唐曉燕，高昆，倪國(guó)強(qiáng)

(1.北京理工大學(xué)光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081;2.南陽(yáng)理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，南陽(yáng)473004)

1 引言

光電信息獲取分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種方式。被動(dòng)式探測(cè)方式通過(guò)探測(cè)目標(biāo)的可見/紅外輻射實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)、識(shí)別，由于其本身不發(fā)射任何特征信號(hào)，隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，在軍事上得到極其廣泛的應(yīng)用［1］。相對(duì)被動(dòng)光學(xué)探測(cè)技術(shù)而言，主動(dòng)光學(xué)探測(cè)技術(shù)因其受環(huán)境束縛小而受到人們的廣泛的關(guān)注。近年來(lái)，激光3D探測(cè)成像系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，激光3D探測(cè)成像系統(tǒng)是一種在高敏感探測(cè)器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，這樣的探測(cè)系統(tǒng)能夠測(cè)量出極小量的反射激光，并對(duì)所掃描的物體實(shí)時(shí)進(jìn)行3D建模。由于該系統(tǒng)具有全天時(shí)工作、隱蔽性好、緊湊和小型化以及可以偽裝識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于軍事偵察、長(zhǎng)距離瞄準(zhǔn)、大面積3D地形測(cè)繪、機(jī)器人導(dǎo)航、水下礦藏探測(cè)和自導(dǎo)引導(dǎo)彈等技術(shù)領(lǐng)域［2－5］。

隨著光電對(duì)抗技術(shù)、光電隱身技術(shù)的發(fā)展，目標(biāo)的可探測(cè)性越來(lái)越弱，為了實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的有效探測(cè)，一種發(fā)展趨勢(shì)是將被動(dòng)探測(cè)與主動(dòng)探測(cè)有效結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)所謂的主/被動(dòng)3D成像探測(cè)。這種探測(cè)手段可以同時(shí)獲得目標(biāo)的多種圖像(如距離像、強(qiáng)度像、距離－角度像等)，圖像信息量豐富，自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別算法大為簡(jiǎn)化，目標(biāo)區(qū)分能力突出，易于判別目標(biāo)類型，能夠?yàn)檎_識(shí)別和跟蹤目標(biāo)提供更多的決策信息，提高目標(biāo)識(shí)別概率和可靠性，可以廣泛應(yīng)用于天文觀察、衛(wèi)星跟蹤、洲際導(dǎo)彈預(yù)警、激光武器以及常規(guī)防空武器預(yù)警等領(lǐng)域［6］。本文結(jié)合主被動(dòng)探測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，介紹了國(guó)內(nèi)外主被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，并對(duì)激光成像探測(cè)的最新發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

2 激光3D成像雷達(dá)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

在激光3D成像雷達(dá)系統(tǒng)研究方面，麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室處于領(lǐng)先的地位。美國(guó)國(guó)防部和美國(guó)空軍從20世紀(jì)90年代開始資助麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行適用于彈道導(dǎo)彈防御的三維激光成像技術(shù)研究;另一個(gè)具有代表性的是受美國(guó)高級(jí)計(jì)劃研究局(DARPA)資助的用于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的Jigsaw激光三維成像雷達(dá)系統(tǒng)，其主要目的是通過(guò)成像發(fā)現(xiàn)、識(shí)別隱藏于植被或偽裝的目標(biāo)。

目前，林肯實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成了第三代三維成像激光雷達(dá)(Gen－III系統(tǒng))的研制，如圖1所示［7］。

圖1 Gen-III激光3D雷達(dá)成像系統(tǒng)主要組成部件

Gen-III系統(tǒng)采用工作在蓋革模式的32×32像元APD陣列作為探測(cè)器，具有單光子探測(cè)靈敏度。光源采用了532 nm被動(dòng)調(diào)Q二極管泵浦固體倍頻微片激光器(功率33 μJ，脈沖寬度700 ps，重復(fù)頻率10 kHz)作為光源，通過(guò)調(diào)整掃描器的掃描間隔進(jìn)行角分辨率調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)激光脈沖完成一幅完整的3D圖像。該系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)如表1所示［7］，具有高幀頻、高距離分辨率和小型化等優(yōu)點(diǎn)。除軍事用途外，還可以用于機(jī)器人視覺、自主車輛駕駛、精確加工控制等領(lǐng)域。

表1 Gen-III系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

美國(guó)先進(jìn)科技公司(Advanced Scientific Concepts Inc.，ASC)也致力于與增強(qiáng)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(cè)成像傳感器和相機(jī)。ASC的閃光激光探測(cè)成像系統(tǒng)采用InGaAs APD陣列，達(dá)到了128×128像元，可以穿過(guò)塵土、霧、煙或其他模糊狀況進(jìn)行成像，在任何照度情況下可以對(duì)距離為5 cm～5 km的景物進(jìn)行成像［8］。

瑞典的CSEM開發(fā)了另外一種激光3D成像系統(tǒng)FPA傳感器，并致力于開發(fā)一種集成、低功耗、小型化的實(shí)時(shí)激光3D成像系統(tǒng)，其具有30 Hz的成像幀頻，124×160像元，每個(gè)像元均可以通過(guò)測(cè)量信號(hào)(激光調(diào)制產(chǎn)生)的相位差來(lái)得到激光的傳輸時(shí)間。目前該系統(tǒng)主要應(yīng)用于無(wú)人車輛成像，測(cè)量距離較近［9］。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(jìn)行機(jī)載對(duì)地3D測(cè)量。載機(jī)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［9］。

目前，美國(guó)航空航天局的自主精確著陸和危險(xiǎn)的檢測(cè)避免技術(shù)(Autonomous Precision Landing and Hazard Detection Avoidance Technology，ALHAT)項(xiàng)目為了在月球和其他行星上的精確安全著陸［10－11］，正在積極發(fā)展3D閃光激光雷達(dá)技術(shù)。月球探測(cè)需要在完全黑暗危險(xiǎn)的地形下著陸，如巖石或者被遮蓋的火山口。該項(xiàng)目的研究為未來(lái)機(jī)器人和人類在月球探測(cè)車提供先進(jìn)的技術(shù)，以支持在月球表面上安全，精確著陸。ALHAT APD探測(cè)器要達(dá)到的性能指標(biāo)和讀出電路(ROIC)具體性能要求如表2所示。

表2 ALHAT APD探測(cè)器要達(dá)到的性能指標(biāo)

國(guó)內(nèi)激光3D成像探測(cè)系統(tǒng)研究起步較晚，主要有:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所研制的直升機(jī)防撞激光3D成像系統(tǒng)，系統(tǒng)采用半導(dǎo)體泵浦的YAG激光器，利用兩個(gè)諧振鏡進(jìn)行掃描;華中科技大學(xué)研制的海洋探測(cè)激光3D成像系統(tǒng)，系統(tǒng)采用YAG調(diào)Q倍頻激光器，利用卵形螺旋掃描方式;哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的障礙物回避用激光3D成像系統(tǒng)，已研制出實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)，采用1.06 μm半導(dǎo)體泵浦YAG激光器，利用兩個(gè)諧振鏡進(jìn)行掃描成像，成像速率為7 fr/s，幀分辨率為32×32，作用距離為2 km，回波強(qiáng)度等級(jí)為16級(jí)［9］。北京理工大學(xué)光電學(xué)院目前承研了機(jī)載三維選通成像光子計(jì)數(shù)激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究的國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目，成像系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)接近國(guó)際先進(jìn)水平?？傊?，國(guó)內(nèi)激光3D成像系統(tǒng)方面的研究已經(jīng)取得一定的成果，但與國(guó)外相比存在較大差距［9］。

3 下一代激光3D成像雷達(dá)系統(tǒng)

采用主動(dòng)成像激光雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別可提高作用距離。在傳統(tǒng)脈沖照射激光雷達(dá)中，采用被動(dòng)紅外焦平面探測(cè)器寬視場(chǎng)搜索、激光主動(dòng)探測(cè)進(jìn)行窄視場(chǎng)目標(biāo)識(shí)別是下一代激光3D成像雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展模式。

主動(dòng)、被動(dòng)探測(cè)由不同的探測(cè)器件來(lái)完成，各自有獨(dú)立的信號(hào)處理系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)，整體系統(tǒng)十分復(fù)雜，主/被動(dòng)光路同軸校準(zhǔn)十分困難。如圖2所示［12］，向同一個(gè)HgCdTe構(gòu)建的APD器件加不同的工作偏壓，可在APD工作模式和紅外焦平面探測(cè)器模式之間切換，用在主/被動(dòng)激光雷達(dá)系統(tǒng)中，APD模式用于接收人眼安全的短波主動(dòng)激光雷達(dá)信號(hào);紅外焦平面探測(cè)器模式用于探測(cè)中波紅外信號(hào)，系統(tǒng)采用同一個(gè)信號(hào)處理和光學(xué)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)被大簡(jiǎn)化，HgCdTe APD用于激光主/被動(dòng)成像成為研究熱點(diǎn)。國(guó)際上多個(gè)研究機(jī)構(gòu)研制成二維成像和三維成像激光雷達(dá)，目前已達(dá)到演示樣機(jī)階段［13］。

2008年，英國(guó)SELEX Sensors and Airborne Systems(SELEX S＆AS)公司研制出了 Swan探測(cè)器［12］，可以在熱成像和激光選通3D成像兩種模式進(jìn)行電子切換。先用大視場(chǎng)的熱成像來(lái)進(jìn)行目標(biāo)定位，然后用窄視場(chǎng)的激光3D成像來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。焦平面大小為320×256，探測(cè)器采用HgCdTe APD和一個(gè)專門設(shè)計(jì)的CMOS多路復(fù)用器來(lái)執(zhí)行快速門限和光子信號(hào)捕獲。同年，DRS Sensors＆Targeting Systems公司也研制出了中波紅外(MWIR)HgCdTe電子激發(fā)APD陣列(e-APD)，具有3～5 μm波段進(jìn)行被動(dòng)成像模式和1.5 μm的主動(dòng)模式。焦平面陣列大小為128×128［14］，當(dāng)偏壓為13.5 V時(shí)，增益可達(dá)1000倍，讀出速率為5 MHz，峰值功耗＜55 mW。

圖2 采用HgCdTe工藝構(gòu)建的APD陣列

2012年，法國(guó)原子能委員會(huì)的電子信息技術(shù)研究所(CEA/LETI)研制出了30μm間距的紅外焦平面，具有熱成像和3D激光雷達(dá)兩種模式的樣機(jī)［15］，其中焦平面探測(cè)器是基于 CEA/LETI的 HgCdTe APD陣列技術(shù)，陣列規(guī)模320×256，在每個(gè)像素的讀出電路中集成了雙采樣電容、閾值比較和時(shí)基跟蹤/保持電路，分別用于被動(dòng)成像(2D)和主動(dòng)成像(3D)輸出電壓采樣，如圖3(a)所示。

CEA/LETI對(duì)該樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在被動(dòng)模式下，焦平面工作溫度為80 K，噪聲等效溫差(NETD)為30 mK，50 mV反向偏壓下，光生電流有效率達(dá)到99.93%，所成的像如圖3(b)所示。

圖3 CEA/LETI的HgCdTe APD陣列

在APD模式下探測(cè)器的工作溫度為200K，電子倍增周期為200ns，增益為20～100，30m場(chǎng)景深度的距離噪聲為11cm，距離不一致性為9cm。

4 結(jié)論

激光主動(dòng)成像探測(cè)具有較高的距離、角度和速度分辨率，突破了傳統(tǒng)的成像概念，能同時(shí)獲得目標(biāo)的強(qiáng)度像、距離像等多種圖像，圖像信息量豐富，具有目標(biāo)區(qū)分能力突出的優(yōu)點(diǎn)，此外還具有抗電磁干擾和抗隱身能力強(qiáng)的特點(diǎn)，很適于激光成像雷達(dá)、制導(dǎo)及引信等武器系統(tǒng)的應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)外軍事強(qiáng)國(guó)如美、英、法和瑞典等國(guó)，非常重視激光成像探測(cè)技術(shù)的研究，已研制出多種激光成像探測(cè)系統(tǒng)原理樣機(jī)，許多已裝備部隊(duì)。

激光雷達(dá)主動(dòng)/被動(dòng)成像系統(tǒng)，由于采用同一個(gè)信號(hào)處理和光學(xué)系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)被大簡(jiǎn)化，有利于減小系統(tǒng)體積和降低成本。且其可用大視場(chǎng)的熱成像來(lái)進(jìn)行目標(biāo)定位，用窄視場(chǎng)的激光3D成像來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，大大提高目標(biāo)識(shí)別概率和提高可靠性。因此激光雷達(dá)主/被動(dòng)成像成為被認(rèn)為是目前最具潛力的復(fù)雜背景下的目標(biāo)探測(cè)模式。在不久的將來(lái)，激光雷達(dá)主/被動(dòng)成像將在軍民兩大領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色。

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