一种基于距离选通方法的激光主动成像系统研究
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摘要：该文讨论了激光成像探测系统的基本原理及所涉及的主要关键技术，提出了一种基于距离选通方法的激光主动成像系统，并进行了原理验证试验。试验证明，距离选通方法能有效减少激光成像的后向散射，提高图像的信噪比，可以在全天候、零照度条件下工作。
关键词：激光成像；后向散射；距离选通技术；CCD
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)11-2645-02
近年来，夜视技术不断发展，广泛应用于民用和军用领域。根据夜视工作原理不同，夜视系统可以分为两大类：以微光夜视和红外热成像为代表的被动夜视系统和以采用激光或红外灯作照明源为代表的主动夜视系统。
被动成像系统，隐蔽性好，但工作距离和成像效果受到天空背景照度、气象条件、目标温度对比等诸多限制，在一些特殊的探测领域如远程暗弱目标探测，恶劣气象条件观测，水下目标成像等场合将会遇到极大的困难[1]。
主动成像系统由于自带照明光源，受外界自然环境的影响较小，成像效果一般比被动系统好。然而，传统的主动式红外夜视系统，由于体积大、重量重、隐蔽性差等缺点，其应用范围在不断缩小。采用激光作为照射光源，利用激光的高亮度、高方向性和高单色性等特点,对远、小、暗目标或其局部进行照射，以增加返回信号的能量,减小背景辐射的影响，提高系统对远、小、暗目标的精确跟踪和成像测量能力,获得远距离目标的高分辨率图像,从而实现对远距离目标的探测。如选用合适的成像波长，还可以应用于水下成像[7-8]，并且可以在无温差、零照度环境中成像。此外还具有抗电磁干扰和抗隐身能力强的特点，被公认为目前最具潜力的复杂背景下的目标探测模式。由于激光在大气中传输时，会受到空气中气体分子和悬浮微粒(雨、雾、烟、尘等)吸收和散射、后向散射、背景辐射等影响。同时，激光束经过远距离传输，又经目标漫反射，实际返回的光能很弱。在能见度较差的情况下，需要增加激光的功率来获得远距离目标的高分辨率图像。而随着激光功率的增加，大气后向散射作用也随之增加，强大的后向散射光会淹没大量的有用信号不能探测和识别目标。本文拟采用脉冲激光器照射目标，通过距离选通技术克服大气后向散射和背景杂光的影响，从而提高成像系统的作用距离。
1 距离选通激光成像原理
激光器发射很强的短脉冲，对目标进行照射，由目标反射的激光返回到摄像机，在目标反射光未到达摄像机时，摄像机处于关闭状态，当反射光到达摄像机时，选通门开启，让来自目标的反射光进入摄像机。根据所要求的景深，摄像机快门开启一段时间，可以获得从目标反射回来的光所形成的图像，从而排除后向散射光，这样形成的目标图像主要与距离选通时间内的反射光有关。当摄像机接收到从目标反射回来的激光脉冲信号后，再将选通门关闭，使背景辐射等其他的干扰光不能进入接收器，这样形成的目标图像主要与距离选通时间内的反射光有关。如果选通门宽度和激光脉冲宽度足够短，那么就能去除大部分后向散射大大提高返回信号的信噪比。
本文采用近红外脉冲激光器和开门时间可控的CCD设计出了一种距离选通激光主动成像系统。该系统主要由像增强CCD、脉冲激光器、同步控制电路三部分组成。其结构框图如图1所示。工作过程为：激光电源打开，发射激光，根据目标距离CCD距离和激光器自身延迟时间，由延时电路控制ICCD快门打开，根据图像质量，调节激光束的聚焦状态(发散角)和ICCD镜头，直到接收清晰图像为止。
2 距离选通激光成像主要关键技术
在距离选通激光成像系统中，涉及到的关键技术主要有：激光器的选择、精确延时控制电路和CCD的选择[2]。
2.1 激光器的选择
激光器是距离选通激光成像系统的发射器件，它主要用于提供照射目标能量。在此系统中根据成像2km的距离计算，要求激光的峰值功率达到1000W以上；要求单兵携带，小型一体化对激光器提出了更高要求。
因此该系统对激光光源的主要要求是：① 峰值功率：具有一定的输出功率或能量，该系统使用脉冲激光器，要求要有较高的峰值功率，以保证有足够的作用距离。② 中心波长的选择：即与CCD光电转换效率要匹配，大气传输性能好。③ 光束质量：激光光束质量好。④ 脉冲宽度：要求较窄的脉冲宽度，以便更好地将脉冲信号同后向散射分开。⑤ 寿命长，体积小，重量轻。
从功率和体积分析：目前，实用的激光器主要有气体激光器，固体激光器和半导体激光器[3]。气体激光器光束质量好，功率大，但是一般体积庞大，不能小型化[3]。固体激光器主要分为闪光灯泵浦和半导体激光器泵浦，半导体激光器泵浦与闪光灯泵浦方式相比，其谱线线宽窄（
从激光中心波长分析，激光波长的选择必须综合考虑CCD的光电转换效率、大气传输衰减性能以及镜头的透过率等。从现有的激光成像系统，有采用1.06um近红外、532nm 绿光、808 或 880nm 近红外；如果选用工作波长为1.06um的近红外，普通CCD的光电转换效率很低，相对光电转换效率只有0.07％。如果采用相应波段的CCD，价格太高；532nm 绿光属于可见光，容易被敌方侦测到。且两者穿透战场烟尘的能力较差。
综上考虑我们选用808nm 近红外的激光二极管阵列。
2.2 精确延时控制电路
为消除大气后向散射作用，通常采用距离选通技术，距离选通技术是利用脉冲激光器和选通型CCD摄像机，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在CCD摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像[4,6]。
其工作过程为激光器发射很强的短脉冲照射目标，这时接收器的选通门是关闭的，这样就挡住了大气中悬浮微粒引起的后向散射光；当反射光到达摄像机时，选通门开启，让来自目标的反射光进入摄像机。选通门开启持续时间与激光脉冲一致。接收到从目标反射回来的激光脉冲信号后， 再将选通门关闭， 使背景辐射等其他的干扰光不能进入接收器。这样形成的目标图像主要与距离选通时间内的反射光有关。如果选通脉冲宽度和激光脉冲宽度都很窄，使得只能探测到目标附近的反射光，那么就能大大提高回波信号的信噪比。
在这里涉及到的关键技术有三点：
① 激光脉冲信号的产生
根据CCD的工作频率，要求产生周期为25Hz，脉冲宽度从50ns～100μs可调的脉冲信号，通过计算可以算出占空比为1.25×10－4%～0.25%，占空比很少，现有的器件很难满足要求，可以采用FPGA或CPLD技术。
② 时间同步控制
激光器按照设定的脉冲宽度和周期发射激光脉冲，同步控制电路根据目标距离及系统延迟计算同步延时时间，再向CCD发送曝光触发信号，实现快门对回波的距离选通。在这里同步控制精度要求在ns级范围。
③ 焦距同步控制。
根据延迟时间，计算作用距离，控制镜头焦距与激光作用距离一致。
2.3 CCD选择
接收机要求具有外触发功能、高空间分辨率和高量子效率，噪声低，有足够的增益动态范围。大多数图像探测器使用CCD摄像机，但是在微光条件下不能提供高分辨率图像，对激光器功率要求高。因此可以采用近红外摄像系统实现距离选通成像[5]。
近红外摄像系统由光学系统和成像电路系统两部分组成，完成对目标的实时监测。
光学系统需要具备两个功能：与红外激光光源相匹配，实现对激光波长的单透，截至其它波长的杂光；实现镜头的成像功能。
近红外摄像系统的CCD成像电路安装在光学系统之后，完成光电转换、曝光控制、数据输出等功能。主要包括CCD传感器、CCD驱动电路、时序发生器与电源变换等功能。
3 试验
该项目组对红外距离选通激光成像系统进行了原理验证：光源采用氙灯泵浦脉冲Nd：YAG激光器，波长1064nm，脉冲宽度10ns，频率4Hz，能量100mJ。CCD采用带外触发功能的摄像机。在夜晚对500m目标进行了照射，先采用非主动照明，照明图像如图1所示；再采用主动照明不采用距离选通技术，获取图像如图2所示；最后采用激光选通技术，获取图像如图3所示。
图1 非主动照明夜间图像图2 主动非距离选通图像 图3 距离选通图像
从实验图像，可以看出：在夜间看不到图像的情况下，采用激光照明，可以看到图像。图2不采用距离选通技术，图像有很明显的后向散射光，几乎看不清图像。图3加入距离选通技术，图像清晰，很好的抑制了后向散射光。可见该方案可行。
4 结论
本文讨论了激光成像探测系统的基本原理及所涉及的主要关键技术，提出了一种基于距离选通方法的激光主动成像系统，并进行了原理验证试验。激光距离选通成像技术能够克服被动成像的缺点，能大大减少激光成像的后向散射，提高图像的信噪比，可以在全天候、零照度条件下工作，在目标探测、侦察、瞄准、跟踪和导航等军事领域和搜索、营救、车辆识别等非军事领域具有重要的实用价值和广泛的应用前景。
参考文献：
[1] 徐效文.应用激光主动成像探测小暗目标的技术研究[D].中国科学院研究生院,2004.
[2] 徐效文.激光距离选通成像关键技术[J].激光技术,2003,27(6),603-605.
[3] 孙志慧,邓甲昊,闫小伟.国外激光成像探测系统的发展现状及其关键技术[J].科技导报,2008,26(3):74-79.
[4] 赵岩,翟百臣.激光距离选通成像同步控制系统的设计与实现[J].红外与激光工程,2005,34(5):526-529.
[5] 徐效文,郭劲.一种改进的激光距离选通成像系统[J].激光与红外,2004,34(1):3-5.
[6] 王冬梅,张涛,闰丰.基于距离选通的激光主动照明技术的研究[J].微计算机信息,2006,22(7-1):48-50.
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