張 健，張 雷，曾 飛，王 旭，趙嘉鑫，田海英，任 航，李俊峰

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

機載激光3D探測成像系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

張 健，張 雷，曾 飛，王 旭，趙嘉鑫，田海英，任 航，李俊峰

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林長春130033）

機載激光3D探測成像是通過激光主動成像產(chǎn)生目標(biāo)的角-角-距、角-角-速度3D圖像的一種新的探測成像技術(shù)。本文重點闡述了機載激光3D探測成像系統(tǒng)的原理、功能和系統(tǒng)的組成。介紹了該系統(tǒng)在軍事和民用兩大領(lǐng)域的應(yīng)用，詳細(xì)地討論了近幾年機載激光3D探測成像技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及動態(tài)，總結(jié)了該項技術(shù)的發(fā)展方向。認(rèn)為國外的機載激光3D探測系統(tǒng)正向遠(yuǎn)距離、高分辨率、輕量化、低功耗、高實時性和人眼安全方向發(fā)展，而目前國內(nèi)的相關(guān)研究仍處于實驗室階段，與國外相比還存在一定差距。文章最后以用戶需求為例，從設(shè)計的角度對機載激光3D探測成像系統(tǒng)進行了分析，討論了該系統(tǒng)在測距機制、掃描機構(gòu)、探測器、數(shù)據(jù)處理和顯示等方面的處理。

機載3D探測成像系統(tǒng)；激光探測；激光雷達；3D成像

1 引 言

激光探測成像是通過激光束對目標(biāo)進行照射，目標(biāo)的反射回波由探測器接收，通過信號處理獲取目標(biāo)至探測器的距離和速度等信息，進而獲得區(qū)別于背景的距離圖像和多普勒（速度）圖像［1］的一種新型探測成像技術(shù)。機載激光3D探測成像系統(tǒng)即為利用激光進行探測成像的設(shè)備，該設(shè)備通過對地面目標(biāo)進行主動成像與距離測量，產(chǎn)生含目標(biāo)和景物的3D圖像。由于該系統(tǒng)具有全天時工作、隱蔽性好、可緊湊和小型化以及偽裝識別等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于軍事偵察、長距離瞄準(zhǔn)、大面積3D地形測繪、機器人導(dǎo)航、水下礦藏探測和自導(dǎo)引導(dǎo)彈等技術(shù)領(lǐng)域［2］。

本文首先分析了機載激光3D探測成像系統(tǒng)的原理、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用情況，然后對國外近10年內(nèi)在機載激光3D探測成像系統(tǒng)方面的發(fā)展現(xiàn)狀及研究動態(tài)進行分析和總結(jié)，并指出該系統(tǒng)的發(fā)展方向。最后，系統(tǒng)地對機載激光3D探測成像系統(tǒng)的設(shè)計提出了一些可行的建議。

2 原理及關(guān)鍵技術(shù)分析

激光探測成像系統(tǒng)是一種利用激光光波探測目標(biāo)位置的電子設(shè)備，它可以采用非相干的能量接收方式，主要是以脈沖計數(shù)為基礎(chǔ)；也可以采用相干接收方式接收信號，通過后置信號處理實現(xiàn)相干探測［3］。

圖1 機載激光3D探測成像系統(tǒng)原理圖Fig.1 Mechanism chart of airborne 3D imaging lidar system

機載激光3D探測成像系統(tǒng)是一種在高敏感光探測器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，這樣的探測系統(tǒng)能夠測量出極小量的反射激光，并對所掃描到的物體實時進行3D建模［4］。圖1所示為一種機載激光3D探測成像系統(tǒng)的原理框圖，它主要由激光發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)、陀螺穩(wěn)定平臺、激光發(fā)射/接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)和視軸穩(wěn)定控制系統(tǒng)等5部分組成，其中激光發(fā)射/接收系統(tǒng)由激光器及其控制電路、探測器、計時電路等組成。機載激光3D探測成像系統(tǒng)通過機載導(dǎo)航系統(tǒng)確定空間位置和姿態(tài)，同時由激光發(fā)射和接收系統(tǒng)獲取地面激光腳點到發(fā)射裝置的空間距離和矢量方向，利用導(dǎo)航參數(shù)作為基準(zhǔn)計算出地面點的地理坐標(biāo)位置［4］。

國外激光探測成像技術(shù)從輻射源種類上可以分為3類：CO2激光成像探測、二極管泵浦固體激光探測成像和半導(dǎo)體激光探測成像。CO2激光探測成像系統(tǒng)的激光器為CO2激光器，由于其體積、成本及抗震性等方面的缺點，逐漸被后兩種技術(shù)所替代。二極管泵浦固體激光探測成像系統(tǒng)采用高重復(fù)頻率、高峰值功率的二極管泵浦固體激光器和高靈敏度的雪崩光電二極管/PIN（APD/PIN）探測器，大多采用直接探測方式，可實現(xiàn)高分辨率的距離成像。半導(dǎo)體激光成像探測系統(tǒng)具有體積小、重量輕、成本低、壽命長、可靠性高和功耗低等優(yōu)點，它采用半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體激光器陣列，探測器采用APD/PIN或APD陣列，大多采用直接探測方式，具有測距和目標(biāo)3D輪廓成像功能［5］。

機載激光3D探測成像系統(tǒng)的工作過程如下：首先由激光控制單元控制激光器發(fā)射出激光脈沖，通過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)壓縮激光光束的發(fā)散角后，根據(jù)測量點的密度，控制掃描鏡擺動將激光脈沖射向地面目標(biāo)。同時有極少量的激光能量，作為計時起始觸發(fā)脈沖輸送給激光接收系統(tǒng)。目標(biāo)回波的激光脈沖經(jīng)接收光學(xué)系統(tǒng)照射在探測器上，計時電路停止計時。這樣，通過計算激光脈沖的飛行時間（Time of Flight，TOF）得到目標(biāo)與系統(tǒng)之間的距離。同時根據(jù)INS/GPS系統(tǒng)和平臺姿態(tài)得到目標(biāo)的方位角和俯仰角，即可得到目標(biāo)的角-角-距3D坐標(biāo)。由數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)依據(jù)相應(yīng)的算法，根據(jù)各測點的3D坐標(biāo)，繪制出目標(biāo)的3D圖像，并實時顯示出來。

機載激光3D探測成像系統(tǒng)作為一種主動成像設(shè)備，利用探測器感知回波信號得到與景物之間的距離信息，而得到的距離、姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息需要通過處理才能得到3D圖像。因此，光源、探測器和數(shù)據(jù)處理等是它的主要組成部分，這里對這些關(guān)鍵技術(shù)進行簡要的分析。

機載激光3D探測成像系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)為脈寬、重復(fù)頻率、激光頭尺寸、單脈沖能量等。激光束脈寬決定了機載激光3D探測成像系統(tǒng)的距離分辨率，脈寬越小，距離分辨率越高。激光器重復(fù)頻率的選擇與機載激光3D探測成像系統(tǒng)的工作方式即掃描方式密切相關(guān)。一般來說，脈沖重復(fù)頻率越高，地面測點密度越大，得到的3D圖像的分辨率越高。激光器尺寸是另外一個重要的參數(shù)，因為機載激光3D探測成像系統(tǒng)要求緊湊、輕量和小型化，因此激光器的體積和重量都是越小越好。而單脈沖能量則越高越好，因該參數(shù)值越高，回波信號的能量就越大，可以滿足長距離的探測要求。激光器波長主要考慮安全性，很多研究機構(gòu)和公司都應(yīng)用了對人眼安全的激光器。

機載激光3D探測成像接收系統(tǒng)的靈敏度取決于采用的探測技術(shù)和探測器件的靈敏度，其整體性能和探測器的輸出噪聲及輸出信噪比密切相關(guān)。APD探測器具有帶寬高、噪聲小、動態(tài)范圍大、具有電流增益和可靠性好等優(yōu)點，是機載激光3D探測成像系統(tǒng)中最常用的探測器之一［6］。APD的材料通?；?Si，GaAs以及 InGaAs。Si-APD適用于850 nm，后兩種工作于1 300和1 550 nm波長。APD探測器陣列有線陣和面陣之分，國外面陣APD像素已經(jīng)達到了128×128。美國麻省理工學(xué)院的林肯實驗室目前已經(jīng)開發(fā)出32×32APD陣列，工作于蓋革模式，即APD接收單個光子產(chǎn)生的電子-空穴對就可以激發(fā)雪崩現(xiàn)象，產(chǎn)生一個大的電流脈沖。該APD陣列與快速的CMOS數(shù)字計時轉(zhuǎn)換電路集成在一起，探測器單光子敏感度可以達到納秒以下的計時精度。整個集成的APD/CMOS陣列是一個緊湊、低功率和全固態(tài)的模塊。APD探測器陣列是發(fā)展激光3D探測成像技術(shù)的一項非常重要的關(guān)鍵技術(shù)，目前大面陣的APD探測器陣列國外均對中國禁運。

機載激光3D探測成像系統(tǒng)的另一個重要的性能指標(biāo)是其運行速度，運行速度與實時性密切相關(guān)。為此，有必要配備合適的數(shù)據(jù)處理與顯示系統(tǒng)以實時地顯示3D圖像。機載激光3D探測成像系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)為目標(biāo)的角-角-距等信息，需要通過數(shù)據(jù)處理將角-角-距數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到笛卡爾坐標(biāo)系中。該階段可將數(shù)據(jù)存儲到1D的哈希表中，每個3D像素的坐標(biāo)對應(yīng)唯一的尋址整數(shù)。由于在測量時間范圍內(nèi)，感興趣空間中大部分的3D像素是空值，所以這種較為稀疏的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常適合于單個光子的計數(shù)。在接收到所有的測量脈沖后，所有非空的3D像素集合于哈希表中。由于APD存在噪聲，因此，需要根據(jù)設(shè)定的閾值去除較小值的3D像素。在目標(biāo)背景中，需要檢測地面以作為目標(biāo)的參考。該步驟完成后，在3D圖像中形成了地面網(wǎng)格。由于APD的響應(yīng)速度快，但衰減較慢，這會形成圖像上的“余輝”。為增加信噪比，需要用去卷積算法抑制“余輝”效應(yīng)，增強圖像判讀效果。

不難看出，對于機載激光3D探測成像系統(tǒng)的研制及指標(biāo)提升主要在于關(guān)鍵技術(shù)上的突破，不僅需要致力于激光器和探測器技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)可用于3D圖像處理與顯示的硬件和軟件系統(tǒng)，還要考慮INS/GPS系統(tǒng)的性能以提高機載激光3D探測成像系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)。

3 在軍事及民用領(lǐng)域的應(yīng)用

由于激光探測成像技術(shù)具有抗干擾及抗隱身能力強和較高的距離、角度和速度分辨率等突出優(yōu)點，在軍事和民用領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，部分激光探測成像系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，而有些仍處于實驗室研制和探索階段。

（一）機載激光3D探測成像系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）用于偵察的機載激光3D探測成像系統(tǒng)

激光3D探測成像系統(tǒng)分辨率高，可以采集3D數(shù)據(jù)，如方位角-俯仰角-距離、方位角-俯仰角-多普勒速率等，獲得距離圖像、速度圖像等，有潛力成為重要的偵察手段。1992年，美國海軍開始了“輻射亡命徒（Radiant Outlaw）”工程。該系統(tǒng)利用一個強健、緊湊的機載傳感器組件進行多模式識別，該傳感器包含一個穩(wěn)定激光探測成像系統(tǒng)，可以識別目標(biāo)表面振動和微多普勒信號，得到距離圖像，進行高分辨率主動激光3D探測成像，從而用于軍事偵察［7］。最近，美國麻省理工學(xué)院林肯實驗室研究的機載激光3D探測成像系統(tǒng)傳感器可以穿透濃密的樹葉，對隱藏其下和偽裝的軍事目標(biāo)進行成像。因此，利用機載激光3D探測成像系統(tǒng)得到的3D圖像對于軍事偵察具有重大的意義。

（2）障礙回避機載激光3D探測成像系統(tǒng)

直升機近地飛行時，地物是直升機最嚴(yán)重的威脅，特別是電力線、鐵塔、鋼纜以及樹木等低觀測性目標(biāo)［8］。障礙回避機載激光3D探測成像系統(tǒng)就是應(yīng)用于直升機低空飛行防撞和躲避障礙的設(shè)備，利用激光主動成像，在任何照度下對直升機前面和下面的空間進行3D成像，從而提示直升機避開障礙和危險。美國Fibertek公司成功研制了用于直升機防撞的機載激光探測成像系統(tǒng)，其激光器為二極管泵浦固體激光器，波長為1.54 μm。從 1994年起，F(xiàn)ibertek公司已經(jīng)在UH-1H直升機上進行了大量掛飛試驗，成功實現(xiàn)了對障礙物的探測成像［9］。德國戴姆勒一奔馳宇航公司研制了Hellas障礙探測激光探測成像系統(tǒng)，視場為32°×32°，能探測距離為300～500 m、直徑1 cm以上的電線和其他障礙物（取決于角度和能見度）［8］。

（3）大氣監(jiān)測機載激光3D探測成像系統(tǒng)

機載激光3D探測成像系統(tǒng)可以探測氣溶膠、云粒子的分布，也可以進行大氣成分、污染環(huán)境氣體的探測，能對主要污染源、污染環(huán)境物的擴散以及沙塵暴過程等進行有效監(jiān)控。在高空投擲炸彈和其它兵器時遇到的一個問題是，風(fēng)干擾向下的彈道。美國空軍器材司令部進行的彈道風(fēng)計劃，利用機載激光3D探測成像系統(tǒng)實時提供投擲區(qū)風(fēng)場的信息，以便通過調(diào)整投擲點來補償風(fēng)的影響。該計劃的目標(biāo)是測量飛機和地面間的實時3D風(fēng)場圖，從而允許從3 000 m以上的高空精確投擲。據(jù)稱，作戰(zhàn)用機載激光3D探測成像系統(tǒng)須將硬件小型化，可使空投精度提高2倍以上。機載激光3D探測成像系統(tǒng)探測紊流陣風(fēng)的能力，可以為未來的軍用和民用飛機提供更好的陣風(fēng)緩和系統(tǒng)［10］。

（4）制導(dǎo)機載激光3D探測成像系統(tǒng)

激光制導(dǎo)又稱激光波束制導(dǎo)，有著廣泛的應(yīng)用前景，可用于地-空、空-空、地-地導(dǎo)彈等多種類型的導(dǎo)彈制導(dǎo)［11］。目前，利用機載激光3D探測成像系統(tǒng)的主動激光尋的制導(dǎo)已成為各國研究的熱門。美國陸軍正在研制的“網(wǎng)火”武器系統(tǒng)中的巡飛攻擊導(dǎo)彈（LAM），裝有能夠自動確認(rèn)目標(biāo)的主動激光探測成像導(dǎo)引頭，能夠連續(xù)掃描直徑500～600 m，分辨率達150 mm，使得LAM在飛行高度230 m、飛行速度400 km/h時還能自動辨認(rèn)目標(biāo)［12］。

（5）水下探測機載激光3D探測成像系統(tǒng)

利用藍綠激光在水中傳輸窗口效應(yīng)，從機載平臺上對水下目標(biāo)快速探測、定位和成像的激光探測成像系統(tǒng)已經(jīng)開始裝備部隊。由于波斯灣戰(zhàn)爭的需要，美國 Kaman公司研制發(fā)展了 Magic Lantern激光探測成像系統(tǒng)，安裝在SH-2F直升機上，它能夠在140～320 m的海上高度運行，當(dāng)發(fā)現(xiàn)水雷信號時，可以成角-角-距圖像，并在顯示屏上顯示，最終通過該系統(tǒng)配置的一個終端破壞裝置將水雷破壞。水下激光探測成像系統(tǒng)也可以裝在無人潛水器中，美國海軍在20世紀(jì)90年代中期研制出一種可裝在無人潛水器中的LVIS水雷目視激光識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)識別距離為12 m，可進行行掃描成像［13］。

（二）機載激光3D探測成像系統(tǒng)在民用領(lǐng)域的應(yīng)用

機載激光3D探測成像系統(tǒng)在民用領(lǐng)域也有著非常重要的應(yīng)用。在地形測繪方面，機載激光3D探測成像系統(tǒng)可以直接獲取高精度的3D信息，能全面反映地表信息，同時能夠?qū)Υ蠓秶⒀匕秿u礁海區(qū)、不可進入地區(qū)、系數(shù)植被下層進行探測成像。在森林資源勘察方面，機載激光3D探測成像系統(tǒng)可以高精度地提供森林水平和垂直的信息，可以為森林調(diào)查和經(jīng)營管理提供諸如大范圍森林高度、林下地形和截面垂直分布的直接測量數(shù)據(jù)。另外，機載激光3D探測成像系統(tǒng)在海洋勘探、災(zāi)害管理、大氣環(huán)境監(jiān)測和考古學(xué)等方面都有著非常重要的應(yīng)用。

綜上所述，無論是在軍事還是民用方面，機載激光探測成像設(shè)備都發(fā)揮著極其重要的作用，應(yīng)用前景廣闊，因此，許多國家都在競相發(fā)展這項技術(shù)。

4 發(fā)展現(xiàn)狀及動態(tài)

機載激光3D探測成像系統(tǒng)的先進技術(shù)主要集中在美國和歐洲部分發(fā)達國家。最近幾年，其發(fā)展主要體現(xiàn)在激光器、探測器件、數(shù)據(jù)處理算法和電路等方面。

4.1 美國機載激光3D探測成像系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

美國麻省理工學(xué)院的林肯實驗室（MIT Lincoln Laboratory）很早就致力于激光探測成像技術(shù)的研究。其最早的激光探測成像系統(tǒng)為高功率、長距離的Firepond（火池）激光探測成像系統(tǒng)，它可用于太空目標(biāo)監(jiān)視和彈道導(dǎo)彈防御等戰(zhàn)略軍事領(lǐng)域。林肯實驗室從1975年開始研究機載激光3D探測成像系統(tǒng)，代表成果為紅外機載雷達系統(tǒng)（Infrared Airborne Radar System，IRAR）［14］。

圖2 機載IRAR系統(tǒng)及所成圖像Fig.2 Airborne IRAR system and its applications to imaging

IRAR系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)歷了技術(shù)發(fā)展和實驗室論證、車載系統(tǒng)測試以及飛行測試3個階段。在飛行試驗中，IRAR系統(tǒng)安裝在Gulfstream G-1飛機上，如圖2（a）所示。機載系統(tǒng)對一個飛機庫進行了被動紅外、激光距離和激光強度成像，如圖2（b）所示，其中激光距離圖像的測距精度為1 m。機載IRAR系統(tǒng)利用其前視激光探測成像系統(tǒng)對Bourne大橋進行成像，得到絕對距離值，則距離像可以轉(zhuǎn)換到任意的視角，因此創(chuàng)意地提出多維圖像處理，得到3D甚至更多維度的圖像。Bourne大橋的3D前視圖如圖3所示，圖中的插圖為轉(zhuǎn)換得到的大橋俯視圖。這個階段系統(tǒng)的激光器為CO2激光器，采用主動和被動HgCdTe探測器陣列。隨著研究的進展，研究者開始對機載IRAR系統(tǒng)工作在垂直于或接近垂直于地面的視角感興趣，實現(xiàn)了利用高角度和距離分辨率的激光探測成像系統(tǒng)穿透樹葉和偽裝進行成像以及對垂直打擊的武器進行制導(dǎo)。因此，人們發(fā)展了GaAs激光器和Nd∶YAG激光器的俯視IRAR系統(tǒng)，俯視距離約為100 m，空間分辨率為15 cm，測距精度也為15 cm?；贕aAs激光器的機載IRAR系統(tǒng)的相對距離精度為15 cm，系統(tǒng)對偽裝下的坦克進行成像，得到的角-角-距3D圖像如圖4所示。由于GaAs系統(tǒng)無法穿透高度高的樹林，林肯實驗室發(fā)展了基于Nd∶YAG微芯片激光器的絕對測距激光探測成像系統(tǒng)，距離精度為15 cm，并發(fā)展了實時處理器［14］。綜上所述，IRAR系統(tǒng)經(jīng)歷了CO2激光器、GaAs激光器和Nd∶YAG微芯片激光器3個階段，主動探測器為HgCdTe探測器陣列，距離精度達到了15 cm。

圖3 Bourne大橋的3D前視圖及俯視圖Fig.3 3D forward and overhead views of Bourne bridge

圖4 偽裝坦克的照片及角-角-距3D圖像Fig.4 Visible-light photograph and angle-angle-distance image of a camouflaged tank

為了使機載激光3D探測成像系統(tǒng)具有在單激光脈沖下捕獲景物的完整3D圖像，并具有成千上萬的像元、體積小、重量輕、功耗低等特性，林肯實驗室積極發(fā)展激光器和探測器技術(shù)。激光器技術(shù)基于被動Q開關(guān)泵浦二極管固態(tài)微芯片激光器；探測器技術(shù)基于林肯實驗室開發(fā)的蓋革模式APD陣列，每個像元都集成了計時電路［15］。

圖5 林肯實驗室實驗性激光探測成像系統(tǒng)Gen-ⅠFig.5 Experimental imaging lidar Gen-Ⅰ in Lincoln Laboratory

林肯實驗室首先研制了一個車載激光3D探測成像系統(tǒng)Gen-Ⅰ。激光器為微芯片激光器，激光波長為532 nm，脈沖重復(fù)頻率為1 kHz，單脈沖能量為30 μJ。探測器為4×4蓋革模式APD陣列，外部計時電路，通過測量每個像元TOF的方法得到與目標(biāo)之間的距離。在高探測概率的情況下測得單像素距離精度為2.0 cm。該系統(tǒng)的光學(xué)頭及光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖5所示。系統(tǒng)具有一對單軸掃描鏡，它們指引4×4 APD陣列的視場達到更大的面積，以產(chǎn)生32 pixel×32 pixel（幀頻為4.5/s）或128 pixel×128 pixel（幀頻為0.6/s）的目標(biāo)圖像。接收光學(xué)系統(tǒng)的變焦透鏡允許像元視場在0.2～2 mrad之間變化。整個Gen-I系統(tǒng)被安裝在一個汽車上，并在室外進行了成像試驗，其中對Chevrolet Astro面包車所成的3D圖像如圖6所示［15～17］。

圖6 Gen-Ⅰ系統(tǒng)所成的3D圖像Fig.6 3D image produced by Gen-Ⅰ system

緊接著實驗室又研制了第二代機載激光3D探測成像系統(tǒng)Gen-Ⅱ。Gen-Ⅱ系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)如圖7所示。Gen-Ⅱ系統(tǒng)由一個波長為532 nm的放大倍頻微芯片激光器激發(fā)一個鈦-藍寶石激光器（長度為25.4 mm），產(chǎn)生波長為800 nm的激光。最初的激光器性能規(guī)格要求脈沖重復(fù)頻率為8～10 kHz，單脈沖能量為20 μJ，通過增加激光放大器使激光器輸出單脈沖能量升級到150 μJ。接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計允許激光波長在800 nm～1.5 μm之間變化，這將允許升級后的系統(tǒng)可以工作在1.06 μm的波長下，在這個波長下APD陣列具有很好的敏感性。像元視場達到了250 μrad，且可工作于幾千米以外。系統(tǒng)包含一個兩軸掃描鏡，視場角超過±20°。Gen-Ⅱ系統(tǒng)使用32×32全集APD管陣列，即與計時電路集成在一起，像元間距為100 μm，每個像元激活面積的直徑為30 μm。為了使返回信號集中于探測器每個像素的激活區(qū)域，在探測器陣列前面集成安裝了32×32小透鏡陣列。在數(shù)據(jù)采集和處理方面，也隨著Gen-Ⅰ系統(tǒng)不斷發(fā)展，已經(jīng)證明系統(tǒng)在極低的信號水平下可對隱蔽目標(biāo)產(chǎn)生高質(zhì)量的3D圖像的光子計數(shù)的效果［15］。

圖7 Gen-Ⅱ激光探測成像系統(tǒng)Fig.7 Gen-Ⅱimaging lidar system

圖8 加強版激光3D探測成像系統(tǒng)Fig.8 Promotional 3D imaging lidar system

在發(fā)展Gen-Ⅰ和Gen-Ⅱ系統(tǒng)的同時，林肯實驗室還集成了一個加強版的機載激光3D探測成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用32×32 Si-APD陣列作為接收器，不再需要小透鏡。激光器采用工作波長為532 nm的倍頻微芯片激光器。該加強版系統(tǒng)的發(fā)射光束經(jīng)擴束后被分為32×32細(xì)束，這樣分離的目的是與接收器像元視場相匹配。系統(tǒng)掃描鏡也是一個兩軸掃描鏡。該系統(tǒng)的總重量約為9 kg，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示［15］。發(fā)展該加強版系統(tǒng)的直接目的是減小尺寸和降低陣列讀出電路的功率需求和激光器驅(qū)動功率。在加強版系統(tǒng)基礎(chǔ)上，林肯實驗室研制了第三代機載激光3D探測成像系統(tǒng)Gen-Ⅲ。Gen-Ⅲ系統(tǒng)采用脈沖重復(fù)頻率為5～10 kHz的被動Q開關(guān)固態(tài)倍頻Nd∶YAG微芯片激光器，工作波長為532 nm；探測器采用工作于蓋革模式的32×32 APD陣列，像素間距為100 μm，與COMS計時電路集成在一起，CMOS時鐘頻率為 500 MHz。Gen-Ⅲ系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計參數(shù)如表1所示。光學(xué)系統(tǒng)及機械結(jié)構(gòu)如圖9所示，整個傳感器的尺寸為20 cm×20 cm×22 cm，重量約為6 kg。由Gen-Ⅲ系統(tǒng)對距離500 m處一個坦克成像得到的3D點云圖如圖10所示。林肯實驗室還進行了樹葉穿透能力試驗，由其給出的圖像可以看出，Gen-Ⅲ系統(tǒng)能夠?qū)﹄[蔽在濃密樹林中的目標(biāo)進行成像，具有重要的軍事意義。對于機載激光3D探測成像系統(tǒng)未來的發(fā)展，文章中指出：增大焦平面陣列的像元尺寸，如128×128；發(fā)展Ⅲ-Ⅴ族材料的蓋革模式APD陣列，以響應(yīng)更長波長的激光，如波長在1 500 nm左右對人眼安全的激光；提高激光脈沖的能量；整個機載激光3D探測成像系統(tǒng)能更小更輕（低于1 kg）等等［18］。

圖9 Gen-ⅢLADAR試驗臺光學(xué)系統(tǒng)示意圖及實物圖片F(xiàn)ig.9 Sketch of optical system for Gen-Ⅲ airborne 3D imaging lidar system and its entity figure

表1 Gen-Ⅲ系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計參數(shù)Tab.1 Optical design parameters for Gen-Ⅲsystem

圖10 距離500 m處一個坦克的3D圖像Fig.10 3D image of a tank at distance of 500 m

表2對林肯實驗室的三代機載激光3D探測成像系統(tǒng)（包括加強版系統(tǒng)）性能進行了對比。通過對比可以看出，在激光器方面，林肯實驗室一直在發(fā)展微芯片激光器，不斷地提高其單脈沖能量和脈沖重復(fù)頻率等指標(biāo)；探測器為工作于蓋革模式的APD陣列，不斷地增大其像元，并將計時電路集成于其上；值得注意的是在這幾代產(chǎn)品中光學(xué)系統(tǒng)的變化：在Gen-Ⅱ系統(tǒng)中，為了使回波信號能集中于每個像元的激活區(qū)域，在探測器前面集成了一個32×32的小透鏡陣列，而在加強版和Gen-Ⅲ系統(tǒng)中則利用激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)中的衍射分光鏡將擴束后的激光束分成32×32細(xì)光束陣列，從而高效地照亮32×32APD陣列每個像元各自的視場，與32×32小透鏡陣列相比，該方法照明照度包含更好的幾何耦合，減少背景雜光干擾，提高角分辨率；在重量上，林肯實驗室研制機載激光3D探測成像系統(tǒng)的趨勢是重量更輕，結(jié)構(gòu)更緊湊。對于距離分辨率指標(biāo)，Gen-Ⅲ系統(tǒng) 達到了15 cm。

表2 林肯實驗室三代機載激光3D探測成像系統(tǒng)性能對比Tab.2 Performance contrast among three 3D imaging lidar systems in Lincoln laboratory

圖11 JIGSAW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.11 System structure of JIGSAW system

美國國防部高級研究計劃局（DARPA）等部門正在進行一種高分辨率成像和高隱蔽目標(biāo)識別的小型機載激光3D探測成像傳感器（JIGSAW）的開發(fā)。JIGSAW系統(tǒng)最大的優(yōu)點是對極度模糊的目標(biāo)具有高分辨率成像與識別功能，能夠收集隱藏在濃密森林中地面目標(biāo)的多角度、高分辨率的3D圖像，并能夠把隱藏的有威脅的目標(biāo)圖像提供給地面的指揮官。林肯實驗室主要負(fù)責(zé)JIGSAW機載激光3D探測成像系統(tǒng)傳感器部分的研制。該傳感器主要由以下幾部分組成：短脈沖被動Q開關(guān)倍頻固態(tài)Nd∶YAG微芯片激光器，平均工作功率為0.25 W；蓋革模式32×32單光子計數(shù)硅APD陣列，單光子探測效率＞20％，它與高速CMOS讀出集成電路橋鍵連接；平臺是有著精確地理信息的30 cm（12 in）萬向節(jié)系統(tǒng)（集成有GPS/INS）；自動化的傳感器和智能遙控電子設(shè)備和軟件；專用機載處理器，可提供近實時的數(shù)據(jù)收集和3D點集數(shù)據(jù)處理及存儲能力；高帶寬RF數(shù)據(jù)通信無線電設(shè)備；用于平臺/傳感器控制的地面模塊控制站；狀態(tài)監(jiān)視；3D成像視覺及開發(fā)系統(tǒng)。各模塊之間的邏輯關(guān)系如圖11所示。JIGSAW傳感器參數(shù)如表3所示。JIGSAW系統(tǒng)總重為45 kg，傳感器的重量為13.6 kg，是一個模塊化的系統(tǒng)，可以安裝在有人機和無人機上。該系統(tǒng)集成在載人UH-1直升機上進行了飛行試驗，對多種濃密樹葉遮蔽和偽裝的軍事目標(biāo)景物進行了成像，所成圖像中這些目標(biāo)均能很容易地被識別。圖 12為地面試驗中 JIGSAW 系統(tǒng)對距離150m處的各種靜態(tài)校準(zhǔn)目標(biāo)所成的3D圖像；圖13為飛行試驗中對一個軍用卡車所成的3D 圖像［2，19］。

圖12 JIGSAW系統(tǒng)對距離150 m處的各種靜態(tài)校準(zhǔn)目標(biāo)所成3D圖像Fig.12 3D images from JIGSAW system for several kinds of static adjustment targets at distance of 150 m

表3 JIGSAW傳感器系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)Tab.3 Critical parameters of JIGSAW sensor system

圖13 飛行試驗中JIGSAW系統(tǒng)對一個軍用卡車所成的3D圖像Fig.13 3D image from JIGSAW for a military truck in flight test

由于氣溶膠的遙感有很多商業(yè)和防衛(wèi)應(yīng)用，如放射物監(jiān)視或生物戰(zhàn)劑的探測，為了調(diào)查光子計數(shù)激光探測成像系統(tǒng)對薄的或低密度氣溶膠云進行遠(yuǎn)距離探測和成像的敏感性和有效性，林肯實驗室開發(fā)了一個可移動主動成像激光探測成像系統(tǒng) （MobileActiveImagingLIDAR system，MAIL）。該系統(tǒng)的激光器為被動Q開關(guān)倍頻固態(tài)Nd∶YAG微芯片激光器，脈沖重復(fù)頻率為14～16 kHz，平均輸出功率低于64 mW；探測器為工作于蓋革模式的32×32 APD二極管探測器陣列，用于單光子計數(shù)和測距。該系統(tǒng)傳感器的關(guān)鍵參數(shù)與JIGSAW完全相同，如表3所示。傳感器緊湊、強健，最大的優(yōu)勢是對功率孔徑積的需求減少了多于一個數(shù)量級。MAIL系統(tǒng)如圖14所示。MAIL傳感器是為了從一個低空機載平臺上對硬目標(biāo)進行成像而設(shè)計和發(fā)展的，然而，它在論證對氣溶膠釋放的高分辨率空間-時間的成像時工作得非常好，已經(jīng)論證了探測和跟蹤少量氣溶膠的能力［20］。

在數(shù)據(jù)處理與顯示方面，林肯實驗室已經(jīng)開發(fā)了一種能夠?qū)崟r產(chǎn)生、顯示和分析機載激光3D探測成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)的圖像處理原型系統(tǒng)。采用了一系列新穎算法將粗糙的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成清晰的3D圖像。這些算法能夠降噪、進行地面識別、探測器響應(yīng)反卷積和照明模式再歸一化。該系統(tǒng)同樣能夠在屏幕上將靜態(tài)目標(biāo)從動態(tài)目標(biāo)中區(qū)分開來。為了達到信息的實時處理，研究人員將這些算法在一個Linux集群中并行處理，論證了將圖像生成算法、多處理器通信軟件和集群計算硬件結(jié)合在一起的方法具有產(chǎn)生可操作的實時3D成像能力。此外，還討論了未來工作的發(fā)展方向，包括自動識別移動的人、在機載平臺上的實時探測以及機載激光3D探測成像系統(tǒng)和視頻成像的結(jié)合等等［21］。

圖14 可移動主動成像激光探測成像傳感器系統(tǒng)Fig.14 Mobile positive imaging lidar sensor system

美國空軍研究實驗室（AFRL）軍需品部研究和發(fā)展機載激光3D探測成像系統(tǒng)傳感器和自導(dǎo)引導(dǎo)彈接近25年之久，最近成功完成了3D-LZ（Landing Zone）直升機機載激光3D探測成像系統(tǒng)的飛行測試論證。3D-LZ傳感器的成像和顯示系統(tǒng)可以在直升機接近、著陸和離開盲視環(huán)境時為飛行員提供高保真度的圖像。3D-LZ機載激光3D探測成像傳感器由1.5 μm纖維激光器、多邊形掃描器、InGaAs APD光學(xué)接收器、彩色數(shù)字照相機和距離計數(shù)電路等部分組成。該傳感器裝在萬向支架上，在萬向支架上裝有光纖陀螺慣性測量單元。3D-LZ傳感器的能視域為方位角方向60°，俯仰方向30°。方位線掃描率為150 line/s，產(chǎn)生150 000/s測量點的凈持續(xù)信息率；俯仰掃描角速率為150 mrad/s，產(chǎn)生在方位和俯仰方向上均為1 mrad的等價掃描間隔。因此，一個完整的60°×30°的掃描共有1.5×106pixel。多處理器控制的距離計數(shù)電路子系統(tǒng)包括一個數(shù)字激光脈沖飛行時間距離計數(shù)器、多邊形掃描器和萬向支架控制系統(tǒng)以及真彩色化功能模塊。3D-LZ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖15所示。3D-LZ系統(tǒng)最大工作距離約為61 m，距離精度為1 cm。3D-LZ系統(tǒng)集成安裝到EH-60黑鷹直升機上，于2009年6月進行了第一次飛行測試，如圖16所示。測試中在幾乎100％灰塵阻礙環(huán)境下成功地在貫穿整個著陸和起飛過程中為飛行員提供了連續(xù)的圖像。這些結(jié)果非常有前景，而且奠定了機載激光3D探測成像系統(tǒng)在應(yīng)對直升機盲視環(huán)境下為首要技術(shù)方案的地位，下一步將增加系統(tǒng)的“透視”能力，并增加一些諸如電纜探測和報警等附加特征［22，23］。

圖15 3D-LZ機載激光3D探測成像系統(tǒng)框圖Fig.15 Frame of 3D-LZ airborne 3D imaging lidar system

圖16 3D-LZ探測成像系統(tǒng)在黑鷹直升機上Fig.16 3D-LZ imaging lidar system on Black Hawk helicopter

自從 1996年以來，美國部隊工程師軍團（USACE）開展了一系列關(guān)于海岸線探測的激光探測成像系統(tǒng)的研究，并為此成立了聯(lián)合機載激光探測成像海洋測量專業(yè)技術(shù)中心（JALBTCX）。海防測繪和成像激光探測成像系統(tǒng)（Coastal Happing and Imaging Lidar，CZMIL）是最近幾年專門為USACE的國際海岸線繪圖項目所設(shè)計的新一代機載繪圖系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在產(chǎn)生海灘和淺水海底高分辨率3D圖像的同時完成海底分類和水柱描述。CZMIL系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)由機載激光3D探測成像傳感器、商用成像光譜儀和商用數(shù)字量測攝影機3部分組成。由于CZMIL系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集頻率很高（高達70 kHz），需要開發(fā)一個緊湊、高能量、短脈沖長度和高重復(fù)頻率的激光器，該綠光激光器增益介質(zhì)為Nd∶YVO4，脈沖持續(xù)時間接近2 ns，重復(fù)頻率為10 kHz。系統(tǒng)所需激光波長為1 064 nm和532 nm，532 nm激光束的輸出脈沖能量為3.0 mJ。CZMIL希望能夠綜合機載激光3D探測成像系統(tǒng)和圖像傳感器，產(chǎn)生高度自動化的淺海探測信息產(chǎn)品。CZMIL將改造現(xiàn)有的硬件和軟件，以解決濁度和淺水現(xiàn)有系統(tǒng)的局限性，提高數(shù)據(jù)的環(huán)境應(yīng)用，充分利用先進的激光、掃描儀和接收器技術(shù)、信號處理和數(shù)據(jù)融合算法，同時保持準(zhǔn)確的深度測量能力。CZMIL系統(tǒng)的一些關(guān)鍵需求如表4所示。CZMIL的制造在2010年完成，2011年開展了現(xiàn)場試驗［24，25］。

表4 CZMIL的關(guān)鍵需求Tab.4 Critical demands of CZMIL

美 國 Advanced Scientific Concepts， Inc.（ASC）致力于與增強成像和其應(yīng)用相關(guān)的工程技術(shù)研究。目前，該公司的主要產(chǎn)品為3D閃光激光探測成像傳感器和相機。ASC的閃光激光探測成像系統(tǒng)可以穿過塵土、霧、煙或其它模糊狀況進行成像，在任何照度情況下可以對距離為5 cm～5 km的景物進行成像。如今，基于ASC專利技術(shù)的3D攝像機利用單個激光脈沖即可捕獲全幀（128 pixels×128 pixels）3D點云數(shù)據(jù)，高達60 frame/s。ASC共有3種3D閃光激光探測成像系統(tǒng)：DragonEye，TigerEye和便攜式。DragonEye空間相機是一個輕量、小尺寸的系統(tǒng)，TigerEye是一個小尺寸的集成3D閃光激光探測成像攝像機，它又有 TE-2809-PC、TE-2845-PC和 TE-2445-PC等幾個系列。DragonEye和TigerEye的一些基本參數(shù)列于表5中，通過表5可以看出，ASC公司的機載激光3D探測成像系統(tǒng)的探測器采用InGaAs APD陣列，達到了128 pixel×128 pixel，激光為Ⅰ類視覺安全激光，視場大、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕。

表5 DragonEye和TigerEye的基本參數(shù)Tab.5 Basic parameters of DragonEye and TigerEye

4.2 歐洲機載激光3D探測成像系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

表6 著陸應(yīng)用的機載激光3D探測成像傳感器的性能要求Tab.6 Performance requirements of detection lidar in airborne laser 3D imaging system for landing applications

為了為火星探測做準(zhǔn)備，歐洲航天局（ESA）將激光3D探測成像技術(shù)作為可預(yù)見性的重要技術(shù)之一，它可以為宇宙飛船制導(dǎo)、導(dǎo)航和控制系統(tǒng)提供重要的信息。歐洲航天局與兩個工業(yè)團隊簽訂了合同分別發(fā)展和論證著陸應(yīng)用和交匯與對接應(yīng)用的激光3D探測成像傳感器技術(shù)，目前均處于加工和測試階段。著陸應(yīng)用的機載激光3D探測成像傳感器的性能要求如表6所示。該激光3D探測成像試驗臺采用TOF測量方法，由激光器、光學(xué)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)、探測器和控制電路等組成。其中激光器重復(fù)頻率為12 kHz，激光波長為532 nm。探測器為帶有典型TOF讀出集成電路的1×256硅單光子APD陣列。掃描系統(tǒng)的掃描鏡具有兩軸運動，由一個常平架結(jié)構(gòu)的鏡架支撐。數(shù)據(jù)處理的一個重要特征即使用超分辨率網(wǎng)格方法，可以實時處理設(shè)備生成的海量數(shù)據(jù)。試驗臺由鋁制成，系統(tǒng)目前質(zhì)量為8 kg，未來版本質(zhì)量將為6kg。系統(tǒng)的功能框圖如圖17所示，在框圖中，較為有特點的是光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，激光接收系統(tǒng)采用的是一組變焦鏡頭，它對無窮遠(yuǎn)到1 m距離內(nèi)成像像質(zhì)都很好。變焦鏡頭結(jié)構(gòu)緊湊，其與探測器距離很近，非常方便集成在一起。接收系統(tǒng)的口徑限制在50 mm，這對于探測距離為5 000 m的情況已經(jīng)完全夠用，在變焦鏡頭前放有一個帶寬為1 nm的干涉濾波器，主要是為了屏蔽掉背景返回的光子。用于交匯與對接應(yīng)用的激光3D探測成像試驗臺的性能估計如表7所示。該試驗臺也是基于TOF測量方法，采用了包括纖維激光器的單通道激光測距儀，探測器采用InGaAs APD，共軸發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)，掃描系統(tǒng)也采用具有方位和俯仰掃描方向的常平架安裝的掃描鏡。在未來的空間應(yīng)用中傳感器質(zhì)量可能低于7 kg，功率損耗低于45 W［26］。

圖17 著陸應(yīng)用的機載激光3D探測成像系統(tǒng)功能框圖Fig.17 Function frame of 3D imaging lidar system for landing

表7 交匯與對接應(yīng)用的激光3D探測成像傳感器的性能估計Tab.7 Performance estimation of imaging lidar system for rendezvous applications

瑞士Leica Geosystems公司Leica ALS系列激光3D探測成像傳感器是市場上發(fā)展最快的激光3D探測成像傳感器。ALS系列產(chǎn)品有ALS40，ALS5 0，ALS 6 0和ALS道路測繪儀等。Leica ALS50-Ⅱ系統(tǒng)是ALS50系統(tǒng)的第二代產(chǎn)品，其進行了如下改進：脈沖重復(fù)頻率為150 kHz，系統(tǒng)精度可達到11 cm（包括GPS誤差）；飛行高度限值為地平面以上 200～6 000 m，掃描速率高達90 Hz；集成了IPAS GPS/慣性測量工具；體積減小54％，質(zhì)量減少33 kg，可靠性提高。最新產(chǎn)品ALS60是一個可以從各種機載平臺上獲取地形和回波信號強度數(shù)據(jù)的激光3D探測成像系統(tǒng)，典型配置如下：二極管泵浦激光器；28 V直流電源供應(yīng)；大孔徑、小慣量、高速掃描鏡，標(biāo)準(zhǔn)掃描鏡是為距地面5 000 m高空使用而設(shè)計的，視場角為75°；4個距離計數(shù)電路板；回波信號強度/自動增益控制（AGS）設(shè)定捕捉卡；集成擴展圖像陣列分辨率（1 280 pixel×1 024 pixel）數(shù)字照相機，能自動進行數(shù)據(jù)注釋。ALS60后處理之后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)橫向位置精度為7～64 cm，垂直位置精度為8～24 cm。系統(tǒng)總重量（最大值）為103.7 kg。2010年10月，Leica Geosystems公布了點密度倍增技術(shù)飛行試驗成功的消息，該新奇的掃描系統(tǒng)使用單個激光器和掃描機構(gòu)獲得以前系統(tǒng)2倍多的數(shù)據(jù)采集能力。這項新技術(shù)將集成到ALS系列機載激光3D探測成像系統(tǒng)中。

奧地利Riegl公司對激光掃描成像設(shè)備的設(shè)計、發(fā)展和生產(chǎn)有著30年的經(jīng)驗，其機載激光3D探測成像系統(tǒng)使用了最新發(fā)展的最先進的激光器和信號處理技術(shù)，非常緊湊、重量輕且性價比高，均滿足在航空測量中最具挑戰(zhàn)性的需求。該公司機載激光3D探測成像系統(tǒng)有LMS-Q240i，LMSQ560，LMS-Q680i，LMS-VQ480和LMS-VQ580等型號，這里主要介紹其最新的兩款產(chǎn)品 LMSQ680i和LMS-VQ580。LMS-Q680i是一款機載長距離激光3D探測成像系統(tǒng)，可以對無限數(shù)目的目標(biāo)回波進行全波形分析，允許在高度變化的狀況下操作，因此適宜于復(fù)雜地形的航空測量。該設(shè)備可以安裝在單發(fā)動機或雙發(fā)動機飛機、直升機和無人機上。LMS-VQ580是V-系列機載激光3D探測成像系統(tǒng)，利用一個窄的近紅外激光束和快速線掃描機構(gòu)提供高速、非接觸數(shù)據(jù)獲取。LMS-VQ580是一個緊湊、輕量化的設(shè)備，可以以任意的方向甚至在空間受限的條件下安裝在直升機或無人機上，且只需一個電源。LMS-Q680i和LMS-VQ580的技術(shù)特征列于表8中，由表8可以看出，Riegl公司生產(chǎn)的機載激光3D探測成像系統(tǒng)的最大特點即激光器脈沖重復(fù)頻率非常高，因此地面測點數(shù)目多，可以得到信息量更大、分辨率更高的3D圖像。

表8 LMS-Q680i和LMS-VQ580的技術(shù)特征Tab.8 Technique parameters for LMS-Q680 and LMS-VQ580

德國TopoSys公司激光探測成像系統(tǒng)主要有以下幾個型號：FalconⅠ，F(xiàn)alconⅡ，F(xiàn)alconⅢ，Harrier 56和Harrier 24。FalconⅡ是TopoSys發(fā)展的機載系統(tǒng)，傳感器中還含有被動紅綠藍/近紅外（RGB/NIR）線掃描成像傳感器。FalconⅢ是最新的高端機載激光3D探測成像系統(tǒng)，為需要高密度和高可靠性高度模型的應(yīng)用而設(shè)計，可應(yīng)用于3D城市模型和城市規(guī)劃、森林存量、水利仿真、洪水防護和道路測繪。HARRIER 56和HARRIER 24是分別集成了Riegl公司生產(chǎn)的LMSQ560、LMS-Q240激光探測成像傳感器和一個數(shù)字照相機的設(shè)備。表9給出了FalconⅡ和FalconⅢ系統(tǒng)的一些技術(shù)參數(shù)。TopoSys在FalconⅢ系統(tǒng)中使用一個玻璃光纖掃描器，在光纖掃描器中，激光通過一個線性排列的玻璃光纖束指向地面，其回波由具有相同設(shè)計的另外一個線性排列的玻璃光纖束接收。圖18為光纖掃描器的工作原理圖。

表9 FalconⅡ和FalconⅢ的技術(shù)參數(shù)對比Fig.9 Contrast of technique paremeters for FalconⅡand FalconⅢ

圖18 光纖掃描器工作原理Fig.18 Operating principle of a fiber scanner

2008年瑞典Folke Isaksson等人利用立體攝影技術(shù)，并采用幀間快速匹配算法進行機載對地3D測量，探測路徑及得到的3D效果圖如圖19所示。載機以100 m/s的速度在500 m的高空處飛行，其得到的3D圖像的空間分辨率為0.1 m，距離分辨率為0.2 m［27］。

以上為國外近10年機載激光3D探測成像系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，有一些機載激光3D探測成像系統(tǒng)設(shè)備已經(jīng)進入實用階段，發(fā)揮著重要的作用?？梢钥闯?，國外的機載激光3D探測成像系統(tǒng)朝著緊湊型、輕量化、小型化、低功耗、高分辨率、高可靠性、高實時性、大焦平面陣列像元尺寸、高靈敏度探測器件、遠(yuǎn)距離探測、高脈沖能量的小型激光器、人眼安全和多功能化等方向發(fā)展。

圖19 機載立體攝影的探測路徑及得到的林區(qū)3D效果圖Fig.19 Detecting path for airborne stereo and 3D effect figure

5 設(shè)計考慮與建議

通過近幾年機載激光3D探測成像系統(tǒng)的發(fā)展可以看到，國外正在大力發(fā)展該項技術(shù)，測距精度都在厘米級，如用于直升機盲視的3D-LZ機載激光 3D探測成像系統(tǒng)的測距精度已達到1.0 cm。在設(shè)計機載激光3D探測成像系統(tǒng)時，需要考慮的因素很多，本文從系統(tǒng)設(shè)計角度對其進行了分析。

從用戶的需求考慮，一方面是要求系統(tǒng)測距精度要高；另一方面是圖像覆蓋的范圍廣和圖像的分辨率要高；其次，用戶也希望系統(tǒng)能夠結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕。下面針對某用戶提出的指標(biāo)進行分析，主要性能指標(biāo)如表10所示。

表10 某機載激光3D探測成像系統(tǒng)主要性能指標(biāo)Tab.10 Key indicators of an airborne 3D imaging lidar system

從測距體制來分，激光3D探測成像系統(tǒng)可以分為直接探測方式和相干探測方式兩類，相干探測對激光器的相干性要求比較高，如前文介紹，目前用直接探測方式的比較多。對于直接探測的測距體制，主要包括脈沖激光測距和連續(xù)波激光測距兩種。脈沖激光測距通過測量激光脈沖飛行時間計算目標(biāo)到接收機的距離；連續(xù)波激光測距通過測量發(fā)射的調(diào)制激光束和接收的調(diào)制回波信號之間的相位差來獲得目標(biāo)點距離。連續(xù)波激光測距可獲得較高的測距精度，但存在測距時間長和作用距離近等缺點［6］，因此，機載激光3D探測成像系統(tǒng)多采用脈沖激光測距體制。

對于脈沖激光測距體制的機載激光3D探測成像系統(tǒng)，其測距精度與總體的時間測量誤差、視軸穩(wěn)定精度和光學(xué)系統(tǒng)等因素有關(guān)?？傮w時間測量誤差與探測器連接的計時電路有關(guān)，主要包括兩個方面，即時刻鑒別誤差和時間間隔誤差，目前，時刻鑒別誤差可以達到ns以下的精度，時間間隔測量誤差可以達到ps級［6］。對于單元探測器，一般都配有后續(xù)計時電路，也可以自行設(shè)計，通過選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄔO(shè)計計時電路可以達到分米級到厘米級的精度。對于面陣和線陣APD探測器陣列，均依賴國外進口，部分配有計時電路，但大像素的APD陣列國外對中國禁運。視軸穩(wěn)定控制也影響測距精度，視軸穩(wěn)定精度高則實際測點偏離理想測點的程度就小。綜上，對于表10中的測高精度1 m是可以滿足的。

為了得到大范圍、高分辨率的3D圖像，機載激光3D探測成像系統(tǒng)需要利用激光掃描器。目前激光掃描器主要有4種：光柵掃描、聲光掃描、電光掃描和光機掃描［6］。國外的機載激光3D探測成像系統(tǒng)的掃描方式多采用光機掃描方式，一般利用光學(xué)掃描元件的擺動或轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)激光束的發(fā)射或接收。表10顯示，測高密度為2 m× 2 m（即在2 m×2 m的范圍內(nèi)要有一個測點），根據(jù)掃描寬度240 m和航速100 m/s，可以計算得測高頻率為6 kHz，即激光器脈沖重復(fù)頻率最小為6 kHz（一般根據(jù)要求的數(shù)據(jù)重合率，再對激光器的脈沖重復(fù)頻率進行計算和選擇）。這是激光器選擇的一個重要指標(biāo)，此外還要考慮到單脈沖能量等指標(biāo)，這與后續(xù)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計有關(guān)。對于擺鏡結(jié)構(gòu)，若地面測點的分布要求均勻，一般采用兩軸的掃描鏡結(jié)構(gòu)，以補償飛機飛行速度的影響。在本系統(tǒng)中，如果采用單個像素的探測器，計算可知擺鏡的擺動頻率太高，受到慣量的限制達不到該測高密度要求，因此需要考慮線陣或面陣的探測器。如果采用轉(zhuǎn)鏡作為掃描元件，由于連續(xù)旋轉(zhuǎn)不存在擺動頻率限制等問題，可以考慮其可行性，對轉(zhuǎn)鏡結(jié)構(gòu)需在體積和重量上給予限制。機載激光3D探測成像系統(tǒng)的掃描范圍與掃描元件擺動范圍、飛行高度等因素有關(guān)，需要結(jié)合系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)和光學(xué)設(shè)計綜合考慮。為了得到分辨率高的3D圖像，增加地面測點的密度是一個很好的辦法。根據(jù)探測器的不同其所能探測的地面測點密度的水平有著較大差別。

機載激光3D探測成像系統(tǒng)探測器的選擇要與激光器波長匹配，以保證對回波信號的敏感性。探測器一般為APD，APD有單元APD、線陣APD和面陣APD。采用單元APD每次只能探測一個像素，結(jié)合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計，該種系統(tǒng)也可以得到較高的物方分辨力。由于掃描鏡的擺掃速度不能太快，進一步提高地面測點的密度已十分困難，除非采用降低飛行速度等方法。而采用線陣APD或面陣APD探測器陣列，單次可以探測更多的測點，可以增加地面測點的密度，得到高分辨率的3D圖像。但采用線陣或面陣APD，一方面單次探測的測點增多，需要將激光束進行分光或采用其他辦法將激光照射到地面目標(biāo)上，同時回波信號還要與探測器的相應(yīng)像元相對應(yīng)，這對光學(xué)設(shè)計提出了要求；另一方面，由于線陣或面陣APD像元數(shù)目多，而每個像元要集成計時電路，這方面的關(guān)鍵技術(shù)目前國內(nèi)還未掌握。在信噪比方面，線陣和面陣APD的要求也要比單元APD高了很多。目前國外面陣APD已經(jīng)做到了128×128陣列，將發(fā)射的激光束分成128×128細(xì)束從而使這些激光束的回波信號與探測器的每個像元對應(yīng)。探測器的選擇還要配合光學(xué)設(shè)計，好的光學(xué)系統(tǒng)可以使機載激光3D探測成像系統(tǒng)得到更高質(zhì)量的圖像。同時，在利用面陣APD探測器陣列時，每一幀圖像之間要考慮重疊率的問題，保證每幀之間有一定的重疊，從而保證探測時不會出現(xiàn)測點的丟失。

在數(shù)據(jù)處理與顯示方面，需要對INS/GPS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、陀螺、編碼器和計時電路所得到的數(shù)據(jù)進行處理，得到測點的角-角-距信息，從而擬合成圖像在屏幕上顯示出來。數(shù)據(jù)處理與顯示時間做到與測量時間比例為1∶1對硬件和軟件要求都很高?？紤]到該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量較大，可以先將數(shù)據(jù)進行實時存儲，再通過數(shù)據(jù)處理將角-角-距3D圖像在機上或地面準(zhǔn)實時顯示出來。

在設(shè)計機載激光3D探測成像系統(tǒng)時，還需要考慮到整體的尺寸和質(zhì)量，盡量做到輕量、緊湊。同時，還要考慮到熱控方面的問題，以保證整機的性能。熱控的兩個主要方面即激光器和探測器陣列，應(yīng)盡量在結(jié)構(gòu)設(shè)計時就將熱控相關(guān)問題考慮其中。

6 結(jié)束語

機載激光3D探測成像系統(tǒng)被公認(rèn)為目前最有潛力的復(fù)雜背景下的目標(biāo)探測方式。本文較為詳細(xì)地介紹了機載激光3D探測成像系統(tǒng)的原理與應(yīng)用情況，通過分析近幾年國外該系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)，可知國外的機載激光3D探測成像系統(tǒng)正朝著遠(yuǎn)距離、高分辨率、輕量化、低功耗、高實時性和人眼安全等方面發(fā)展。結(jié)合一個用戶需求的機載激光3D探測成像系統(tǒng)的指標(biāo)對該系統(tǒng)進行了系統(tǒng)設(shè)計考慮，討論了該系統(tǒng)在測距機制選擇、掃描機構(gòu)、探測器選擇和數(shù)據(jù)處理與顯示方面的一些問題。目前國內(nèi)的相關(guān)研究仍處于實驗室階段，與國外存在著一定的差距，還需要攻破一些關(guān)鍵技術(shù)?？梢钥隙?，在不久的將來，機載激光3D探測成像系統(tǒng)在軍事和民用兩大領(lǐng)域都會發(fā)揮重大的作用和優(yōu)勢。

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《發(fā)光學(xué)報》

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《發(fā)光學(xué)報》是中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所與中國物理學(xué)會發(fā)光分會共同主辦的中國物理學(xué)會發(fā)光分會的學(xué)術(shù)會刊。該刊是以發(fā)光學(xué)、凝聚態(tài)物質(zhì)中的激發(fā)過程為專業(yè)研究方向的綜合性學(xué)術(shù)刊物。

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Development status of airborne 3D imaging lidar systems

ZHANG Jian，ZHANG Lei，ZENG Fei，WANG Xu，ZHAO Jia-xin，TIAN Hai-ying，REN Hang，LI Jun-feng

（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

Airborne 3D imaging lidar is a new technique to produce a angle-angle-distance，angle-angle-velocity 3D image by laser imaging.This article emphasizes the mechanism，functions and configurations of the airborne 3D imaging lidar systems as well as their applications which includes both the military and civil fields.Then，it states the current situation and developing directions of the airborne 3D imaging lidar system in detail.It summarizes that the airborne 3D imaging lidar in foreign couritries will make advances on long distance，high resolution，low power consume，real time and laser safety，However，the current domestic research is still at the laboratory stage，and there is still a gap compared with other foreign countries.Some of the key technologies need to be solved.Finally，by taking a 3D image lidar system from a user for an example，it analysizes the requrirements of the system for the range measurement，scanning structures，detectors and dada processing and display.

airborne laser 3D imaging system；laser detection；laser radar；3D imaging

2011-01-12；

2011-03-13

TN958.98；TJ765.332；TJ439.2

A

1674-2915（2011）03-0213-20

張 健（1986—），男，山東濟南人，研究實習(xí)員，主要從事航空光學(xué)遙感設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的研究。E-mail：zjian000@163.com