激光3D成像系統(tǒng)主被動探測技術(shù)的研究進(jìn)展

唐曉燕，高昆，倪國強(qiáng)

(1.北京理工大學(xué)光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京100081;2.南陽理工學(xué)院電子與電氣工程學(xué)院，南陽473004)

1 引言

光電信息獲取分為主動和被動兩種方式。被動式探測方式通過探測目標(biāo)的可見/紅外輻射實現(xiàn)目標(biāo)探測、識別，由于其本身不發(fā)射任何特征信號，隱蔽性好等優(yōu)點，在軍事上得到極其廣泛的應(yīng)用［1］。相對被動光學(xué)探測技術(shù)而言，主動光學(xué)探測技術(shù)因其受環(huán)境束縛小而受到人們的廣泛的關(guān)注。近年來，激光3D探測成像系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，激光3D探測成像系統(tǒng)是一種在高敏感探測器基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，這樣的探測系統(tǒng)能夠測量出極小量的反射激光，并對所掃描的物體實時進(jìn)行3D建模。由于該系統(tǒng)具有全天時工作、隱蔽性好、緊湊和小型化以及可以偽裝識別等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于軍事偵察、長距離瞄準(zhǔn)、大面積3D地形測繪、機(jī)器人導(dǎo)航、水下礦藏探測和自導(dǎo)引導(dǎo)彈等技術(shù)領(lǐng)域［2－5］。

隨著光電對抗技術(shù)、光電隱身技術(shù)的發(fā)展，目標(biāo)的可探測性越來越弱，為了實現(xiàn)目標(biāo)的有效探測，一種發(fā)展趨勢是將被動探測與主動探測有效結(jié)合起來，實現(xiàn)所謂的主/被動3D成像探測。這種探測手段可以同時獲得目標(biāo)的多種圖像(如距離像、強(qiáng)度像、距離－角度像等)，圖像信息量豐富，自動目標(biāo)識別算法大為簡化，目標(biāo)區(qū)分能力突出，易于判別目標(biāo)類型，能夠為正確識別和跟蹤目標(biāo)提供更多的決策信息，提高目標(biāo)識別概率和可靠性，可以廣泛應(yīng)用于天文觀察、衛(wèi)星跟蹤、洲際導(dǎo)彈預(yù)警、激光武器以及常規(guī)防空武器預(yù)警等領(lǐng)域［6］。本文結(jié)合主被動探測器技術(shù)的發(fā)展，介紹了國內(nèi)外主被動探測系統(tǒng)的發(fā)展動態(tài)，并對激光成像探測的最新發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

2 激光3D成像雷達(dá)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

在激光3D成像雷達(dá)系統(tǒng)研究方面，麻省理工學(xué)院林肯實驗室處于領(lǐng)先的地位。美國國防部和美國空軍從20世紀(jì)90年代開始資助麻省理工學(xué)院林肯實驗室進(jìn)行適用于彈道導(dǎo)彈防御的三維激光成像技術(shù)研究;另一個具有代表性的是受美國高級計劃研究局(DARPA)資助的用于無人機(jī)平臺的Jigsaw激光三維成像雷達(dá)系統(tǒng)，其主要目的是通過成像發(fā)現(xiàn)、識別隱藏于植被或偽裝的目標(biāo)。

目前，林肯實驗室已經(jīng)完成了第三代三維成像激光雷達(dá)(Gen－III系統(tǒng))的研制，如圖1所示［7］。

圖1 Gen-III激光3D雷達(dá)成像系統(tǒng)主要組成部件

Gen-III系統(tǒng)采用工作在蓋革模式的32×32像元APD陣列作為探測器，具有單光子探測靈敏度。光源采用了532 nm被動調(diào)Q二極管泵浦固體倍頻微片激光器(功率33 μJ，脈沖寬度700 ps，重復(fù)頻率10 kHz)作為光源，通過調(diào)整掃描器的掃描間隔進(jìn)行角分辨率調(diào)整，實現(xiàn)了單個激光脈沖完成一幅完整的3D圖像。該系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)如表1所示［7］，具有高幀頻、高距離分辨率和小型化等優(yōu)點。除軍事用途外，還可以用于機(jī)器人視覺、自主車輛駕駛、精確加工控制等領(lǐng)域。

表1 Gen-III系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)

美國先進(jìn)科技公司(Advanced Scientific Concepts Inc.，ASC)也致力于與增強(qiáng)成像和其應(yīng)用相關(guān)的工程技術(shù)研究。目前，該公司的主要產(chǎn)品為3D閃光激光探測成像傳感器和相機(jī)。ASC的閃光激光探測成像系統(tǒng)采用InGaAs APD陣列，達(dá)到了128×128像元，可以穿過塵土、霧、煙或其他模糊狀況進(jìn)行成像，在任何照度情況下可以對距離為5 cm～5 km的景物進(jìn)行成像［8］。

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、小型化的實時激光3D成像系統(tǒng)，其具有30 Hz的成像幀頻，124×160像元，每個像元均可以通過測量信號(激光調(diào)制產(chǎn)生)的相位差來得到激光的傳輸時間。目前該系統(tǒng)主要應(yīng)用于無人車輛成像，測量距離較近［9］。2008年瑞典Folke Isaksson等人利用立體攝影技術(shù)，并采用幀間快速匹配算法進(jìn)行機(jī)載對地3D測量。載機(jī)以100 m/s的速度在500 m的高空處飛行，其得到的3D圖像的空間分辨率為0.1 m，距離分辨率為 0.2 m［9］。

目前，美國航空航天局的自主精確著陸和危險的檢測避免技術(shù)(Autonomous Precision Landing and Hazard Detection Avoidance Technology，ALHAT)項目為了在月球和其他行星上的精確安全著陸［10－11］，正在積極發(fā)展3D閃光激光雷達(dá)技術(shù)。月球探測需要在完全黑暗危險的地形下著陸，如巖石或者被遮蓋的火山口。該項目的研究為未來機(jī)器人和人類在月球探測車提供先進(jìn)的技術(shù)，以支持在月球表面上安全，精確著陸。ALHAT APD探測器要達(dá)到的性能指標(biāo)和讀出電路(ROIC)具體性能要求如表2所示。

表2 ALHAT APD探測器要達(dá)到的性能指標(biāo)

國內(nèi)激光3D成像探測系統(tǒng)研究起步較晚，主要有:中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所研制的直升機(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，利用兩個諧振鏡進(jìn)行掃描;華中科技大學(xué)研制的海洋探測激光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)，已研制出實驗室樣機(jī)，采用1.06 μm半導(dǎo)體泵浦YAG激光器，利用兩個諧振鏡進(jìn)行掃描成像，成像速率為7 fr/s，幀分辨率為32×32，作用距離為2 km，回波強(qiáng)度等級為16級［9］。北京理工大學(xué)光電學(xué)院目前承研了機(jī)載三維選通成像光子計數(shù)激光雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究的國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目，成像系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)接近國際先進(jìn)水平。總之，國內(nèi)激光3D成像系統(tǒng)方面的研究已經(jīng)取得一定的成果，但與國外相比存在較大差距［9］。

3 下一代激光3D成像雷達(dá)系統(tǒng)

采用主動成像激光雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)識別可提高作用距離。在傳統(tǒng)脈沖照射激光雷達(dá)中，采用被動紅外焦平面探測器寬視場搜索、激光主動探測進(jìn)行窄視場目標(biāo)識別是下一代激光3D成像雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展模式。

主動、被動探測由不同的探測器件來完成，各自有獨立的信號處理系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)，整體系統(tǒng)十分復(fù)雜，主/被動光路同軸校準(zhǔn)十分困難。如圖2所示［12］，向同一個HgCdTe構(gòu)建的APD器件加不同的工作偏壓，可在APD工作模式和紅外焦平面探測器模式之間切換，用在主/被動激光雷達(dá)系統(tǒng)中，APD模式用于接收人眼安全的短波主動激光雷達(dá)信號;紅外焦平面探測器模式用于探測中波紅外信號，系統(tǒng)采用同一個信號處理和光學(xué)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)被大簡化，HgCdTe APD用于激光主/被動成像成為研究熱點。國際上多個研究機(jī)構(gòu)研制成二維成像和三維成像激光雷達(dá)，目前已達(dá)到演示樣機(jī)階段［13］。

2008年，英國SELEX Sensors and Airborne Systems(SELEX S＆AS)公司研制出了 Swan探測器［12］，可以在熱成像和激光選通3D成像兩種模式進(jìn)行電子切換。先用大視場的熱成像來進(jìn)行目標(biāo)定位，然后用窄視場的激光3D成像來對目標(biāo)進(jìn)行識別。焦平面大小為320×256，探測器采用HgCdTe APD和一個專門設(shè)計的CMOS多路復(fù)用器來執(zhí)行快速門限和光子信號捕獲。同年，DRS Sensors＆Targeting Systems公司也研制出了中波紅外(MWIR)HgCdTe電子激發(fā)APD陣列(e-APD)，具有3～5 μm波段進(jìn)行被動成像模式和1.5 μm的主動模式。焦平面陣列大小為128×128［14］，當(dāng)偏壓為13.5 V時，增益可達(dá)1000倍，讀出速率為5 MHz，峰值功耗＜55 mW。

圖2 采用HgCdTe工藝構(gòu)建的APD陣列

2012年，法國原子能委員會的電子信息技術(shù)研究所(CEA/LETI)研制出了30μm間距的紅外焦平面，具有熱成像和3D激光雷達(dá)兩種模式的樣機(jī)［15］，其中焦平面探測器是基于 CEA/LETI的 HgCdTe APD陣列技術(shù)，陣列規(guī)模320×256，在每個像素的讀出電路中集成了雙采樣電容、閾值比較和時基跟蹤/保持電路，分別用于被動成像(2D)和主動成像(3D)輸出電壓采樣，如圖3(a)所示。

CEA/LETI對該樣機(jī)進(jìn)行了實驗測試，在被動模式下，焦平面工作溫度為80 K，噪聲等效溫差(NETD)為30 mK，50 mV反向偏壓下，光生電流有效率達(dá)到99.93%，所成的像如圖3(b)所示。

圖3 CEA/LETI的HgCdTe APD陣列

在APD模式下探測器的工作溫度為200K，電子倍增周期為200ns，增益為20～100，30m場景深度的距離噪聲為11cm，距離不一致性為9cm。

4 結(jié)論

激光主動成像探測具有較高的距離、角度和速度分辨率，突破了傳統(tǒng)的成像概念，能同時獲得目標(biāo)的強(qiáng)度像、距離像等多種圖像，圖像信息量豐富，具有目標(biāo)區(qū)分能力突出的優(yōu)點，此外還具有抗電磁干擾和抗隱身能力強(qiáng)的特點，很適于激光成像雷達(dá)、制導(dǎo)及引信等武器系統(tǒng)的應(yīng)用。近年來，國外軍事強(qiáng)國如美、英、法和瑞典等國，非常重視激光成像探測技術(shù)的研究，已研制出多種激光成像探測系統(tǒng)原理樣機(jī)，許多已裝備部隊。

激光雷達(dá)主動/被動成像系統(tǒng)，由于采用同一個信號處理和光學(xué)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)被大簡化，有利于減小系統(tǒng)體積和降低成本。且其可用大視場的熱成像來進(jìn)行目標(biāo)定位，用窄視場的激光3D成像來對目標(biāo)進(jìn)行識別，大大提高目標(biāo)識別概率和提高可靠性。因此激光雷達(dá)主/被動成像成為被認(rèn)為是目前最具潛力的復(fù)雜背景下的目標(biāo)探測模式。在不久的將來，激光雷達(dá)主/被動成像將在軍民兩大領(lǐng)域扮演越來越重要的角色。

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