付成群， 方亮,2， 謝立軍， 王勇

(1.解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007；2.61175部隊(duì)， 江蘇 南京210049)

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高光譜-激光共光路聯(lián)測(cè)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

付成群1， 方亮1,2， 謝立軍1， 王勇1

(1.解放軍理工大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007；2.61175部隊(duì)， 江蘇 南京210049)

為解決同時(shí)對(duì)空中、地面和水下等目標(biāo)進(jìn)行精確的距離、方位和光譜屬性探測(cè)問(wèn)題，提出了高光譜- 激光雷達(dá)共光路探測(cè)原理和計(jì)算模型，以及原理樣機(jī)設(shè)計(jì)方法，并進(jìn)行高光譜- 激光雷達(dá)共光路探測(cè)試驗(yàn)。試驗(yàn)生成了高光譜與激光雷達(dá)合成數(shù)據(jù)，每個(gè)點(diǎn)具有坐標(biāo)信息和光譜信息，對(duì)合成前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同目標(biāo)識(shí)別偽裝，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位。試驗(yàn)結(jié)果表明，高光譜- 激光雷達(dá)共光路聯(lián)測(cè)方法具有可行性。

兵器科學(xué)與技術(shù)； 高光譜成像； 激光掃描數(shù)據(jù)； 同步聯(lián)測(cè)； 設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

0 引言

在揭露偽裝目標(biāo)與精細(xì)目標(biāo)識(shí)別方面，急需能夠快速同步獲取該目標(biāo)的空間位置信息和光譜屬性特征信息。然而，常規(guī)的航空攝影系統(tǒng)、衛(wèi)星遙感系統(tǒng)以及高光譜成像和微波系統(tǒng)等傳統(tǒng)的對(duì)地探測(cè)手段都存在一個(gè)共同的局限——難以同時(shí)對(duì)空中、地面和水下等目標(biāo)進(jìn)行精確的距離、方位和光譜屬性探測(cè)。

高光譜對(duì)于偽裝目標(biāo)識(shí)別具有優(yōu)勢(shì)，但缺乏精確的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，識(shí)別精細(xì)目標(biāo)受限制[1]；激光掃描技術(shù)可快速獲取高精度戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)[2]，但缺乏光譜特征數(shù)據(jù)，揭露偽裝能力弱，將二者結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)的精確定位和屬性識(shí)別。

目前國(guó)外有能同時(shí)探測(cè)采集光譜數(shù)據(jù)和空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)的機(jī)載系統(tǒng)，如瑞典AHAB公司的鷹眼、龍眼、蝙蝠系列產(chǎn)品及奧地利Riegl公司的CP-680-EAGLE系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)集成了差分定位、慣性測(cè)量、數(shù)字相機(jī)、激光掃描儀和高光譜成像儀[3-5]，但是該系統(tǒng)的各個(gè)模塊相互獨(dú)立，光譜數(shù)據(jù)、空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)之間的匹配是通過(guò)一系列后處理步驟完成的。試驗(yàn)表明：積木搭建式綜合集成的激光與高光譜成像系統(tǒng)體積大，對(duì)搭載平臺(tái)要求高，最關(guān)鍵的制約問(wèn)題是激光與光譜數(shù)據(jù)在匹配精度方面難以提升。

鑒于以上分析，要實(shí)現(xiàn)高光譜數(shù)據(jù)、激光掃描空間坐標(biāo)數(shù)據(jù)同步一體化采集，且實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化，就必須將兩種數(shù)據(jù)采集光路進(jìn)行綜合，即共光路設(shè)計(jì)，從儀器內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步一體化，以提高數(shù)據(jù)的匹配精度。發(fā)展高光譜- 激光雷達(dá)復(fù)合聯(lián)測(cè)技術(shù)，為戰(zhàn)場(chǎng)偵察提供一種新的技術(shù)手段。

1 共光路聯(lián)測(cè)原理與計(jì)算模型

1.1 高光譜- 激光雷達(dá)共光路聯(lián)測(cè)原理

高光譜- 激光雷達(dá)共光路成像是將激光掃描成像與高光譜成像進(jìn)行高度集成[6]，其基本原理是使激光發(fā)射和接收部分與高光譜成像部分共用光學(xué)主透鏡，將線掃描高光譜成像和激光點(diǎn)掃描成像光路一體化，從光學(xué)結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)高光譜- 激光雷達(dá)成像視場(chǎng)和像元匹配，如圖1所示。

圖1 高光譜- 激光雷達(dá)共光路成像原理圖Fig.1 Imaging principle of hyperspectral lidar with common optical path

1.2 高光譜- 激光雷達(dá)共光路計(jì)算模型

1.2.1 高重頻偽隨機(jī)碼激光脈沖位置調(diào)制計(jì)算

在激光探測(cè)中，將激光脈沖之間的間隔時(shí)間進(jìn)行偽隨機(jī)碼調(diào)制，接收的回波同樣具有偽隨機(jī)編碼特點(diǎn)，可以通過(guò)編碼的相關(guān)性，準(zhǔn)確解算出與發(fā)射脈沖相關(guān)的回波脈沖，克服超過(guò)模糊距離的激光測(cè)距錯(cuò)誤問(wèn)題。采用偽隨機(jī)碼激光脈沖位置調(diào)制和連續(xù)高速采樣技術(shù)，克服高重頻激光發(fā)射帶來(lái)的距離模糊。

在高重頻激光發(fā)射與接收條件下，傳統(tǒng)的規(guī)則周期脈沖由于傳輸距離較近，脈沖發(fā)射與接收之間的時(shí)間間隔往往小于激光脈沖發(fā)射時(shí)間間隔[7]，因此，當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)接收到激光脈沖時(shí)，無(wú)法確定是哪次發(fā)射脈沖所產(chǎn)生的反射信號(hào)，即會(huì)產(chǎn)生模糊距離。

最大模糊距離計(jì)算公式為

(1)

式中：c為激光光速；PRR為激光發(fā)射頻率。

如圖2所示，Tn時(shí)刻脈沖為En，其前序發(fā)射脈沖為Sm，時(shí)刻為T(mén)m，以此類(lèi)推。脈沖飛行時(shí)間為

(2)

圖2 規(guī)則周期脈沖與模糊距離Fig.2 Regular periodic pulse and fuzzy distance

當(dāng)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)位于0

(3)

當(dāng)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)位于Ru

(4)

當(dāng)對(duì)應(yīng)的目標(biāo)位于2Ru

(5)

由于最大模糊距離計(jì)算無(wú)法判斷反射目標(biāo)的具體距離，因此，無(wú)法獲得準(zhǔn)確的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

采用脈沖調(diào)制技術(shù)，將激光脈沖之間的間隔時(shí)間進(jìn)行偽隨機(jī)碼調(diào)制，如圖3所示，Sm為發(fā)射脈沖，En為接收脈沖，將發(fā)射時(shí)間Tm之間的間隔根據(jù)脈沖調(diào)制規(guī)則進(jìn)行調(diào)整，因此，接收脈沖En的發(fā)射脈沖可能位于第2模糊區(qū)，其距離為rt.

圖3 激光脈沖偽隨機(jī)碼調(diào)制示意圖Fig.3 Modulation of laser pulse pseudo-random code

1.2.2 系統(tǒng)光譜定標(biāo)及激光測(cè)距計(jì)算模型

光譜定標(biāo)是輻射定標(biāo)的基礎(chǔ)，準(zhǔn)確的光譜定標(biāo)是獲得地物正確光譜信息的必要條件[8]。光譜定標(biāo)就是確定成像光譜儀各光譜通道的中心波長(zhǎng)和光譜帶寬，光譜響應(yīng)函數(shù)可以表示為

(6)

式中：λ為中心波長(zhǎng)；λi為相應(yīng)光譜通道的波長(zhǎng)；Δλ為光譜響應(yīng)函數(shù)的半峰值全寬。

光譜定標(biāo)的任務(wù)是確定各通道的光譜中心波長(zhǎng)、位置和通過(guò)特性(等效通帶寬度和通帶函數(shù))，光譜定標(biāo)應(yīng)滿足對(duì)全系統(tǒng)、全口徑、全視場(chǎng)的要求[9]，其關(guān)鍵是光源的選擇，它應(yīng)具有穩(wěn)定性高和壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，要求入射多光譜相機(jī)的光源單色性好，分布均勻。色散型高光譜相機(jī)的光譜定標(biāo)由單色儀定標(biāo)系統(tǒng)完成。

1.2.3 像元間響應(yīng)度的相對(duì)定標(biāo)計(jì)算模型

相對(duì)定標(biāo)的目的是修正探測(cè)器像元間響應(yīng)的不一致性和系統(tǒng)光能傳輸不均勻造成的視場(chǎng)方向輸出不均勻性[10]。

干涉成像光譜儀的原理與結(jié)構(gòu)和色散型光譜儀及電荷耦合元件(CCD)相機(jī)不同，它在像面上得到的是干涉圖，不能簡(jiǎn)單地進(jìn)行像面的不均勻性修正，需分步進(jìn)行修正：

1)修正CCD芯片像元間響應(yīng)的不均勻性：采用足夠遠(yuǎn)距離的穩(wěn)定點(diǎn)光源，或者穩(wěn)定、均勻的軸上平行光做照明光源，以照度均勻的光照亮CCD芯片的受光面，經(jīng)歸一化處理，得到像元間響應(yīng)不一致的相對(duì)響應(yīng)系數(shù)C1(i,j)，i、j分別為CCD面陣行、列序數(shù)；

2)校正全系統(tǒng)視場(chǎng)方向光能傳輸引起的不均勻性：對(duì)整機(jī)全系統(tǒng)輸入充滿視場(chǎng)的均勻光，對(duì)探測(cè)器響應(yīng)的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行擬和、歸一化處理，得到每個(gè)像元的相對(duì)響應(yīng)系數(shù)C2(i，j).

經(jīng)過(guò)以上修正，即完成了整個(gè)像面的相對(duì)定標(biāo)。則有

C(i,j)=C1(i,j)C2(i,j).

(7)

整機(jī)全系統(tǒng)不均勻性校正采用的光源應(yīng)為充滿視場(chǎng)的均勻平行光，可用天空背景作為無(wú)限遠(yuǎn)的均勻光源，也可用優(yōu)化設(shè)計(jì)的平行光管來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2.4 光譜輻射度絕對(duì)定標(biāo)計(jì)算模型

高光譜相機(jī)的光譜輻射度絕對(duì)定標(biāo)是為了確定所有探測(cè)單元的光譜響應(yīng)函數(shù)，即復(fù)原光譜值與輸入光譜輻射亮度值之比，建立復(fù)原光譜值與目標(biāo)光譜輻亮度間的定量關(guān)系。輻射定標(biāo)由積分球輻射系統(tǒng)完成。

已知光譜強(qiáng)度分布B(u)的均勻定標(biāo)光進(jìn)入干涉光譜成像儀，得到CCD像面的干涉強(qiáng)度分布(DN值)為

B(v)cos (2πvx)dv+I0(i,j),

(8)

式中：x是光程差，x坐標(biāo)為行方向；v為波數(shù)(cm-1)；I0(i,j)是像元(i,j)的零輸入響應(yīng)；C(i,j)是相對(duì)定標(biāo)系數(shù)；R(i,j,v)是光譜響應(yīng)函數(shù)；K(v)為sinC函數(shù)，是由于矩形采樣產(chǎn)生的調(diào)制函數(shù)；v1、v2為起始和終止波數(shù)。

提取零光程差列某個(gè)像元i的點(diǎn)干涉圖(光譜方向的一行干涉強(qiáng)度數(shù)據(jù))，經(jīng)過(guò)相應(yīng)像元的零輸入響應(yīng)修正、相對(duì)定標(biāo)的像元響應(yīng)不均勻性修正(平場(chǎng))、濾波、相位修正、傅里葉變換后，得到復(fù)原光譜，將此復(fù)原光譜與輸入標(biāo)準(zhǔn)光譜B(v) (輻射亮度值)進(jìn)行比對(duì)，先做光譜相對(duì)強(qiáng)度的光譜形狀定標(biāo)(光譜相對(duì)定標(biāo))，得到復(fù)原光譜分布B′i(v)，再做光譜幅值的絕對(duì)定標(biāo)，確定絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)Di(v).Di(v)表示像元輸出每單位DN值對(duì)應(yīng)的輸入光譜輻射亮度值，

(9)

在定標(biāo)中因每像元的I0(i,j)和C(i,j)是與光程差無(wú)關(guān)的因子，干涉圖經(jīng)過(guò)這兩項(xiàng)修正后，各行干涉圖相同，絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)可以單值化為D(v). 若干涉成像光譜儀響應(yīng)的非線性度超過(guò)1%，為了提高定標(biāo)精度，應(yīng)按8～10個(gè)輸入亮度級(jí)給出絕對(duì)定標(biāo)系數(shù)。

1.2.5 距離校正計(jì)算模型

測(cè)距誤差還與反射物體的表面特征有關(guān)[11]。為了減少外界因素對(duì)測(cè)距誤差測(cè)定的影響，需在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中保證激光掃描儀的絕對(duì)靜止，通過(guò)移動(dòng)標(biāo)志板來(lái)測(cè)定距離。

測(cè)距誤差校正的方法：將標(biāo)定設(shè)備固定在水平臺(tái)上，用水準(zhǔn)管將調(diào)平，保持靜止，對(duì)著貼有不同反射介質(zhì)的標(biāo)志板掃描；然后把標(biāo)志板置于1 m不等的距離處掃描，并用全站儀測(cè)定不同距離處標(biāo)志板與激光掃描參考中心的距離，從不同距離處選擇一組標(biāo)志板上強(qiáng)度值連續(xù)的數(shù)據(jù)，根據(jù)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)距離的關(guān)系擬合二者的曲線函數(shù)，建立強(qiáng)度改正查找表；分別對(duì)不同距離處的測(cè)距值都加以強(qiáng)度改正，求出標(biāo)志板上的平均測(cè)距值，作為激光測(cè)距值，對(duì)激光測(cè)得的距離和全站測(cè)得的距離用最小二乘來(lái)擬合，求取加乘常數(shù)。

LQ=LL+K1+K2LL+L(i)，

(10)

式中：LQ為全站儀測(cè)得的標(biāo)志板到激光掃描參考中心的距離；LL為激光掃描儀測(cè)得的標(biāo)志板到激光掃描參考中心的距離；K1、K2分別為加、乘常數(shù)；L(i)是關(guān)于強(qiáng)度的函數(shù)，可以從強(qiáng)度改正查找表中查找。

數(shù)據(jù)處理方法：1) 由激光掃描儀測(cè)得的距離和掃描角計(jì)算標(biāo)志板上每個(gè)激光點(diǎn)到激光發(fā)射參考中心的垂直距離，以消除斜距的影響；2) 統(tǒng)計(jì)不同強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的激光測(cè)距值，擬合二者的曲線，選取一基準(zhǔn)強(qiáng)度值，其他強(qiáng)度值處的激光測(cè)距值都相對(duì)該基準(zhǔn)強(qiáng)度值進(jìn)行改正，例如，強(qiáng)度值為0時(shí)的改正數(shù)為0，其他強(qiáng)度值處的改正數(shù)則可由擬合曲線求出；3) 建立強(qiáng)度改正查找表，消除由于反射強(qiáng)度不同引起的測(cè)距誤差；4) 計(jì)算標(biāo)志板上所有點(diǎn)到激光掃描參考中心的平均距離作為激光測(cè)距值，并與全站儀的測(cè)距值對(duì)比；5) 根據(jù)最小二乘原理求測(cè)距的加乘常數(shù)。

1.2.6 角度校正計(jì)算模型

測(cè)角誤差校正是利用水準(zhǔn)管將轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)平固定，將固定轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)著某個(gè)方向掃描，同時(shí)每隔一段時(shí)間把轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小角度(約為2°)，然后靜掃描一段時(shí)間(約為20 s)，再轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，依照同樣的方法依次掃描，通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和激光掃描儀測(cè)得標(biāo)志點(diǎn)的角度對(duì)比擬合出它們之間關(guān)系。激光掃描儀的測(cè)角誤差呈線性規(guī)律變化：

θQ=θL+K1+K2θL，

(11)

式中：θQ為轉(zhuǎn)臺(tái)“測(cè)”得的標(biāo)志點(diǎn)的角度；θL為激光掃描儀測(cè)得標(biāo)志點(diǎn)的角度；K1、K2為角度改正系數(shù)。

通過(guò)外部已經(jīng)標(biāo)校的坐標(biāo)控制點(diǎn)，獲取激光掃描的實(shí)際角度和測(cè)量角度數(shù)據(jù)，分析隨著掃描夾角的變化，測(cè)量角度殘差呈固定變換[12]。通過(guò)最小二乘法擬合出關(guān)系曲線，對(duì)測(cè)量角度進(jìn)行矯正[13-14]。

Surgical management is the preferred approach for cardiac liposarcoma, given its metastatic potential and the significant associated cardiorespiratory morbidity.

2 高光譜- 激光雷達(dá)共光路設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高光譜- 激光雷達(dá)共光路系統(tǒng)采用共光路設(shè)計(jì)方式，系統(tǒng)組成如圖4所示。整個(gè)系統(tǒng)分為控制字系統(tǒng)、激光發(fā)射子系統(tǒng)、激光探測(cè)子系統(tǒng)、高光譜探測(cè)子系統(tǒng)、共光路光學(xué)子系統(tǒng)、定位定姿系統(tǒng)(POS)等分系統(tǒng)組成，完成高光譜- 激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的共光路采集和記錄。

圖4 高光譜- 激光雷達(dá)共光路系統(tǒng)組成圖Fig.4 Block diagram of common optical path system of hyperspectral lidar

系統(tǒng)的成像幅寬角為11.5°，最大作用距離2 km，成像的幀頻達(dá)到50 Hz. 其中主動(dòng)激光成像采用單點(diǎn)一維掃描方式，形成一維的線陣激光，線陣的幅寬角為11.5°，激光點(diǎn)角間距0.4 mrad，單束激光發(fā)散角0.2 mrad，測(cè)距精度0.1 m. 被動(dòng)高光譜成像采用面陣CCD探測(cè)器和高分辨率光譜儀獲取一維高光譜像，高光譜范圍400～950 nm，光譜分辨率為4 nm，空間分辨率0.4 m. 系統(tǒng)總體方案如圖5所示。

圖5 高光譜- 激光雷達(dá)共光路系統(tǒng)框圖Fig.5 Block diagram of common optical path system of hyperspectral lidar

2.2 高重頻掃描激光器設(shè)計(jì)

成像系統(tǒng)中的主動(dòng)成像部分采用高重頻光纖1 030 nm激光器作為照明光源，該激光器波長(zhǎng)范圍靠近可見(jiàn)光，與成像光譜的波段接近，采用的接收主透鏡波長(zhǎng)兼顧性好，能夠同時(shí)滿足高光譜- 激光雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)成像質(zhì)量的要求。激光器采用全光纖結(jié)構(gòu)，光纖激光器方案如圖6所示。激光器系統(tǒng)采用主振蕩- 功率放大 (MOPA) 結(jié)構(gòu)放大，由種子激光器和兩級(jí)放大器組成。

種子激光器采用直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器，內(nèi)置半導(dǎo)體制冷器(TEC)溫控電路，其參數(shù)為中心波長(zhǎng)1 030 nm，經(jīng)電脈沖直接調(diào)制后輸出光脈沖峰功約200 mW，脈沖寬度5 ns左右，光譜寬度約1.5 nm，尾纖輸出的種子光經(jīng)隔離器后進(jìn)入分束器，分出小部分光作監(jiān)測(cè)用，判斷種子激光器是否正常工作。分束器之后大部分光進(jìn)入級(jí)聯(lián)的放大級(jí)進(jìn)行放大。

圖6 光纖激光器結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Schematic diagram of fiber lasers

2.3 共光路光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

共光路光學(xué)系統(tǒng)用于收集來(lái)自地面目標(biāo)的光輻射和激光回波，并通過(guò)分色片將高光譜與激光波段信號(hào)分離。光學(xué)系統(tǒng)中的高光譜- 激光雷達(dá)成像系統(tǒng)共用一個(gè)前置主透鏡，采用光譜分光方式將后端光路分開(kāi)，分別實(shí)現(xiàn)高光譜成像和激光探測(cè)。主動(dòng)激光的發(fā)射和接收采用同軸方式，共用一個(gè)4面體掃描鏡，實(shí)現(xiàn)激光線陣成像。高光譜- 激光雷達(dá)共光路光學(xué)系統(tǒng)方案如圖7所示。其中前置鏡部分包含光闌和望遠(yuǎn)物鏡兩個(gè)組件，望遠(yuǎn)物鏡屬于短焦距、寬譜段、相對(duì)孔徑較大的系統(tǒng)，需要校正包括球差、像散、色差等在內(nèi)的所有7種像差。本方案采用了外置光闌的改進(jìn)型雙高斯結(jié)構(gòu)，是一個(gè)全透射式的光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)本方案采用了外置光闌的改進(jìn)型雙高斯結(jié)構(gòu)：

1)光闌位于透鏡前焦平面上，構(gòu)成像方遠(yuǎn)心系統(tǒng)，減少使用場(chǎng)鏡與后置光譜儀匹配所帶來(lái)的一系列問(wèn)題；

2)將光闌置于前置物鏡的前端，易于系統(tǒng)雜光的消除；

3)望遠(yuǎn)物鏡的像面上設(shè)置狹縫，而在狹縫和最后一塊鏡片之間留有較大長(zhǎng)度，有利于消除雜光和鬼像。

2.3.1 探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

探測(cè)系統(tǒng)中的主被動(dòng)成像分別采用單像素雪崩光電二極管(APD)探測(cè)器和面陣CCD探測(cè)器，主動(dòng)成像采用APD探測(cè)激光的回波，根據(jù)飛行時(shí)間測(cè)量獲取目標(biāo)距離，同步采樣掃描鏡編碼器的角度，實(shí)現(xiàn)激光三維原始圖像的采集；被動(dòng)成像采用CCD面陣探測(cè)光譜圖像，實(shí)現(xiàn)高光譜原始圖像的采集。根據(jù)探測(cè)距離、像素分辨率和光譜分辨率要求。探測(cè)系統(tǒng)以現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列(FPGA)為控制核心器件，完成多源數(shù)據(jù)的同步和傳輸；以APD和CCD作為探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)高光譜- 激光雷達(dá)探測(cè)；以內(nèi)部時(shí)序信號(hào)產(chǎn)生器產(chǎn)生CCD的曝光觸發(fā)信號(hào)、激光器的出光觸發(fā)信號(hào)和APD探測(cè)電路的主波信號(hào)，有效從時(shí)間上將多元數(shù)據(jù)進(jìn)行主動(dòng)同步，確保高光譜- 激光雷達(dá)成像像元的時(shí)間匹配。APD的探測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和整形后，由FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)間測(cè)量獲取距離。探測(cè)系統(tǒng)的方案如圖8所示。

圖8 探測(cè)系統(tǒng)功能框圖Fig.8 Functional block diagram of detecting system

激光探測(cè)部分的光路采用了一個(gè)擴(kuò)束鏡+線掃描的結(jié)構(gòu)，通過(guò)一個(gè)短焦凹透鏡與前置物鏡構(gòu)成一個(gè)4倍的擴(kuò)束鏡，一方面提高接收口徑，一方面壓縮掃描角度以提高成像角分辨率。使用帶通孔的45°平面反射鏡實(shí)現(xiàn)激光收發(fā)同軸，后端接收透鏡直徑20 mm，發(fā)射激光直徑2 mm. 根據(jù)成像的角范圍，后端掃描鏡的掃描角度達(dá)到45°，采用4面塔鏡作為一維掃描鏡，該掃描鏡采用玻璃一體加工成型，轉(zhuǎn)軸穿過(guò)掃描鏡中心，與轉(zhuǎn)軸垂直方向的投影直徑為50 mm，沿轉(zhuǎn)軸方向的高度為20 mm，外表面鍍1 030 nm波段的介質(zhì)高反膜。反射面與轉(zhuǎn)軸夾角45度，塔鏡360°單方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，單圈可以獲得4條掃描線，有效通光孔徑20 mm，單面有效掃描角度達(dá)到45°.

2.3.2 控制和采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制和采集系統(tǒng)基于高速的PCIe工業(yè)總線實(shí)現(xiàn)探測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸，通過(guò)磁盤(pán)陣列完成高速海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，采集和存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括激光探測(cè)數(shù)據(jù)、CCD光譜圖像數(shù)據(jù)和姿態(tài)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。通過(guò)內(nèi)置串口實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)成像系統(tǒng)各個(gè)模塊的控制和狀態(tài)采集?？刂坪筒杉到y(tǒng)采用4核工控機(jī)作為硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其它系統(tǒng)和控制和監(jiān)測(cè)，同時(shí)完成高光譜- 激光雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)和姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。通過(guò)PCIe總線實(shí)現(xiàn)探測(cè)系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)傳輸和控制指令發(fā)送，通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)其它模塊控制指令的發(fā)送、狀態(tài)參數(shù)和測(cè)量數(shù)據(jù)的接收[15]。方案如圖9所示。

圖9 控制采集系統(tǒng)框圖Fig.9 Block diagram of control-acquisition system

系統(tǒng)由綜合控制與監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一控制，其中同步控制模塊負(fù)責(zé)控制各子系統(tǒng)的工作時(shí)序，在接收到POS系統(tǒng)發(fā)出的飛行速度與高度信息后，同步控制模塊實(shí)時(shí)計(jì)算合適的基準(zhǔn)工作頻率，并將分頻處理后的觸發(fā)信號(hào)同步發(fā)送給激光發(fā)射子系統(tǒng)、高光譜成像子系統(tǒng)和POS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)同步工作，保證數(shù)據(jù)之間的匹配。

2.3.3 干涉型分光光譜成像

與傳統(tǒng)帶狹縫的棱鏡、光柵等色散型光譜儀相比，干涉型分光光譜成像具有高通量、多通道、高測(cè)量精度、雜散光低等突出優(yōu)點(diǎn)[16]。在高光譜成像部分，采用Offner中繼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，Offner中繼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，在遠(yuǎn)心條件時(shí)能自動(dòng)校正各種3級(jí)像差，具有良好的成像特性，且易于加工。通常有兩種設(shè)計(jì)方案：第1種方案是將Offner中繼系統(tǒng)中的次鏡換成光柵，這種方案結(jié)構(gòu)緊湊能量利用率低，由于有2級(jí)光譜的存在，光譜范圍受限；第2種方案是在Offner中繼系統(tǒng)上下兩匯聚光路中分別加入棱鏡，這種方案克服了光柵能量利用率低、光譜范圍受限的問(wèn)題，但雙離軸曲面棱鏡裝調(diào)困難，穩(wěn)定性受限。設(shè)計(jì)了一種Offner曲面棱鏡光譜成像系統(tǒng)，如圖10所示，即將Offner中繼系統(tǒng)中次鏡換成單曲面棱鏡，這樣不但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，還克服了光柵能量利用率低、光譜范圍受限的問(wèn)題，同時(shí)采用軸上單曲面棱鏡，克服雙離軸棱鏡裝調(diào)困難，穩(wěn)定性受限的問(wèn)題。圖10中，O為物點(diǎn)，C為軸點(diǎn)，H為物點(diǎn)到軸點(diǎn)的距離。

圖10 軸上單曲面棱鏡光譜儀Fig.10 On-axis single curved prism spectrograph

3 高光譜- 激光雷達(dá)共光路聯(lián)測(cè)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)參數(shù)

測(cè)量速度:100 000點(diǎn)/s，測(cè)量距離：3～1 000 m，測(cè)量精度：8 mm(100 m)，掃描視場(chǎng)：360°×310°. 譜段范圍：450～1 000 nm，譜段數(shù)：180，光譜分辨率(RMS)：2.5 nm，像元數(shù)：1 000，空間分辨率：0.026 m. 試驗(yàn)場(chǎng)地：掃描目標(biāo)為對(duì)面3個(gè)水泥垛口及其周?chē)鐖D11所示。

圖11 試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.11 Test scene

圖12 激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)Fig.12 Laser point cloud data

圖13 高光譜數(shù)據(jù)立方體Fig.13 Hyperspectral data cube

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果如圖12～圖14所示。試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了高光譜與激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的合成，且合成數(shù)據(jù)都具有掃描儀坐標(biāo)信息和光譜信息，通過(guò)對(duì)比可以識(shí)別偽裝，并對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確定位。圖12為激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖13為高光譜數(shù)據(jù)立方體，圖14(a)為迷彩墻凸顯的偽彩色圖像，圖14(b)為真彩色圖像。圖14(b)中迷彩墻和綠色草地顏色一致，界限不分明，但是從圖14(a)中可以看出迷彩墻和綠色草地的顏色已經(jīng)分開(kāi)。說(shuō)明在高光譜圖像中，迷彩墻的偽裝效果大打折扣。

圖14 高光譜與激光合成數(shù)據(jù)Fig.14 Highspectrum and lidar synthesized data

4 結(jié)論

高光譜具有識(shí)別偽裝目標(biāo)優(yōu)勢(shì)，但識(shí)別精細(xì)目標(biāo)受限制；激光掃描技術(shù)可快速獲取高精度戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)，但缺乏光譜特征數(shù)據(jù)，揭露偽裝能力弱，本文將二者結(jié)合，構(gòu)建了共光路聯(lián)測(cè)計(jì)算模型，設(shè)計(jì)了高光譜- 激光雷達(dá)共光路系統(tǒng)，并進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)顯示高光譜與激光合成數(shù)據(jù)能夠?qū)⒕哂袀窝b的目標(biāo)凸顯出來(lái)，數(shù)據(jù)立方體可以提供每一個(gè)波段的光譜圖像數(shù)據(jù)，也可以為每一個(gè)像元提供連續(xù)的光譜曲線，利用不同物質(zhì)具有不同光譜特性的物理本質(zhì)可以對(duì)區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)和識(shí)別，為物質(zhì)的分析提供有力的手段，從而實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)的精確定位和屬性識(shí)別。

但是，高光譜- 激光雷達(dá)共光路系統(tǒng)在應(yīng)用中存在兩個(gè)瓶頸：一是大數(shù)據(jù)的應(yīng)用需要實(shí)時(shí)處理軟件支撐；二是基于時(shí)間序列演變的全時(shí)域三維高光譜數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)問(wèn)題需深入研究。

References)

[1] 葛憲瑩. 用于高精度微弱信號(hào)探測(cè)激光雷達(dá)的光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化[D]. 北京:北京理工大學(xué), 2014. GE Xian-ying. Design and optimization of opto-mechanical structure for high accuracy weak signal detection lidar [D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2014. (in Chinese)

[2] Rieger P, Ullrich A. Resolving range ambiguities in high-repetition rate airborne light detection and ranging applications[J]. Journal of Applied Remote Sensing, 2012, 6(1): 635-652.

[3] 童慶禧, 薛永祺, 王晉年, 等. 地面成像光譜輻射測(cè)量系統(tǒng)及其應(yīng)用[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2010, 14(3):409-422. TONG Qin-xi, XUE Yong-qi, WANG Jin-nian, et al. Development and application of the field imaging spectrometer system[J]. Journal of Remote Sensing, 2010, 14(3):409-422. (in Chinese)

[4] Prieto-Blanco X, Montero-Orille C, González-Nuez H, et al. The Offner imaging spectrometer in quadrature[J]. Optics Express, 2010, 18(12): 12756-12769.

[5] 閆興濤, 楊建峰, 薛彬, 等. Offner型成像光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 紅外與激光工程, 2013, 42(10): 2712-2717. YAN Xing-tao, YANG Jian-feng, XUE Bin, et al. Design of fore telescope system for Offner imaging spectrometer[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(10): 2712-2717.(in Chinese)

[6] 薛慶生, 林冠宇, 宋克非. 星載大視場(chǎng)短波紅外成像光譜儀光學(xué)設(shè)計(jì)[J]. 光子學(xué)報(bào), 2011, 40(5): 673-678. XUE Qing-sheng, LIN Guang-yu, SONG Ke-fei. Optical design of space borne shortwave infrared imaging spectrometer with wide field of view[J]. Acta Photonica Sinica, 2011, 40(5):673-678. (in Chinese)

[7] 計(jì)忠瑛, 相里斌, 崔燕. 超光譜成像儀的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)[J]. 航天器工程, 2010, 19(1):67-71. JI Zhong-ying, XIANG Li-bin, CUI Yan. Labsphere calibration of hyperspectral imaging spectrometer[J]. Spacecraft Engineering, 2010, 19(1):67-71. (in Chinese)

[8] 裴舒. 成像光譜儀光譜定標(biāo)[J]. 光機(jī)電信息， 2011, 28(11):48-51. PEI Shu. Spectral calibration of imaging spectrometer[J]. OME Information, 2011, 28(11):48-51.(in Chinese)

[9] 羅磊，陳懇，馬振書(shū)，等. 基于虛擬連桿機(jī)構(gòu)的類(lèi)圓柱體目標(biāo)位姿獲取[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2014, 35(6): 885-890. LUO Lei, CHEN Ken, MA Zhen-shu,et al. Position and pose measurement of cylinder-like object based on virtual pole mechanism[J]. Acta Armamentarii, 2014, 35(6): 885-890. (in Chinese)

[10] 高靜, 計(jì)忠瑛, 崔燕, 等. 空間調(diào)制干涉光譜成像儀的室外定標(biāo)技術(shù)研究[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào). 2010, 30(5):1321-1326. GAO Jing, JI Zhong-ying, CUI Yan, et al. Outfield calibration analysis of spatially modulated imaging Fourier transform spectrometer[J]. Acta Optica Sinica, 2010, 30(5):1321-1326. (in Chinese)

[11] 魏儒義. 時(shí)間調(diào)制傅里葉變換紅外光譜成像技術(shù)與應(yīng)用研究[D]. 北京:中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 2013. WEI Ru-yi. Study on time-resolved Fourier transform infrared spectral imaging technology and its applications[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2013.(in Chinese)

[12] 周磊, 彭妮娜, 張黎明, 等. 基于標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器的 FY-2(05) 星掃描輻射計(jì)可見(jiàn)通道外場(chǎng)定標(biāo)[J]. 遙感技術(shù)與應(yīng)用, 2007, 22(1):20-25. ZHOU Lei, PENG Ni-na, ZHANG Li-ming, et al. Detector based field radiometric calibration for the visible band of multi-channel scanning radiometer of satellite FY-2-05[J]. Remote Sensing Technology and Application, 2007, 22(1):20-25.(in Chinese)

[13] 劉磊. 機(jī)載LIDAR系統(tǒng)誤差分析與檢校方法研究[D]. 濟(jì)南:山東科技大學(xué), 2011. LIU Lei. Analysis of error and calibration methods of airborne lidar system[D]. Jinan: Shandong University of Science and Technology, 2011.(in Chinese)

[14] 許凱達(dá),金偉其,劉敬,等. 基于激光距離選通的非視域成像特性分析[J]. 兵工學(xué)報(bào), 2014, 35(12): 2003-2009. XU Kai-da, JIN Wei-qi, LIU Jing, et al. Analysis of non-line-of-sight imaging characteristics based on laser range-gated imaging[J]. Acta Armamentarii, 2014, 35(12): 2003-2009. (in Chinese)

[15] Hase F, Wallace L, Mcleod S, et al. The ACE-FTS atlas of the infrared solar spectrum[J].Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2010, 111(4): 521-528.

[16] August T, Klaes D, Schlussel P, et al. IASI on Metop-A:operational level 2 retrievals after five years in orbit[J]. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2012, 113(11):1340-1371.

Joint Survey Design and Test of Common Optical Path of Hyperspectral Lidar

FU Cheng-qun1，F(xiàn)ANG Liang1,2，XIE Li-jun1，WANG Yong1

(1.College of Field Engineering， PLA University of Science and Technology， Nanjing 210007, Jiangsu, China； 2.Unit 61175 of PLA, Nanjing 210049, Jiangsu, China)

In order to accurately detect the distances, orientations and spectral properties of air, ground and underwater targets, the measuring principle and calculation model of common optical path of higyperspectral lidar are discussed, and a principle prototype design method is proposed. The detection test of common optical path of higyperspectral lidar is carried out. The synthetic data of hyperspectrum and lidar are generated, each point contains the scanner coordinate information and spectral information. By comparing the data before and after synthesis, the camouflaged targets can be identified, and the targets can be also accurately located. The experimental results show that the measuring method for common optical path of hyperspectral lidar is feasible.

ordnance science and technology; hyperspectral imaging; laser scanning data; synchronous joint survey; design and test

2015-11-12

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2014AA7042011)

付成群(1975—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail:fcq-7505@sohu.com； 方亮(1983—)，男，碩士研究生。 E-mail:120594952@qq.com

TN958.98

A

1000-1093(2016)11-2002-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.11.006