屈恒闊 ，張清源，阮友田

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第二十七研究所，河南 鄭州450047)

1 引 言

激光雷達(dá)從功能上可分為激光測(cè)角和跟蹤激光雷達(dá)、掃描成像跟蹤激光雷達(dá)。近年來(lái)，隨著高重頻二極管泵浦( DPL) 激光器、光纖激光器、多元陣列探測(cè)、高速掃描器等技術(shù)的飛速發(fā)展，激光成像的幀頻和分辨率以及跟蹤性能都有了明顯的提高，在對(duì)目標(biāo)精密智能跟蹤方面極具潛力［1］。

與紅外和可見光成像相比［2］，激光成像具有顯著的優(yōu)點(diǎn):(1) 抗電磁干擾能力強(qiáng)，不容易受環(huán)境溫度和陽(yáng)光變化的影響; ( 2) 具有較高的距離、角度和速度分辨率，能同時(shí)獲得目標(biāo)的多種圖像，圖像信息量豐富，更適用于目標(biāo)識(shí)別［3］;(3) 與四象限探測(cè)點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)相比，成像跟蹤具有目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)且跟蹤精度高的優(yōu)勢(shì)。

掃描成像跟蹤激光雷達(dá)可采用單元探測(cè)器的掃描成像和多元陣列探測(cè)器的非掃描成像等工作體制，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。目前以采用單元探測(cè)器的掃描成像技術(shù)較為成熟。掃描成像跟蹤激光雷達(dá)兼具成像偵察和目標(biāo)捕獲跟蹤的能力，在直升機(jī)機(jī)載防撞、空間監(jiān)測(cè)、空間維護(hù)、空間對(duì)抗、火控雷達(dá)、夜間偵查等諸多方面具有廣泛的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種基于激光圖像跟蹤的激光雷達(dá)系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的組成和關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測(cè)試，并給出了測(cè)試結(jié)果。

2 原理及關(guān)鍵技術(shù)

圖1 為掃描成像跟蹤系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)由激光發(fā)射/接收系統(tǒng)、激光發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)、圖像處理單元、伺服機(jī)構(gòu)、總控計(jì)算機(jī)等部分組成。其中激光發(fā)射/接收系統(tǒng)由激光器及其驅(qū)動(dòng)源、探測(cè)器、放大電路等部分組成。

圖1 掃描成像跟蹤系統(tǒng)組成原理框圖Fig.1 Structure graph of scanning image tracking system

掃描成像跟蹤系統(tǒng)的工作過(guò)程如下: 首先由控制計(jì)算機(jī)通過(guò)時(shí)序控制電路控制時(shí)序，驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)射激光脈沖序列，激光脈沖經(jīng)過(guò)發(fā)射光學(xué)整形后，由掃描系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)光束方向后再照射目標(biāo)區(qū)域，形成排列緊密的掃描覆蓋。二維掃描機(jī)構(gòu)采用雙向三角波掃描，行電機(jī)沿水平方向運(yùn)動(dòng)，完成方位方向探測(cè)區(qū)域的覆蓋。幀電機(jī)沿垂直水平方向運(yùn)動(dòng)，完成俯仰方向探測(cè)區(qū)域的覆蓋，從而完成整個(gè)空域的探測(cè)。二維電機(jī)的掃描經(jīng)修正后，脈沖序列按照時(shí)序約定與掃描視場(chǎng)的位置線性對(duì)應(yīng)。當(dāng)激光脈沖照射目標(biāo)后，目標(biāo)表面對(duì)激光的漫反射回到掃描系統(tǒng)，經(jīng)接收系統(tǒng)處理后照射到探測(cè)器，形成光電流，通過(guò)信號(hào)處理得到目標(biāo)的距離。圖像處理電路按照時(shí)序約定排列回波信號(hào)，得到目標(biāo)的距離圖像［4］，當(dāng)完成一幅圖像后，通過(guò)圖像處理對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分析，判斷跟蹤整幅圖像內(nèi)的某個(gè)目標(biāo)，計(jì)算出跟蹤目標(biāo)中心與掃描中心的偏差量，伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)此偏差量和目標(biāo)的角速度不停地改變掃描中心，達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤的目的。同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果輸出目標(biāo)的相對(duì)距離和相對(duì)視線角。

系統(tǒng)有動(dòng)態(tài)圖像跟蹤和靜態(tài)圖像監(jiān)測(cè)兩種工作模式。在動(dòng)態(tài)圖像跟蹤模式下，系統(tǒng)捕獲角度為10° ×10°，跟蹤目標(biāo)后掃描角度為1° ×1°，像素為30 pixel ×30 pixel，幀頻為4 Hz。當(dāng)系統(tǒng)需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)時(shí)，可通過(guò)提高掃描頻率和激光重頻獲取更高分辨率的三維目標(biāo)圖像。跟蹤模式下可由外部控制實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為靜態(tài)掃描成像模式。本設(shè)計(jì)方案中，系統(tǒng)不僅具備對(duì)目標(biāo)的測(cè)量能力，同時(shí)具備了一定的偵察能力。

掃描成像跟蹤激光雷達(dá)系統(tǒng)除了關(guān)注激光器和探測(cè)器的指標(biāo)( 如激光脈寬、重復(fù)頻率、單脈沖能量、探測(cè)器件靈敏度等) ，還要關(guān)注影響整機(jī)使用的目標(biāo)搜索、捕獲、圖像處理和跟蹤算法等關(guān)鍵技術(shù)。為了獲取較好的探測(cè)效果及較高的圖像質(zhì)量，在選擇光源時(shí)盡量選取單模且光束質(zhì)量因子高的激光器，本系統(tǒng)采用KOPASYS 公司的光纖激光器［5］，其光場(chǎng)模式為L(zhǎng)MA 單模，光束質(zhì)量因子為1.3。激光的波束不但窄，而且分辨率高，但用窄波束激光實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索和捕獲是成像跟蹤激光雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)之一。通常掃描成像跟蹤激光雷達(dá)安裝在移動(dòng)平臺(tái)上，探測(cè)目標(biāo)同樣處于移動(dòng)狀態(tài)，因此需要考慮兩個(gè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)視線角度、角速度、速度、激光重頻、光斑覆蓋率、掃描速度等多種因素。

為了更直觀地描述激光成像探測(cè)系統(tǒng)所測(cè)量的信息，需要將被測(cè)對(duì)象的測(cè)量數(shù)據(jù)以圖像形式顯示出來(lái)，并對(duì)其進(jìn)行處理和分析。圖像處理按基本功能特征可以分為采集、顯示、存儲(chǔ)、通訊、處理和分析模塊。采集模塊完成圖像像元信息的獲取;顯示模塊是按用戶需要顯示所關(guān)心的目標(biāo)圖像信息;存儲(chǔ)模塊存儲(chǔ)所采集的信息，以供事后分析處理;通訊模塊完成多系統(tǒng)之間的信息交換;處理和分析模塊則針對(duì)采集的信息進(jìn)行過(guò)濾、處理、分析，提取相關(guān)可用信息。采用光機(jī)掃描形式成像時(shí)，需對(duì)其圖像獲取、數(shù)據(jù)修正映射等進(jìn)行研究。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)激光成像探測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)，綜合考慮其搜索效率、搜索速度、實(shí)現(xiàn)難易程度、對(duì)圖像的影響程度、重量功耗、成本等多方面因素，采取了檢流計(jì)式搜索和光柵式掃描［6］方式。

3.1 光斑重疊率要求

為了防止掃描過(guò)程中目標(biāo)從未掃描區(qū)域移到已掃描區(qū)域而丟失目標(biāo)，相鄰兩點(diǎn)尤其相鄰兩行應(yīng)具有一定的光斑重疊率，才能滿足系統(tǒng)捕獲目標(biāo)的要求。假定脈沖間隔時(shí)間為TP，行間隔時(shí)間為TL，目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度為v，最壞情況目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度與掃描方向相反，dP為一行內(nèi)兩脈沖點(diǎn)中心距，dL為行間距，D為光斑尺寸。對(duì)于圖2 所示的矩形光斑，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)應(yīng)滿足如下條件:

圖2 光斑重疊率要求Fig.2 Demand of facula overlap

所以，有:

設(shè)KP為行內(nèi)光斑間的重疊率，KL為行間重疊率，則:

根據(jù)式(2) 和式(3) ，激光采用圖像掃描目標(biāo)時(shí)，光斑的重疊率應(yīng)滿足以下條件:

系統(tǒng)的光斑重疊率是針對(duì)目標(biāo)最大運(yùn)動(dòng)速度而設(shè)計(jì)的，無(wú)需隨目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同而設(shè)計(jì)不同的光斑重疊率。

3.2 圖像處理

激光成像探測(cè)系統(tǒng)得到的圖像數(shù)據(jù)是包括二維坐標(biāo)和距離的三維圖像，對(duì)這種圖像的顯示采用三維偽彩色圖像顯示方法，其中二維坐標(biāo)為角度信息，不同顏色表示遠(yuǎn)近不同的距離。用紅色表示最近距離，用藍(lán)色表示最遠(yuǎn)距離，共256 種顏色。

由于二維振鏡掃描固有的特性，光學(xué)掃描角與機(jī)械掃描角存在一定的非線性，使掃描圖樣出現(xiàn)一定畸變，這種畸變隨著掃描角度和掃描速度的增大而增大［7］。由于幀掃速度慢，掃描的非線性可以忽略，而行掃速度快( 25 Hz) ，因此，圖像的畸變主要出現(xiàn)在水平方向，行電機(jī)的非勻速正掃和逆掃均會(huì)導(dǎo)致圖像出現(xiàn)畸變。這種畸變校正對(duì)于不同的方位、俯仰角，其畸變量是固定的，可以預(yù)先計(jì)算，用查表的方式進(jìn)行修正。

典型的激光雷達(dá)平面圖像如圖3 所示。

圖3 某水塔典型的激光雷達(dá)圖像Fig.3 Typical lidar image of water tower

3.3 跟蹤算法

對(duì)目標(biāo)的跟蹤算法直接關(guān)系到系統(tǒng)的跟蹤性能，結(jié)合系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)選擇質(zhì)心跟蹤算法作為對(duì)目標(biāo)的跟蹤算法。

當(dāng)選定目標(biāo)后，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)的速度、大小、距離等綜合信息使用適當(dāng)?shù)牟ㄩT框住目標(biāo)，只處理波門內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，節(jié)省了大部分背景的計(jì)算，壓縮了處理數(shù)據(jù)量。質(zhì)心跟蹤算法［8］采用質(zhì)心坐標(biāo)法來(lái)確定目標(biāo)的質(zhì)心，其質(zhì)心坐標(biāo)表達(dá)式為:

式中:當(dāng)像元的信息值小于系統(tǒng)閾值時(shí)，Uij=0;當(dāng)像元的信息值大于系統(tǒng)的閾值時(shí)，Uij=1。xi和yj分別為x方向的第i個(gè)坐標(biāo)和y方向的第j個(gè)坐標(biāo)。m和n分別為x和y方向上的分辨像元數(shù)。

采用質(zhì)心算法跟蹤可以達(dá)到很高的位置分辨率，而且算法處理快，有利于系統(tǒng)的快速處理和快速跟蹤。

4 試驗(yàn)方法與結(jié)果

4.1 靜態(tài)掃描

系統(tǒng)對(duì)距離960 m 左右的水塔進(jìn)行了靜態(tài)成像，圖4( a) 為水塔的CCD 圖像。采集掃描數(shù)據(jù)對(duì)激光雷達(dá)的原始圖像進(jìn)行了插值、對(duì)比度增強(qiáng)、濾波等處理。由原始數(shù)據(jù)可知，原始圖像中水塔距離為［960，970 m］，若直接采用距離和顏色映射方式，通過(guò)二次插值和濾波處理后，顯示的圖像如圖4( b) ，所探測(cè)的水塔面呈水平面，反映不出水塔探測(cè)曲面的真實(shí)走向。采用對(duì)比度增強(qiáng)處理后，顯示的圖像如圖4( c) ，可以看出，圖像增強(qiáng)后顯示的水塔形狀與真實(shí)水塔結(jié)構(gòu)一致，能夠體現(xiàn)水塔外形結(jié)構(gòu)。

圖4 水塔圖像Fig.4 Images of water tower

4.2 動(dòng)態(tài)跟蹤能力

激光雷達(dá)安裝于U 型伺服轉(zhuǎn)臺(tái)上，初始時(shí)伺服轉(zhuǎn)臺(tái)以0.4( °) /s 的速度對(duì)距離約500 m 的目標(biāo)氣球進(jìn)行5° ×5°范圍的反復(fù)運(yùn)動(dòng)、探測(cè)( 見圖5) ，經(jīng)多次測(cè)試，激光雷達(dá)均能在5 s 之內(nèi)捕獲目標(biāo)。當(dāng)激光雷達(dá)捕獲目標(biāo)后伺服轉(zhuǎn)臺(tái)以1.2( °) /s的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，仍能穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

圖5 目標(biāo)氣球?qū)崟r(shí)跟蹤圖像Fig.5 Real time tracking image of air balloon

4.3 精度測(cè)試

激光雷達(dá)跟蹤距離900 m 的靜態(tài)目標(biāo)時(shí)，伺服轉(zhuǎn)臺(tái)作為第三方測(cè)試系統(tǒng)對(duì)激光雷達(dá)的角精度和角速度精度進(jìn)行評(píng)價(jià)。精度測(cè)試結(jié)果見圖6 和圖7。經(jīng)測(cè)試，工作視場(chǎng)為50° ×50°，該系統(tǒng)距離精度優(yōu)于0.25 m，角精度可達(dá)到0.07°。

圖6 距離精度測(cè)試數(shù)據(jù)圖Fig.6 Graph of distance precision

影響系統(tǒng)測(cè)距精度的主要因素是激光回波信號(hào)提取的時(shí)延誤差，在后續(xù)的改進(jìn)工作中可加入恒比定時(shí)電路，預(yù)計(jì)精度將提高近10 cm;而影響系統(tǒng)角跟蹤精度的主要因素是激光圖像的分辨率以及由于高速掃描系統(tǒng)掃描呈非線性帶來(lái)的誤差，在后續(xù)的改進(jìn)工作中可通過(guò)減小激光束散角、增加激光重頻或者采用陣列探測(cè)器的方式來(lái)提高圖像分辨率。掃描系統(tǒng)的非線性可通過(guò)數(shù)據(jù)擬合進(jìn)行非線性修正，或者采用更高掃描能力的掃描系統(tǒng)，預(yù)計(jì)精度將提高近0.05°。

圖7 角精度測(cè)試數(shù)據(jù)圖Fig.7 Graph of angle precision

5 結(jié) 論

本文對(duì)激光圖像雷達(dá)系統(tǒng)的組成和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測(cè)試，本項(xiàng)工作對(duì)激光圖像跟蹤雷達(dá)的設(shè)計(jì)和研制具有重要的指導(dǎo)意義。該系統(tǒng)已通過(guò)長(zhǎng)達(dá)200 h 的烤機(jī)試驗(yàn)，并參加過(guò)多次野外試驗(yàn)，經(jīng)各種試驗(yàn)考核，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。另外通過(guò)對(duì)掃描成像跟蹤雷達(dá)的深入研究，未來(lái)激光成像雷達(dá)系統(tǒng)擬在以下方面進(jìn)行探索:

(1) 提高激光雷達(dá)的探測(cè)能力。采取直接探測(cè)體制是當(dāng)前激光主動(dòng)探測(cè)的主流，為提高系統(tǒng)的作用能力和探測(cè)概率，要發(fā)展相干探測(cè)體制;

(2) 提高激光成像雷達(dá)成像幀頻和圖像分辨率。幀頻數(shù)的提高將直接提高激光雷達(dá)的跟蹤能力，需要在高重頻激光輻射源、靈活快速掃描機(jī)構(gòu)等方面進(jìn)行攻關(guān)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)掃描的效果。另外國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開展了多元或陣列凝視激光成像探測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)研究，該技術(shù)一旦成熟，必將極大地推動(dòng)激光成像雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展。

(3) 針對(duì)激光主動(dòng)成像特點(diǎn)進(jìn)行有效的圖像處理和評(píng)判。激光圖像不同于CCD 圖像，它不僅具有強(qiáng)度、角度等信息，還包括距離量信息，但其3D 偽彩色的顯示方法信息量過(guò)于豐富，不利于圖像的判讀，可借鑒CCD 圖像處理方法以及與CCD圖像相融合來(lái)加強(qiáng)激光圖像的可讀性。

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