王 銳

(1.激光與物質(zhì)相互作用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130033;2.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033)

1 引言

自激光成像技術(shù)產(chǎn)生以來(lái)，人們一直在尋求一種新型的探測(cè)成像技術(shù)，相對(duì)傳統(tǒng)的微波雷達(dá)探測(cè)而言，激光探測(cè)具有分辨率高、體積小巧、抗干擾力強(qiáng)和適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于紅外熱成像技術(shù)，激光成像技術(shù)不受周圍環(huán)境溫度影響，對(duì)比度穩(wěn)定，在天氣條件惡劣、低照度、背景復(fù)雜的條件下，仍然能獲取目標(biāo)的強(qiáng)度像和距離像，并且還可以生成高分辨率的三維圖像［1］。

20世紀(jì)90年代以來(lái)，為克服大氣后向散射影響、提高系統(tǒng)作用距離。歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家開始重視距離選通技術(shù)的研究，該項(xiàng)技術(shù)是解決遠(yuǎn)距離激光主動(dòng)成像散射噪聲問題的主要技術(shù)手段。許多國(guó)外科研機(jī)構(gòu)，如瑞典國(guó)防研究中心(FOI)［2］、英國(guó) BAE 公司［3］、美國(guó) INTEVAC 公司［4］和 Goodrich 公司 SUI小組［5］、加拿大 OBZERV公司［6］、德國(guó)光電與模式識(shí)別研究所(Research institute for optronics and pattern recognition)［7］等，都對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了深入研究，而且部分裝備已研制成功。

早期的激光距離選通成像系統(tǒng)更加關(guān)注選通門寬，希望通過更小的門寬獲得更加精確的特定距離圖像信息，更好地抑制大氣后向散射噪聲［8］。但同時(shí)，小的門寬意味著更加嚴(yán)格的測(cè)距精度［9］，限制了激光距離選通成像系統(tǒng)應(yīng)用范圍。

本文為了明確選通門寬與圖像信噪比關(guān)系，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，獲得了豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并分析不同門寬條件下的圖像效果，證明了距離選通成像系統(tǒng)對(duì)選通門寬的要求并不嚴(yán)格，完全符合實(shí)際應(yīng)用的需求。

2 距離選通成像工作原理

距離選通技術(shù)是借助精確時(shí)鐘同步技術(shù)、大功率脈沖激光驅(qū)動(dòng)技術(shù)、選通增強(qiáng)攝像機(jī)(ICCD)等發(fā)展起來(lái)的。圖1為距離選通技術(shù)原理圖。脈沖激光和選通攝像機(jī)通過控制電路同步。在ta時(shí)刻，激光光源發(fā)射激光脈沖，選通攝像機(jī)關(guān)閉。在激光脈沖傳輸?shù)竭_(dá)目標(biāo)并反射回選通攝像機(jī)所處位置(tb時(shí)刻)之前，選通攝像機(jī)保持關(guān)閉。這樣ta到tb時(shí)刻脈沖激光傳輸過程中產(chǎn)生的后向散射光無(wú)法進(jìn)入選通攝像機(jī)形成噪聲。當(dāng)反射回的脈沖激光到達(dá)選通攝像機(jī)所處位置(tb時(shí)刻)時(shí)，選通攝像機(jī)打開，接收返回的脈沖激光并成像。而后重復(fù)這一過程，關(guān)閉攝像機(jī)，并發(fā)射下一個(gè)激光脈沖。這樣形成的目標(biāo)圖像主要與距離選通時(shí)間內(nèi)的目標(biāo)反射光有關(guān)［3］。如果選通門開啟時(shí)間長(zhǎng)度和激光脈寬都很窄，使得成像系統(tǒng)只接收目標(biāo)附近的反射光信號(hào)，消除大部分的后向散射光，就能大大提高系統(tǒng)的成像對(duì)比度。距離選通成像方式可以選擇成像距離并控制成像景深，可以抑制后向散射，能夠在薄霧、雨、雪等惡劣天氣條件下成像。

圖1 距離選通成像原理圖Fig.1 Block diagram of range gating imaging

(1)延遲時(shí)間

對(duì)于距離選通成像系統(tǒng)，從發(fā)出一束脈沖激光到選通門開啟接收目標(biāo)回波信息的延遲時(shí)間是根據(jù)目標(biāo)與成像系統(tǒng)間距離計(jì)算得出的［10］，因此，需要根據(jù)實(shí)時(shí)測(cè)距信息設(shè)定選通門開啟時(shí)間，在不考慮其他系統(tǒng)延遲情況下，選通門開啟時(shí)間可表示為:

式中，t1為延遲時(shí)間，L為目標(biāo)到成像系統(tǒng)間距離，c代表光速。

(2)選通門寬

而選通門寬決定了成像區(qū)域的景深，只有在景深范圍內(nèi)的目標(biāo)才能夠被清晰成像，測(cè)距信息存在一定的精度范圍，為保證能夠在應(yīng)用測(cè)距信息情況下對(duì)目標(biāo)成像，需滿足以下條件:

式中，2ΔR代表測(cè)距精度(即 ±ΔR)，tpulse代表激光脈沖寬度，tgate代表選通門寬。當(dāng)tgate＞tpulse時(shí)，tpulse忽略不計(jì)，測(cè)距精度只與tgate選通門寬有關(guān)。例如，測(cè)距精度為±150 m，利用式(2)計(jì)算得到tgate+tpulse=2 μs，通常固體激光器脈沖寬度為ns量級(jí)，可忽略，則 tpulse≈2 μs。

(3)距離分辨率

距離分辨率是表征距離選通成像系統(tǒng)通過調(diào)整延遲時(shí)間對(duì)目標(biāo)前后不同距離部分進(jìn)行成像的能力。

式中，ΔR代表距離分辨率，Rn+1，Rn分別代表兩個(gè)不同的成像距離，tclk代表延遲時(shí)間步進(jìn)間隔。例如，選通控制系統(tǒng)步進(jìn)間隔為2.5 ns，利用式(3)計(jì)算得到距離分辨率ΔR=0.375 m。

3 激光距離選通成像作用距離模型

根據(jù)激光雷達(dá)作用距離方程［11］:

式中:PS為激光器單脈沖能量;Pr為探測(cè)器接收能量;ηt為發(fā)射系統(tǒng)透過率;ηr為接收系統(tǒng)透過率;R為成像系統(tǒng)到目標(biāo)的距離;TA為成像系統(tǒng)到目標(biāo)的大氣透過率;ρ為目標(biāo)反射率;S為目標(biāo)截面積;θt為激光發(fā)散角;D為接收系統(tǒng)口徑。對(duì)于發(fā)射系統(tǒng)透過率ηt和接收系統(tǒng)透過率ηr，考慮到光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不會(huì)太復(fù)雜，發(fā)射系統(tǒng)按0.9計(jì)算，接收系統(tǒng)按0.8計(jì)算。

取作用距離3.5 km，所經(jīng)過的大氣路徑為斜程路徑，利用軟件計(jì)算，在532 nm處，大氣透過率按 TA=0.6 計(jì)算［12］。

通常情況下目標(biāo)全部位于激光光斑范圍內(nèi)，故此時(shí)的目標(biāo)面積要用目標(biāo)上被激光照亮的全部面積來(lái)計(jì)算，初步擬定為7 m×7 m。

光學(xué)系統(tǒng)接收孔徑取D=100 mm，ICCD相機(jī)最小可探測(cè)能量為1×10-15J［13］。激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)散角為 5 mrad。由上式可得，為了實(shí)現(xiàn)3.5 km有效探測(cè)，需采用單脈沖能量10 mJ固體激光器進(jìn)行照明。

4 構(gòu)建外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

根據(jù)以上作用距離模型分析，構(gòu)建外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)3.5 km遠(yuǎn)距離選通成像探測(cè)。整套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。采用荷蘭Lambert公司的ICCD相機(jī)配合長(zhǎng)焦鏡頭構(gòu)建接收成像系統(tǒng)，采用法國(guó)Quantel公司的固體脈沖激光器作為照明光源。研制選通控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)激光器與ICCD相機(jī)的高精度同步控制，具體參數(shù)如下:

(1)ICCD相機(jī)

a)CCD傳感器:pixel數(shù)為 1 379 pixel×1 024 pixel，pixel尺寸為 10.3 μm;

b)最大幀頻:25 FPS;

c)像增強(qiáng)器分辨率76 lp/mm。

d)亮度增益:30 000 lm/m2/lx。

圖2 距離選通成像外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Experiment system of range gating imaging

(2)定焦鏡頭

a)F#2.8;

b)焦距300 mm。

(3)激光器

為了與 ICCD工作波段相匹配，需采用532 nm脈沖激光器。需利用信號(hào)發(fā)生器對(duì)激光器進(jìn)行外觸發(fā)控制。所需激光器參數(shù)估算如下:

a)輸出波長(zhǎng):532 nm;

b)脈寬:10 ns;

c)重頻:100 Hz;

d)單脈沖能量:＞10 mJ。

(4)選通控制系統(tǒng)

a)計(jì)時(shí)步進(jìn):2.5 ns;

b)最小門寬:2.5 ns;

c)距離分辨率:0.375 m;

實(shí)驗(yàn)過程中，采用激光測(cè)距機(jī)首先獲得測(cè)試系統(tǒng)與目標(biāo)之間的直線距離，換算為同步延時(shí)參數(shù)輸入選通控制系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)開始后，首先由選通控制系統(tǒng)觸發(fā)激光器，發(fā)射一束脈沖激光，同時(shí)，根據(jù)所設(shè)定的距離延時(shí)參數(shù)、激光器觸發(fā)延時(shí)參數(shù)及ICCD相機(jī)門控延時(shí)參數(shù)，在脈沖激光回波到達(dá)ICCD像面時(shí)觸發(fā)像增強(qiáng)器高壓，選通門開啟，接收回波信號(hào)成像。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

在3.5 km處對(duì)樓體目標(biāo)進(jìn)行了不同門寬條件下的距離選通成像，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖像采集過程中保證不同門寬條件下的像增強(qiáng)器增益電壓相同，以此來(lái)對(duì)比不同門寬條件下的圖像信噪比。

圖3 不同門寬條件下距離選通成像結(jié)果Fig.3 Range gating imaging results with different gate width

采用國(guó)際通用圖像信噪比計(jì)算方法，如式(5)所示。

式中，μ(DN)代表圖像灰度均值，σ(DN)代表灰度值標(biāo)準(zhǔn)偏差［14］。利用該算法對(duì)不同門寬條件下所采集圖像進(jìn)行計(jì)算，信噪比計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由計(jì)算結(jié)果可以看出，隨著門寬增加，信噪比逐漸降低。圖像當(dāng)中的樓梯尖頂目標(biāo)在噪聲較低時(shí)，其外部形態(tài)清晰可見，隨著門寬增加，尖頂目標(biāo)周圍出現(xiàn)大量噪聲點(diǎn)，從門寬2 000 ns開始，尖頂附近噪聲逐漸增加，使其外部形態(tài)模糊不清。采用相關(guān)自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別算法［15］對(duì)尖頂目標(biāo)圖像進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，識(shí)別結(jié)果顯示，門寬小于2 000 ns時(shí)，識(shí)別正確率在85%以上，完全滿足實(shí)際工程化應(yīng)用需求。而而2 000 ns門寬對(duì)應(yīng)的測(cè)距精度為±150 m，由此可見，距離選通成像系統(tǒng)對(duì)測(cè)距系統(tǒng)要求較低。

圖4 選通門寬與圖像信噪比關(guān)系曲線Fig.4 Curve of relation between gate width and image SNR

5 結(jié)論

本文在建立激光距離選通成像作用距離模型的基礎(chǔ)上，構(gòu)建外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。在不同門寬條件下獲得距離選通圖像，并采用國(guó)際通用的信噪比計(jì)算方法對(duì)實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，隨著選通門寬的增加，圖像信噪比逐漸降低，完全符合激光選通成像理論。但研究發(fā)現(xiàn)，門寬不大于2 000 ns(對(duì)應(yīng)的測(cè)距精度為±150 m)的情況下，圖像信噪比穩(wěn)定在8以上，圖像質(zhì)量完全滿足自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別要求，充分證明了距離選通成像技術(shù)可擴(kuò)展性和兼容適應(yīng)性。本文研究結(jié)果對(duì)于距離選通成像技術(shù)應(yīng)用推廣有著重要意義。

［1］ 張健，張雷，曾飛，等.機(jī)載激光3D探測(cè)成像系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.中國(guó)光學(xué)，2011，4(3):213-230.ZHANG J，ZHANG L，ZENG F，et al..Development status of airborne 3D imaging lidarsystems［J］.Chinese Optics，2011，4(3):213-230.(in Chinese)

［2］ PIERRE A.Long-range three-dimensional imaging using range-gated laser radar images［J］.Optical Engineering，2006，45(3):034301:1-10.

［3］ IAN B，STUART S D，JEREMY W C.A low noise，laser-gated imaging system for long range target identification［J］.SPIE，2004，5406:133-144.

［4］ VASYL M，GARY K，OVE S.Laser radar:from early history to new trends［J］.SPIE，2010，7835:783502-30.

［5］ JESSE B，ROBERT B，MARTIN E.High speed short wave infra-red(SWIR)imaging and range gating camera［J］.SPIE，2007，6541:654106-12.

［6］ DENI B，SYLVIANE L，LOUIS D.On the safe use of long-rangelaser active imager in the near-infrared for homeland security［J］.SPIE，2006，6406:1-9.

［7］ HLERB G，LUTZMANNP，ANSTETTG.3D imaging with rangegated laser systems using speckle reduction techniques to improve the depth accuracy［J］.SPIE，2008，7113:711307-11.

［8］ 王銳.多束部分相干光抑制光強(qiáng)閃爍效應(yīng)的仿真實(shí)驗(yàn)研究［J］.發(fā)光學(xué)報(bào)，2014，35(7):835-839.WANG R.Simulation experiment of using multiple partially coherent beams to limit laser intensity scintillation effect［J］.Chinese J.Luminescence，2014，35(7):835-839.(in Chinese)

［9］ 胡進(jìn)忠，余曉芬，劉媛媛.基于激光多邊法的坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)自標(biāo)定研究［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2014，28(2):130-136.HU J ZH，YU X F，LIU Y Y.Research of self-calibration of 3D coordinate measurement［J］.J.Electronic Measurement and Instrumentation，2014，28(2):130-136.

［10］ 施智勇，潘曉聲，張謙.利用延時(shí)法進(jìn)行高精度脈沖激光測(cè)距［J］.光學(xué) 精密工程，2014，22(2):252-258.SHI ZH Y，PAN X SH，ZHANG Q.High-precision pulsed laser measuring distance by time delay method［J］.Opt.Preci-sion Eng.，2014，22(2):252-258.(in Chinese)

［11］ 王銳.激光紅外主被動(dòng)復(fù)合導(dǎo)引系統(tǒng)［J］.中國(guó)光學(xué)，2013，6(4):536-543.WANG R.Compound guided system with active laserimaging and passive infrared imaging［J］.Chinese Optics，2013，6(4):536-543.(in Chinese)

［12］ KLASéNL，STEINVALLO，BOLANDERG，et al.Gated viewing in the atmosphere-a studyof performance limits［J］.SPIE，2002，4723:57-68.

［13］ FU B，YANG K CH.Analysis of MCP gain selection for underwater range gated imaging applications based on ICCD［J］.J.Modern Optics，2010，57(5):408-417.

［14］ 龐春潁，張濤.激光主動(dòng)成像系統(tǒng)信噪比模型的研究［J］.光學(xué) 精密工程，2008，16(2):319-324.PANG CH Y，ZHANG T.Signal-to-noise ratio model of laser active imaging system［J］.Opt.Precision Eng.，2008，16(2):319-324.(in Chinese)

［15］ 王燦進(jìn)，孫濤，石寧寧，等.基于雙隱含層BP算法的激光主動(dòng)成像識(shí)別系統(tǒng)［J］.光學(xué) 精密工程，2014，22(6):1639-1647.WANG C J，SUN T，SHI N N，et al..Laser active imaging and recognition system based on double hidden layer BP algorithm［J］.Opt.Precision Eng.，2014，22(6):1639-1647.(in Chinese)