激光3D成像系統主被動探測技術的研究進展

唐曉燕，高昆，倪國強

(1.北京理工大學光電成像技術與系統教育部重點實驗室，北京100081;2.南陽理工學院電子與電氣工程學院，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的可見/紅外輻射實現目標探測、識別，由于其本身不發射任何特征信號，隱蔽性好等優點，在軍事上得到極其廣泛的應用［1］。相對被動光學探測技術而言，主動光學探測技術因其受環境束縛小而受到人們的廣泛的關注。近年來，激光3D探測成像系統得到迅速發展，激光3D探測成像系統是一種在高敏感探測器基礎上發展起來的新技術，這樣的探測系統能夠測量出極小量的反射激光，并對所掃描的物體實時進行3D建模。由于該系統具有全天時工作、隱蔽性好、緊湊和小型化以及可以偽裝識別等優點，已廣泛應用于軍事偵察、長距離瞄準、大面積3D地形測繪、機器人導航、水下礦藏探測和自導引導彈等技術領域［2－5］。

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

2 激光3D成像雷達系統的研究現狀

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

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

圖1 Gen-III激光3D雷達成像系統主要組成部件

Gen-III系統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，重復頻率10 kHz)作為光源，通過調整掃描器的掃描間隔進行角分辨率調整，實現了單個激光脈沖完成一幅完整的3D圖像。該系統的光學參數如表1所示［7］，具有高幀頻、高距離分辨率和小型化等優點。除軍事用途外，還可以用于機器人視覺、自主車輛駕駛、精確加工控制等領域。

表1 Gen-III系統的光學系統參數

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

瑞典的CSEM開發了另外一種激光3D成像系統FPA傳感器，并致力于開發一種集成、低功耗、小型化的實時激光3D成像系統，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(激光調制產生)的相位差來得到激光的傳輸時間。目前該系統主要應用于無人車輛成像，測量距離較近［9］。2008年瑞典Folke Isaksson等人利用立體攝影技術，并采用幀間快速匹配算法進行機載對地3D測量。載機以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(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］，正在積極發展3D閃光激光雷達技術。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器人和人類在月球探測車提供先進的技術，以支持在月球表面上安全，精確著陸。ALHAT APD探測器要達到的性能指標和讀出電路(ROIC)具體性能要求如表2所示。

表2 ALHAT APD探測器要達到的性能指標

國內激光3D成像探測系統研究起步較晚，主要有:中國電子科技集團公司第二十七研究所研制的直升機防撞激光3D成像系統，系統采用半導體泵浦的YAG激光器，利用兩個諧振鏡進行掃描;華中科技大學研制的海洋探測激光3D成像系統，系統采用YAG調Q倍頻激光器，利用卵形螺旋掃描方式;哈爾濱工業大學研制的障礙物回避用激光3D成像系統，已研制出實驗室樣機，采用1.06 μm半導體泵浦YAG激光器，利用兩個諧振鏡進行掃描成像，成像速率為7 fr/s，幀分辨率為32×32，作用距離為2 km，回波強度等級為16級［9］。北京理工大學光電學院目前承研了機載三維選通成像光子計數激光雷達關鍵技術研究的國家高技術研究發展計劃項目，成像系統技術指標接近國際先進水平。總之，國內激光3D成像系統方面的研究已經取得一定的成果，但與國外相比存在較大差距［9］。

3 下一代激光3D成像雷達系統

采用主動成像激光雷達進行目標識別可提高作用距離。在傳統脈沖照射激光雷達中，采用被動紅外焦平面探測器寬視場搜索、激光主動探測進行窄視場目標識別是下一代激光3D成像雷達系統的發展模式。

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和光學系統，整體系統十分復雜，主/被動光路同軸校準十分困難。如圖2所示［12］，向同一個HgCdTe構建的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/被動激光雷達系統中，APD模式用于接收人眼安全的短波主動激光雷達信號;紅外焦平面探測器模式用于探測中波紅外信號，系統采用同一個信號處理和光學系統，整個系統被大簡化，HgCdTe APD用于激光主/被動成像成為研究熱點。國際上多個研究機構研制成二維成像和三維成像激光雷達，目前已達到演示樣機階段［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成像兩種模式進行電子切換。先用大視場的熱成像來進行目標定位，然后用窄視場的激光3D成像來對目標進行識別。焦平面大小為320×256，探測器采用HgCdTe APD和一個專門設計的CMOS多路復用器來執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APD陣列(e-APD)，具有3～5 μm波段進行被動成像模式和1.5 μm的主動模式。焦平面陣列大小為128×128［14］，當偏壓為13.5 V時，增益可達1000倍，讀出速率為5 MHz，峰值功耗＜55 mW。

圖2 采用HgCdTe工藝構建的APD陣列

2012年，法國原子能委員會的電子信息技術研究所(CEA/LETI)研制出了30μm間距的紅外焦平面，具有熱成像和3D激光雷達兩種模式的樣機［15］，其中焦平面探測器是基于 CEA/LETI的 HgCdTe APD陣列技術，陣列規模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對該樣機進行了實驗測試，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，突破了傳統的成像概念，能同時獲得目標的強度像、距離像等多種圖像，圖像信息量豐富，具有目標區分能力突出的優點，此外還具有抗電磁干擾和抗隱身能力強的特點，很適于激光成像雷達、制導及引信等武器系統的應用。近年來，國外軍事強國如美、英、法和瑞典等國，非常重視激光成像探測技術的研究，已研制出多種激光成像探測系統原理樣機，許多已裝備部隊。

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

［1］ Liu Wu，Sun Guozheng．The status quo，developments and military application analysis of the multi-color IR focal plane arrays［J］．Infrared Technology，2004，26(3):1 －4．(in Chinese)劉武，孫國正．多色紅外焦平面器件的現狀、發展趨勢及軍事應用分析［J］．紅外技術，2004，26(3):1 －4．

［2］ Zhang Jian，Zhang Lei，Zeng Fei，et al．Development status of airborne 3D imaging lidar systems［J］．Chinese Optics，2011，4(3):213 －232．(in Chinese)張健，張雷，曾飛，等．機載激光3D探測成像系統的發展現狀［J］．中國光學，2011，4(3):213 －232．

［3］ Sun Zhihui，Deng Jiahao，Yan Xiaowei．Progress and current state of the development of laser imaging detection system and its key techniques［J］．Science ＆ Technology Review，2008，26(3):74 －79．(in Chinese)孫志慧，鄧甲昊，閆小偉．國外激光成像探測系統的發展現狀及其關鍵技術［J］．科技導報，2008，26(3):74 －79．

［4］ de Haag M U，Venable D，Smearcheck M．Use of 3D laser radar for navigation of unmanned aerial and ground vehicles in urban and indoor environments［C］//Defense and Security Symposium．International Society for Optics and Photonics，2007:65500C －65500C．

［5］ Zang Bo，Xing Mengdao，Tang Yu．Study on new systems and new technologies of imaging lidar［J］．Infrared and Laser Engineering，2010，39S(5):157 －163．(in Chinese)臧博，邢孟道，唐禹，等．激光成像雷達新體制和新方法研究［J］．紅外與激光工程，2010，39S(5):157 －163．

［6］ Cai Xiping，Yu Changbin，Chen Lei，et al．State-of-the-art of three － dimensional imaging laser radar［J］．Ome Information，2008，25(7):31 －35．(in Chinese)蔡喜平，于長濱，陳雷，等．三維成像激光雷達的發展動態［J］．光機電信息，2008，25(7):31 －35．

［7］ Marino R M，Stephens T，Hatch R E，et al．A compact 3D imaging laser radar system using geiger-mode APD arrayssystem and measurements［C］//Aero Sense 2003．International Society for Optics and Photonics，2003:1 －15．

［8］ Mcmanamon P F．Review of ladar:a historic，yet emerging，sensor technology with rich phenomenology［J］．Optical Engineering，2012，51(6):060901 －1 －060901 －13．

［9］ Meng Qingji，Zhang Xuyan，Zhou Ling，et al．Key technologies of airborne laser 3D detection imaging system［J］．Chinese Optics，2011，4(4):327 －339．(in Chinese)孟慶季，張續嚴，周凌，等．機載激光3D探測成像系統的關鍵技術［J］．中國光學，2011，4(4):327 －339．

［10］ Jack M，Chapman G，Edwards J，et al．Advances in ladar components and subsystems at raytheon［C］ //SPIE Defense，Security，and Sensing．International Society for Optics and Photonics，2012:83532F －83532F －17．

［11］ Mckeag W，Veeder T，Wang J，et al．New developments in HgCdTe APDs and LADAR receivers［C］//SPIE Defense，Security，and Sensing．International Society for Optics and Photonics，2011:801230 －801230 －14．

［12］ Baker I，Owton D，Trundle K，et al．Advanced infrared detectors for multimode active and passive imaging applications［C］//SPIE Defense and Security Symposium．International Society for Optics and Photonics，2008:69402L －69402L－11．

［13］ Liu Xingxin．Status of HgCdTe avalanche photodiode arrays［J］．Laser ＆ Infrared，2009，39(9):909 － 913．(in Chinese)劉興新．碲鎘汞雪崩光電二極管發展現狀［J］．激光與紅外，2009，39(9):909 －913．

［14］ Beck J，Woodall M，Scritchfield R，et al．Gated IR imaging with 128×128 HgCdTe electron avalanche photodiode FPA［J］．Journal of Electronic Materials．2008，37(9):1334－1343．

［15］ de Borniol E，Rothman J，Guellec F，et al．Active three-dimensional and thermal imaging with a 30－μM Pitch 320×256 HgCdTe avalanche photodiode focal plane array［J］．Optical Engineering，2012，51(6):61301 －61305．