王濱川,鄭煥東,石 峰

(1.北京動(dòng)力機(jī)械研究所,北京 100074；2.天津津航技術(shù)物理研究所,天津300308；3.微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065；4.昆明物理研究所,云南 昆明 650223)

1 引 言

隨著光電技術(shù)的發(fā)展,二維平面光電成像技術(shù)日趨成熟,大視場(chǎng)、高分辨、高幀頻、多/高光譜等各具特色的成像產(chǎn)品已在軍事偵察和民用安防、監(jiān)控、測(cè)繪等領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用,極大滿足了市場(chǎng)需求。二維平面成像技術(shù)的蓬勃發(fā)展,使得人們發(fā)現(xiàn)從空間到平面映射這一信息降維獲取方式存在諸多弊端,還原空間三維成像信息的需求日趨強(qiáng)烈。激光雷達(dá)技術(shù)體制天然具有測(cè)距的優(yōu)勢(shì),配合掃描技術(shù)或者高規(guī)格探測(cè)器,可形成三維成像能力[1]。三維激光成像雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱激光雷達(dá))近二十年來在科研、民用及軍用領(lǐng)域獲得了廣泛關(guān)注[2-4]。

掃描式激光雷達(dá)[5-6]通過機(jī)械掃描或非機(jī)械掃描的方法提高目標(biāo)的二維平面分辨率,結(jié)合每一點(diǎn)的測(cè)距信息,形成目標(biāo)的三維空間全貌。掃描式激光雷達(dá)對(duì)激光器的發(fā)射頻率要求高、對(duì)掃描機(jī)構(gòu)的線性度與重復(fù)精度要求高,掃描圖像易出現(xiàn)失真[7-8]。

無(wú)掃描激光雷達(dá)[9]以高規(guī)格面陣探測(cè)器為核心,單幀成像便可獲取垂直于視線的平面二維信息,結(jié)合直接/間接測(cè)距技術(shù),單幀成像即可獲取目標(biāo)的三維信息。與掃描方式相比,無(wú)掃描激光雷達(dá)具有成像固態(tài)化、無(wú)掃描失真、實(shí)時(shí)性好與幀頻高的優(yōu)點(diǎn)[10],同成像規(guī)模條件下體積重量小,無(wú)運(yùn)動(dòng)部件可靠性高。缺點(diǎn)是隨著探測(cè)器陣列規(guī)模增加,對(duì)光源的能量要求成幾何級(jí)數(shù)增加,目標(biāo)反射率差異過大容易導(dǎo)致低反射率區(qū)域信噪比不足、高反射率區(qū)域飽和問題,進(jìn)而影響測(cè)距精度。

核心探測(cè)器方面,國(guó)外已突破了256×256像元的LM-APDs和GM-APDs[9],而國(guó)內(nèi)研制起步較晚,尚未形成高規(guī)格APD面陣探測(cè)器。綜合考慮到三維成像高分辨率的需求和系統(tǒng)體積、重量、成本限制,采用基于國(guó)產(chǎn)三代微光像增強(qiáng)器的單ICCD相機(jī)與像增強(qiáng)器增益調(diào)制技術(shù)路線[11-12]進(jìn)行工程樣機(jī)研制。本文針對(duì)增益調(diào)制型三維快速成像激光雷達(dá)工程樣機(jī)研制的關(guān)鍵問題進(jìn)行研究。

2 增益調(diào)制三維成像原理

2.1 增益調(diào)制測(cè)距原理

三維快速成像技術(shù)的核心為面陣探測(cè)器的像元測(cè)距方法,增益調(diào)制測(cè)距基本原理如圖1所示,對(duì)三維目標(biāo)實(shí)體發(fā)射激光窄脈沖能量,利用經(jīng)過增益調(diào)制探測(cè)器所接收的圖像像元信息,與未進(jìn)行增益調(diào)制探測(cè)器所接收的圖像像元信息進(jìn)行對(duì)比,即可獲取對(duì)應(yīng)像元的距離信息。對(duì)整幀圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速處理,獲得每一個(gè)像元的測(cè)距信息,即可獲取整幅圖像中目標(biāo)的三維信息。

圖1 增益調(diào)制三維成像原理圖

當(dāng)配置兩個(gè)探測(cè)器時(shí),一個(gè)探測(cè)器工作于增益調(diào)制狀態(tài)、另一個(gè)探測(cè)器工作于非調(diào)制狀態(tài),則發(fā)射一次激光窄脈沖能量既可獲得目標(biāo)的一幀三維圖像；當(dāng)配置單個(gè)探測(cè)器時(shí),則需發(fā)射兩次激光窄脈沖能量,探測(cè)器一次工作于調(diào)制狀態(tài)、另一次工作于非調(diào)制狀態(tài),前后兩幀圖像進(jìn)行處理,即可獲取目標(biāo)的一幀三維圖像信息。

2.2 激光發(fā)射功率與成像距離

凝視焦平面激光成像測(cè)距示意如圖2所示,假設(shè)激光發(fā)射圓形光斑,能量均勻分布,激光發(fā)射光軸與接收光軸平行,位置貼近。激光發(fā)射束散角與接收對(duì)角線視場(chǎng)角為θ,則距離為R的物體,輻射照度為:

圖2 凝視焦平面測(cè)距方程示意圖

(1)

其中,Ps為激光發(fā)射功率;ηt為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率;τa為大氣透過率。設(shè)目標(biāo)為反射率為ρ的朗伯體,則其面輻射強(qiáng)度為:

(2)

為方便分析,假設(shè)探測(cè)器焦平面為正方形,探測(cè)器規(guī)格M×M,其接收立體角為θ2/2,對(duì)于擴(kuò)展源目標(biāo),接收探測(cè)器視場(chǎng)光學(xué)前端輻射照度為:

(3)

單個(gè)像元對(duì)應(yīng)探測(cè)器前端輻射照度為:

(4)

設(shè)ICCD像增強(qiáng)器增益為A,則探測(cè)器單個(gè)像元接收到的功率為:

(5)

可見探測(cè)器單位像元接收到的目標(biāo)反射激光功率與增益A、激光發(fā)射功率、光學(xué)接收孔徑面積成正比,與探測(cè)器像元數(shù)M2、目標(biāo)距離的平方成反比,與視場(chǎng)角大小無(wú)關(guān)。為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè),需增加激光發(fā)射功率、增加光學(xué)接收孔徑或者提高ICCD像增強(qiáng)器增益。

面陣探測(cè)器三維成像對(duì)激光器脈沖功率要求較高,對(duì)于512×512規(guī)格探測(cè)器,對(duì)激光能量要求是點(diǎn)源掃描探測(cè)的26萬(wàn)倍。而高幀頻視頻序列三維成像,對(duì)激光器連續(xù)工作能量輸出的能力提出更高需求。

2.3 測(cè)距方程

圖3 理想情況下的圖像增益時(shí)序示意圖

(6)

其中,斜率k為常數(shù),(tj-t1/2)

(7)

理想情況下CCD中每一個(gè)像元的耦合電量與接收到的光子數(shù)成正比,即與像增強(qiáng)器放大后的能量成正比,則該像元的能量,用圖像灰度采樣值計(jì)算可表為:

(8)

其中,K為傳感器灰度轉(zhuǎn)換系數(shù)。

在理想情況下激光光源發(fā)射特性相同、短時(shí)間內(nèi)大氣傳輸特性相同,則對(duì)任意一個(gè)像元來說Eopts是恒定值。

因此由式(8)可知對(duì)于一個(gè)特定的像元,在恒定增益非調(diào)制成像時(shí)灰度值為:

(9)

同理由式(8)可知,線性增益調(diào)制成像時(shí)像元灰度值為:

(10)

(9)、(10)兩式相除得:

(11)

由式(11)可求出:

(12)

t為像元接收到激光脈沖能量的時(shí)刻,因此該像元與目標(biāo)的距離為:

(13)

目標(biāo)與視軸之間的夾角φ可以由光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)、探測(cè)器參數(shù)計(jì)算獲得,于是,該物體與系統(tǒng)之間的垂直距離為:

H=Rcosφ

(14)

3 測(cè)距誤差分析

實(shí)際中,脈沖激光器每次發(fā)射存在不穩(wěn)定性、ICCD放大接收存在噪聲,物體運(yùn)動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致能量反射差異,傳輸路徑變化會(huì)引起回波差異,電路時(shí)序控制會(huì)形成直接解算誤差,以上均會(huì)形成測(cè)距誤差,影響三維成像效果,本文對(duì)激光發(fā)射的差異進(jìn)行分析研究。

3.1 功率誤差

假設(shè)發(fā)射激光脈寬穩(wěn)定不變,功率存在誤差,即式(8)中的i值存在誤差,設(shè)相對(duì)誤差為Δ,Δ是小量。即調(diào)制狀態(tài)的增強(qiáng)前功率為i(1+Δ),代入式(9)和式(10)中:

(15)

(16)

可得:

(17)

(18)

對(duì)1/(1+Δ)進(jìn)行一階泰勒展開可得:

(19)

3.2 脈寬誤差

設(shè)發(fā)射激光脈沖功率相同,但脈寬不同,相對(duì)誤差為δ,即調(diào)制狀態(tài)的時(shí)激光發(fā)射脈寬為t0(1+δ)。同上可求出:

(20)

(1+δ)2]

(21)

(22)

(23)

對(duì)1/(1+δ)進(jìn)行一階泰勒展開:

(24)

3.3 同能量測(cè)距誤差

考察同能量激光脈沖發(fā)射情況下的測(cè)距誤差,即激光脈沖功率和脈寬之積為恒定,設(shè)調(diào)制狀態(tài)的時(shí)激光脈沖功率為i(1+σ)、發(fā)射脈寬為t0/(1+σ)。有:

(25)

N2=KEopts(1+σ)t0·

(26)

(27)

(28)

對(duì)1/(1+σ)進(jìn)行一階泰勒展開可得:

(29)

3.4 遠(yuǎn)距離高精度三維成像的措施

根據(jù)以上分析,為保證一定的成像距離和測(cè)距精度,需要采取以下措施:①選用光纖耦合輸出的高功率窄脈沖半導(dǎo)體激光光源；②選用具備脈寬穩(wěn)定性高、功率穩(wěn)定性好的激光器；③激光脈沖重頻超過200 kHz,多脈沖回波以相同相位在ICCD焦平面做累計(jì)曝光；④選用合理規(guī)格的ICCD探測(cè)器,不宜盲目擴(kuò)大面陣探測(cè)器規(guī)模；⑤系統(tǒng)允許情況下,盡可能增加接收光學(xué)系統(tǒng)口徑,獲取更多能量；⑥實(shí)際物體反射率差異較大時(shí)可通過空間濾波、時(shí)域?yàn)V波以及動(dòng)態(tài)曝光等方式解決。

4 系統(tǒng)硬件組成與試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

某車載無(wú)掃描激光成像雷達(dá)硬件如圖4所示,主要有由六部分組成:

(a)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

(1)車載穩(wěn)臺(tái)用陀螺；

(2)脈沖光纖激光器；

(3)激光器驅(qū)動(dòng)板；

(4)增益調(diào)制三代ICCD；

(5)變焦物鏡；

(6)激光擴(kuò)束鏡。

系統(tǒng)工作時(shí)由外部控制器發(fā)送命令給激光器驅(qū)動(dòng)板,驅(qū)動(dòng)窄脈沖光纖激光器輸出激光脈沖,與此同時(shí)發(fā)送命令給增益調(diào)制三代ICCD相機(jī),控制其打開快門的時(shí)間,并完成增益調(diào)制曝光,輸出數(shù)字圖像至外部視頻采集與圖像處理模塊,進(jìn)行視頻顯示與存儲(chǔ)。

4.2 外場(chǎng)試驗(yàn)

外場(chǎng)試驗(yàn)如圖6所示,圖像分辨率720×576,幀頻25 Hz,與目標(biāo)距離220 m,成像距離分辨率0.005 m,測(cè)距精度優(yōu)于0.01 m。增益調(diào)制圖像如圖6(a)所示,非增益調(diào)制圖像如圖6(b)所示,三維重建偽彩色圖像如圖6(c)所示。試驗(yàn)成功驗(yàn)證了本文分析和措施的有效性。

圖5 外場(chǎng)試驗(yàn)圖

5 結(jié) 論

本文建立了面陣激光三維成像激光發(fā)射功率與成像距離的數(shù)學(xué)模型,并依據(jù)增益調(diào)制三維激光成像原理,得出測(cè)距方程。進(jìn)一步對(duì)激光發(fā)射系統(tǒng)的脈寬和功率誤差進(jìn)行了詳細(xì)分析,得出遠(yuǎn)距離高精度三維成像的解決措施。根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)單ICCD接收工程樣機(jī)設(shè)計(jì),由外場(chǎng)試驗(yàn)可知,在220 m遠(yuǎn)處獲得了清晰的三維視頻圖像,距離精度優(yōu)于0.01 m。

未來可進(jìn)一步提高探測(cè)距離,并結(jié)合高技術(shù)成熟度的掃描技術(shù),形成廣域偵察激光成像雷達(dá)。