孟慶季，張續(xù)嚴(yán)，周 凌，王 超

(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

機(jī)載激光3D探測(cè)成像系統(tǒng)集光、機(jī)、電技術(shù)于一體，從組成上可分為激光測(cè)距系統(tǒng)、陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、GPS/INS(全球定位/慣性導(dǎo)航)組合導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與3D顯示系統(tǒng)等。對(duì)比傳統(tǒng)探測(cè)載荷系統(tǒng)，機(jī)載激光3D探測(cè)成像系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)主動(dòng)照明，具備全天候能力;(2)電磁干擾能力強(qiáng)，對(duì)背景有極強(qiáng)抑制能力，不易受環(huán)境溫度及陽光的影響;(3)抗隱身能力強(qiáng)，能穿透一定的遮蔽物、偽裝和掩體;(4)具有高的距離、角度和速度分辨率，能同時(shí)獲得目標(biāo)的多種圖像(如距離像、距離-角度像等)，圖像信息量豐富，易于目標(biāo)識(shí)別等。

機(jī)載激光3D探測(cè)成像系統(tǒng)能夠快速精確地獲得地面的3D測(cè)量信息，與有人/無人機(jī)平臺(tái)相結(jié)合在地形測(cè)繪、森林調(diào)查、夜間軍事偵察、夜間搜尋與救援、軍事偽裝識(shí)別和水下目標(biāo)探測(cè)諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外現(xiàn)狀

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家開展激光成像探測(cè)技術(shù)的研究較早，目前已經(jīng)取得了相對(duì)豐碩的成果。

機(jī)載激光3D探測(cè)成像系統(tǒng)伴隨著激光的問世一同發(fā)展。美國(guó)麻省理工學(xué)院(MIT)的林肯實(shí)驗(yàn)室是世界上激光探測(cè)成像領(lǐng)域比較前沿的研究中心，其主要從事激光3D成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及系統(tǒng)技術(shù)研究，2004年已經(jīng)成功研制出32×32焦平面成像陣列(FPA)激光3D成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用固體光纖泵浦激光器(530和780 nm)，激光測(cè)距頻率為8～10 kHz，采取了掃描工作方式來擴(kuò)大視場(chǎng)角［1］。

美國(guó)先進(jìn)科技公司(Advanced Scientific Concepts Inc.)也公布了激光3D成像雷達(dá)的原型樣機(jī)(圖1)，該樣機(jī)采用128×128 InGaAs PIN陣列來實(shí)現(xiàn)激光飛行時(shí)間的測(cè)量［2］。

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 pixel×160 pixel，每個(gè)像元均可以通過測(cè)量信號(hào)(激光調(diào)制產(chǎn)生)的相位差來得到激光的傳輸時(shí)間。目前該系統(tǒng)主要應(yīng)用于無人車輛成像，測(cè)量距離較近［3］。

圖1 激光3D成像雷達(dá)的原型樣機(jī)Fig.1 Original prototype of laser 3D imaging system

另外，美國(guó)雷聲公司和洛克希德馬丁公司也都致力于下一代無人車激光3D成像雷達(dá)的研究，其采用的面陣雪崩光電二極管(APD)探測(cè)器等單元技術(shù)均極大地推進(jìn)了激光3D成像雷達(dá)的發(fā)展［4］。

機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)不但包括激光3D成像技術(shù)，還包括INS/GPS組合導(dǎo)航、陀螺穩(wěn)定平臺(tái)、數(shù)據(jù)的處理與3D顯示等技術(shù)，其涉及學(xué)科更廣、技術(shù)難度更大。下面介紹幾個(gè)國(guó)外最新的機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)：

(1)小型無人機(jī)載激光3D探測(cè)成像傳感(JIGSAW)系統(tǒng)

2007年資料報(bào)道的JIGSAW系統(tǒng)為美國(guó)高級(jí)防御研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)和美國(guó)陸軍夜視和電子傳感器管理局(The U.S.Army Redcomcerdec Night Vision and Electronic Sensors Directorate，NVESD)研制的一種集成、輕型的，可以用來對(duì)植物遮蔽下的隱秘目標(biāo)進(jìn)行成像的激光3D成像系統(tǒng)，旨在得到更高分辨率的成像及對(duì)遮蔽物體的識(shí)別能力，計(jì)劃裝備于 DP-5X 型無人飛機(jī)［5，6］。系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

JIGSAW系統(tǒng)可分為平臺(tái)上系統(tǒng)與平臺(tái)下系統(tǒng)。30 cm(12 in)的穩(wěn)定平臺(tái)(內(nèi)含光子計(jì)數(shù)直接探測(cè)型激光3D成像系統(tǒng)、傳感器控制電路及熱控等)采用4軸機(jī)構(gòu)，結(jié)合INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)激光3D成像系統(tǒng)視軸的高精度穩(wěn)定、指向控制與感知。平臺(tái)下系統(tǒng)包括系統(tǒng)控制器、電源、高速數(shù)據(jù)處理器和高數(shù)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)(3D圖像向地面控制站的實(shí)時(shí)傳輸?shù)?。

圖2 JIGSAW系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of JIGSAW system

(2)機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)(LADS)

2008年的JANE防務(wù)周刊報(bào)道了機(jī)載激光測(cè)深系統(tǒng)(LADS)。LADS安裝在固定翼飛行器上用于探測(cè)深海，初期為澳大利亞政府的防務(wù)科學(xué)與技術(shù)部門設(shè)計(jì)，早于1998年已服役。系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，其基本組成可分為［7］：

表1 系統(tǒng)參數(shù)Tab．1 System parameter

1)穩(wěn)定激光平臺(tái)(Stabilized laser platform)：900 Hz的全固態(tài)紅外激光器安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，以便隔離機(jī)體的俯仰、橫滾、航向的姿態(tài)運(yùn)動(dòng)。

2)機(jī)載捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)：為系統(tǒng)提供重要的位置、姿態(tài)基準(zhǔn)信息。

3)機(jī)載激光控制與數(shù)據(jù)獲取軟件與設(shè)備：實(shí)時(shí)記錄激光測(cè)距信息、精確的位置信息與姿態(tài)信息(INS/GPS)、穩(wěn)定平臺(tái)的角度信息等，為地面設(shè)備的后處理完成測(cè)量數(shù)據(jù)的收集。

4)數(shù)據(jù)處理軟件和設(shè)備。

(3)直升機(jī)3D-LZ Imaging LADAR

表2 系統(tǒng)參數(shù)Tab．2 System parameter

2010年的最新資料報(bào)道，直升機(jī)3D-LZImaging LADAR在2008被確定為解決直升機(jī)漂移控制與危險(xiǎn)感知的核心技術(shù)［8］。該項(xiàng)目由美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)部門負(fù)責(zé)研究，已經(jīng)成功完成飛行實(shí)驗(yàn)。由于系統(tǒng)工作距離短，直升機(jī)飛行姿態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，所以直升機(jī)3D-LZ Imaging LADAR沒有安裝在穩(wěn)定平臺(tái)上，而是直接由INS慣導(dǎo)系統(tǒng)、激光3D成像系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)組成，并結(jié)合了圖像處理系統(tǒng)與顯示系統(tǒng)。系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)如表2所示，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 3D-LZ LADAR系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 3D-LZ LADAR system block diagram

(4)機(jī)載對(duì)地高分辨詳查系統(tǒng)

記載高分辨詳查是高分辨縮放技術(shù)的基本前提。美國(guó)國(guó)家生態(tài)觀測(cè)網(wǎng)(National Ecological Observatory Network，NEON)為了掌握和預(yù)測(cè)大地氣候的變化、土地用途變化、植被生態(tài)情況等［9］，研制了適應(yīng)于低空飛機(jī)的遙感詳查系統(tǒng)。系統(tǒng)載荷包括高分辨的機(jī)載成像光譜儀、機(jī)載激光成像系統(tǒng)和高分辨相機(jī)，輔助系統(tǒng)包括差分GPS和INS。其激光成像系統(tǒng)的主要指標(biāo)如表3所示。

表3 系統(tǒng)參數(shù)Tab．3 System parameter

上面介紹的4個(gè)機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)，由于工作任務(wù)的不同技術(shù)方案也不盡相同。JIGSAW項(xiàng)目的主攻目標(biāo)是：(1)研制一種小型、集成、低功耗的3代無人機(jī)機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)。(2)探討系統(tǒng)在遮蔽環(huán)境下進(jìn)行目標(biāo)的識(shí)別與探測(cè)的可行性。(3)推進(jìn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸與處理技術(shù)在項(xiàng)目中的應(yīng)用。

LADS系統(tǒng)采用特定波長(zhǎng)的激光器實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋深度的勘察，更具有大視場(chǎng)范圍，并且測(cè)量數(shù)據(jù)為后處理，不要求圖像信息的實(shí)時(shí)傳輸與處理。

直升機(jī)3D-LZ Imaging LADAR系統(tǒng)成像距離近，在系統(tǒng)穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)選擇上大大簡(jiǎn)化，直接由INS慣導(dǎo)系統(tǒng)、激光3D成像系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)組成，并必須要求時(shí)時(shí)圖像處理與顯示系統(tǒng)。

機(jī)載對(duì)地高分辨詳查系統(tǒng)要求得到更加豐富的遙感信息，其激光成像系統(tǒng)要求更高的分辨率，載機(jī)工作高度較LADS高，對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)、掃描控制系統(tǒng)的要求也更高。

2.2 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)激光3D探測(cè)成像系統(tǒng)(LADAR)研究起步較晚，目前處于前期階段。主要有：電子部27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 frame/s，幀分辨率為32 pixel×32 pixel，作用距離為2 km，回波強(qiáng)度等級(jí)為16級(jí)。

整體而言，國(guó)內(nèi)機(jī)載激光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，相關(guān)報(bào)道十分有限。

3 工作原理

以MIT林肯實(shí)驗(yàn)室研制的基于蓋革模式雪崩光電二極管(APD)陣列的激光3D成像系統(tǒng)為例，原理如圖4所示［10，11］。高重頻脈沖激光發(fā)散光束，照明整個(gè)欲成像的場(chǎng)景;反射回的光照射到2D APD陣列上，APD陣列測(cè)得返回的光到達(dá)時(shí)間，而不是回波強(qiáng)度;每個(gè)像元給出距離值，從而對(duì)每一激光脈沖，激光3D成像系統(tǒng)獲得角-角-距3D像。

圖4 蓋革模式APD陣列的激光3D成像雷達(dá)原理圖Fig.4 Schematic diagram of Geiger-mode APD array laser 3D imaging radar

區(qū)別于傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的探測(cè)光強(qiáng)，無論是基于焦平面成像(如APD陣列)還是單像元掃描，激光3D成像系統(tǒng)均是探測(cè)每個(gè)像元上激光發(fā)射到返回的傳播時(shí)間，結(jié)合激光光束的空間指向角信息，形成角-角-距測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)而處理得到3D圖像。

機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)在激光光軸的空間指向控制與獲取上與其它激光成像系統(tǒng)區(qū)別較大，也是機(jī)載成像系統(tǒng)的核心技術(shù)難點(diǎn)之一［12］。機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。

圖5 機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)原理圖Fig.5 Schematic diagram of airborne laser 3D imaging system

圖5中簡(jiǎn)要介紹了兩個(gè)坐標(biāo)系分別為地理坐標(biāo)系(t系)、機(jī)體坐標(biāo)系(b系)：

t系(O-xtytzt)：以地面某點(diǎn) O 為原點(diǎn)，Oxt，Oyt，Ozt軸分別指向東、北、天空3個(gè)方向;

b 系(Ob-xb，yb，zb)，其中 Obyb為橫滾軸，Obxb為俯仰軸向，Obzb為航向軸。b系是個(gè)虛擬坐標(biāo)系，為研究方便，可以認(rèn)為捷聯(lián)慣導(dǎo)測(cè)量坐標(biāo)系、穩(wěn)定平臺(tái)測(cè)量坐標(biāo)系與機(jī)體坐標(biāo)系重合，統(tǒng)一為b 系 Ob-xbybzb。

掃描過程中，光軸的實(shí)時(shí)指向PGb在Ob-xbybzb中可以得到(由陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的角度測(cè)量信息、擺掃鏡的角度測(cè)量信息通過坐標(biāo)變化得到)。P點(diǎn)在地理系中的位置［XP，YP，XP］可由全球GPS或差分GPS(DGPS)精確獲得。

機(jī)載INS可以測(cè)量得到飛機(jī)實(shí)時(shí)的姿態(tài)，即b系到 t系的轉(zhuǎn)移矩陣 Ctb，由此可以得到PGt=CtbPGb即地理系下光軸的指向信息。P點(diǎn)到G點(diǎn)的距離可以由激光測(cè)距得到，所以由此可以解算得到G點(diǎn)的地理系坐標(biāo)。

機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上通過機(jī)載方式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)的采樣，其實(shí)現(xiàn)方式主要分為掃描式激光3D成像技術(shù)與推掃式激光成像技術(shù)兩種。

4 單元關(guān)鍵技術(shù)

機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)由于測(cè)距載體載機(jī)自身的運(yùn)動(dòng)(質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、姿態(tài)運(yùn)動(dòng))，激光測(cè)距方向的掃描控制與感知，載機(jī)位置姿態(tài)的感知(INS/GPS)都是機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。全系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)一般可以分為總體關(guān)鍵技術(shù)和單元關(guān)鍵技術(shù)。由于機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)分為穩(wěn)定平臺(tái)、激光發(fā)射/接收測(cè)距系統(tǒng)、INS/DGPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)等，所以系統(tǒng)必然設(shè)計(jì)分系統(tǒng)間誤差分配、多系統(tǒng)安裝誤差標(biāo)定補(bǔ)償?shù)认到y(tǒng)集成的總體關(guān)鍵技術(shù)。

此外，研制過程中系統(tǒng)的單元技術(shù)更為核心，從工作目標(biāo)上分為激光測(cè)距系統(tǒng)、激光光軸控制與指向測(cè)量系統(tǒng)、數(shù)據(jù)圖像處理與顯示系統(tǒng)。

4.1 激光測(cè)距系統(tǒng)

激光測(cè)距系統(tǒng)是激光3D成像系統(tǒng)的核心?？梢愿爬榧す夤庠?、探測(cè)器(G-APD陣列探測(cè)器)、激光發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)。

4.1.1 激光光源

激光發(fā)射系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)有：發(fā)射激光的峰值功率、脈沖寬度、重復(fù)頻率和發(fā)散角等。由激光3D成像系統(tǒng)距離方程可知，APD探測(cè)器上接收到的激光回波的峰值功率和發(fā)射激光的峰值功率成正比，即發(fā)射激光的峰值功率越高，APD探測(cè)器上接收到的激光回波的峰值功率也越高，從而作用距離也越遠(yuǎn)。所以為了提高作用距離，應(yīng)盡可能采用峰值功率高的激光器。

激光脈沖寬度減小有利于提高時(shí)刻鑒別精度，有利于減少半導(dǎo)體激光器發(fā)熱從而能提高重復(fù)頻率。但激光脈沖寬度越小意味著相應(yīng)的電信號(hào)帶寬越寬，從而要求APD探測(cè)器、跨阻放大電路和壓控放大電路的帶寬越寬，半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電源輸出電流脈沖越窄，所以選擇激光脈沖時(shí)要綜合考慮。作為激光測(cè)距系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，激光器的選擇十分關(guān)鍵。

(1)半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用已經(jīng)覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域。美國(guó)是半導(dǎo)體激光器泵浦技術(shù)開發(fā)應(yīng)用較早、進(jìn)展最快的國(guó)家，日本、英國(guó)和德國(guó)的西門子公司早在1988～1989年就提供了高功率半導(dǎo)體激光器系列產(chǎn)品用作泵浦光源，目前國(guó)外用半導(dǎo)體激光器疊層陣列泵浦Nd∶YAG激光器，輸出功率可達(dá)到1 000 W，未來工業(yè)和國(guó)防應(yīng)用的半導(dǎo)體激光泵浦技術(shù)將產(chǎn)生巨大變革［13］。

利用半導(dǎo)體激光器泵浦 Nd∶YAG(0.946 μm)，Nd ∶YAG(1.06 μm)，Nd ∶YVO4(1.3 μm)，Nd∶YAG(1.3 μm)，Nd∶BEL(LaBe2O3)(1.07 μm)，Ho ∶YAG(2.1 μm)，Er ∶YLF(2.3 μm)，Nd∶玻璃 (1.06 μm) 和 Er∶玻 璃(1.3 μm，1.5 μm)，近年來都有許多報(bào)道，有些已經(jīng)商品化［14］。

二極管激光測(cè)距儀開發(fā)較早，小于1 km測(cè)量距離的商用測(cè)距儀已達(dá)到實(shí)用水平，用于測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)、航海浮標(biāo)測(cè)距、集裝箱檢查等。GaAs激光測(cè)距儀以每秒數(shù)千次的脈沖重復(fù)頻率工作，在距離幾公里內(nèi)精度可達(dá)幾厘米。上世紀(jì)80年代，美國(guó)科頓公司的M931型半導(dǎo)體激光測(cè)距夜視儀將單目夜視裝置和GaAs半導(dǎo)體激光器集為一體，測(cè)程超過1 km，重量為1.3 kg。美國(guó)國(guó)際激光系統(tǒng)公司的GR500型激光測(cè)距機(jī)，采用GaAs激光器，重復(fù)頻率為2 kHz，脈寬為40 ns，發(fā)散角為5～50 mrad，測(cè)程為3 230 m，重量為10 kg。美國(guó)輕型反坦克武器激光測(cè)距機(jī)采用GaAs激光器，輸出功率為40 W，脈寬為70 nm，發(fā)射角為10 mrad，重復(fù)頻率為5.7 kHz，測(cè)距 ＞500 m。隨著半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器的發(fā)展，美國(guó)麥道公司已將它引入軍用市場(chǎng)，90年代初開始在F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，并投入生產(chǎn)。用氣冷的激光二極管泵浦Nd∶YAG，輸出波長(zhǎng)為1.064 μm或532 nm，脈沖能量達(dá) 200 mJ，工作溫度為-35℃～ +60℃，該裝置的重量為4.5～5.7 kg［15，16］。

(2)微片激光器

美國(guó)的林肯實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)開發(fā)出與3D雷達(dá)成像系統(tǒng)高度兼容的尖端激光器，其中用途最多的一種叫做微片激光器，如圖6所示。其主要采用ND-YAD泵浦和Cr4+泵浦，被動(dòng)調(diào)Q方式，關(guān)鍵水平在于諧振腔的長(zhǎng)度約為1 mm，僅支持小于增益帶寬的縱向模式激光器。小型激光器的另一個(gè)分支技術(shù)是它的輸出脈沖寬度＜1 ns，作為激光3D成像系統(tǒng)最佳的脈沖寬度［10］。

圖6 微片激光器Fig.6 Mini size laser

微型激光器發(fā)展的目標(biāo)是增加單一脈沖的輸出能量。目前激光器可以達(dá)到脈沖重復(fù)頻率為1 kHz，輸出能量為250 J。而脈沖寬度低于ns量級(jí)(380 ps)的激光器正在研制中［10］。

如圖7所示，根據(jù)微片激光器重復(fù)頻率和單一脈沖輸出能量的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，最高的光子計(jì)數(shù)效率對(duì)應(yīng)激光器有一個(gè)非常高的重復(fù)頻率。這樣一來，單一脈沖能量會(huì)非常小，并且主控振蕩器的放大率也應(yīng)該適當(dāng)對(duì)應(yīng)。在這種情況下，整個(gè)系統(tǒng)的主要振蕩將來自于微片激光器［11］。

圖7 微片激光器的輸出性能Fig.7 Output performance of mini size laser

4.1.2 直接探測(cè)距離的陣列接收技術(shù)—G-APD陣列探測(cè)器

工作在蓋革模式下G-APD的反向偏置電壓高于雪崩電壓。如果接收到一個(gè)光子，會(huì)發(fā)生雪崩現(xiàn)象，使電流達(dá)到最大值，這個(gè)過程通常是瞬態(tài)的(不到1 ps)。G-APD陣列探測(cè)器兼具單光子探測(cè)靈敏度和皮秒級(jí)時(shí)間分辨率兩大特點(diǎn)，適用于對(duì)極微弱光目標(biāo)的3D成像探測(cè)。同時(shí)，G-APD陣列探測(cè)器又是一種全固態(tài)的光電探測(cè)器件，不僅體積小、重量輕、可靠性高，而且還可利用現(xiàn)有的微光電子工藝實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。

近來，林肯實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種32×32陣列的Si基G-APD探測(cè)陣列(如圖8所示)。鑒于此陣列探測(cè)器設(shè)計(jì)為用于微弱光目標(biāo)角-角距3D成像，因此各像元電路的功能只為測(cè)量光子的到達(dá)時(shí)間［17］。G-APD的每個(gè)像元均采用平面結(jié)構(gòu)。像元光敏面尺寸為 30～50 μm，像元間距為100 μm。每個(gè)像元均有相應(yīng)的電路單元，電路單元是一種數(shù)字計(jì)時(shí)器，具有類似于秒表的功能;每個(gè)像元的計(jì)數(shù)器均按規(guī)定的程序?qū)驳臅r(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，只要發(fā)現(xiàn)有單光子入射某像元，該像元探測(cè)器輸出的雪崩電流脈沖就將終止相應(yīng)計(jì)數(shù)器單元的計(jì)數(shù)并保存結(jié)果，用于讀出。

圖8 32×32 APD陣列探測(cè)器Fig.8 32×32 APD array detector

4.1.3 激光發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)由兩部分組成：發(fā)射光學(xué)單元和接收光學(xué)單元。其中，發(fā)射單元主要實(shí)現(xiàn)激光擴(kuò)束、分光和光線的準(zhǔn)直輸出;接收單元主要實(shí)現(xiàn)光線接收、準(zhǔn)直和聚焦成像。激光發(fā)射系統(tǒng)對(duì)激光器的輸出光束進(jìn)行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直方法主要有：?jiǎn)瓮哥R法、組合透鏡法、漸變折射率透鏡法等。采用組合透鏡法可以保證一定精度的準(zhǔn)直效果，同時(shí)避免過于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。圖9給出了MIT林肯實(shí)驗(yàn)室采用的光學(xué)系統(tǒng)原理圖［10］。

圖9 組合透鏡法的激光發(fā)射/接受系統(tǒng)光路圖Fig.9 Optical pathway of laser emission/receiving system

圖9中激光器波長(zhǎng)為532 nm，32×32 APD探測(cè)器，發(fā)射系統(tǒng)焦距f=300 mm，口徑D=11 mm。該系統(tǒng)基于APD陣列的閃光雷達(dá)是一種非掃描激光3D成像系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了一套正交光柵衍射分光光學(xué)系統(tǒng)。利用伽利略望遠(yuǎn)鏡對(duì)532 nm脈沖激光進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束;針對(duì)APD陣列的特點(diǎn)，使用2D正交光柵和聚焦透鏡對(duì)擴(kuò)束光進(jìn)行衍射分光，光斑經(jīng)發(fā)射-接收分光鏡和發(fā)射透鏡后照明APD像元的瞬時(shí)視場(chǎng);利用發(fā)射-接收分光鏡使發(fā)射光路與接收光路分開。

4.2 激光光軸控制與指向測(cè)量系統(tǒng)

激光光軸控制與指向測(cè)量系統(tǒng)主要由包括INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，陀螺穩(wěn)定平臺(tái)和激光掃描控制系統(tǒng)等組成［18］。

4.2.1 INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)

載機(jī)的精確位置和姿態(tài)是機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的重要組成部分，載機(jī)位置姿態(tài)的精確測(cè)量設(shè)備即為INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。

因INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的INS和GPS均為全球方位、全天候段的導(dǎo)航設(shè)備，能提供十分完整的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。INS主要具備實(shí)時(shí)性好、分辨率高、自主性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但也同時(shí)具有誤差隨時(shí)間發(fā)散、技術(shù)復(fù)雜、價(jià)格昂貴的缺點(diǎn)。GPS(或者格洛納斯、北斗)與INS相比具有價(jià)格低廉、誤差不發(fā)散、位置精度高的特點(diǎn)，但同時(shí)GPS的實(shí)時(shí)性、分辨率及自主性較差［19］。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)可以綜合兩種導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合濾波技術(shù)可以大大提升單系統(tǒng)的能力。區(qū)別于傳統(tǒng)組合導(dǎo)航系統(tǒng)，成像補(bǔ)償用組合導(dǎo)航系統(tǒng)精度要求更高，我國(guó)在這方面技術(shù)差距很大。

表4給出了國(guó)內(nèi)外應(yīng)用于合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)慕M合導(dǎo)航系統(tǒng)參數(shù)。如加拿大APPLANIX公司的SAR運(yùn)用撓性陀螺慣性測(cè)量單元(IMU)/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)POS/AV510，POS/AV510應(yīng)用于美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研制的Lynx SAR，使Lynx SAR實(shí)現(xiàn)了0.1 m分辨率［20］，具體參數(shù)見表4，其中 C/A與 DGPS是衛(wèi)星導(dǎo)航中不同的定位解算方式。

表4 POS/AV510系統(tǒng)參數(shù)Tab．4 POS/AV510 system parameters

我國(guó)目前唯一用于成像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償類的組合導(dǎo)航系統(tǒng)是北航與航空618所聯(lián)合研制的基于SINS/DGPS的機(jī)載SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)SARMC，系統(tǒng)精度較國(guó)外差距較大，具體參數(shù)如表5所示。

表5SARMC系統(tǒng)參數(shù)Tab．5 SARMC system parameters

可見，INS/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高分辨率成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

4.2.2 陀螺穩(wěn)定平臺(tái)

陀螺穩(wěn)定平臺(tái)用以隔離載機(jī)的俯仰、橫滾、航向姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，為有效載荷(激光3D成像系統(tǒng)的測(cè)距系統(tǒng))提供良好的工作環(huán)境，針對(duì)不同任務(wù)需求的激光3D成像系統(tǒng)，對(duì)陀螺穩(wěn)定平臺(tái)的要求也不同。

2.1節(jié)提到的直升機(jī)激光3D著陸成像系統(tǒng)采用了單軸(俯仰軸)穩(wěn)定，并且該俯仰軸集合了俯仰掃描功能，另有擺掃鏡進(jìn)行水平擺掃。采用該結(jié)構(gòu)可以有效降低系統(tǒng)的成本，光軸控制精度滿足直升機(jī)的工作要求。

澳大利亞政府支持的LADS系統(tǒng)，激光3D成像系統(tǒng)的測(cè)距系統(tǒng)安裝在3軸穩(wěn)定平臺(tái)中(要求隔離俯仰、橫滾、航向運(yùn)動(dòng))，擺鏡為橫向擺掃，隨著載機(jī)的前進(jìn)推掃成像［21］。

美國(guó)的JIGSAW系統(tǒng)則采用高精度的4軸穩(wěn)定平臺(tái)，可在GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)的輔助下提供高精度的視軸穩(wěn)定控制和高精度的激光指向信息測(cè)量［22，23］。

而用于航天器的激光3D成像系統(tǒng)，由于航天器的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)穩(wěn)定，一般激光3D成像系統(tǒng)的測(cè)距系統(tǒng)直接捷聯(lián)安裝在載體上，需要根據(jù)要求設(shè)計(jì)擺鏡的光軸擺掃方式，可以不用穩(wěn)定平臺(tái)。

機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式有別于傳統(tǒng)航空吊艙穩(wěn)定平臺(tái)的要求，相近于航空相機(jī)穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)，旨在隔離載機(jī)的俯仰、橫滾運(yùn)動(dòng)。航空吊艙中常見的光電陀螺穩(wěn)定平臺(tái)形式有：2軸2框架穩(wěn)定平臺(tái)，2軸4框架穩(wěn)定平臺(tái)，3軸3框架穩(wěn)定平臺(tái)。文獻(xiàn)［24］給出了國(guó)內(nèi)外機(jī)載光電平臺(tái)的主要性能指標(biāo)對(duì)比列表。

比較適合機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)形式為3框架3軸穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)(也可去掉方位軸)。該平臺(tái)是一個(gè)有3個(gè)自由度的系統(tǒng)：方位、俯仰、橫滾，可以隔離飛機(jī)方位、俯仰、橫滾方向的運(yùn)動(dòng)，即消除了機(jī)載環(huán)境對(duì)成像的干擾，提供了較好的成像環(huán)境。

為了進(jìn)一步消除各種大氣現(xiàn)象和空氣動(dòng)力現(xiàn)象顫振、擾流、抖振、結(jié)冰等引起的振動(dòng)所產(chǎn)生的視軸瞄準(zhǔn)線的晃動(dòng)，提高圖像質(zhì)量和指向精度，可采用一種內(nèi)框架減振系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊式組合方式，具有靈活性和通用性，方便安裝調(diào)試［25］。另外為了解決2軸、3軸光電平臺(tái)中陀螺儀的解耦問題，提高光電平臺(tái)的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)［26］給出了2軸平臺(tái)正割解耦的算法，并給出了3軸平臺(tái)正弦解耦的算法以及基于ARM單片機(jī)的解耦軟硬件處理技術(shù)。

以文獻(xiàn)［27］給出的光電偵察吊艙的平臺(tái)結(jié)構(gòu)為例(圖10)，光電偵察設(shè)備固定在方位框內(nèi)，方位軸、俯仰軸與橫滾軸既起方位框、俯仰框與橫滾框及基座之間的連接作用，又同時(shí)實(shí)現(xiàn)了3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，其中橫滾軸與俯仰軸消除機(jī)載環(huán)境的運(yùn)動(dòng)干擾，目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤由方位軸與俯仰軸來完成。光電探測(cè)器的角位置跟蹤誤差由位置外環(huán)來補(bǔ)償，速度內(nèi)環(huán)用來消除環(huán)境干擾和角速度指令跟蹤。

圖10 3軸3框架示意圖Fig.10 Schematic diagram of three framework three axes

4.3 數(shù)據(jù)圖像處理與顯示系統(tǒng)

4.3.1 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)測(cè)量的數(shù)據(jù)處理技術(shù)涵蓋多個(gè)方面，包括動(dòng)態(tài)GPS數(shù)據(jù)后處理、INS和GPS組合姿態(tài)確定、不同傳感器觀測(cè)值的時(shí)間系統(tǒng)同步處理、激光腳點(diǎn)3D坐標(biāo)計(jì)算、坐標(biāo)系統(tǒng)的變換、系統(tǒng)誤差的改正、粗差的剔除、數(shù)據(jù)的濾波分類，還包括DEM/DTM的生成以及后續(xù)的地物提取、建筑物3D重建、3D模型建立等高級(jí)處理技術(shù)。其中激光腳點(diǎn)坐標(biāo)的計(jì)算需要3組數(shù)據(jù)：系統(tǒng)檢校和安置參數(shù)、激光測(cè)距值及位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)。為計(jì)算出數(shù)字高程模型及地物提取，先將激光腳點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行濾波分類，即地面點(diǎn)與非地面點(diǎn)分開。通過數(shù)據(jù)濾波后，能內(nèi)插生成數(shù)字高程模型(DEM)，以及后續(xù)的地物提取、建筑物3D重建、3D模型等高層次處理。

在國(guó)外，機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)測(cè)量技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，硬件技術(shù)與系統(tǒng)問題研究基本解決，但相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理的算法還處于前期研究階段，其中如何消除系統(tǒng)誤差對(duì)3D激光腳點(diǎn)坐標(biāo)的影響、激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)的濾波分類以及地物識(shí)別和提取是關(guān)鍵研究?jī)?nèi)容［28］。

目前中國(guó)科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所采用一種組合CCD圖像和稀疏激光測(cè)距數(shù)據(jù)的建筑物3D信息提取的方法。該方法采用高分辨率的航空CCD圖像和機(jī)載激光掃描測(cè)距數(shù)據(jù)準(zhǔn)確而自動(dòng)地提取了大部分建筑物的3D信息，并充分考慮了CCD圖像的高分辨率特性和激光掃描測(cè)距數(shù)據(jù)的3D特性，做到互相補(bǔ)充。通過CCD圖像提取建筑物的輪廓信息，并根據(jù)激光測(cè)距數(shù)據(jù)提取建筑物的高度信息，二者結(jié)合起來重建了建筑物的 3D 信息［29］。

4.3.2 測(cè)量誤差處理

機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)的測(cè)量誤差主要包括：激光掃描測(cè)距誤差、GPS動(dòng)態(tài)定位誤差、INS姿態(tài)測(cè)量誤差、動(dòng)態(tài)時(shí)延誤差、二類高程誤差、掃描角誤差、激光束發(fā)散角所產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差和系統(tǒng)集成綜合誤差。為了提高機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)的測(cè)量精度，最大可能地降低各種系統(tǒng)誤差的影響，通常采用建立誤差改正模型、儀器檢校和條帶平差改正的方法［30，31］。

4.3.3 數(shù)據(jù)濾波和分類

從激光腳點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)云中提取數(shù)字地面高程模型(DTM/DEM)，需要將其中的地物數(shù)據(jù)腳點(diǎn)去掉，即進(jìn)行激光3D成像系統(tǒng)的濾波。在進(jìn)行地物提取和物體的3D重建過程中，植被數(shù)據(jù)點(diǎn)和人工地物點(diǎn)的區(qū)分，以及城市建筑物數(shù)據(jù)點(diǎn)云的提取，即為激光3D成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分類。研究如何從激光數(shù)據(jù)點(diǎn)云中分離出地形表面激光腳點(diǎn)數(shù)據(jù)子集，以及區(qū)分不同地物激光腳點(diǎn)數(shù)據(jù)子集，就是數(shù)據(jù)的濾波和分類，有時(shí)濾波和分類是同時(shí)進(jìn)行的。

目前，用于機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)濾波的方法多是基于3D激光腳點(diǎn)數(shù)據(jù)的高程突變信息進(jìn)行的，大致可以分為形態(tài)學(xué)濾波法、移動(dòng)窗口法、高程紋理分析法、迭代線性最小二乘內(nèi)插法、基于地形坡度濾波等幾種方法。但是幾乎每種方法都有自身的缺陷，有待改進(jìn)，有些方法需要分步反復(fù)迭代進(jìn)行。通常所有的方法都強(qiáng)調(diào)高程低的腳點(diǎn)屬于地面腳點(diǎn)，高程較高的腳點(diǎn)不在地面上，這樣會(huì)帶來一定的系統(tǒng)誤差。所以濾波算法一般采用半自動(dòng)或人工操作方式，能否設(shè)計(jì)出一種簡(jiǎn)單、實(shí)用、穩(wěn)健的濾波算法，是機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理中必須解決的關(guān)鍵問題之一。圖11給出的是城區(qū)內(nèi)機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)濾波前后的對(duì)比圖，結(jié)果表明，濾波算法能夠優(yōu)先過濾出大型建筑物［32］。

圖11 數(shù)據(jù)濾波前后對(duì)比圖Fig.11 Data comparison before and after filtering

如果要進(jìn)行地物提取，就必須在濾波的基礎(chǔ)上對(duì)地物腳點(diǎn)進(jìn)行分類，以實(shí)現(xiàn)機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)自動(dòng)提取地面目標(biāo)。目前絕大多數(shù)算法都是先將原始數(shù)據(jù)直接內(nèi)插成規(guī)則格網(wǎng)的距離圖像，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基于高程紋理特征的分類。即利用2D GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行分類;基于小波變換和尺度空間理論進(jìn)行分類以及利用局部直方圖分析技術(shù)并融合激光強(qiáng)度信息進(jìn)行分類。圖12是機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波分類后的效果圖，圖中所示的車輛和植被被過濾了，保留了地形的特征線［32］。

圖12 數(shù)據(jù)濾波分類效果圖Fig.12 Classification effect of data filtering

4.3.4 激光回波信號(hào)強(qiáng)度與激光腳點(diǎn)高程的融合

機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)的測(cè)量系統(tǒng)不僅能提供數(shù)據(jù)點(diǎn)的高程信息，且越來越多的系統(tǒng)能夠提供激光回波信號(hào)的強(qiáng)度信息。激光脈沖打到相同的物質(zhì)表面時(shí)，其回波信號(hào)的強(qiáng)度較為接近，而每種物質(zhì)對(duì)激光信號(hào)的反射特性是不一樣的。利用介質(zhì)材料的反射率能夠確定激光回波的能量值，從而對(duì)不同介質(zhì)材料進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)這一特點(diǎn)，能夠方便地區(qū)分不同的地物，如道路、沙石、草地和灌木叢等。

圖13右側(cè)為掃描區(qū)域真實(shí)的相片，左側(cè)為激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合激光強(qiáng)度信息和高程信息進(jìn)行分類后的效果圖。將系統(tǒng)的激光回波信號(hào)的強(qiáng)度信息與激光腳點(diǎn)高程信息融合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類，能夠提高系統(tǒng)對(duì)地形的測(cè)量精度，目前此問題在國(guó)際上還處于研究階段［33］。

圖13 融合強(qiáng)度信息濾波分類結(jié)果Fig.13 Classification results of aggregation strength information

4.3.5 建立3D模型

機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展已有20多年的歷史，但利用機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行3D重建的研究并不多。目前主要有以下幾種方法：1995年Weidner等人從高空分辨率的數(shù)字表面模型中自動(dòng)提取規(guī)則棱柱形房屋模型;1999年Haala等人聯(lián)合多光譜影像和激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物和樹的模型提取;1999年Mass等人基于分析激光腳點(diǎn)點(diǎn)云的矩不變提出了從機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)數(shù)據(jù)中自動(dòng)提取建筑物模型的方法。

激光腳點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)過濾波和分類后，形成一系列彼此分開的點(diǎn)群信息標(biāo)定其地物屬性，這樣就確定了屋頂激光腳點(diǎn)點(diǎn)集，并采用掃描帶法分離出每個(gè)建筑物的激光腳點(diǎn)集。通過分析這些激光腳點(diǎn)間的幾何拓?fù)潢P(guān)系，利用3D Hough變換就能重建出屋頂?shù)谋砻嫘螒B(tài)。將分類得到的房屋激光腳點(diǎn)垂直投影到xy平面，這些投影點(diǎn)的幾何構(gòu)形就反映了建筑的邊界、外形、大小、方位等幾何參數(shù)［34］。

5 結(jié)束語

本文對(duì)機(jī)載激光3D探測(cè)成像系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，并介紹了激光3D成像系統(tǒng)的工作原理，重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的單元關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的剖析。機(jī)載激光3D成像技術(shù)能夠提供極高的角分辨率和距離分辨率，還可以合成目標(biāo)的高分辨率3D圖像，而且3D圖像的生產(chǎn)周期短，因而在軍事(例如導(dǎo)彈的精確制導(dǎo)等)和民用領(lǐng)域(例如公路鐵路勘探等)具有極高的應(yīng)用價(jià)值。除了文中探討的單元關(guān)鍵技術(shù)，還需考慮系統(tǒng)的重量、體積以及成本等多方面因素。機(jī)載激光3D成像作為一種新興技術(shù)，具有傳統(tǒng)技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，必將在未來的國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有越來越重要的地位。

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