机载激光成像技术新进展

收稿日期：2010-08-10； 修订日期：2010-09-28 基金项目：航空基金资助项目 (2008ZC13010) 作者简介：羊毅(1965-)，女 ，研究员 ，博士 ，主要从事机载光电探测系统研究 。 Email:yyi613@163.com 机载激光成像技术新进展 羊 毅 1，丁全心 1，2，张春风 1 (1. 洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471009； 2. 光电控制技术国防科技重点实验室，河南 洛阳 471009) 摘 要： 详细介绍了机载微脉冲激光成像技术的最新研究进展， 并以机载远程目标探测与识别为应 用背景，对机载微脉冲激光成像原理进行了理论研究，对比分析了在高分辨率成像系统中采用多通道 计数器的单光子探测阵列的优点，着重分析了单光子探测和/或接收器死时间及其对信号探测、测距 精度、距离分辨率的影响等关键技术。研究结果表明：与传统的高信噪比激光成像技术相比，微脉冲激 光成像技术可以将目标回波采样率提高 3 个数量级，显著提高了垂直分辨率，降低了系统复杂性，在 远距离目标识别、精确制导等领域有着广泛的应用前景。 关键词： 激光成像技术； 目标识别； 远距离探测 中图分类号： TN249；TJ765 文献标志码： A 文章编号： 1007-2276(2011)04-0620-06 New advances in airborne laser imaging techniques Yang Yi1, Ding Quanxin1,2, Zhang Chunfeng1 (1. Luoyang Institute of Electro-optical Equipment，Luoyang 471009, China; 2. Key Laboratory of Science and Technology on Electro -optic Control, Luoyang 471009, China) Abstract: The latest development of airborne laser imaging techniques was introduced. The optimum design of airborne micropulse laser imaging was theoretically studied and analyzed in the application of long-range target detection and recognition. The advantages of photon-counting detector arrays followed by multichannel timing receivers for high resolution topographic mapping were discussed. Practical technology issues were considered such as detector and/or receiver dead times and their impact on signal detection and ranging accuracy and resolution. As a new measurement technique, micropulse laser imaging increases the surface sampling rate by over three orders of magnitude. For long-range target detection, compared with the capabilities of conventional high SNR airborne altimeters, significantly more compact and power efficient instruments can be constructed by the use of photon-counting techniques. It is shown that single-photon-counting laser imaging technique will find a wide application in long-range target recognition and precision guidance etc. Key words: laser imaging technique; target recognition; long-range detection 第 40 卷第 4 期 红外与激光工程 2011 年 4 月 Vol.40 No.4 Infrared and Laser Engineering Apr. 2011 第 4 期 0 引 言 与红外和可见光成像技术相比， 激光成像技术具 有显著的优点[1]：(1) 抗电磁干扰能力强，且对地物等背 景具有极强的抑制能力， 不易受环境温度和阳光变化 的影响；(2) 抗隐身能力强，能穿透一定的遮蔽物、伪装 和掩体， 并可对散射截面很小的目标尤其是红外隐身 目标进行有效成像；(3) 具有高的距离、 角度和速度分 辨率，能同时获得目标的多种图像(如距离像、强度像、 距离-角度像)，图像信息量丰富，更适用于目标识别。 目前，常规激光成像技术的作用距离短 ，在军事 领域中的应用主要局限于直升机防撞激光成像雷达、 激光成像制导及激光成像引信等 [2-3]，还无法满足高 性能固定翼飞机的中远程目标探测与识别的作战使 用 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。 1 激光微脉冲成像技术的发展现状 多年来，对激光成像新体制的探索工作一直在进 行，其中，激光微脉冲成像技术在高空间分辨率的数 字地形数据库开发、生物监测、植被测高、海洋和湖泊 测深、 冰层厚度测量等领域的应用具有显著的优点 [4]。 激光微脉冲成像因采用单光子计数技术，探测灵敏度 比常规探测技术高 3 个数量级。 因此，可以采用结构 简单的被动 Q 开关激光器发射高频低能量激光脉冲 串，降低了激光成像系统的尺寸、重量和功耗，特别适 用于机载远程目标探测的应用环境。 1.1 G-APD 非扫描激光 3D 成像雷达 2002~2007 年，美国麻省理工学院林肯实验室研制 了非扫描、单脉冲三维成像激光雷达，用于探测和识别 经过伪装或隐藏于树林中的目标， 激光器采用被动调 Q 半导体激光器泵浦 Nd:YAG 固体倍频微片激光器， 探测器采用 32×32 像元、G-APD 阵列且每个像元集成 了 500MHz CMOS 数字计时电路。 该系统利用单脉冲 就能获得一幅 3D(角度-角度-距离)图像，成像速率 5~ 10 kHz， 距离分辨率为 0.15m。 成像器件采用 InGaAs APD 阵列或 HgCdTe APD 阵列，APD 探测器工作在盖 革模式下，从而使成像装置的灵敏度非常高，理论上每 个像元只需要单光子就能达到探测要求。 1.2 NASA 机载微脉冲激光 3D 测高仪 [4] 该项目研发工作于 1998 年 12 月启动，首次设计 试飞于 2001 年 1 月开始， 科研试飞在 6~12 km 高空 的巡航状态下进行。研究目标是在昼夜条件下从高空 飞机上采集陆地、冰面、水面、生物群和云层等各种目 标表面的数据图像，并根据常规高度仪采集的数据评 估了其科学价值。 1.2.1 测高仪性能 图 1 是 NASA 机载微脉冲激光 3D 测高仪演示样 机的组成框图。 图 1 NASA 机载微脉冲激光3D 测高仪演示样机的组成框图 Fig.1 Block diagram of developmental NASA Airborne Multi- kilohertz Altimeter Instrument 激光器采用商用被动调 Q 微片Nd:YAG 倍频激光 器，外形尺寸为 2mm×2mm×2.25mm。 光学谐振腔采用 单片式结构，很好地保证了光学准直度；泵浦源为一个 1.2W 的单管 CW 半导体激光器， 倍频晶体为 LBO，在 增益介质 YAG 微片上生长 Cr4+:YAG 层作为被动 Q 开 关。 激光器主要性能指标包括：TEM00单横模，M2<1.3； 脉冲能量 2μJ；激光波长 532nm；重复频率 3.8kHz。 发射光学系统和接收光学系统共光路，主反射镜 是一个有效通光直径为 140 mm 的离轴抛物反射镜， 激光发散角<0.1 mrad； 接收面积为主反射镜面积的 87%， 其中心 50 mm 直径面积被激光发射光路所遮 挡； 采用了光谱滤波和空间滤波措施来降低背景光噪 羊 毅等：机载激光成像技术新进展 621 红外与激光工程 第 40 卷 声，窄带滤光片通光带宽为 0.4 nm，接收视场为限定为 0.14 mrad。 成像探测器选用 2×2 像元的 Hamamatsu Model R5900U 微通道板光电倍增管 (MCP-PMT)，由 于主计数器 BNC Model B945 TDC 最大可以采集 16 个关门光子，接收组件设计为在距离门内每个像元最 多接收 4 个关门光子。 接收组件还设计有备选探测 器，拟采用单元探测器 Model R7400U(通道数为 1，最 大计数值为 16)，或者 4×4 像元的 Model H6568 PMT (通道数为 16，每像元最大计数值为 1)。 目标距离信息由两个时间间隔测量器完成， 采用 EG&G Ortec 公司的多通道计数器(MSC)，一个用于接 收发射脉冲间隔内的所有光子，并将其定位到相应的距 离单元中，创建一个回波光子直方图，测量出所有回波 的时间间隔，然后为精确时间间隔测量器提供优化的距 离门。MSC最小脉冲宽度为 5ns，因此，精细距离门的最 小距离分辨率为 75cm， 完全满足云层或其他大气层的 测试精度要求，也满足横向尺寸测试精度要求。 传输时 间的精细测量器，由时间-数字转换器(TDC)完成，它的 时间分辨率为 50ps(7.5mm)，考虑到激光脉冲宽度和探 测器响应时间的影响，精细距离分辨率约为 5cm RMS。 1.2.2 试飞条件及数据 NASA P-3 飞机 ，奥洛普斯飞行中心 ；飞行高度 为 3.5~6.7 km；正午稍后的时段，最大太阳背景光；激 光单脉冲能量<2 μJ@532 nm，重复频率为 3.8 kHz，激 光总输出功率为 7mW， 有效光学通光直径为 140mm， 每个激光脉冲的回波信号平均强度为 0.88 光电子 。 采集到的数据、图像如图 2 所示。 图 2(a)为小型建筑 物及树木轮廓图(观察高度 6.7 km)，图 2(b)为树林及 其地貌轮廓图 (观察高度 3.4 km)，图 2(c)为海湾浅水 区域的水深轮廓图(观察高度 3.4 km)。 图 2 设计试飞中采集的样本轮廓图 Fig.2 Engineering flight configuration plus sample profiling 1.2.3 试飞结果说明 在最大高度 6.7 km 时，每个激光脉冲的回波信号 平均强度小于 1 光电子；在最小高度 3.5 km 时，每个 激光脉冲的回波信号平均强度不大于 3光电子。 2 激光微脉冲成像技术的工作原理 2.1 微脉冲测距的理论依据 对于平面漫反射大目标，探测器探测到的激光回 波信号的光电子平均数量为： ns=[ρcosσT0 2 ]× ηqηrEt ArπhvR2 =[ρcosσT0 2 ]× ηqηrPt ArπhvfQSR2 (1) 式中：hv 为激光光子能量；ηq 为探测器的量子效率；ρ 为漫反射系数；ηr 为接收光学系统传输效率 ；Ar 为光 学接收面积；R 为目标距离；Et 为激光发射能量；Pt 为 激光发射峰值功率；fQS 为 Q 开关频率。 设激光回波光电子探测服从泊松分布，则在测程 范围内探测到的返回光子的频率为： fR =fQS PD (ns ,n t )=fmax × 1 ns (1-e -n s n t -1 k=0 Σ ns k k! ) (2) 当探测器探测到的激光回波光电子平均数与探测 器的光电子探测阈值相等时，目标回波率达到最大值： fmax =[ρcosσT0 2 ][ ηqηrPt ArπhvR2 ] (3) 式中：第一项与目标、大气特性相关；第二项与激光系 统特性相关。 将公式 (3)归一化后得到曲线如图 3 所示 ，曲线 表示对于某一特定的产品， 能量和接收口径为定值， 采用单光子探测阈值和低平均信号强度可以获得最 大的归一化采样率。 这说明，以几千赫兹高频发射低 能量激光脉冲，采用光子计数采样方法，可以提高对 目标表面的测距和探测能力；但同时要考虑昼夜条件 下背景光噪声的影响。 622 第 4 期 图 3 归一化的采样率 (fs/fmax)与信号平均光子数的关系曲线 Fig.3 Normalized sampling rate vs mean signal count 2.2 相关计数接收器 时间相关单光子计数(TCSPC)测量每个光子出现 的时间，并将其送入相应的时间通道中。其原理是，在 采集低强度、高重复频率的脉冲信号时，由于光强度 很低，以至于在一个信号周期内探测到一个光子的概 率远小于 1。 当探测到一个光子时，可以在信号周期 内测得与探测器脉冲对应的时间，并在相应的存储单 元中加“1”，该存储单元的地址与探测时间对应。在采 集到足够多的回波光子之后，就可以根据存储器中各 个单元的光子数，得到回波脉冲与发射脉冲之间的时 间间隔，测量出目标距离信息。 对于机载激光 3D 成像雷达， 时间相关计数接收 器必须在白天背景光中提取出微弱的回波信号，并测 量出数千赫兹激光发射脉冲的光子传输时间， 因此， 时间相关计数接收器必须具备处理载机飞行中的多 脉冲信号的能力。 对于每一个激光发射脉冲，相关计 数接收器只接收在“距离门”内到达的回波光子，并能 记录在“距离门”内的多个“关门”光子。相关计数接收 器软件将距离门沿着垂直的距离轴分解成一系列相 等的“精细距离门”，如图 4 所示。 一系列沿着水平时 间轴的发射激光脉冲序列构成一帧，相关计数接收器 通过选择“精细距离门”宽度 τb，采集到在一帧中可能 由目标表面返回的全部信号光子的到达时间，帧由帧 采样间隔 f 来定义。 2D 区域被定义为一个距离单元， 它分别由“精细距离门”水平边界和“帧”垂直边界来 定义。相关计数接收器通过对每一个距离单元中的数 据求和 、并与一帧的总阈值 Kopt 相比较 ，来判断该距 离单元是否是信号单元，帧阈值 Kopt 按照泊松统计来 优化选择。图 4 所示的一条有效轨迹中有 70%的信号 单元的数据超过了阈值。 图 4 相关计数接收器的工作原理 Fig.4 Principle of a correlation range receiver 3 激光成像技术的近期研究热点 TCSPC 技术是20 世纪 60 年代晚期开始出现的， 近十年来，随着先进的多脉冲激光器技术和信号采集 处理技术的发展，出现了单光子计数激光成像探测系 统。 它采用数千赫兹的微脉冲激光发射技术，通过测 量多个离散光子的传输时间 (TOP)计算出目标表面距 离分布，然后通过统计组合，实现对被探测目标表明 的 3D 成像。 这一技术使得采用低发射功率实现远距 离成像成为可能。 3.1 单光子计数技术(TCSPC) TCSPC 技术没有采用任何时间门控技术，因此计 数效率接近于 1。 为获得理想的测试精度，TCSPC 技 术的应用必须满足两个条件：(1) 平均每个信号周期 探测到的光子数为 0.1~0.01， 否则就会产生堆积效 应；(2) 信号采集时间要足够长，以保证采集到足够多 的光子。 随着信号处理技术和激光技术的快速发展， TCSPC 装置高度集成化、小型化，为使用并行的TCSPC 通道提供了可能， 从而大幅度提高了计数率和数据 量。 目前，TCSPC 技术已发展成为一种快速、 多维的 光信号采集与处理技术 [5-6]。 多维 TCSPC 技术除包含传统 TCSPC 技术的时 间测量模块外， 还包括通道寄存器和时序逻辑电路， 而且存储器容量也比传统 TCSPC 大得多。 当采集到 一个光子时，通过通道时间测量模块、通道寄存器的 位以及时序逻辑电路中产生的位来控制它在存储器 中的位置。 于是，多维 TCSPC 系统便可构建出一个多 维的光子分布，不仅对应于信号周期内光子产生的时 羊 毅等：机载激光成像技术新进展 623 红外与激光工程 第 40 卷 间，也对应着通道输入端的数据字，还可以对应由时 序发生器产生的一个或几个附加数据字。由通道寄存 器和时序发生器产生的附加地址位通常被称为路由 位，根据进入通道输入端的信息不同 ，出现了多种信 号获取方式，如多探测器工作、序列采集技术、扫描技 术、时间-标签技术、多模块和高级 TCAPC 装置等。 3.2 单光子探测器技术 [7] 在 TCSPC 应用中， 为了保证探测器的计数效率 不小于 80%， 必须采用合适的探测器增益和暗计数 率。探测器的暗计数率限制了光子计数系统所能达到 的灵敏度，对于长波长敏感的探测器，暗计数率较高； 探测器的暗计数率与其温度有关 ， 通常温度每降低 10℃，暗计数率降低 3~5 倍，因此，制冷是保持暗计数 率低的最有效的方法。 光电倍增管(PMT)是弱光探测最常用的探测器， 但它的量子效率较低， 在 40%以下 。 单光子雪崩管 (SPAD)是最近开发出的单光子探测器 ，在 TCSPC 应 用中工作在盖革模式下，它的增益是工作电压的连续 函数，为 105~106。 输出脉冲宽度为几百皮秒，幅值是 几十毫伏。 为减小暗计数率，SPAD 通常都需要制冷； 而且探测器面积都非常小，直径一般为 10~200 μm。 盖革模式下 SPAD 是 APD 上所加的反向偏压设 置成高于击穿电压几个伏特的工作状态，为避免后脉 冲雪崩效应破坏 SPAD， 在每次探测到光子之后需要 一个主动或被动的雪崩淬灭电路，使它正常工作。 所 谓后脉冲雪崩效应是指，SPAD 在探测到一个光子后 的几微秒内，产生背景脉冲的可能性会增加。 被动式雪崩淬灭用于计数率远低于 1 MHz 条件， 而且必须考虑到与计数率相关的定时性能和效率等 问题。 主动式雪崩淬灭采用了淬灭电路，当发生击穿 时，SPAD 输出脉冲触发淬灭电路，该电路使 SPAD 反 向偏压降低至击穿电压以下，并保持 20~50 ns。 淬灭 脉冲之后， 反向电压在几纳秒之内恢复 ，SPAD 恢复 到正常工作状态。 因此，主动式淬灭可以获得比被动 式淬灭高得多的计数率。 3.3 用于光子计数的目标信息计算与重构技术 [8] 单光子计数激光 3D 成像技术是一种新体制的激 光成像技术， 显著地提高了成像距离和距离分辨率， 降低了系统硬件的复杂程度。 然而，该技术却对数据 实时处理能力提出了极高的要求。可重构计算技术是 一项近几年获得专利的统计信号提取算法，已成功地 应用于 MMLA 机载单光子计数激光测高仪中。 图 5 是它的处理 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 ， 每发射一个激光脉冲序列 ， MMLA 检测和计算多达 16 个回波光子的返回时间。 可重构计算技术可以有效地从噪声中提取回波光子， 并计算出目标距离。 在硬件中主要完成 3 个处理步 骤 ： (1) 构建图数据阵列 ； (2) 路径评分 ； (3) 路径跟 踪。最后，读取图数据阵列并以曲线形式进行显示，就 可以实时显示出被探测的目标表面图像。 图 5 可重构计算技术的处理流程图 Fig.5 Application processing flow of reconfiguarble computing 该步骤计算图数据阵列中每一条可能路径的得 分，并将最有可能的路径存储起来。 该步骤通过累加 某一路径的所有距离单元中的总返回光子数，计算出 该路径的得分，当该路径的 MM 个距离单元中至少有 NN 个距离单元超过阈值时， 则判定该路径是一个潜 在的信号路径。 该步骤的计算量极大，路径数量为： 路径数量=距离格数×距离单元扩展数 (MM-1) (4) 若距离单元扩展数为 3，图数据阵列 MM 为 8，距离格 数为 50，则需要计算的路径总数为 109 350。 4 结束语 TCSPC 技术具有非常高的探测灵敏度和皮秒量 级的时间分辨率，不仅大幅度地提高了激光成像探测 距离，而且由于采用了极低的激光发射功率 ，降低了 尺寸、重量和功耗，特别适用于机载应用，目前已成为 远距离机载激光成像探测系统的主流研究方向。 由于飞机供电功率和载重量的限制，常规机载激 光测距/成像技术通常采用 50~100 mJ 中等能量、数十 赫兹低重复频率固体激光器，以高探测阈值探测目标 回波信号，确保由太阳光引起的虚警极小或为 0。 因 此， 与常规技术相比， 微脉冲激光 3D 成像技术具有 624 第 4 期 以下优点： (1) 随着探测器及其光学系统角分辨率的不断提 高， 被测目标表面的横向和纵向距离分辨率已非常 高，可以实现点对点测量，距离分辨率可以达到厘米 量级。 (2) 对于激光发射功率和接收口径为定值的某一 产品，采用高重复频率低能量激光脉冲串、光子计数探 测阵列和多通道计时器时， 被测目标表面的回波采样 率可以提高 3 个数量级。 这不仅可以将激光成像探测 距离提高到 100 km，而且可以降低尺寸、质量和功耗。 (3) 激光脉冲串的工作频率可以达到几十千赫 兹 、甚至几兆赫兹，极大提高对运动目标的距离采样 精度。 目前，机载瞄准系统提供了在良好气象条件下对 普通目标较好的探测能力，满足在防区外进攻大型目 标时对目标探测能力的要求。在激光制导武器投放距 离内，可以对包括车辆在内的目标进行探测、识别；但 对于更小的目标，则只能在非常近的距离内才能识别 出来，无法满足作战使用要求。 理论分析和实验结果 表明， 微脉冲激光 3D 成像技术有望实现中远程、高 分辨率 3D 精确成像， 在实战环境下大大提高对小目 标的识别距离、对伪装目标的识别能力 [9-10]，更好地满 足实战需求。 参考文献： [1] Wang Kuangbiao. 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