盧偉 步萬崗

1.山東警察學院 山東省濟南市 250014 2.聊城市看守所 山東省聊城市 252000

在公共安全領(lǐng)域，遠距離、非接觸視頻監(jiān)控已經(jīng)成為預(yù)防和懲治犯罪、處理沖突發(fā)生惡性事件、保障公共安全和國家安全的重要高科技防控手段。激光主動探測成像技術(shù)是一種主動成像技術(shù)，具有作用距離遠、分辨率高、具備一定的穿透能力、可以在低照度背景復(fù)雜條件下獲取目標的圖像信息等優(yōu)點，是近幾年安全防范行業(yè)新出現(xiàn)的創(chuàng)新技術(shù)。由于激光主動探測成像在軍用及特殊民用領(lǐng)域有著強烈需求，世界各國對激光主動成像系統(tǒng)十分重視，紛紛投入巨資進行研制開發(fā)，目前經(jīng)過十多年的發(fā)展，激光主動成像系統(tǒng)已經(jīng)逐漸被各個行業(yè)領(lǐng)域所應(yīng)用，并且在目標觀測、精密跟蹤、目標識別等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

利用激光單色性好、方向性好的特點向目標發(fā)射激光，可顯著提高目標與背景的對比度。由于激光器的功率高，配備激光成像相機的靈敏度高，激光成像系統(tǒng)可增強觀測系統(tǒng)探測偽裝目標的能力和提高低透過率鍍膜車窗玻璃的穿透觀測能力。利用激光整形技術(shù)，將光束匯聚后提高目標照射光強，然后配合高幀率相機，可以實現(xiàn)目標瞬間圖像采集，在這段時間內(nèi)平臺的振動幾乎可以忽略不計，因此激光成像系統(tǒng)對安裝平臺的穩(wěn)定性要求可以降低提高適應(yīng)性，可以減小體積、重量，降低系統(tǒng)成本。采用窄帶激光器源，配合窄帶成像光學系統(tǒng)，可以對晝視環(huán)境光進行有效抑制，可以提高低透過率阻隔鍍膜玻璃后目標的光照度，得到足以滿足成像要求的圖像，這樣就可以實現(xiàn)人眼無法實現(xiàn)的鍍膜玻璃透視效果。

1 可疑車輛車窗透過系統(tǒng)原理

1.1 距離選通透玻璃原理

距離選通系統(tǒng)采用脈沖激光做光源，進行補光照明，同時采用精確時間控制的高速外觸發(fā)攝像機對圖像采集，高速攝像機將圖像采集輸出，從而得到連續(xù)圖像，該圖像與普通監(jiān)控視頻圖像一致，從而實現(xiàn)精確距離選擇通過成像。

其主要原理如圖1所示：在t時發(fā)射一束脈沖激光（此時攝像機快門是關(guān)閉的）；在t時該激光束被物體反射；在t時（被反射激光束回到攝像機）高速攝像機根據(jù)設(shè)定的觀測景深持續(xù)開通相應(yīng)的時間Δ。這樣，t至t時間內(nèi)激光脈沖所產(chǎn)生的后向散射光不會進入到攝像機，控制外觸發(fā)高速攝像機僅在目標的反射光到達時打開選通門，因此有效降低后向散射光影響，極大地降低強散射光和水汽、霧、雪（這些物體能夠反射激光）等干擾，提高信噪比，降低目標周圍環(huán)境光影響。

圖1 方案原理圖

目標的距離L與時間t和t遵循以下關(guān)系：

L=C(t-t）/2

其中C為光速。t-t是光脈沖從發(fā)射到反射回來的渡躍時間。這段時間內(nèi)，光脈沖傳播距離為2L。

由于光速為3×108米/秒，對于1公里的目標，光脈沖的渡躍時間僅為6.67×10-6秒，而對于100米的目標，光脈沖的渡躍時間只有600ns。因此要求同步控制電路時間控制精度要在10ns(光脈沖寬度3米)以下量級，當控制電路精度達到1ns時，而選擇通過的起始位置精度可以達到0.3米以下。脈沖激光配合高速外觸發(fā)成像攝像機可以很好地將成像范圍選擇控制在玻璃后面因此可以有效實現(xiàn)對玻璃后面景物的成像，避免玻璃反光對玻璃后面成像的影響。因為采用大功率脈沖激光，因此距離可達到數(shù)公里，但是所用的大功率激光器及電源、遠距離成像鏡頭，配合目標方位搜索的變焦攝像機組成的整個系統(tǒng)尺寸體積較大，因此要配合高精度云臺進行目標方位搜索和對準，對于固定安裝、車載固定安裝的形式是比較適用的。

1.2 連續(xù)激光透玻璃原理

激光具有良好的單色性和直線性，配合窄帶濾波成像攝像機可以實現(xiàn)對環(huán)境光的過濾成像，同時采用同步變焦激光控制可以實現(xiàn)大視野目標方位搜索和小視場目標細節(jié)放大觀察。

連續(xù)激光透玻璃原理如下圖（圖2）所示。

圖2 連續(xù)激光透玻璃原理

連續(xù)激光透過系統(tǒng)由近紅外人眼不可見近紅外半導(dǎo)體激光器做光源，通過光束整形變焦激光鏡頭對光束進行整形和束散角的控制。當激光透過玻璃照射到目標上并返回后，通過與激光光源相對應(yīng)的窄帶濾光片進行帶通選擇通過，可以有效避免環(huán)境光對成像的影響，同時控制系統(tǒng)配合成像和照明同步變焦控制有效提高激光光束能量，讓目標與背景的對比度更高從而實現(xiàn)透玻璃成像。該方法結(jié)構(gòu)形式簡單，體積尺寸較小，性價比較高，是便攜設(shè)備的首選。

2 可以車輛車窗透過系統(tǒng)主要技術(shù)難點

2.1 激光透車窗圖像復(fù)原技術(shù)

眾所周知，針對玻璃后面的目標成像，尤其是針對汽車貼膜玻璃后的目標成像，會面臨著圖像亮度下降，對比度下降等難點。由于車頂和車膜的影響，在白天的戶外汽車貼膜玻璃后面的目標圖像會比周圍環(huán)境的圖像亮度低至少兩個數(shù)量級。造成膜后目標成像漆黑一片，不能被有效識別。利用激光雷達主動成像原理的激光主動透膜成像技術(shù)，解決了車內(nèi)目標成像亮度低的難題，實現(xiàn)了車內(nèi)目標的清晰成像。激光雷達最基本的工作原理與普通雷達類似，即由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個信號，與目標作用產(chǎn)生的返回信號被接收系統(tǒng)收集并處理，以獲得所需信息。不同的是激光雷達的發(fā)射信號為激光束，與普通無線電雷達發(fā)送的毫米波相比，波長要短得多，因此成像分辨率高出很多。激光雷達的反射光中，包含了目標的亮度等信息。在激光雷達方程中，這對此應(yīng)用場景，加入車窗衰減系數(shù)進行計算，根據(jù)成像器件靈敏度和作用距離，計算出所需激光功率。使用小型化不可見激光，基于激光相干性和方向性，提高車內(nèi)圖像亮度和信噪比，反演復(fù)原車內(nèi)圖像。同時，根據(jù)車窗的衰減特性，使用反卷積圖像復(fù)原算法，增強圖像效果，提高系統(tǒng)識別能力。此技術(shù)對房間窗玻璃后目標以及車窗內(nèi)夜間成像有更好的成像效果。

2.2 鍍膜車玻璃的激光吸收和反射效應(yīng)研究

確定最佳透視激光和相匹配攝像機。車窗玻璃對環(huán)境光和激光的作用主要分為光反射和光吸收，車窗膜層的光衰減（主要是吸收）效應(yīng)很明顯?！稒C動車運行安全技術(shù)條件》（GB7258-2004）中對于汽車貼膜有明確規(guī)定：前擋風玻璃及風窗以外玻璃用于駕駛?cè)艘晠^(qū)(指駕駛?cè)笋{駛時用于觀察后視鏡的部位)的可見光透光率應(yīng)大于等于70%，并且所有車窗玻璃不得張貼鏡面反光遮陽膜。而側(cè)窗內(nèi)過濾一般透過率低于40%。針對窗膜層的吸收系數(shù)。項目單位前期做了大量的測試工作，取得了不同車窗膜層，不同波長的透過率系數(shù)，對后期的波長匹配和攝像機確定，打下了良好的基礎(chǔ)。而車窗玻璃的反射也比較強，車窗玻璃表面非常光滑，激光照射到物體表面相當于照射到鏡面上，則此時光的傳播遵循反射定律，即入射角度等于發(fā)射角度。因此當測量時，需要調(diào)整一下光學系統(tǒng)的角度，使玻璃反光不能進入探測系統(tǒng)，而探測系統(tǒng)只接收目標漫反射光。照射到物體的激光發(fā)生漫反射后的光反射量與物體表面密切相關(guān)，物體表面的材料，物體表面的吸收系數(shù)，物體表面的反射率都決定了反射光的能量。當目標物體為部分朗伯體時反射情況有所差異，圖3表示了幾類反射表面的反射情況，圖a為鏡面反射；圖b表示準鏡面反射；圖c為各向同性的朗伯面；圖d為準朗伯表面；圖e為復(fù)雜表面的反射，圖中虛線的長度表示反射輻射的強度。從圖中可以看出，車窗玻璃屬于b，而車內(nèi)目標屬于d和e。

圖3 不同類型的部分朗伯體對光線的反射

2.3 抗陽光干擾技術(shù)

遠距離窄帶圖像增強技術(shù)，消除陽光干擾。低照度攝像機雖然對紅外激光能感應(yīng)，但其感應(yīng)光譜是非常寬的，對可見光感應(yīng)也是相當靈敏的（如圖4所示）。環(huán)境中的強可見光同時被攝像機所接收，致使攝像機飽和。

圖4 低照度攝像機的光譜響應(yīng)

所以要想獲得高清晰的目標圖像，除了采用紅外激光照明以外，重要的一點是必須采用特殊的強光抑制技術(shù)，來抑制太陽光等高強度的可見光干擾。采用的抗環(huán)境光干擾技術(shù)主要包含：干涉窄帶濾光技術(shù)和寬動態(tài)成像技術(shù)。人們經(jīng)常用隔離可見光透過紅外光的紅外玻璃作為干擾光隔離濾光片，也能收到一定效果。但是，普通的紅外玻璃只是隔離了可見和紫外部分的光，并沒有隔離紅外光。而在實際的干擾光中，從可見到紅外都是存在的，因為太陽光的光譜很寬，并且漫反射或散射的太陽光是主要的干擾源。因此，想得到良好的抗干擾效果，必須采用干涉窄帶濾光技術(shù)。吸收型的紅外玻璃與窄帶濾光片在透過率性能上不管是哪種牌號的紅外玻璃都只隔離了可見光，對紅外光沒有任何阻擋效果，而窄帶濾光片對信號光譜范圍之外的所有干擾光的隔離都是很有效的。

理論上講，在截止范圍內(nèi)的透過率越低越好，但考慮到制作成本和實際需要，截止深度要選擇在合理的數(shù)值。需要達到的截至深度為OD4，寬動態(tài)技術(shù)是在非常強烈的對比下讓攝像機看到影像的特色而運用的一種技術(shù)。當在強光源（日光、燈具或反光等）照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對亮度較低的區(qū)域在圖像中同時存在時，攝像機輸出的圖像會出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度成為白色，而黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色，嚴重影響圖像質(zhì)量。系統(tǒng)使用DSP圖像處理技術(shù)，可以通過其超強的寬動態(tài)功能來獲得高質(zhì)量的圖片。寬動態(tài)功能劃時代地提升了一幅圖像中亮和暗區(qū)域的影像拍攝效果，可以達到比CCD更真實、更清晰的圖像。

3 典型案例應(yīng)用實測

3.1 陰涼下車窗透過測試

在晝視陽光較強的中午時分，車輛放置于樓下陰涼非直射環(huán)境下（如圖5所示），玻璃透過系統(tǒng)距離車輛50米，玻璃透過系統(tǒng)與車輛側(cè)車窗成30°～60°夾角，側(cè)車窗為有色貼膜玻璃，1米以上距離肉眼無法觀測車內(nèi)，貼膜玻璃透過率≥20%。

圖5 樓下陰涼車窗透過測試

3.2 逆光下測試

在晝視陽光較強的中午時分，車輛放置于陽光直射環(huán)境下，玻璃透過系統(tǒng)距離車輛200米，玻璃透過系統(tǒng)與車輛側(cè)車窗成3°～5°夾角，側(cè)車窗為有色貼膜玻璃（如圖6所示），1米以上距離肉眼無法觀測車內(nèi)，貼膜玻璃透過率≥20%。

圖6 晝視逆光透玻示意圖

通過設(shè)備透玻模式對車輛進行觀測（如圖7所示），可以對車內(nèi)靠窗一側(cè)人員進行成像，大體區(qū)分人員樣貌特征，例如性別、臉型、發(fā)型、胡須、眼鏡等細節(jié)進行分辨。

圖7 逆光車窗透過測試

3.3 順光測試

在晝視陽光較強的上午或下午時分，車輛放置于陽光直射環(huán)境下（如圖8所示），玻璃透過系統(tǒng)距離車輛200米，玻璃透過系統(tǒng)與車輛側(cè)車窗成3°～10°夾角，太陽與玻璃透過系統(tǒng)分別位于車輛的兩側(cè)，即玻璃透過系統(tǒng)逆光觀測車輛側(cè)車窗，側(cè)車窗為有色貼膜玻璃，1米以上距離肉眼無法觀測車內(nèi)，貼膜玻璃透過率≥20%。

圖8 逆光透玻示意圖

通過設(shè)備透玻模式對車輛進行觀測（如圖9所示）可以對車內(nèi)靠窗側(cè)人員進行成像，大體區(qū)分人員樣貌特征，例如性別、臉型、發(fā)型、胡須、眼鏡等細節(jié)進行分辨。

圖9 順光車窗透過測試

4 結(jié)語

全天候透玻璃偵查技術(shù)與裝備采用窄帶近紅外激光對目標進行主動探測，結(jié)合帶通成像系統(tǒng)，通過嵌入式視頻圖像處理技術(shù)對視頻數(shù)據(jù)進行分析和優(yōu)化處理，能夠?qū)崿F(xiàn)晝夜數(shù)百米距離的透鍍膜玻璃視頻觀測，并具有良好的透霧功能。近紅外透玻璃系統(tǒng)，專門為案件刑事偵查、事件預(yù)防的目標人員跟蹤、車輛跟蹤、車內(nèi)人員狀況偵查取證提供有力的技術(shù)手段，提升了民警排查風險、化解矛盾、打擊犯罪、應(yīng)急處置、安全防范等業(yè)務(wù)能力。