激光主动照明成像技术

激光主动照明成像技术王智1杨简2金光1（1.中科院长春光学精密机械与物理研宄所，长春130031；2长春理工大学计算机科学与技术学院，长春130022）弱目标的成像处理技术结合在-起而发展的新技术。以近红外激光作为照明光源，对低照度情况下，远距离目标进行探测成像。文中详细阐述了激光主动成像技术的原理、激光发射装置和接收机技术，同时详细阐述了同步控制技术、同步扫描技术和图像处理技术等影响成像距离和质量的关键技术，*后分析了国内外的发展现状及前景。 索营救任务等。 1激光主动成像原理由于在微光和夜视、远程小暗目标探测和深空目标探测成像等应用领域，亮度低，受大气的传输性影响严重，尤其是大气的后向散射，使*灵敏的微光电视系统也不能提供足够的分辨率，艮难探测和识别目标，而红外成像系统也受到温度对比低的限制。为了克服以上缺点，人们采用近红外脉冲激光器和选通强型CCD相机设计出了一种距离选通激光主动成像系统，可以全天候探测和识别目标并且提供距离信息。成像传感器的距离选通激光主动成像技术可以大大降低大气的后向散射对成像系统的影响，大大提高成像系统的探测距离。 距离选通激光主动成像系统的工作原理与激光雷达基本相同。通过调节发射激光束的发散角，将目标全部或目标的关键特征部位照亮，实现对目标的成像和精确跟踪。辐射脉冲和回波信号在大气路径中传输，大气背景辐射、透过率、散射和吸收以及湍流等因素都将对主动照明成像产生影响。采用距离选通技术可克服以上因素（特别是后向散射）对成像距离和成像质量的影响，其原理如所距离选通技术是利用脉冲激光器和选通CCD相机，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目光电成像系统根据有无照明光源，分为主动成像和被动成像系统两种方式。被动成像本身无照明光源，依赖目标或环境反射太阳等自然光或自身辐射，使用成像设备拾取微弱信号并*终成像。主动成像系统利用人工施照的方式，采用一个人造光学辐射源（一般为激光器）和接收机，其接收机用于收集和探测目标景物直接或反射后的部分光辐射并*后成像。大多数情况下，只要能够满足要求，*好使用被动成像系统。然而在另外一些领域如：微光和夜视；远程小暗目标探测；深空目标成像。如果仍沿用全被动方式，将会遇到极大的困难，有些问题甚至无法解决。在这样情况下，重新考虑人工照明的主动工作方式，再辅之以现代光电技术和信息处理算法支撑下的距离门选通技术等*新成果，为这些难题的解决提供了良好的前景。 激光主动成像是主动成像系统，它是将激光技术、成像传感器的距离选通技术、微弱目标的成像处理技术结合在一起而发展的新技术，在军事上虽然有自我暴露的缺点，但与被动成像系统相比也有其无法被取代的优势。例如，在航空侦察方面，可以利用被动成像系统去发现目标，然后利用主动成像系统捕捉更加详细的信息。由于相机的曝光时间以及相机的曝光延迟可以控制在几个纳秒，因此主动成像系统可以完成远距离捕捉，另外，利用主动成像系统可以在雨、雪、雾天气以及海面上完成搜基金项目：863计划（2002AA73在激光主动成像系统中，同步扫描技术是把激1994-2012ChinaAcademicJournal标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在CCD相机选通工作的时间内到达相机并成像。激光器发射很强的短脉冲，脉冲激光传输到目标上，对目标进行照射，由目标反射的激光返回到相机。当激光脉冲处于往返途中时，CCD相机选通门（或光闸）关闭，这样就挡住了来自气体中的悬浮微粒的后向散射光。当反射光到达摄像机时，选通门开启，让来自目标的反射光进入摄像机。选通门开启持续时间与激光脉冲一致。这样形成的目标图像主要与距离选通时间内的反射光有关。距离分辨率由激光脉冲宽度和探测器选通门宽度决定，宽度为1ns的激光脉冲和宽度为1ns的成像仪结合，能提供30-60cm的距离分辨率。如果选通脉冲宽度和激光脉冲宽度都很窄，使得只能探测到目标附近的反射光，那么就能大大提高回波信号的信噪比。 2激光发射装置发射激光的光束特性有：总光功率，束宽或发散度，光束的光强分布截面形状，以及相对于目标的传输方向。目前在国防科技中应用较广泛的激光波段有两个：钇铝石榴石（YAG）激光的1.06*和二氧化碳（C2）激光的10. 6如。前者经倍频后为0.532Pm，发射和接收光学系统都容易设计，探测也较容易，其缺点是穿透战场烟尘的能力较差。1. 54*波长的激光对人眼安全性高，其辅照强度比传统光电阴极灵敏的短波段辐照强度要高很多。 而且穿透战场烟雾的性能优于1.06.二氧化碳（CO2）激光器，其发射波长为10. 6如，对人眼安全，且大气穿透性能好，但是其光学系统设计较复3接收机接收机特性由接收技术、收集面积、光学效率和探测效率表征。一般采用两种不同的光学探测技术，即直接探测、外差或相干探测。 在绝大多数的激光主动成像系统中，采用的是直接探测技术，即所接收的光能量被聚焦在光敏元件上，产生一个正比于入射光功率的电压（或电流）。这个过程与传统的被动的光学接收机或典型的激光测距仪一致。 直接探测激光主动成像系统方块图在光学分析中，接收机的的孔径常使用比实际孔径小的有效孔径，以此来考虑接收机光学链中的损失。同时要求接收机具有外触发功能、高空间分辨率和量子效率、噪声低、以及有足够的增益动态范围。GaAsP光电阴极管工作波长为532nm，量子效率接近50%.可选通的CCD耦合光电二极管信噪比达到10dB以上，第三代管子的选通能力优于4关键技术4.1同步控制技术距离选通时序图根据距离选通成像系统的要求，确定激光器的照明脉冲和相机选通脉冲之间的时序和相应的延时关系，设计同步控制电路。同步控制电路主要由使快门开启与激光照射同步的定时电路组成，产生照明脉冲和相机选通脉冲，并且脉宽和延时可调。 4.2同步扫描技术光器与接收机安置在2个间距一定距离的地方，照射远方目标的光束光轴几乎沿着接收机的光轴，与接收机的光轴在被观察区域相交成一个角度，这样使大气的后向散射光尽可能少地进入接收机中，如果几何配置合适，可有效地减少大气后向散射的影响，大大增加探测距离，目前国外水下光电探测系统多采用同步扫描技术。 4.3图像处理技术在确定激光的发散角、激光脉冲峰值功率和接收成像系统参数的情况下，激光主动成像系统可探测的*大距离主要受图像处理技术的制约。而在国内应用激光主动成像技术的领域，几乎没有从利用图像处理技术来提高成像系统的探测距离，绝大多数依赖提高激光脉冲的峰值功率。受激光器件发展水平的限制，单纯提高脉冲峰值功率和脉冲发射的频率，是制约激光主动成像技术进一步发展的因素之一。照明子区域所收集的多帧图像数据来消除散粒噪声和大气扰动的影响，*后利用图像信息的事后处理算法来减轻大气后向散射的影响。 5发展现状及前景激光主动成像技术的应用研究在我国才刚刚开始，而美国，加拿大等一些国家已有几年的研究历史，已经研制出多种主动成像系统，如：加拿大的两代主动成像系统（ALBEDOS）和（ELVISS）：ALBEDOS主动成像系统是基于功率强的激光二极管阵列照射器以及距离选通相机，耦合到48倍变焦距镜头上。由于采用了距离选通，系统对后向散射不敏感，如在传感器视场内，对薄雾、雪或雨的存在也不敏感，适合在夜晚很差的天气条件下工作。而ELVISS多传感器系统是由改进的ALBEDOS主动成像器，耦合安装在两个分开的热像仪上，同时还有配套的地面成像系统，可以更准确执行*近美国有记载，激光主动成像技术应用要使激光主动成像系统得到远距离的高分辨率图像，主要被几个因素所限制。包括：大气的湍流，连续的散粒噪声，悬浮微粒的后向散射以及激光器的能量。长斜路径的大气湍流可产生严重的图像畸变和非等晕影响。而来自反射激光照明的连续的干扰，会使图像分布有一定亮度的斑点，从而使图像增加了噪声。随着探测距离的增大，从目标反射回的辐射能量与距离的平方成反比，这将导致必须增加激光器的输出能量。此外，大气的后向散射足以湮没从目标反射回的有用信号，尤其是增加激光器的能量时。 为了解决以上问题，应采取一种图像处理方法来获取和事后处理多帧图像数据。采用辐射量来确定每一曝光时间内丨搜索或营救任务。 美国Intevac公司开发的一种距离选通，激光照明二维成像系统，它工作在对人眼无害的1500nm- 1600nm波段，该系统采用激光脉冲照射目标区域，在高量子效率的短波红外光电阴极上成像。应用距离选通技术，只收集目标区域所反射的辐射，这样，仅有激光束覆盖部分和选通时间内所确定的景深可以在图像中反映出来。该系统由于采用距离选通技术，在光到达目标的路径中，由大气悬浮颗粒，微尘或薄雾散射产生的散射被降低了，同时也消除了背景光的影响，增大了目标的对比度。 4ym-2.（Pm，在该波长的范围内，使用窄脉冲的Nd：YAG激光器（同轴收发器布局如所示）。 在该系统中就采用了多帧事后处理的图像处理技术，并在对设备优化的条件下，成像距离达50km.激光选通主动成像技术的发展趋势如下：对人眼安全；超远距离（>20km）；战术瞄准和对目标的鉴别能力，可用作机载、地面车载和士兵配带的装备；与先进的图像处理技术相结合，提高超远距离目标图像的分辨率。距离选通成像系统可以获得目标的距离信息，并且能够通过散射介质成像，能够从根本上克服被动成像的缺点，可以在全天候、零照度条件下工作，在民用和军事上具有重要的实用价值和广泛的应用前景。