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南航大“黑科技”为自动驾驶安上“智能眼”

 2018-11-29 来源:民航资源网 作者:王伟 任博文  [投稿排行榜]
2018-11-29 16:52:08

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南航大“黑科技”为自动驾驶安上“智能眼”

  图:南航大微波光子学课题组正在进行项目试验

  民航资源网2018年11月29日消息:近日,南京连续的雾霾天气给人们的出行带来了极大的困扰,尤其是在能见度不足50米的夜间驾车行驶,危险性很大。当你几乎要趴在方向盘上才能看清前方的路时,你是不是特别渴望在未来拥有一架无人驾驶汽车,能够安全地将你送到目的地?

  近日,在北京举办的首届“雷达在哪里”的高峰论坛上,南京航空航天大学潘时龙教授作大会专题报告,首次公开发布了认知微波光子成像雷达原型验证系统及演示视频,该项技术有望对应宽带雷达易受干扰的难题,使得雷达更加智能化,为成像雷达在无人驾驶、无人机、自主机器人等领域的应用取得技术基础。

  图:课题组成员正在连夜进行认知微波光子成像雷达的实验  

  微波光子雷达为智能装置安上“透视眼”

  人类获取周边图像的技术主要分为光学成像和微波成像两种,相机、激光雷达等光学成像装置是目前自动驾驶汽车、无人机、自主机器人等智能设备的“眼睛”,但这双“眼睛”无法全天时(白天黑夜)和全天候(各类天气)工作:黑夜里无法辨别阴影中的运动目标,且容易受雾霾、雨雪、沙尘等恶劣天气的影响;

  传统的微波成像虽然可以全天候、全天时工作且具有穿透能力,但由于在电域下工作,受电子器件限制,难以产生与实时处理大带宽信号,面临着成像精度差和处理速度慢等关键挑战,难以在民品中广泛应用。

  微波光子技术的出现很好地解决了传统微波成像技术的困境。微波光子成像雷达利用光子学方法构建新体制射频前端和实时中频处理架构。由于光波比微波频率高3-5个量级,可承载带宽能提升数千甚至上万倍,因此光子学技术可以产生、传输和处理宽带微波/毫米波信号,进而突破带宽限制、实现高速并行处理,达到高精度实时成像效果。

  去年,南航大微波光子学课题组在国际上率先研制出基于微波光子技术的高分辨率实时雷达成像系统。在实验室现场,该项目负责人潘时龙教授向我们展示了微波光子雷达和传统雷达的成像效果区别。当一架无人机从空中飞过时,经过一段时间反应,传统雷达显示器上只能看到一个模糊不清的小点。而在微波光子雷达成像显示下,可以实时清晰地呈现出无人机的各部分细节。

  中国电科14所评价该工作“国际上首次成功实现了对小尺寸目标的实时高分辨成像,成像精度优于2厘米”,“攻克了宽带信号产生、宽带实时成像处理这两大技术难题,拓展了雷达在军民领域的应用前景,更为下一代宽带多功能雷达奠定了坚实的技术基础”。

  “未来的智能装置不仅能实现全天候工作,而且可以看到隐藏目标,比如突然从树丛中蹿出来的人、动物等。”南航大微波光子学课题组负责人潘时龙教授表示。

  图:南航大微波光子学研究团队研究生正在研究课题  

  认知微波光子雷达 让“眼睛”不再受干扰

  微波光子雷达通过发射电磁波感知物体,但当周围其他雷达和其工作频段一致时,雷达便会受到干扰,无法成像。随着雷达工作的电磁环境越来越复杂,干扰源无处不在,不仅容易受到干扰源的故意干扰,而且同频段的雷达之间也相互干扰,想要将微波光子雷达广泛应用在自动驾驶等领域,必须要解决抗干扰问题。

  此次公开发布的认知微波光子成像雷达在传统微波成像方法上作出很大革新,增设了微波光子实时频谱感知模块,让雷达在数十GHz频谱范围内自动感知环境的变化。微波雷达受到信号干扰时,其成像系统完全失效,就像“眼睛”被捂住了,而认知微波光子雷达能够自动识别对方干扰信号频段,从而实时改变自身原来使用的电磁频段,从而避开干扰,实现不间断成像。

  实验中,微波光子实时频谱感知模块成功侦测出外界存在22-26GHz的干扰信号,于是驱动捷变频微波光子成像雷达产生17.5-21.5GHz的雷达波形,实现对转动风扇的高分辨率成像。当外界干扰切换到17.5-21.5GHz,微波光子雷达受到干扰,无法成像。此时微波光子频谱感知模块又成功侦测出干扰信号,从而驱动捷变频微波光子雷达产生22-26GHz的波形,再次实现高分辨率成像。

  认知微波光子雷达不仅能够全天时、全天候工作,还能做到高精度、实时成像,同时抵御外界电磁波干扰,让智能装置拥有一双不受干扰的“火眼金睛”,真正走向智能化。该技术将在自动驾驶、空中交通管理、无人机黑飞监测等军事和民用领域发挥巨大作用。

  据了解,南航大微波光子学课题组正在自主研发微波光子成像雷达芯片。未来,通过集成芯片,认知微波光子成像技术将在更广泛的领域取得应用。

  “黑科技”背后的年轻科研团队

  在这一国际领先的科研成果背后是一支年轻的科研团队,南航大于2010年底引进刚满28周岁、正在加拿大渥太华大学从事博士后研究的潘时龙博士,直接聘为正教授,开辟微波光子学研究方向。

  2013年,南航大雷达成像与微波光子技术教育部重点实验室获批立项,成为微波光子雷达研究和人才培养的重要基地。目前,微波光子学课题组拥有一支以80后、90后为主的教师队伍,其中,教师8名,专职科研人员3名,博士后2名以及24名博士研究生和36名硕士研究生,其中有10名研究生本科毕业于清华大学、南京大学等国内顶级学府。

  过去六年,南航大微波光子学研究团队主持了国家重大仪器研制项目、国防973课题等7项国家级重大项目(课题),在微波光子高精度测量、微波光子成像雷达及微波光子卫星载荷上形成了鲜明的研究特色,发表学术论文340余篇(其中SCI收录150余篇),申请国家发明专利70项(其中授权33项),获得了日内瓦国际发明展特别金奖(展会最高奖项)、中国光学工程学会一等奖、教育部自然科学奖二等奖等重要成果奖励。团队主要成员入选万人计划科技创新领军人才、科技部中青年科技创新领军人才、国家优青、中组部青年拔尖人才、江苏省优青等人才计划十余次。

  所培养的学生有2人获IEEE光子学会Graduate Student Fellowship(全球10人/年),5人获得IEEE MTT-S本科生/研究生奖学金(每届全球不到10人获奖)、7人次获得国际光学工程学会光学与光子学教育奖学金。

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(供稿:南京航空航天大学

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