条件。
推荐2-1：分析师评估技术发展状态，预测军事重要应用发展时间表。
最后一点，美国对使用其传感器规定了某些特定的标准，例如，美国将不会部署使人致盲的传感器系统，在通常的交战进攻规则下，美国也不允许不负责任的决策者做出的无人攻击决定。如果一个国家或非国家组织对电光传感装备武器系统强加的道德或政策限制很少的话，利用有源电光传感将会是一项技术突破。
建议1-1：为避免技术突袭的可能性，美国情报界会考虑有源电光传感技术的所有应用，包括美国道德和政策不允许的情况。
总结思考和总体结论及建议
在激光照排、宽带敏感探测器、快速数据处理方面取得的最新进展相结合使有源电光传感检测在测绘、定位、自控机器人、环境监测、气象预报和情报搜集领域取得革命性的进步。该委员会的任务是将这些领域的有源电光传感集中在可以为美国国家安全创造出技术奇迹上，委员会得出了一下总体结论和建议：
总体结论：有源电光传感技术是一项新兴技术，设计领域广泛，包括情报、军事、科学和商业领域。它有可能改变这些领域的平衡，因此也提高了其他国家研究开发有源电光传感技术的兴趣，美国暂时处于领先地位，但是在某种情况下美国也不是领导者。
总体建议：美国情报届应该积极跟踪全球使用开发有源电光传感技术情况，美国也应该积极开发有源电光传感技术。