遠距離激光照明選通成像技術的研究進展

宋巖峰，孫衛平，劉 灝

(中國兵器工業第203研究所，陜西西安710065)

1 引言

遠距離激光照明選通成像技術作為距離選通激光成像技術的主要應用之一，是在激光主動成像技術的基礎上發展起來的。遠距離激光照明選通成像技術融合了先進的脈沖激光光源技術、高速選通相機技術以及高精度的延時同步控制技術等，使得遠距離激光照明選通成像系統具有作用距離遠、系統分辨率高、有一定的穿透能力、可以在低照度背景復雜條件下獲取目標的圖像信息等特點，使其在復雜環境條件下對遠距離目標的全天候偵察、精密跟蹤和目標識別等領域具有廣闊的應用前景。

在國外，遠距離激光照明選通成像技術得到了世界上各大軍事強國的重視，許多單位和機構都對該技術進行了深入研究，如瑞典國防研究中心(FOI)［1－4］、英國的 BAE 公司［5］、美國的 INTEVAC公司［6］和Goodrich 公司 SUI小組［7］、加拿大的 OBZERV公司［8］、德國光電與模式識別研究所(Research institute for optronics and pattern recognition)［9］等，而且許多單位已經有裝備研制成功。

在國內，雖然也有一些單位在積極開展該技術的研究，但是由于器件等原因，目前都尚處于理論研究和實驗室驗證階段，和國外相比還有較大的差距［10］。

2 基本原理

遠距離激光照明選通成像系統通常需要采用高能量的脈沖激光器作為照射光源，對目標區域發射激光脈沖進行照射;采用高速選通相機作為成像接收設備，在極短的時間內完成相機快門的開啟和關閉工作;通過高精度的延時同步控制技術，嚴格控制激光脈沖的發射和選通相機快門開啟成像的時間延遲，使得需要觀察目標場景反射回來的輻射脈沖剛好在相機選通工作的時間內到達相機并成像，從而將不同距離上的散射光和目標的場景反射光分開，獲得目標區域的清晰圖像［11］。遠距離激光照明選通成像系統原理如圖1所示。

圖1 遠距離選通激光成像系統原理圖

從系統的分辨率上分析，遠距離激光照明選通成像系統通常工作在可見光、近紅外及短波紅外波段，相對中波和長波紅外等被動熱成像系統，在相同口徑條件下，距離選通激光成像系統的分辨率更高，可以獲取更多的目標信息;從成像效果來看，由于距離選通技術的采用，通過對特定距離上的目標進行選通成像，可以消除位于選通距離之外的背景干擾，將目標從復雜背景中提取出來，提高對特定目標的成像效果［12］。

3 研究進展

在可見光波段，瑞典國防研究中心(FOI)構建了遠距離激光照明選通成像試驗系統，試驗系統如圖2所示。其中，激光光源采用Nd∶YAG激光器，經過倍頻后輸出波長為532 nm的綠激光，激光脈沖的重復頻率約10 Hz，工作時輸出能量約60 mJ，束散角為0．3～0．7 mrad;選通相機的光譜響應范圍為400～900 nm，水平方向分辨率為30 lp/mm，垂直方向分辨率為23 lp/mm，最小選通門寬為50 ns，相機的理論空間角分辨率約為10μrad。

圖2 FOI的遠距離激光照明選通成像試驗系統

通過試驗，獲取了7 km和14 km遠處的卡車目標圖像，目標圖像如圖3所示。

圖3 14 km處(左)和7 km處(右)的卡車試驗圖像

需要說明的是，FOI在獲取目標的選通圖像的同時，還分別獲取了目標的電視圖像、紅外圖像以及通過選通相機獲取的被動圖像等進行了對比。2005年，FOI在美國的白沙靶場還對大氣和目標散斑噪聲等因素對激光照明選通成像系統的影響進行了進一步跟蹤試驗。通過大量的試驗研究，FOI在遠距離激光照明選通成像技術方面積累了豐富的經驗和數據，也為其在人眼安全波段的試驗研究奠定了很好的基礎。

在近紅外波段，加拿大的OBZERV夜視技術公司采用波長為860 nm和808 nm的半導體激光器和選通型三代像增強ICCD先后成功研制成功了多種型號的遠距離激光照明選通成像系統，如圖4所示的ARGC－750型和ARGC－2400型DALIS(diode array laser illumination system)。

圖4 ARGC－750型(左)和ARGC－2400型(右)激光照明選通成像系統

通過試驗，ARGC－750型對典型軍用車輛(參考尺寸2．3 m ×2．3 m)和人(參考尺寸 1．8 m ×0．5 m)等目標的識別距離分別是4 km和3 km;對應的ARGC－2400遠距離激光照明選通成像系統的識別距離則分別是15 km和8 km。OBZERV公司給出了兩組ARGC－2400型遠距離激光照明選通成像系統的試驗圖片。圖5為6．4 km遠處一條大船的紅外熱圖像和ARGC－2400獲取的激光主動圖像。試驗圖像表明ARGC－2400型遠距離激光照明選通成像系統可以清晰分辨船體上17 in的標識字符。

圖5 紅外熱圖像(左)和ARGC－2400獲取的激光主動圖像(右)

在短波紅外波段，美國INTEVAC公司專門研制了工作在人眼安全波段的短波紅外高速選通相機，如LIVAR M506型短波紅外距離選通相機。該相機采用TE－EBCMOS InGaAs探測器，像元數達到了640×480，響應波長范圍為950～1650 nm，其中在1．55μm波長處量子效率大于20%，分辨率大于28 lp/mm，選通時間約為65 ns，選通門寬最小可達70 ns。圖6給出了2 km外目標區域的紅外熱圖像和通過LIVAR獲取的激光照明選通圖像。LIVAR M506型相機的外形如圖7所示，需要說明的是該相機已被列為出口受限產品。

圖6 2 km公里遠處的紅外熱圖像(左)和LIVAR獲取的目標識別圖像(右)

圖7 LIVAR M506

在其短波紅外選通相機的基礎上，INTEVAC公司推出了LIVAR4000型遠距離激光照明選通成像系統，如圖8所示。該系統的照射光源為閃光燈泵浦Nd∶YAG激光器，激光器輸出人眼安全的1．57μm脈沖激光，脈沖能量大于10 mJ，重復頻率2 Hz，束散角1．5～15 mrad內可調;選通相機選通門寬最小150 ns，分辨率大于28 lp/mm。

圖8 LIVAR 4000

在短波紅外波段，FOI搭建了1．5μm遠距離人眼安全激光照明跟蹤成像系統。如圖9所示，該系統安裝在一個隨動平臺上;系統采用INTEVAC公司的短波紅外選通相機作為接收成像設備;采用Saab公司IRK－2000型LWIR熱成像系統作為遠距離目標的熱成像探測跟蹤設備;采用Saab公司開發的激光測距設備作為測距設備，同時兼顧激光目標的照射工作。激光光源輸出的脈沖能量約20 m J，重復頻率10 Hz，脈沖寬度約20 ns，發散角約 5．5 mrad。

圖9 FOI的1．5μm遠距離激光照明選通跟蹤成像系統

該系統通過熱成像系統完成對遠距離目標的探測和跟蹤任務;通過激光測距設備實時完成對遠距離目標的距離測量。根據測距結果，系統可以自動完成激光成像系統延遲時間的更新和選通成像，從而實現在跟蹤模式下對運動目標的激光照明選通成像。通過該系統FOI成功完成了對遠距離飛行目標的跟蹤和激光照明選通成像工作，獲取的圖像如圖10所示。

圖10 飛行目標的熱跟蹤圖像(左)和距離選通圖像(右)

德國光電與模式識別研究所將多光譜成像技術引入遠距離激光照明選通成像系統，通過構建的驗證系統對其成像效果進行了驗證，系統組成如圖11所示。在驗證系統中，采用了兩種不同模式的激光器作為照射光源。其中一個輸出1．54μm固定波長的激光，其最大輸出脈沖能量22．5 mJ，脈沖寬度3 ns，重復頻率15 Hz;另外一個輸出波長在1．45～1．65μm范圍內可調的激光，步長20 nm。在驗證系統中，采用了INTEVAC公司的LIVAR400型相機作為接收設備。

圖11(a)激光器(b)光參量振蕩(OPO)(c)波長調節旋鈕(d)2032 mm望遠系統(e)LIVAR400型相機(f)InGaAs探測器

通過該驗證系統，完成兩種照射模式下對距離為2 km的車輛目標的成像效果對比工作，試驗獲取的圖像如圖12所示。可以看出，采用可調激光器照射的目標選通圖像相對固定波長激光器照射的目標選通圖像，圖像的噪聲顯著減小，圖像質量得到顯著提高。

圖12 1540 nm固定波長照射時獲取的車輛目標圖像(左)可調波長(1450～1650 nm，步長為20 nm)照射時的車輛目標圖像(右)

4 發展趨勢

通過分析國外遠距離激光照明選通成像技術的研究發展動態，可以看出目前該領域技術正在向以下幾個方向發展:

(1)1．5μm人眼安全激光照明選通成像技術。與可見光和近紅外激光輻射相比，1．5μm激光具有對人眼安全、大氣傳輸性能好、對霧霾和戰場煙霧有較強穿透能力、太陽光譜輻照度低和有一定的光電對抗能力等優勢。因此，基于1．5μm人眼安全激光的遠距離激光照明選通成像技術是目前的研究熱點，也是未來的發展趨勢。

(2)多種探測跟蹤成像系統結合，構建組合式探測跟蹤系統。通過與紅外熱成像系統、電視系統、雷達系統以及其他輔助跟蹤系統等的組合，構建組合式探測跟蹤系統，可以彌補單一模式的不足之處，大大提高系統的快速捕捉、跟蹤和識別目標的有效性，提高系統效率和抗干擾能力。

(3)多光譜成像方向發展。采用不同的波長激光對目標區域進行照明并選通成像，通過目標對不同波長激光的反射率差異，獲取目標更高對比度的圖像信息，解決單一波長激光照明探測系統圖像局部模糊的問題。

(4)目標三維成像技術及自動識別方向的發展。利用距離選通技術對同一軍事目標進行分段成像，可以獲得目標的三維信息，用于導彈導引頭自動跟蹤末制導系統中，可以將真假目標及碎片區分開，提高自動攻擊武器系統的打擊精度等。

5 結束語

隨著激光技術、光電探測技術、圖像處理技術、自動目標識別技術、高速信息處理等技術的迅速發展，遠距離激光照明選通成像技術正在朝著遠距離、高分辨、高可靠性的方向發展。該技術被認為是最有潛力的復雜背景下、遠距離目標的探測模式，非常適合激光成像雷達、制導和引信等武器系統的應用。一直以來，國外主要軍事強國如美國、英國、德國和瑞典等都非常重視該技術的研究，已經研制出了不少樣機，而且許多已經裝備。國內由于前期投入較少，關鍵器件受限等原因，尚有多項關鍵技術未突破。可以預見到，隨著國家對此領域的更加重視，研發投入將越來越多，我國的遠距離激光照選通成像技術將會有較快的發展。

［1］ Pierre A．Long-range three-dimensional imaging using range-gated laser radar images［J］．Optical Engineering，2006，45(3):034301:1 －10．

［2］ Ove S，Pierre A，Magnus E．Overview of range gated imaging at FOI［C］//SPIE，2007，654216:1 －13．

［3］ Ove S．Laser radar work at FOI［C］//SPIE，2009，738202:1－14．

［4］ Ove S．Review of laser sensing devices and systems［C］//SPIE，2005，598903:1 －18．

［5］ Ian B，Stuart D，Jeremy C．A low noise，laser-gated imaging system for long range target Identification［C］//SPIE，2004，5406:133 －144．

［6］ Vasyl M，Gary K，Ove S．Laser radar:from early history to new trends［C］//SPIE，2010，783502:1 －30．

［7］ Jesse B，Robert B，Martin E．High speed shortwave infrared(SWIR)imaging and range gating cameras［C］//SPIE，2007，654106:1 －12．

［8］ Deni B，Sylviane L，Louis D．On the safe use of long-range laser active imager in the near-infrared for Homeland Security［C］//SPIE，2006，6406:1 －9．

［9］ BG hler，P Lutzmann，G Anstett．3D imaging with range gated laser systems using speckle reduction techniques to improve the depth accuracy［C］//SPIE，2008，711307:1－11．

［10］ Wang Shouzeng，Sun Feng，Zhang Xin．Development of laser illuminating range-gated imaging technique［J］．Infrared and Laser Engineering，2008，37(8):95 － 99．(in Chinese)

王壽增，孫峰，張鑫．激光照明距離選通成像技術研究進展［J］．紅外與激光工程，2008，37(8):95－99．

［11］ Xu Xiaowen，Guo Jin，Yu Qianyang，etal．An improved laser range gated imaging system ［J］．Laser＆ Infrared，2004，34(1):3 －5．(in Chinese)

徐效文，郭勁，于前洋，等．一種改進的激光距離選通成像系統［J］．激光與紅外，2004，34(1):3－5．

［12］ Jiang Hongwang．Underwater electro-optical detecting system status and development［J］．Laser ＆ Infrared，1999，29(3):136 －138．(in Chinese)

蔣鴻旺．水下光電探測系統現狀與發展［J］．激光與紅外，1999，29(3):136 －138．