国产激光雷达技术获突破可探测数百公里外目标

导读:一篇题为《“南大眼”再立新功——张蜡宝、康琳、吴培亨团队超导阵列单光子探测器取得新进展》的文章,文中称,从中国电科十四所某试验外场传来消息,超导单光子激光雷达系统,实现了对低空大气层中数百公里外目标的实时跟踪探测,展现了超导单光子探测器的强大应用潜力。

10月9日的南京大学官网,在其首页的科研动态头条,发布了一篇题为《“南大眼”再立新功——张蜡宝、康琳、吴培亨团队超导阵列单光子探测器取得新进展》的文章,文中称,从中国电科十四所某试验外场传来消息,超导单光子激光雷达系统,实现了对低空大气层中数百公里外目标的实时跟踪探测,展现了超导单光子探测器的强大应用潜力。

看到这里,也许有人会提出疑问,激光雷达能实现对低空大气层中数百公里外目标的实时跟踪探测?

从原理上讲,激光雷达属于光学探测手段,在大气层里受到影响比较严重,以前探测大层内飞机的距离都比较短,这次竟然达到了数百公里,太不可思议了。

注意报道中提到的中国电科十四所,而这次的激光雷达全称为“超导阵列单光子探测器”,说到这里,不知道大家还记不记得,2018年珠海航展上中国电科十四所曾展出过一种量子雷达,当时曾引起不小的轰动。

其实,这次的超导单光子激光雷达成功实现了对数百公里外移动小目标的实时跟踪探测,就是之前中国电科十四所量子雷达技术的应用。

所谓量子雷达,是对发射雷达信号返回的信号,进行单个光子(量子化)的处理和分析,从而获得目标信息的技术。雷达探测,最重要的就是如何准确解读出回波中含有的目标信息,信号处理就是解读信息的手段,手段越先进,信号解读越准,雷达探测能力自然就会越高。通过量子雷达创新信号处理方式,该雷达的探测能力相比传统体制雷达,有了本质的提升。

量子雷达有两个显著优点,第一是带宽可以做到很大,对于雷达而言,带宽越大,雷达分辨率就越高,十四所研制的量子雷达样机,在试验中将分辨率提高了一百倍。而带宽大,同时也具备抗干扰能力强的优点。

其次,量子雷达对于单光子的信号处理特点,非常利于反隐身目标,众所周知隐身目标是通过吸收和散射折射削弱雷达回波信号来实现隐身的,但量子雷达的特性使得雷达对削弱的回波信号解析解读能力大大增强,这对于隐身战机目标而言是致命的威胁,意味着它的隐身手段将失去作用!

而就在今年9月份,同样是南京大学的超导纳米线单光子探测团队,他们研制的超导纳米线单光子探测器(SNSPD),其实就是前面提到的新型激光雷达,在应用方面取得新进展。值得一提的是,该核心探测器的芯片制备工艺全部在南京大学微制造与集成工艺中心完成。

注意当时的报道中配了一张图,一看就知道这是探测隐身飞机的试验。

另外,在此之前中国电科十四所在试验中曾实现量子雷达样机132公里的远程探测,创造了这一领域的世界纪录。只不过如今这一纪录又被打破了,达到了数百公里。

能取得如此的成绩,离不开南京大学科研团队的努力。南京大学超导电子学研究所青年长江学者张蜡宝教授,博士研究课题就是超导单光子探测技术,在吴培亨院士的指导下与团队成员一起攻克了探测器芯片和系统的全部关键技术,于2008年研制出我国第一个超导单光子探测器。经过多年的不懈努力,探测器的性能指标不断提高,从单元器件到阵列芯片,光学口径从9微米到300微米,仪器系统的整体技术水平达到国际先进,部分指标达到国际领先。

由于光子是光的最小能量单元,具备单光子灵敏度的雷达系统可将激光雷达系统的性能发挥到极致。在单光子激光雷达系统的研究上,该团队与中国电科第十四所携手合作多年。针对低空大气衰减和湍流等复杂环境下,远距离目标高精度探测难题,团队为单光子雷达系统,最新研制了高灵敏、高精度、高速率的超导阵列单光子探测器,并在今年9月的外场试验中,大幅度提高系统灵敏度和抗环境杂散光能力,成功实现了数百公里外移动和固定小目标的实时跟踪探测。


2017年,利用仪器的光子数分辨功能,通过光子编码技术,大幅度提高了系统的抗背景光干扰能力,解决了复杂气象环境下、长距离目标探测难题。在黄海海域的海面目标探测实验中,实现了70公里范围内的穿透云、雾等测量。

除了探测大气层内的海陆空目标之外,这种新型的激光雷达系统真正的用武之地应该是在中高层大气或者太空。既然现在低层都能看几百公里,说明更高就可以更远。

也就是说,这种新型雷达系统,不仅要看大气层内的低空隐身目标,还要看中高层大气层高速来袭目标,从原理上来讲,目前各国争相研发的高速声速导弹、水漂弹等,都是它将来要探测的目标。

只需要从地基变为空基(机载),新型激光雷达的视野将更加开阔!

另外,在和平利用外太空方面,这种新型激光雷达系统也能发挥重要作用。例如,2015年以来,针对国家战略需求,该团队与云南天文台等单位合作,将大口径超导阵列单光子探测系统应用到空间碎片的探测研究中,成功探测到2千公里轨道上,0.04平米的空间碎片,填补了我国小空间碎片高精度探测的空白。再比如,2019年,该团队与中山大学等单位合作,首次将高时间精度超导阵列单光子探测器用于40万公里的地月激光测距中,成功测得了月球表面上五组反射镜的回波信号,且精度达到国际先进水平。

由于光子是光的最小能量单元,具备单光子灵敏度的雷达系统可将激光雷达系统的性能发挥到极致。在单光子激光雷达系统的研究上,团队与中国电子科技集团公司第十四研究所携手合作多年。针对低空大气衰减和湍流等复杂环境下,远距离目标高精度探测难题,团队为单光子雷达系统,最新研制了高灵敏、高精度、高速率的超导阵列单光子探测器,并在今年9月的外场试验中,大幅度提高系统灵敏度和抗环境杂散光能力,成功实现了数百公里外移动和固定小目标的实时跟踪探测。图(1)是单光子激光雷达探测170多公里外山峰的三维重构图像。


图(1) 远距离山坡激光雷达图像

超导电子学研究所青年长江学者张蜡宝教授,博士研究课题就是超导单光子探测技术,在吴培亨院士的指导下与团队成员一起攻克了探测器芯片和系统的全部关键技术,于2008年研制出我国第一个超导单光子探测器。经过多年的不懈努力,探测器的性能指标不断提高,从单元器件到阵列芯片,光学口径从9微米到300微米,仪器系统的整体技术水平达到国际先进,部分指标达到国际领先。

2015年以来,针对国家战略需求,与云南天文台等单位合作,将大口径超导阵列单光子探测系统应用到空间碎片的探测研究中,成功探测到2千公里轨道上,0.04平米的空间碎片,填补了我国小空间碎片高精度探测的空白。2017年,利用仪器的光子数分辨功能,通过光子编码技术,大幅度提高了系统的抗背景光干扰能力,解决了复杂气象环境下、长距离目标探测难题。在黄海海域的海面目标探测实验中,实现了70公里范围内的穿透云、雾等测量。2018年Science综述论文(Science 17 Aug 2018: Vol. 361, Issue 6403, eaat2298, DOI: 10.1126/science.aat2298) 在引用中做了这样评述:(该工作)证实在有雾条件下的长距离光子探测的可行性。

2019年,与中山大学等单位合作,首次将高时间精度超导阵列单光子探测器用于40万公里的地月激光测距中,成功测得了月球表面上五组反射镜的回波信号,且精度达到国际先进水平。2020年初,团队与中国科学院深圳先进技术研究院合作,基于该高精度超导单光子探测器研制出近红外二区荧光寿命共聚焦成像系统,首次在近红外二区波段实现三维多色荧光寿命成像。此外,团队研制的超导单光子探测器还在卫星激光测距、量子信息、激光通信等多个领域实现应用。


图(2) 南京大学研制阵列超导单光子探测器芯片

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