掃描成像跟蹤激光雷達

屈恒闊 ，張清源，阮友田

(中國電子科技集團公司 第二十七研究所，河南 鄭州450047)

1 引 言

激光雷達從功能上可分為激光測角和跟蹤激光雷達、掃描成像跟蹤激光雷達。近年來，隨著高重頻二極管泵浦( DPL) 激光器、光纖激光器、多元陣列探測、高速掃描器等技術的飛速發展，激光成像的幀頻和分辨率以及跟蹤性能都有了明顯的提高，在對目標精密智能跟蹤方面極具潛力［1］。

與紅外和可見光成像相比［2］，激光成像具有顯著的優點:(1) 抗電磁干擾能力強，不容易受環境溫度和陽光變化的影響; ( 2) 具有較高的距離、角度和速度分辨率，能同時獲得目標的多種圖像，圖像信息量豐富，更適用于目標識別［3］;(3) 與四象限探測點跟蹤系統相比，成像跟蹤具有目標識別能力強且跟蹤精度高的優勢。

掃描成像跟蹤激光雷達可采用單元探測器的掃描成像和多元陣列探測器的非掃描成像等工作體制，兩者各有優缺點。目前以采用單元探測器的掃描成像技術較為成熟。掃描成像跟蹤激光雷達兼具成像偵察和目標捕獲跟蹤的能力，在直升機機載防撞、空間監測、空間維護、空間對抗、火控雷達、夜間偵查等諸多方面具有廣泛的應用。

本文設計了一種基于激光圖像跟蹤的激光雷達系統，分析了系統的組成和關鍵技術，進行了系統的性能測試，并給出了測試結果。

2 原理及關鍵技術

圖1 為掃描成像跟蹤系統的原理框圖。系統由激光發射/接收系統、激光發射/接收光學系統、圖像處理單元、伺服機構、總控計算機等部分組成。其中激光發射/接收系統由激光器及其驅動源、探測器、放大電路等部分組成。

圖1 掃描成像跟蹤系統組成原理框圖Fig.1 Structure graph of scanning image tracking system

掃描成像跟蹤系統的工作過程如下: 首先由控制計算機通過時序控制電路控制時序，驅動激光器發射激光脈沖序列，激光脈沖經過發射光學整形后，由掃描系統偏轉光束方向后再照射目標區域，形成排列緊密的掃描覆蓋。二維掃描機構采用雙向三角波掃描，行電機沿水平方向運動，完成方位方向探測區域的覆蓋。幀電機沿垂直水平方向運動，完成俯仰方向探測區域的覆蓋，從而完成整個空域的探測。二維電機的掃描經修正后，脈沖序列按照時序約定與掃描視場的位置線性對應。當激光脈沖照射目標后，目標表面對激光的漫反射回到掃描系統，經接收系統處理后照射到探測器，形成光電流，通過信號處理得到目標的距離。圖像處理電路按照時序約定排列回波信號，得到目標的距離圖像［4］，當完成一幅圖像后，通過圖像處理對目標進行分析，判斷跟蹤整幅圖像內的某個目標，計算出跟蹤目標中心與掃描中心的偏差量，伺服機構根據此偏差量和目標的角速度不停地改變掃描中心，達到實時跟蹤的目的。同時根據計算結果輸出目標的相對距離和相對視線角。

系統有動態圖像跟蹤和靜態圖像監測兩種工作模式。在動態圖像跟蹤模式下，系統捕獲角度為10° ×10°，跟蹤目標后掃描角度為1° ×1°，像素為30 pixel ×30 pixel，幀頻為4 Hz。當系統需要對目標進行詳細觀測時，可通過提高掃描頻率和激光重頻獲取更高分辨率的三維目標圖像。跟蹤模式下可由外部控制實時轉換為靜態掃描成像模式。本設計方案中，系統不僅具備對目標的測量能力，同時具備了一定的偵察能力。

掃描成像跟蹤激光雷達系統除了關注激光器和探測器的指標( 如激光脈寬、重復頻率、單脈沖能量、探測器件靈敏度等) ，還要關注影響整機使用的目標搜索、捕獲、圖像處理和跟蹤算法等關鍵技術。為了獲取較好的探測效果及較高的圖像質量，在選擇光源時盡量選取單模且光束質量因子高的激光器，本系統采用KOPASYS 公司的光纖激光器［5］，其光場模式為LMA 單模，光束質量因子為1.3。激光的波束不但窄，而且分辨率高，但用窄波束激光實現對目標的搜索和捕獲是成像跟蹤激光雷達系統的技術難點之一。通常掃描成像跟蹤激光雷達安裝在移動平臺上，探測目標同樣處于移動狀態，因此需要考慮兩個平臺運動的相對視線角度、角速度、速度、激光重頻、光斑覆蓋率、掃描速度等多種因素。

為了更直觀地描述激光成像探測系統所測量的信息，需要將被測對象的測量數據以圖像形式顯示出來，并對其進行處理和分析。圖像處理按基本功能特征可以分為采集、顯示、存儲、通訊、處理和分析模塊。采集模塊完成圖像像元信息的獲取;顯示模塊是按用戶需要顯示所關心的目標圖像信息;存儲模塊存儲所采集的信息，以供事后分析處理;通訊模塊完成多系統之間的信息交換;處理和分析模塊則針對采集的信息進行過濾、處理、分析，提取相關可用信息。采用光機掃描形式成像時，需對其圖像獲取、數據修正映射等進行研究。

3 系統實現

根據激光成像探測系統的特點，綜合考慮其搜索效率、搜索速度、實現難易程度、對圖像的影響程度、重量功耗、成本等多方面因素，采取了檢流計式搜索和光柵式掃描［6］方式。

3.1 光斑重疊率要求

為了防止掃描過程中目標從未掃描區域移到已掃描區域而丟失目標，相鄰兩點尤其相鄰兩行應具有一定的光斑重疊率，才能滿足系統捕獲目標的要求。假定脈沖間隔時間為TP，行間隔時間為TL，目標運動速度為v，最壞情況目標運動速度與掃描方向相反，dP為一行內兩脈沖點中心距，dL為行間距，D為光斑尺寸。對于圖2 所示的矩形光斑，運動目標應滿足如下條件:

圖2 光斑重疊率要求Fig.2 Demand of facula overlap

所以，有:

設KP為行內光斑間的重疊率，KL為行間重疊率，則:

根據式(2) 和式(3) ，激光采用圖像掃描目標時，光斑的重疊率應滿足以下條件:

系統的光斑重疊率是針對目標最大運動速度而設計的，無需隨目標運動狀態的不同而設計不同的光斑重疊率。

3.2 圖像處理

激光成像探測系統得到的圖像數據是包括二維坐標和距離的三維圖像，對這種圖像的顯示采用三維偽彩色圖像顯示方法，其中二維坐標為角度信息，不同顏色表示遠近不同的距離。用紅色表示最近距離，用藍色表示最遠距離，共256 種顏色。

由于二維振鏡掃描固有的特性，光學掃描角與機械掃描角存在一定的非線性，使掃描圖樣出現一定畸變，這種畸變隨著掃描角度和掃描速度的增大而增大［7］。由于幀掃速度慢，掃描的非線性可以忽略，而行掃速度快( 25 Hz) ，因此，圖像的畸變主要出現在水平方向，行電機的非勻速正掃和逆掃均會導致圖像出現畸變。這種畸變校正對于不同的方位、俯仰角，其畸變量是固定的，可以預先計算，用查表的方式進行修正。

典型的激光雷達平面圖像如圖3 所示。

圖3 某水塔典型的激光雷達圖像Fig.3 Typical lidar image of water tower

3.3 跟蹤算法

對目標的跟蹤算法直接關系到系統的跟蹤性能，結合系統的應用環境，系統選擇質心跟蹤算法作為對目標的跟蹤算法。

當選定目標后，系統根據目標的速度、大小、距離等綜合信息使用適當的波門框住目標，只處理波門內的圖像數據，節省了大部分背景的計算，壓縮了處理數據量。質心跟蹤算法［8］采用質心坐標法來確定目標的質心，其質心坐標表達式為:

式中:當像元的信息值小于系統閾值時，Uij=0;當像元的信息值大于系統的閾值時，Uij=1。xi和yj分別為x方向的第i個坐標和y方向的第j個坐標。m和n分別為x和y方向上的分辨像元數。

采用質心算法跟蹤可以達到很高的位置分辨率，而且算法處理快，有利于系統的快速處理和快速跟蹤。

4 試驗方法與結果

4.1 靜態掃描

系統對距離960 m 左右的水塔進行了靜態成像，圖4( a) 為水塔的CCD 圖像。采集掃描數據對激光雷達的原始圖像進行了插值、對比度增強、濾波等處理。由原始數據可知，原始圖像中水塔距離為［960，970 m］，若直接采用距離和顏色映射方式，通過二次插值和濾波處理后，顯示的圖像如圖4( b) ，所探測的水塔面呈水平面，反映不出水塔探測曲面的真實走向。采用對比度增強處理后，顯示的圖像如圖4( c) ，可以看出，圖像增強后顯示的水塔形狀與真實水塔結構一致，能夠體現水塔外形結構。

圖4 水塔圖像Fig.4 Images of water tower

4.2 動態跟蹤能力

激光雷達安裝于U 型伺服轉臺上，初始時伺服轉臺以0.4( °) /s 的速度對距離約500 m 的目標氣球進行5° ×5°范圍的反復運動、探測( 見圖5) ，經多次測試，激光雷達均能在5 s 之內捕獲目標。當激光雷達捕獲目標后伺服轉臺以1.2( °) /s的速度轉動，仍能穩定跟蹤目標。

圖5 目標氣球實時跟蹤圖像Fig.5 Real time tracking image of air balloon

4.3 精度測試

激光雷達跟蹤距離900 m 的靜態目標時，伺服轉臺作為第三方測試系統對激光雷達的角精度和角速度精度進行評價。精度測試結果見圖6 和圖7。經測試，工作視場為50° ×50°，該系統距離精度優于0.25 m，角精度可達到0.07°。

圖6 距離精度測試數據圖Fig.6 Graph of distance precision

影響系統測距精度的主要因素是激光回波信號提取的時延誤差，在后續的改進工作中可加入恒比定時電路，預計精度將提高近10 cm;而影響系統角跟蹤精度的主要因素是激光圖像的分辨率以及由于高速掃描系統掃描呈非線性帶來的誤差，在后續的改進工作中可通過減小激光束散角、增加激光重頻或者采用陣列探測器的方式來提高圖像分辨率。掃描系統的非線性可通過數據擬合進行非線性修正，或者采用更高掃描能力的掃描系統，預計精度將提高近0.05°。

圖7 角精度測試數據圖Fig.7 Graph of angle precision

5 結 論

本文對激光圖像雷達系統的組成和關鍵技術進行了詳細的分析，同時進行了系統的性能測試，本項工作對激光圖像跟蹤雷達的設計和研制具有重要的指導意義。該系統已通過長達200 h 的烤機試驗，并參加過多次野外試驗，經各種試驗考核，該系統性能穩定，具有一定的工程應用價值。另外通過對掃描成像跟蹤雷達的深入研究，未來激光成像雷達系統擬在以下方面進行探索:

(1) 提高激光雷達的探測能力。采取直接探測體制是當前激光主動探測的主流，為提高系統的作用能力和探測概率，要發展相干探測體制;

(2) 提高激光成像雷達成像幀頻和圖像分辨率。幀頻數的提高將直接提高激光雷達的跟蹤能力，需要在高重頻激光輻射源、靈活快速掃描機構等方面進行攻關，從而達到實時掃描的效果。另外國內外已經開展了多元或陣列凝視激光成像探測系統的相關研究，該技術一旦成熟，必將極大地推動激光成像雷達系統的發展。

(3) 針對激光主動成像特點進行有效的圖像處理和評判。激光圖像不同于CCD 圖像，它不僅具有強度、角度等信息，還包括距離量信息，但其3D 偽彩色的顯示方法信息量過于豐富，不利于圖像的判讀，可借鑒CCD 圖像處理方法以及與CCD圖像相融合來加強激光圖像的可讀性。

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