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三維成像激光雷達(dá)的隱偽目標(biāo)探測技術(shù)*1

史要濤1，趙文1，于臨昕1，張燕1，柯才軍1，王曉劍2

(1.湖北航天技術(shù)研究院 總體設(shè)計(jì)所，湖北 武漢430034； 2.北京信息高技術(shù)研究所，北京100085)

摘要：復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下有效探測地面隱偽目標(biāo)是提高導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵。針對現(xiàn)有APD陣列大小受限問題，提出了一種利用高空間分辨率的二維焦平面陣列和低空間分辨率的APD陣列進(jìn)行聯(lián)合探測技術(shù)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的三維成像，為現(xiàn)有的基于高分辨三維激光雷達(dá)的隱偽目標(biāo)探測技術(shù)提供了一種可行性方案。

關(guān)鍵詞：三維成像；激光雷達(dá)；隱偽目標(biāo)；高分辨；期望最大化

0引言

復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下，如何探測和識別地面隱偽目標(biāo)是提高彈道導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能的關(guān)鍵[1-3]。戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈在打擊受隱藏、偽裝、干擾等影響的目標(biāo)時(shí)，現(xiàn)有末制導(dǎo)手段難以有效分離識別目標(biāo)，無法對有價(jià)值目標(biāo)實(shí)現(xiàn)精確打擊，其本質(zhì)原因是現(xiàn)有末制導(dǎo)手段采用的是二維成像探測體制。然而二維成像只能探測空間域的強(qiáng)度信息，無法對隱藏和偽裝目標(biāo)進(jìn)行有效識別。新斗爭形勢亟需提高對打擊目標(biāo)的精確三維探測能力，進(jìn)一步提升戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈末制導(dǎo)系統(tǒng)的精確辨識能力和抗干擾突防能力。

由于受到彈載高速平臺的限制，解決上述問題一般可采用成像速度快、分辨率高的大面陣APD陣列探測器[4-6]。而此類探測器受限于集成電路工藝的限制，國內(nèi)無此類器件，且國外限制進(jìn)口，無法獲得。如何利用小面陣APD陣列獲得高分辨率的三維圖像，在現(xiàn)階段具有實(shí)際意義。本文針對小面陣APD陣列三維成像問題，提出了一種利用高空間分辨率的二維焦平面陣列和低空間分辨率的APD陣列進(jìn)行聯(lián)合探測技術(shù)，分析了聯(lián)合探測成像激光雷達(dá)回波信號模型，提出了一種基于期望最大值算法(expectation maximization,EM)的二維和三維關(guān)聯(lián)算法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的三維成像，為現(xiàn)有的基于高分辨三維激光雷達(dá)的隱偽目標(biāo)探測技術(shù)提供了一種可行性方案。

1三維非掃描激光雷達(dá)/二維焦平面陣列聯(lián)合探測原理

三維非掃描激光雷達(dá)/二維焦平面陣列聯(lián)合探測原理如圖1所示。

圖1　三維非掃描激光雷達(dá)/二維焦平面陣列聯(lián)合　　　探測原理示意圖Fig.1　Schematic of 3D flash lidar/2D focal　　　plane array joint detection

脈沖激光經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直、整形和擴(kuò)束后照射到目標(biāo)場景上，接收光學(xué)系統(tǒng)收集目標(biāo)回波信號，分別投射到接收端的APD陣列和焦平面陣列上，讀出集成電路(read out integrated circuit,ROIC)對APD陣列中每一個(gè)像元的數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，每個(gè)像元單獨(dú)測量激光脈沖的往返時(shí)間、目標(biāo)方位、目標(biāo)強(qiáng)度信息，從而得到低分辨率目標(biāo)的三維圖像。二維焦平面陣列對選通門范圍內(nèi)的目標(biāo)成高空間分辨率的強(qiáng)度像，數(shù)據(jù)處理單元對距離像和強(qiáng)度像進(jìn)行關(guān)聯(lián)解算，從而得到高分辨率的三維圖像。高分辨三維圖像形成思路如圖2所示。

圖2　高分辨三維圖像形成思路圖Fig.2　High resolution 3D image formation diagram

典型的基于APD陣列的三維非掃描激光雷達(dá)主要有2種工作模式[7-10]，第1種模式是觸發(fā)模式，即探測陣列的每個(gè)像素通過設(shè)定閾值單獨(dú)觸發(fā)，這種模式受回波波形的干擾較大，但不需預(yù)先知道目標(biāo)距離范圍；第2種模式是采樣模式，即所有像素在距離門范圍內(nèi)對回波信號進(jìn)行同時(shí)采樣(即全波形測距)，這種模式可以連續(xù)地捕獲目標(biāo)和背景的細(xì)節(jié)信息，但需要預(yù)先知道目標(biāo)距離范圍，在實(shí)際的三維非掃描激光雷達(dá)成像應(yīng)用時(shí)，可以先采用觸發(fā)模式探測到目標(biāo)的大致距離范圍，然后利用采樣模式跟蹤和確認(rèn)目標(biāo)[11]。

2二維和三維聯(lián)合探測回波信號模型構(gòu)建

本文是通過將高空間分辨率的二維強(qiáng)度圖像與低空間分辨率三維圖像數(shù)據(jù)融合的方法，實(shí)現(xiàn)高分辨率三維成像。因此在回波信號建模時(shí)，涉及到二維焦平面陣列強(qiáng)度圖像數(shù)據(jù)和三維回波脈沖數(shù)據(jù)2個(gè)模型。

二維焦平面陣列強(qiáng)度圖像數(shù)據(jù)：

在距離門范圍內(nèi)，目標(biāo)回波脈沖的強(qiáng)度信息A(x,y)通過二維焦平面陣列成像系統(tǒng)獲得，采用Lucy-Richardson反卷積算法[12-13]估計(jì)目標(biāo)各像素點(diǎn)的強(qiáng)度，即

(1)

式中：(m,n)為二維焦平面陣列探測器坐標(biāo)；(x,y)為目標(biāo)平面坐標(biāo)；N×N為二維焦平面探測器陣列大??；d(m,n)為退化圖像。

三維回波脈沖數(shù)據(jù)模型：

在激光主動(dòng)探測領(lǐng)域中，回波信號主要采用高斯模型，則基于APD陣列探測的三維非掃描激光雷達(dá)回波信號脈沖為

ο(x,y,rk)=A(x,y)p(x,y,rk)，

(2)

式中：

(3)

式中：A(x,y)為距離為r(x,y)的目標(biāo)回波信號強(qiáng)度；p(x,y,rk)為距離為r(x,y)的回波信號波形；σpd為高斯脈沖寬度的標(biāo)準(zhǔn)偏差；rk代表三維非掃描成像激光雷達(dá)的距離采樣能力。

探測器在采樣間隔內(nèi)探測的信號光子和噪聲光子都近似服從泊松分布。則APD 陣列探測器接收光子數(shù)的聯(lián)合概率密度分布函數(shù)(probability density function,PDF)為

P[D(z,w,rk)=d(z,w,rk);?z,w,k]=

(4)

式中：

B(z,w)，

(5)

式中：(z,w)為APD陣列探測器坐標(biāo)；K為欠采樣因子[9]；M×M為APD探測器陣列大小。

3二維和三維關(guān)聯(lián)解算算法

本文采用EM算法進(jìn)行二維和三維的關(guān)聯(lián)解算，主要分2步完成：E 步驟：構(gòu)建完備數(shù)據(jù)和不完備數(shù)據(jù)，并建立完備數(shù)據(jù)和不完備數(shù)據(jù)之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，尋找完備數(shù)據(jù)對數(shù)似然函數(shù)的期望值；M步驟：迭代最大化完備數(shù)據(jù)對數(shù)似然函數(shù)期望值，得到脈沖和噪聲的迭代關(guān)系式。最后利用構(gòu)建的采樣數(shù)較多的脈沖與采集的脈沖進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算，得到目標(biāo)的距離信息。

通過EM算法推導(dǎo)得到脈沖和噪聲的迭代關(guān)系式為

(6)

式中：

(7)

(8)

迭代停止條件：

(9)

算法步驟如下所示：

(1) 初始化A(x,y)和B(z,w);

(2) 初始化距離r(x,y)，從而得到初始化脈沖p(x,y,rk)；

(3) 通過式(1)得到目標(biāo)強(qiáng)度信息A(x,y)；

(4) 通過式(6)和(8)進(jìn)行迭代，直到滿足迭代停止條件式(9)，估計(jì)出p(x,y,rk)和B(z,w)；

(5) 通過歸一化互相關(guān)距離估計(jì)方法得到目標(biāo)的距離估計(jì)r(x,y)。

4仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證本文提出的二維和三維聯(lián)合探測技術(shù)的可行性，對典型的飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，假定目標(biāo)位于系統(tǒng)正前方且目標(biāo)為朗伯反射體，仿真參數(shù)如表1所示。

表1　三維非掃描激光雷達(dá)/二維焦平面成像仿真參數(shù)

由表1可知，APD陣列大小為10×10，焦平面探測器陣列大小為50×50,則欠采樣因子K=5，圖3分別給出了2種不同目標(biāo)的原始三維像和小面陣APD陣列得到的三維像。

圖3a)為典型的飛機(jī)目標(biāo)，距離成像系統(tǒng)最近的點(diǎn)的距離為300.4 m,圖3b)為典型飛機(jī)目標(biāo)的低空間分辨率三維圖像。由圖3可以看出，小面陣APD陣列成像會導(dǎo)致目標(biāo)信息的大量丟失。

圖4給出了通過傳統(tǒng)的鄰近插值、線性插值、雙三次插值[14-15]和本文提出的關(guān)聯(lián)解算算法得到的目標(biāo)三維圖像。

從圖4可以看出，采用傳統(tǒng)的插值算法時(shí)，目標(biāo)的距離信息丟失嚴(yán)重。一些目標(biāo)的特征信息在使用傳統(tǒng)的插值算法時(shí)得不到復(fù)原，采用領(lǐng)近、線性和雙三次插值算法時(shí)，飛機(jī)的機(jī)頭和機(jī)尾的細(xì)節(jié)信息基本丟失，這會對后期的距離像的目標(biāo)識別帶來嚴(yán)重影響。本文提出的關(guān)聯(lián)解算方法對二維和三維聯(lián)合成像的三維像重建精度有明顯的提升作用，圖4中的飛機(jī)在采用了EM 算法進(jìn)行復(fù)原后，機(jī)頭和機(jī)尾的細(xì)節(jié)信息得以顯示，對后期的目標(biāo)識別有很重要的參考價(jià)值。

圖3　典型飛機(jī)目標(biāo)三維像及小面陣APD陣列三維像Fig.3　3D image of plane and low resolution 3D image

圖4　不同算法的典型飛機(jī)目標(biāo)三維像Fig.4　3D image of plane with different algorithms

5結(jié)束語

本文針對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的隱偽目標(biāo)探測問題，提出了一種基于小面陣APD陣列和大面陣焦平面陣列聯(lián)合探測的體制，分析了聯(lián)合探測體制的回波信號模型，提出了一種基于EM的二維和三維的關(guān)聯(lián)解算方法，通過仿真驗(yàn)證了該聯(lián)合成像探測體制的可行性。下一步，擬對以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)：隱偽目標(biāo)激光探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)；二維和三維圖像融合技術(shù)；高效快速高分辨三維圖像重構(gòu)技術(shù)；三維圖像實(shí)時(shí)顯示和處理技術(shù)；高分辨二維和低分辨三維聯(lián)合探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)；系統(tǒng)集成與測試技術(shù)。

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Camouflage Target Detection via 3D Flash Imaging Lidar

SHI Yao-tao1, ZHAO Wen1, YU lin-xin1, ZHANG Yan1, KE Cai-jun1, WANG Xiao-jian2

(1.System Design Institute of Hubei Aerospace Technology Academy,Hubei Wuhan 430034,China;2.Beijing Information High Technology Institute, Beijing 100085,China)

Abstract:The camouflage target detection technology has played an important role in improving missile effectiveness in complicated battlefield environment. Aiming at the problem of limited size of APD array, a technology using high spatial resolution 2D focal plane array and low spatial resolution 3D APD array for joint detection technology is proposed. Simulation examples show that this technology can achieve high resolution 3D imaging, providing a feasible scheme for existing camouflage target detection technology.

Key words:three dimensional imaging; lidar; camouflage target;high resolution;expectation maximization

中圖分類號：TN958.98；TJ76；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0007-05

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.002

通信地址：430034湖北武漢東西湖區(qū)金山大道九號中國航天三江集團(tuán)E-mail：Sythn2002@163.com

作者簡介：史要濤(1983-)，男，河南登封人。高工，博士，主要研究方向?yàn)樾滦凸怆娞綔y技術(shù)。

基金項(xiàng)目：有

*收稿日期：2014-10-10；修回日期：2015-02-06