激光主动成像技术研究_张晟翀

收稿日期:2009-04-09作者简介:张晟羽中(1973-),男,安徽合肥人,硕士,研究方向为数字信号处理.・光电工程系统技术・激光主动成像技术研究张晟羽中,唐树威,朱海波(光电系统信息控制技术国家级实验室,河北　三河　065201) 摘　要:介绍了激光主动成像技术的原理、特点和性能指标,通过理论计算和实验,研究了激光主动成像的距离和识别能力,并对其分辨率、激光发散角、焦距视场等参数进行了定量的分析.根据理论研究和实验验证推算的结果,证明了分析的正确性.要提高成像距离,减小发散角比增大激光功率的作用要更明显,在发散角小于4mrad 时可以实现对10km 的2m 目标进行成像识别.关键词:激光主动成像;成像距离;发散角;分辨率中图分类号:TP249 文献标识码:A 文章编号:1673-1255(2009)03-0009-03Laser Active Imaging T echnologyZHAN G Sheng 2chong ,TAN G Shu 2wei ,ZHU Hai 2Bo(N ational L aboratory of Elect ro 2Optic S ystem Technology ,S anhe 065201,China ) Abstract :The laser active imaging technology ’s principle ,characteristics and performance index are de 2scribed.Through the theoretical calculation and the experiment ,the laser active imaging distance and the recog 2nition capability are studied.The parameters such as resolution ,laser divergence angle ,focal length and field of view are quantitatively analyzed.According to the results of theoretical study and experimental verification ,the correctness of the analysis is proved.To increase imaging distance ,the effect of reducing the divergence angle is more obvious than that of enhancing laser power.When the divergence angle is less than 4mrad ,the image i 2dentification of the 2m target at 10km can be achieved. K ey w ords :laser active imaging ;imaging distance ;divergence angle ;eesolution 对于一些温度对比度低的暗目标,以及光照度低甚至零照度环境下,被动光电探测将无法提供足够的目标分辨率和成像距离.而将激光技术、距离选通技术、微弱目标的成像处理技术结合在一起的激光主动成像技术[1]可以在零照度条件下,利用目标的漫反射对各种目标进行成像识别,比“猫眼”效应的激光主动侦察[2]应用范围更大.激光主动成像技术的原理是,通过高重频低占空比脉冲激光照射目标,由高速选通增强型ICCD 相机克服后向散射,进行距离选通成像.它具有不受目标温度对比度影响,识别能力强,成像对比度高和对天气条件要求低的优点.如:美国Intevac 公司的激光照明二维成像系统L IVAR (见图1),采用1.5μm 波长,可以识别5km 之外的目标[3].图1　美国L IVAR 激光照明二维成像系统第24卷第3期2009年6月 光电技术应用EL ECTRO -OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TION Vol.24,No.3J une.2009由于探测器响应度的限制,目前采用的比较多的激光波段是800～855nm.如:加拿大的两代激光主动成像系统ALB EDOS 和ELV ISS ,光子学研究开发中心INO 研制的全天候、零照度激光成像系统,采用半导体激光器,作用距离可达10km [3].如果采用事后多帧图像处理技术甚至可以到达20km 的探测距离[4].1　激光主动成像距离计算根据激光主动成像模型[5],假定照射光束具有均匀的强度分布,在输出功率P ,激光发散角θ,距离L 时,其辐射照度I 为I =P/(θ2L 2)　(1)则照射到目标的辐照度I s 为式(1)乘以大气透过率T a ,即I s =I ×T a =PT a /(θ2L 2)(2)目标的反射辐照度I r 为I r =I s ρC K T a T o(3)式中,ρ为目标平均反射率;C 为目标对比度;K 为入射光与反射光比率系数(对朗伯表面为1/πsr -1;对半球反射表面强度分布为1/2π);T a 为大气透过率;T o 为镜头透过率.相机焦平面的入射辐照度I i 为I i =I r A /f 2(4)式中,A 为镜头入瞳面积;f 为焦距.进一步可变为如下关系I i =πI s ρC K T a T o /4f #2(5)式中,f #为镜头F 数(f /D ).由式(2)和式(5)可得入射到探测器上的目标辐照度为I i =πP ρC K T 2a T 04f #2θ2L2(6)通过式(6)可计算出不同距离目标反射的辐照度数值范围.ICCD 相机的性能可以由它的噪声等效照度(N EI )表示,则图像的信噪比S N R 为S N R =M T Fs ×I i /N EI(7)N EI 是当S N R =1时与入射光强I i 对应的噪声等效照度.M T F s 是整个系统的调制传递函数.理论上只要信噪比S N R >1,通过图像滤波增强等处理手段,就可以获得目标图像.但实际上S N R 达到3左右更加稳妥.从以上各式还可以导出距离估算公式L =π×M T F s ×ρ×C ×K ×T 2a ×T0×P 4×S N R ×f #2×N EI ×θ2(8)由式(8)得增大成像距离的途径主要可通过增大激光功率和减小发散角.图2为不同功率下发散角和成像距离的关系曲线.图2　发散角与成像距离关系曲线从图2可以看出,对成像距离的提高,减小发散角的作用很明显,而增大激光功率的作用有限.2　目标识别能力分析对于成像系统而言,要得到满足要求的目标像,除了要求被摄目标具有足够的照度,还需要满足分辨力要求的光学系统和高分辨率ICCD.根据约翰逊准则,发现、识别和认清目标所需的空间频率n 分别为1、4、8对线/目标临界尺寸,则相应分辨角为α=H/nL (9)式中,H 为目标的临界尺寸.系统所能达到的最小分辨角α由物镜的焦距f 和ICCD 的分辨力m 决定,即.α=1/f m(10)由式(9)和式(10)得f =nL m H(11)由ICCD 的靶面尺寸Y 得系统的视场角为[6]W =arctan (Y/f )(12)由CCD 像元尺寸d 和系统的焦距f 可得最小探测尺寸R 为R =(d/f )L(13)表1列出了不同距离和尺寸下识别目标的焦距和视场要求,认清目标时的焦距和视场则相应的分别扩大和减小1倍.01 光　电　技　术　应　用 第24卷表1　识别目标时的焦距视场距离尺寸/(km)焦距f/(mm)视场W/(°)62m目标342.9 2.3×1.8 4m目标171.4 4.7×3.582m目标457.1 1.8×1.3 4m目标228.6 3.5×2.6102m目标571.4 1.4×1 4m目标285.7 2.8×2.1可见系统的目标识别能力可以达到10km处识别2m的物体和认清4m的物体.如果有高质量的光学系统,进一步增加焦距到1200mm,则可以达到认清10km处2m目标的能力.3　实验结果与理论分析的比较图3和图4列出了没有距离选通的激光主动成像实验和分辨率测试实验的图像.实验采用800nm 波长激光,加准直镜压缩发散角到16mrad,近红外CCD探测器在800nm波段的最低响应辐照度为I min=1.76μW/m2左右.图3　激光发散角16mrad主动成像实验图像成像实验表明,在激光发散角16mrad时,5W 功率就可以得到识别2km车辆的图像,10W功率可以得到识别4.3km高塔的图像.该实验结果和计算值基本符合,且略好于理论分析(见表2).由图4的分辨率测试图像得到的最小可分辨条纹为6mm,它代表2个像素的分辨率水平,而中间的3mm条纹则无法分辨.这一结果表明接收系统图4　分辨率测试实验图像(包括光学镜头、探测器和图像采集系统)的分辨率可以达到的水平为2个像素,1个像素则不能保证.表2　目标反射辐照度计算数据/(μW/m2)功率/(W)距离/km2465 5.280.510.091010.56 1.020.161515.84 1.530.262021.12 2.040.353031.68 3.050.53根据实验结果,按2个像素的分辨能力进行推算,需要物体在像面上占16个像素才能识别目标,占32个像素才能认清目标.相应的焦距f为f=L h/H(14)式中,h为目标在像面上的尺寸.按像增强器像素尺寸d=10.4μm,由式(14)和式(12)重新计算识别目标所需的焦距视场(见表3).表3　根据实验推算识别目标时的焦距视场距离尺寸/(km)焦距f/(mm)视场W/(°)62m目标349.2 2.3×1.74m目标174.6 4.7×3.5 82m目标465.6 1.7×1.34m目标232.8 3.5×2.6 102m目标582 1.4×14m目标291 2.8×2.1表3与表1差别不大,所以前面的理论分析和计算与实际情况基本符合.4　结 论从理论和实验数据两方面对激光主动成像技术(下转第28页)11第3期 张晟羽中等:激光主动成像技术研究 的坐标为(10,88),采样周期T =1s ,过程噪声v(k )是零均值白噪声,方差分别取为9,量测噪声w (k )也是零均值白噪声,方差为10000,2个噪声序列是相互独立的,且与X ^(0|0)也是独立的.取蒙特卡罗仿真次数为50次.根据仿真条件所设,可以得到图4～图7的仿真结果.图4　α-β滤波位置真实　图5　α-β滤波速度真实　和估计的轨迹 和估计的轨迹图6　α-β滤波位置误差 图7　α-β滤波速度误差由仿真结果可以看出:α-β滤波在机动指标已知时的位置的估计效果明显好于机动指标未知时,但速度的估计效果相当,机动指标未知时的滤波已发散.同样地,在失配滤波情况下,可以预测α-β滤波在机动指标已知时的位置的估计效果明显好于机动指标未知时,速度的估计效果相当,机动指标未知时的滤波发散.4　结　束　语红外单站传感器属于被动接收式传感器,只能测角,故不能对目标进行准确定位.将红外与激光传感器结合起来进行时间配准和数据融合,可以得到目标准确空间位置.传统的Kalman 滤波存在不能实时处理、容易发散等缺点,用α-β滤波,能得到较好的滤波结果,特别是在机动指标已知更是能对目标的位置和速度进行准确跟踪.参考文献[1]　何友,王国宏,陆大等.多传感器信息融合及应用.[M ].2版.北京:电子工业出版社,2007.[2]　辛云宏,杨万海.基于红外辐射信息的IRST 系统机动目标跟踪算法[J ].红外技术,2004,26(3):37-40.[3]　冯国强,李伟仁,李战武.机载红外搜索跟踪系统被动定位滤波算法研究[J ].红外与激光工程,2005,34(5):606-611.[4]　何友,修建娟,张晶炜,等.雷达数据处理及应用[M ].北京:电子工业出版社,2006.[5]　YBar 2shalom ,T E Fortmann.Tracking and Data Associ 2ation[M ].Academic press ,1988.[6]　陈晓荣,蔡萍,陈淑芬,等.卡尔曼滤波在激光跟踪测量系统中的应用[J ].光学技术,2004,30(1):98-100.[7]　王青,黄燕,石晓荣.雷达/红外双模制导背景下的模糊目标跟踪器[J ].系统仿真学报,2003,15(8):1152-1154.(上接第11页)进行了分析和计算.在10W 激光功率,发散角小于16mrad 条件下,可得到识别3～4km 目标的图像,并有可能探测到6km 目标.如果进一步减小发散角到4mrad 以下,采用长焦大口径光学系统和距离选通技术,则可以实现对10km 以上2m 的目标进行成像识别.参考文献[1]　王智,金光,杨简.激光主动照明成像技术:分析和实验证明[J ].长春理工大学学报,2004,24(4):101-104.[2]　乔亚.激光主动侦察技术研究[J ].光电技术应用,2005,20(3):22-24,351[3]　徐效文,郭劲,于洋.距离选通激光成像系统发展现状[J ].仪器仪表学报,2003,24(4):616-6181[4]　David Dayton ,Steve Browne.Long Range Laser Illumi 2nated Imaging[J ].Proc.SPIE ,2000,4124:232-2431[5]　K evin J Snell ,Andre Parent.An Active Range 2gatedNear 2IR TV system for All 2weather Surveillance [J ].SPIE ,1997,2935:171-1811[6]　裴楠楠,徐国范,宋玲玲.带激光辅助照明的微光夜视仪的研制[J ].激光与红外,2005,35(12):938-941.82 光　电　技　术　应　用 第24卷。