低慢小目標(biāo)面陣推進(jìn)式激光成像探測(cè)方法研究

李 達(dá)，李云霞，蒙 文，韓曉飛

低慢小目標(biāo)面陣推進(jìn)式激光成像探測(cè)方法研究

李 達(dá)，李云霞*，蒙 文，韓曉飛

（空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安710077）

為了解決空中低慢小目標(biāo)探測(cè)存在“發(fā)現(xiàn)難、識(shí)別難、跟蹤難”的問(wèn)題，提出了一種面陣推進(jìn)式激光成像探測(cè)方法。采用面陣探測(cè)器對(duì)場(chǎng)景選通成像，通過(guò)車載成像系統(tǒng)的行進(jìn)來(lái)實(shí)現(xiàn)多幀不同場(chǎng)景圖像的獲取，并運(yùn)用一種特定的距離映射關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)景的3維重構(gòu)。以低空小型飛行物為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了成像探測(cè)系統(tǒng)的基本參量，并從激光二極管陣列單元、脈沖寬度與重復(fù)頻率、大氣衰減、信噪比和脈沖峰值功率等方面分析了成像探測(cè)系統(tǒng)的基本性能。結(jié)果表明，在低空范圍內(nèi)，面陣推進(jìn)式激光成像探測(cè)方法可有效對(duì)大面積空域進(jìn)行快速3維成像，縮短圖像生成時(shí)間，為下一步的系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)提供了理論和技術(shù)指導(dǎo)。

成像系統(tǒng)；激光主動(dòng)成像；距離選通；對(duì)空探測(cè)

引 言

近年來(lái)，隨著各類航空突襲武器低空、超低空性能的不斷增強(qiáng)，空中低慢小目標(biāo)機(jī)動(dòng)化、輕巧化設(shè)計(jì)能力的提高，經(jīng)常有各類低慢小目標(biāo)突破雷達(dá)和地面防空火力網(wǎng)，直逼一些重要地面目標(biāo)，給反空襲預(yù)警帶來(lái)嚴(yán)重的難題挑戰(zhàn)。利用激光探測(cè)技術(shù)對(duì)空中低慢小目標(biāo)進(jìn)行成像，可有效地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別與判定，提高對(duì)低慢小目標(biāo)的預(yù)警監(jiān)視能力，為構(gòu)建新型偵查探測(cè)網(wǎng)絡(luò)提供有力的支持［1-2］。

激光主動(dòng)成像技術(shù)擺脫了以往探測(cè)成像技術(shù)的難題，具有體積小巧、適用范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)、可在復(fù)雜背景條件下獲取目標(biāo)圖像信息等的諸多優(yōu)點(diǎn)［3］。與傳統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)技術(shù)相比，激光主動(dòng)成像技術(shù)具有極高的角度和速度分辨率，在城市周邊低空區(qū)域，可有效克服由于地物環(huán)境復(fù)雜而造成的接收系統(tǒng)易受地雜波和多徑效應(yīng)等的影響，為實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地提供預(yù)警情報(bào)信息配備了有力的探測(cè)手段。在激光探測(cè)成像過(guò)程中，通過(guò)激光束對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行照射，反射的光信號(hào)經(jīng)探測(cè)器接收處理后，便可得到探測(cè)區(qū)域的強(qiáng)度像和距離像，再經(jīng)過(guò)一定的圖像識(shí)別處理后，就可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行特征判斷［4］。

目前，國(guó)內(nèi)外利用激光成像技術(shù)探測(cè)空中低慢小目標(biāo)還處于探索階段。對(duì)于傳統(tǒng)的點(diǎn)掃描激光成像方式，由于引入了掃描機(jī)構(gòu)，不僅造成了成像速率慢、成像分辨率低，而且系統(tǒng)的體積和價(jià)格也隨之增加［5-6］。為此，在本文中，作者提出了一種面陣推進(jìn)式激光成像探測(cè)模式，由面陣探測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)場(chǎng)景的選通成像，通過(guò)車載成像系統(tǒng)的行進(jìn)實(shí)現(xiàn)多幀不同場(chǎng)景圖像的獲取，并運(yùn)用一種特定的距離映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)景圖像的3維重構(gòu)，快速、便捷地完成對(duì)空中低慢小目標(biāo)的探測(cè)過(guò)程。

1 面陣推進(jìn)式激光探測(cè)成像原理

面陣推進(jìn)式激光成像探測(cè)模式是利用面陣探測(cè)器實(shí)現(xiàn)平面的2維成像，當(dāng)車載成像探測(cè)系統(tǒng)移動(dòng)搜索目標(biāo)時(shí)，采用脈沖光源和距離選通的工作方式，由移動(dòng)中的探測(cè)成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)3維的推進(jìn)掃描，圖1為面陣推進(jìn)式激光成像示意圖。

Fig.1 The schematic diagram of plane array propelled laser imaging detection

1.1光源照射模式選擇

在成像探測(cè)過(guò)程中，對(duì)探測(cè)目標(biāo)可采用二極管陣列面陣照射或應(yīng)用單個(gè)激光器泛光照射。當(dāng)采用激光二極管陣列作為照明光源時(shí)，發(fā)射光束通過(guò)整形照明系統(tǒng)后，可得到與探測(cè)器圖樣相匹配的并行光束，光電探測(cè)器各像元接收各自視場(chǎng)內(nèi)的回波脈沖，回波經(jīng)光學(xué)接收系統(tǒng)采集處理后，通過(guò)光功能器件將具有時(shí)間信息的脈沖調(diào)制為光強(qiáng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)特定的距離映射處理就可得到所需要的距離信息。

當(dāng)采用單個(gè)激光器的輸出光作為照明光源時(shí)，由于半導(dǎo)體激光器在快慢軸方向上的遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角不同，可采用準(zhǔn)直透鏡對(duì)光束在快慢軸方向上進(jìn)行整形，以此來(lái)達(dá)到所要求的發(fā)散角和光束截面，反射的回波脈沖同樣經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)接收后，經(jīng)處理便可得到探測(cè)場(chǎng)景的強(qiáng)度和距離信息。

由于不同的發(fā)射模式會(huì)對(duì)成像效果產(chǎn)生不同的影響，當(dāng)采用泛光模式照射時(shí)，探測(cè)器各像元之間存在間隙，其光能利用率不如面陣照射模式。研究表明，在相同的距離和峰值功率條件下，面陣照射模式可獲得更高的信噪比；并且在相同測(cè)量精度的條件下，面陣照射模式比泛光照射模式需要更少的發(fā)射功率。因此，本文中選擇激光二極管陣列作為照明光源，采用面陣照射模式，并在此基礎(chǔ)上分析空中低慢小目標(biāo)的探測(cè)過(guò)程。

1.2探測(cè)成像原理分析

當(dāng)光學(xué)接收系統(tǒng)收到回波脈沖時(shí)，由于探測(cè)器接收到的回波信號(hào)包含光子飛行距離的時(shí)間信息，因此通過(guò)控制距離選通同步控制系統(tǒng)的延遲時(shí)間，計(jì)算激光脈沖Lp（t）和選通門(mén)G（t）的卷積就可得到探測(cè)器接收到的光強(qiáng)分布［7］，其表達(dá)式為：

式中，接收端收到光子的強(qiáng)度-距離分布用I（z）表示，c為光速，z為探測(cè)距離，2z／c為光子往返傳輸所用時(shí)間，τd為選通門(mén)時(shí)延。由圖2計(jì)算分析可知，經(jīng)過(guò)對(duì)矩形的卷積運(yùn)算，面陣探測(cè)器可獲得線性良好的梯形光強(qiáng)-距離分布，梯形上下沿的斜坡展寬由發(fā)射激光脈沖寬度T決定，而頂部的平坦區(qū)寬度由發(fā)射激光脈沖寬度和選通門(mén)共同決定。當(dāng)選通門(mén)寬度等于2倍的激光脈寬時(shí)，上下沿的斜坡展寬與頂邊寬度相等，設(shè)寬度為T(mén)的激光脈沖其等效曝光范圍為Δz，即Δz＝cT，則探測(cè)器每接收到一個(gè)回波信號(hào)的有效梯形光強(qiáng)分布，其等效曝光范圍上的寬度為3Δz，也即表示產(chǎn)生一個(gè)景深為3Δz的圖像切片，其中光強(qiáng)分布的上下沿斜坡展寬與頂邊寬度均為Δz。

Fig.2 The signal profile of receiver obtained intensity vs.range

利用這一關(guān)系，通過(guò)控制車體的移動(dòng)速度，使車載成像探測(cè)系統(tǒng)在前進(jìn)的過(guò)程中，每次成像的位置距離上一次成像的位置相距為Δz，保持選通門(mén)延時(shí)τd不變，則探測(cè)器收到的相鄰梯形光強(qiáng)分布會(huì)產(chǎn)生重疊，圖3為3幅連續(xù)選通拍攝的相互重疊的強(qiáng)度-距離分布圖，其中zi表示接收到第i個(gè)回波的頂邊對(duì)應(yīng)距離，即zi＝τdc／2。利用重疊梯形斜坡邊沿良好的線性關(guān)系，通過(guò)簡(jiǎn)單的分割就可以從頂邊得到探測(cè)目標(biāo)的反射率信息，從斜坡的光強(qiáng)增益經(jīng)過(guò)計(jì)算就可以得到目標(biāo)的距離信息，圖3中，重疊區(qū)域［zi，zi+1］范圍內(nèi)z′處的成像距離計(jì)算表達(dá)式為：

式中，Ii表示第i個(gè)圖像切片的強(qiáng)度-距離分布I（z）在距離點(diǎn)z′處的光強(qiáng)值，應(yīng)用（2）式或（3）式即可算出重疊區(qū)域中各點(diǎn)處的相應(yīng)距離，通過(guò)兩幅連續(xù)的圖像切片光強(qiáng)比值，就可得出所成像區(qū)域中各點(diǎn)的距離信息。因而可以看出，這種方法最少只需兩幅連續(xù)的圖像切片就可對(duì)探測(cè)圖像進(jìn)行3維重構(gòu)，同時(shí)獲得探測(cè)目標(biāo)的強(qiáng)度像與距離像，可以大大減少后續(xù)圖像的處理量，改變以往需要通過(guò)上百?gòu)堖x通圖像來(lái)計(jì)算目標(biāo)距離圖像的方法，縮短圖像生成時(shí)間，為后續(xù)的識(shí)別處理系統(tǒng)提供便捷。

Fig.3 Overlapping intensity-range profile of successive range-gated images

2 面陣推進(jìn)式激光成像系統(tǒng)分析

2.1系統(tǒng)成像工作過(guò)程

采用波長(zhǎng)為808nm的半導(dǎo)體激光二極管陣列作為探測(cè)光源，激光束可包含多個(gè)獨(dú)立的不相關(guān)的小光束，形成能量均勻分布的激光光斑，其觸發(fā)電源可以與面陣探測(cè)器成像幀頻同步，這樣既可以在低功耗的情況下提高激光峰值功率，又能滿足探測(cè)器接收曝光時(shí)間的要求，且808nm激光波長(zhǎng)恰好處在近紅外面陣探測(cè)器的響應(yīng)峰值波長(zhǎng)處，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)低慢小目標(biāo)探測(cè)的目的［8］。

以車載成像系統(tǒng)探測(cè)空中小型目標(biāo)為例，為簡(jiǎn)化模型分析，假設(shè)激光束中每一個(gè)小光束照射到目標(biāo)上形成的光斑為矩形［9］，承載成像系統(tǒng)的車輛沿空中目標(biāo)方向直線行駛，圖4為照射光斑示意圖，每一個(gè)二極管陣列單元的光束發(fā)散角為α×β，光束相對(duì)地平面仰角為θ，空中小目標(biāo)高度為h，探測(cè)距離為z＝h／sinθ，則形成照射光斑參量見(jiàn)下。

Fig.4 Diagram of laser cell array spot

光斑邊長(zhǎng)：

光斑面積：

由上式分析可知，光斑面積的大小與探測(cè)距離、發(fā)散角及仰角有關(guān)，隨發(fā)散角和探測(cè)距離的增加而增加，但由于大氣損耗及激光器自身功率等的影響，光束會(huì)隨發(fā)散角和探測(cè)距離的增加而逐漸衰減，并且光斑過(guò)大導(dǎo)致的能量分散還不利于探測(cè)器對(duì)回波的接收，因而對(duì)這些因素需要折中考慮。當(dāng)對(duì)面積為A×B的區(qū)域進(jìn)行成像時(shí)，二極管陣列單元數(shù)假設(shè)為m×n，計(jì)算可得：

對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)時(shí)，結(jié)合實(shí)際條件對(duì)15m× 10m的區(qū)域覆蓋成像，當(dāng)光束發(fā)散角為2mrad× 0.6mrad，相對(duì)地平面仰角45°，目標(biāo)高度600m，由（6）式計(jì)算可得m＝9，n＝20，即最小需要的激光二極管陣列數(shù)為9×20。通過(guò)車載系統(tǒng)的行駛前進(jìn)，使每次成像的覆蓋區(qū)域如圖3部分重疊，在得到兩幅以上的距離選通圖像之后，就可通過(guò)前面所述的距離映射關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)場(chǎng)景圖像的3維重構(gòu)。

2.2激光二極管陣列脈沖寬度與重復(fù)頻率

當(dāng)車載成像系統(tǒng)移動(dòng)探測(cè)目標(biāo)時(shí)，空中低慢小目標(biāo)相對(duì)于成像系統(tǒng)行進(jìn)緩慢，因此可假設(shè)被探測(cè)目標(biāo)處于靜止當(dāng)中，成像系統(tǒng)朝目標(biāo)方向以速率v勻速行駛。由于系統(tǒng)每次成像的位置與前一次距離相差為Δz，利用這一關(guān)系，若要在空中廣闊區(qū)域中發(fā)現(xiàn)并識(shí)別低慢小目標(biāo)，需控制激光器陣列對(duì)大面積空域進(jìn)行推進(jìn)式照射。假設(shè)車載系統(tǒng)行駛速率為v，對(duì)前方寬度為L(zhǎng)的空域進(jìn)行推進(jìn)式覆蓋成像，則半導(dǎo)體激光器所需的脈沖重復(fù)頻率f為：

可以看出，當(dāng)激光器陣列單元數(shù)目確定之后，脈沖重復(fù)頻率f隨車載系統(tǒng)的移動(dòng)速率增加而增加，隨光源發(fā)散角的增加而減小。當(dāng)車載系統(tǒng)以12m／s的速率、對(duì)寬度為500m范圍內(nèi)的空域進(jìn)行推進(jìn)式成像時(shí)，其它參量同第2.1節(jié)，可得脈沖最小重復(fù)頻率為fmin＝34Hz，取實(shí)際重復(fù)頻率fre＝50Hz，對(duì)比掃描式激光成像系統(tǒng)所需的重復(fù)頻率（由kHz至MHz），可看出面陣推進(jìn)式成像方法可以極大地降低對(duì)光源脈沖重復(fù)頻率的要求。

激光脈沖的寬度直接影響了成像區(qū)域的探測(cè)范圍，由第2.1節(jié)中的內(nèi)容可知，系統(tǒng)單次脈沖成像時(shí)，需要對(duì)前方景深范圍為15m的區(qū)域照射成像，依據(jù)第1.2節(jié)中脈沖等效曝光范圍Δz＝cT，可得脈沖寬度為T(mén)＝50ns，成像景深范圍隨脈沖寬度的增加而增加。考慮脈沖實(shí)際寬度Tre與占空比Dre的要求（通常Tre·fre≤Dre，Dre＜0.5%），可取Tre＝200ns。

2.3探測(cè)距離仿真與分析

成像系統(tǒng)的探測(cè)、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)能力與多種因素有關(guān)，其性能分析主要針對(duì)系統(tǒng)的作用距離、信噪比和脈沖峰值功率等來(lái)進(jìn)行。假定探測(cè)的物體表面具有朗伯反射率分布，且目標(biāo)面積等于光束照射面積，由距離選通成像模型的激光雷達(dá)方程［10］，面陣探測(cè)器接收到的激光功率為：

式中，Pt為激光器發(fā)射功率，ηt為發(fā)射系統(tǒng)光學(xué)效率，ηr為接收系統(tǒng)光學(xué)效率，ρ為反射率，φ為探測(cè)方向與朗伯表面法線夾角，Ar為探測(cè)器接收面積，z為探測(cè)距離，τatm為大氣單程傳輸透射率，τatm＝exp（－σz），σ為消光系數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式可表示為：

式中，Vm是大氣能見(jiàn)度，q為修正因子［11］。圖5中給出了808nm的激光在不同大氣能見(jiàn)度傳輸時(shí)總透射率與探測(cè)距離的關(guān)系，可以看出，當(dāng)天氣環(huán)境質(zhì)量下降時(shí)，系統(tǒng)可探測(cè)距離急劇減少。由于低空區(qū)域易受揚(yáng)塵、霧、霾等的干擾，要保證低空目標(biāo)的有效成像，需著重考慮天氣條件變差時(shí)激光在傳輸過(guò)程中的衰減因素。

信噪比是評(píng)判系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，可以直觀地評(píng)價(jià)激光成像探測(cè)系統(tǒng)的性能，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，以信噪比（signal-to-noise ratio，SNR）形式表示探測(cè)距離方程為：

Fig.5 Two-way attenuation factor of808ns laser at different visibility

式中，PNEP為噪聲等效功率，D為探測(cè)器接收孔徑。假設(shè)系統(tǒng)的各項(xiàng)參量為：發(fā)射和接收系統(tǒng)光學(xué)效率ηt＝ηr＝0.8，接收孔徑D＝0.07m，噪聲等效功率PNEP＝10－8W，根據(jù)空中低慢小目標(biāo)的探測(cè)特征，取反射率ρ＝0.11，光束與目標(biāo)表面法線夾角φ＝45°。在能見(jiàn)度為5km的條件下，圖6中給出了不同最小峰值功率條件下系統(tǒng)信噪比與探測(cè)距離的關(guān)系曲線，可以看出，隨著探測(cè)距離的增大信噪比在迅速降低，當(dāng)要求成像距離為1000m，SNR達(dá)到20dB時(shí)，二極管發(fā)射單元峰值功率最小為20W。

Fig.6 Relation between SNR and detection range

3 結(jié) 論

針對(duì)目前城市空防中低慢小目標(biāo)的難點(diǎn)問(wèn)題，作者提出了一種面陣推進(jìn)式激光成像探測(cè)模式，基于激光距離選通成像技術(shù)的基本原理，分析了面陣推進(jìn)式激光成像探測(cè)系統(tǒng)的工作過(guò)程，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的基本能參量并對(duì)其性能作了分析。與傳統(tǒng)的掃描成像探測(cè)技術(shù)相比，該方法有效減少了圖像處理運(yùn)算過(guò)程，生成3維圖像方式簡(jiǎn)單，具有實(shí)時(shí)快速成像的優(yōu)點(diǎn)，為下一步的系統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)提供了理論和技術(shù)指導(dǎo)。

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Research of p lane array propelled laser imaging detection for small targets at low altitude and slow speed

LI Da，LI Yunxia，MENG Wen，HAN Xiaofei
（School of Information and Navigation，Air Force Engineering University，Xi’an 710077，China）

In order to solve the difficult problem of finding，identifying and tracking a low altitude，slow speed small target，a new technology of array propelled laser imaging method was proposed.With range-gated imaging model，different images of the scene were obtained by the moving forward vehicle system.According to the principle of plane array propelled imaging method，a 3-D reconstruction calculation about the successive range-gated images was introduced.Aiming at the characteristics of a low altitude，slow speed small target，the basic parameters of imaging detection system were designed.The performance of the system was studied including array elements，pulse repetition frequency，pulse duration，atmospheric attenuation and signal to noise.The results show that in low-flying area，this technology can be used to quickly imaging for 3-D observation scene，shortening the time required for images generation and could provide a guideline for the future system realization.

imaging system；laser active imaging；range-gated；air detection

TN247

A

10.7510／jgjs.issn.1001-3806.2014.01.010

1001-3806（2014）01-0044-05

李 達(dá)（1989-），男，碩士研究生，主要從事激光成像技術(shù)的研究。

*通訊聯(lián)系人。E-mail：liyunxia_lyx＠126.com

2013-03-16；

2013-05-16