基于激光距離選通的非視域成像特性分析

許凱達,金偉其,劉敬,郭暉,裘溯,,李力,趙紳有

(1.北京理工大學光電學院光電成像技術與系統教育部重點實驗室,北京 100081; 2.微光夜視技術重點實驗室,陜西西安 710065)

基于激光距離選通的非視域成像特性分析

許凱達1,金偉其1,劉敬1,郭暉2,裘溯1,2,李力1,趙紳有1

(1.北京理工大學光電學院光電成像技術與系統教育部重點實驗室,北京 100081; 2.微光夜視技術重點實驗室,陜西西安 710065)

激光距離選通成像系統借助具有一定鏡面反射特性的中介反射面可以實現繞過拐角對隱蔽目標成像,即非視域成像。在對中介反射面模型化的基礎上,分析并推導非視域成像系統探測器光敏面上的信號輻照度與干擾輻照度,進而給出非視域圖像的對比度模型；結合典型非視域成像系統參量,分析中介面反射特性及其位置對非視域成像的影響。分析結果表明:對于大多數實用的中介反射面,只有采用激光距離選通成像模式才能實現非視域成像；當探測器和目標的位置確定時,中介反射面距離目標越近,非視域成像系統探測、識別目標的難度就越大；在實際使用過程中,采取適當的使用策略或方法可以最大限度發揮系統的性能。文中建立的模型及分析結果對于非視域成像的理論研究、系統設計和實際應用具有指導意義。

光學；激光成像；距離選通成像；非視域成像

0 引言

在城市街道環境或建筑物內,受限于墻壁或其他建筑物等遮擋,人眼直接視覺或借助光電成像設備均難以實現對視域之外的目標場景成像。因此,能夠繞過拐角或障礙物的遮擋,實現對視域外目標成像的非視域成像技術成為人們研究的重要方向。2006年至2007年德國光電子學和模式識別研究中心和瑞士國防研究中心(FOI)利用短波紅外激光距離選通成像系統[1-2],選擇窗戶玻璃等作為中介反射面,實現了街角后人員、車庫中車牌和假目標的非視域成像;2011年FOI進一步研究了非視域成像過程中不同面型和不同反射特性的中介反射面對激光能量的衰減特性,給出了激光衰減因子的近似模型,并進行了實驗驗證[3],但其模型較為簡單,尚難以有效描述成像情況。2007年以來,美國麻省理工(MIT)Media Lab研究了基于飛秒激光脈沖距離選通的瞬態成像技術,提出了能夠從多次反射光路中提取目標信息的反演算法,實現了拐角觀察成像[4];2012年進一步利用超短脈沖通過中介反射面的漫反射對隱藏的目標進行了三維重建[5]。圣路易法德研究院也開展了非視域成像算法研究,但相對于MIT的研究內容,該項研究著眼于在更大的空間尺度(米級空間尺度)和較短的圖像采集時間條件下,對非視域目標進行三維重建[6]。以上研究展現出非視域成像技術在現代城鎮巷戰、反恐、災難救援等方面潛在的應用前景。2012年北京理工大學開展了非視域成像技術的實驗研究[7-8],以玻璃和瓷磚作為中介反射面,采用納秒級激光距離選通成像系統獲得了不同距離上標準靶標的非視域成像; 2013年研究提出了基于激光距離選通成像的非視域成像對比度模型[9]。本文將在已建立的基于激光距離選通成像的非視域成像對比度模型基礎上,分析系統的成像特性及其影響因素,以期為非視域成像系統設計和應用提供理論依據。

1 非視域成像及其圖像對比度模型

1.1 非視域成像原理

非視域成像屬于主動成像,在低照度環境下有明顯優勢,其原理圖如圖1所示。

圖1 非視域成像與中介反射面類型Fig.1 Non-line-of-sight imaging and intermediary reflective surface

圖1中:A為觀察者,B為觀察的目標(假設為朗伯反射體),C為非視域成像借助的中介面;B不在A的直接觀察視場內,需要借助中介面C對B進行非視域成像。位于A處的光電成像系統調焦在目標B;A發射的照明激光照射在中介面C時,將形成1次反射,其中鏡面反射和前向散射實現對目標的照明,后向散射進入成像系統將形成離焦彌散成像,降低了圖像對比度;成像系統經過中介面的鏡面反射(3次反射),接收目標的朗伯反射(2次反射)實現景物成像,但3次前向散射與1次后向散射一樣,對景物成像的對比度形成衰減。顯然對于瓷磚等中介面,一般的光電成像過程中1次后向散射+ 3次前向散射輻射往往超過景物成像信號,造成景物的“不可探測”。顯然,由于1次后向散射相對3次前向散射的能量更大,采用距離選通成像濾除或減小1次后向散射,是提取非視域成像信號的有效手段之一,且由于景物場景信號往往較弱,需要采用專門的圖像增強技術。

1.2 非視域成像圖像對比度模型

中介反射面的反射特性對非視域成像的影響非常明顯。不失一般性,可以將中介反射面歸納為玻璃鏡面反射面①、類似瓷磚的部分鏡面反射+部分漫反射面②和理想漫反射面③。

1.2.1 中介面反射特性模型

假設中介面總反射率為1,其反射特性用鏡面反射系數ρs和漫反射系數ρd描述,有ρs=1-ρd.則中介面的反射率分布函數可表示為

式中:θ為天頂角;θi為入射天頂角;φ為方位角。

1.2.2 非視域成像光傳輸及分布

如圖2所示,照明激光從出射到最終由探測器接收,先后經過中介反射面—目標面—中介反射面,共3次反射過程。設激光器功率為P,照明激光直接照射中介反射面形成照度為E1的光斑S1.激光在S1上發生1次反射后,在目標上形成照度為E2的光斑S2,激光器到S1(幾何中心)的距離為l1,S1到S2的距離為l2,入射光線與S1、S2的法線n1、n2夾角分別為α、β.圖中不考慮激光器與探測器之間的距離,且認為探測器視場角和激光器光束發散角重合。

圖2 激光傳輸示意圖Fig.2 Schematic diagram of laser propagation

E2包括兩部分:1次鏡面反射光形成的照度E2s(其大小與P和ρs相關)和前向散射光形成的照度E2d(其大小與E1和ρd相關);1次反射中的后向散射光(大小與E1和ρd相關)由探測器接收,在探測器光敏面上形成的照度為Eb.激光在S2上發生2次反射回照S1,形成的照度為E′1.最后,激光在S1上發生3次反射,3次反射中的鏡面反射光和散射光被探測器接收,在光敏面上形成的照度分別為Esu(大小與E2和ρs相關,其中下標u分別為t、b,分別代表目標和背景)和Ed(大小與E′1和ρd相關)。

如圖3,Esu為信號,由鏡面反射光形成,是目標像點形成的照度;Eb和Ed為干擾,由散射光形成,是中介反射面上各點在探測器焦平面上形成的彌散斑疊加后形成的照度。

圖3 激光能量傳輸及分布結構圖Fig.3 Diagram of propagation and energy distribution of laser beam

1.3 探測器光敏面上目標場景的表觀對比度

采用激光距離選通技術進行非視域成像時,必須考慮系統的時序、探測器單元的積分特性和離散特性等問題。

1.3.1 脈沖激光模型

假設激光光斑能量隨發射角均勻分布。脈沖激光可表示為

t為時間;Φ為激光單脈沖能量;tp為脈沖寬度;Ωl為激光束的發散立體角,Ωl=πsin2θ0,θ0為激光器的半發射角;rect(t)為矩形函數,定義為

實際中,激光光斑能量的角分布不是均勻的,因此會對光敏面圖像對比度的分布會產生影響。本文主要研究探測器、目標和中介反射面的相對位置對光敏面圖像對比度的影響,在后續分析時只是采用光敏面中心附近的圖像對比度均值作為圖像對比度的評價。因此所采用的脈沖激光模型對本文分析過程和結論的影響不大。

1.3.2 脈沖照明條件下的信號與干擾

考慮系統實際成像過程中的時序和探測器單元的離散特性,在一個脈沖周期內,成像面(i,j)探測單元接收的目標和背景反射光能量

式中:a、b分別為探測器單元的長和寬;td、tg分別為系統的延遲時間和選通門寬。

成像面(i,j)探測單元接收的后向散射光能量Qb和中介反射面散射光能量Qd分別為

進一步將接收器各環節的噪聲以及環境散射光噪聲都等效到物平面,設噪聲等效照度為Eeq,則探測器光敏面噪聲等效光能量為

非視域成像總的噪聲可表為

1.3.3 探測器光敏面圖像對比度模型

非視域成像系統的圖像對比度可表示為

2 非視域成像特性分析

中介反射面參與成像過程,是非視域成像與傳統的距離選通成像最大的區別。除了中介面的反射特性參數外,中介面到探測器和目標的距離也會對非視域圖像產生重要影響。由第1節的分析計算可知,l1和l2對目標/背景表觀對比度的影響方式和影響程度各不相同,為了更深入地了解非視域成像特性,下面基于表1的非視域成像系統典型參數,進一步對l1和l2進行討論。

表1 示例非視域成像系統的參數Tab.1 Parameters of non-line-of-sight imaging system

由于激光脈寬及選通門寬均為120 ns,則成像系統成像景深為36m;且由于成像幀頻25 Hz,故在1幀周期內選通成像系統共接收到40個激光脈沖,即1幀成像周期的等效激光照射能量為4.8μJ.

2.1 l1確定,光敏面照度隨l2變化

圖4給出了當l1=5 m,α=45°時,連續激光照明條件下Est、Eb和Ed隨ρd、l2(2～22 m)的變化曲線,由于Eb和Ed在光敏面上分布不均勻,故圖中數值為視場中心的平均值。由圖4可以看出:

1)在連續激光照明下,Est和Eb分別隨ρd的增加呈單調降低和單調增加的趨勢,Eb曲面絕大部分都位于Est曲面的上方,當ρd＞0.6時,Eb比Est高出1個數量級以上,僅當ρd較小(ρd＜0.33)時才有Eb＜Est;當ρd＞0.8(許多建筑材料表面的漫反射率均在此范圍)時光敏面上的目標信號Est隨著ρd的增大迅速減小;Est明顯大于Ed.

圖4 光敏面各照度分量與ρd和l2關系(l1=5m,α=45°)Fig.4 Light illuminance on photosensitive surface versusρdand l2(l1=5m,α=45°)

由此可知,非視域成像受中介面反射特性的影響較大,只有在中介面具備很強的鏡面反射特性時,連續激光照明成像才能夠實現非視域成像;ρd越大,實現非視域成像難度就越大。對于一些較光滑建筑材料(如瓷磚、大理石等),雖然Eb?Est,但采用脈沖激光距離選通(掃描)成像技術消除Eb的干擾后, Est相比Ed仍能占有優勢,使非視域成像成為可能。因此借助距離選通技術才可望達到非視域成像技術的實用化。

距離選通系統通過調節延遲時間td消除Qb,通常選取td=2(l1+l2)/c,c為光速,即在目標回波信號到達探測器時開啟選通門;同時選取選通門寬與脈沖寬度相同,即tg=tp.假設Qeq=0,當l2≥ctp/2時,由于Qb與Qst在時間上完全分離,距離選通系統可完全濾除Qb,C達到最大值;當l2＜ctp/2,由于Qb與Qst在時間上有重疊,距離選通系統不能完全濾除Eb,圖像對比度C值較低,如圖5所示。為了在l2＜ ctp/2時提高圖像對比度,可以逐漸增大td,當td≥2l1/c+tp時系統可以完全濾除Qb使C達到最大,如圖6所示。需要強調的是,此時成像系統無法接收到全部的目標信號Qst,因為在濾除Qb的同時也濾掉了部分Qst;而且l2越小,隨Qb同時濾除的Qst就越多,系統接收到的Qst就越小。因此,受系統噪聲和探測器靈敏度的限制,當l2過小時,系統可能無法探測或識別目標。系統能夠有效探測的l2最小值,即為系統的縱向距離極限分辨力,在室內或特定狹小環境等實際應用環境中,目標極有可能隱藏在中介面附近,這種能力就具有十分重要的現實意義。

圖5 圖像對比度C隨l2變化曲線(α=45°)Fig.5 Image contrast C versus l2(α=45°)

圖6 圖像對比度C隨td變化曲線(α=45°)Fig.6 Image contrast C versus td(α=45°)

2)Est和Ed隨l2的增加呈單調遞減的趨勢,Ed遞減趨勢較Est更為明顯;而Eb隨l2的增加變化不明顯。

顯然,l2也不可能過大,否則系統也無法探測或識別目標,這種情況與傳統的陸上距離選通成像系統類似;在采用距離選通系統消除Qb情況下,隨著l2的增加,圖像對比度有望獲得某種程度的提升,但這需要綜合考慮激光能量及系統噪聲。

2.2 l2確定,光敏面照度隨l1變化

圖7給出了當l2=5 m,α=45°時,連續激光照明條件下Est、Eb和Ed隨ρd和l1(2～22 m)的變化曲線。由圖7可以看出,Eb、Est隨著l1的增加單調減小,且Eb的減小程度更明顯,在l1由2 m增大到22m的過程中,Eb減小了近2個數量級,而Est減小不到1個數量級;而Ed隨l1的增加而增加。

圖7 光敏面各照度分量與ρd和l1關系(l2=5m,α=45°)Fig.7 Light illuminance on the photosensitive surfacle versusρdand l1(l2=5m,α=45°)

因此考慮通過增加l1以提高圖像對比度的可能性。圖8給出了C隨ρd和l1(2～22 m)的變化趨勢,圖8中的平面代表閾值對比度Ct=5%.由圖8中的參數可知,l2較小使得Qb與Qst在時間上有重疊,延遲時間不足以完全濾除Qb,在不考慮系統噪聲的情況下,隨著l1的增加,圖像對比度C曲面位于平面Ct=5%上方的部分在增加。

圖8 圖像對比度與ρd和l1關系(α=45°)Fig.8 Image contrast C versusρdand l1(α=45°)

圖9給出了當ρd=0.7時,C隨l1變化關系曲線,從中可以看出C隨l1增大而增大,當l1≥12.3m時,圖像對比度C突破了對目標的探測對比度閾值Ct.還必須注意到,在系統能夠完全濾除Qb的情況下,增加l1反而會降低圖像對比度。

圖9 圖像對比度C與l1關系(α=45°)Fig.9 Image contrast C versus l1(α=45°)

3 結論

本文在建立非視域成像系統圖像對比度模型的基礎上,結合典型非視域成像系統的參量,模擬分析了中介反射面的反射特性及其位置對非視域成像圖像對比度的影響。

分析結果表明:1次后向反射輻射是非視域成像質量的主要干擾因素,通過距離選通技術可減小或消除1次后向反射的影響,使非視域成像成為可能;非視域成像系統性能的高低,不僅取決于系統對特定目標的最大作用距離,還體現在系統能分辨的目標到中介面的最小距離,即系統的縱向距離分辨能力;在實際使用過程中,對于特定的成像系統,如果目標的位置一定時,可以通過調整觀察者或中介反射面的位置以改善觀察效果,從而使系統的性能得到最大限度的發揮。

考慮到中介面的反射特性對成像效果的影響以及更準確描述實際中介反射面反射特性的方法是雙向反射分布函數,結合典型建筑材料表面反射特性的測試和模型化將是下一步研究的內容。同時,非視域成像大多屬于低信噪比圖像,進一步結合最小可分辨對比度[10-11]或目標性能準則[12]等實現對系統作用距離的預測也是值得期待的。

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Analysis of Non-line-of-sight Imaging Characteristics Based on Laser Range-gated Imaging

XU Kai-da1,JINWei-qi1,LIU Jing1,GUO Hui2,QIU Su1,2,LILi1,ZHAO Shen-you1
(1.Ministry of Education Key Laboratory of Photoelectronic Imaging Technology and System,School of Optoelectronics, Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China;
2.National Key Laboratory of Science and Technology on Low Light Level Night Vision,Xi'an 710065,Shaanxi,China)

Laser range-gated imaging systems can obtain the images of targets hidden around a corner by using an intermediary reflective surfacewith certain specular reflection characteristics.This imagingmode is called non-line-of-sight imaging.The target signal irradiance and disturbance radiation on the photodetector of a non-line-of-sight imaging system are analyzed based on themodeling of an intermediary reflective surface,and an image contrastmodel of a non-line-of-sight imaging system is constructed.The effects of the reflective characteristics of an intermediary reflective surface and the distance between the intermediary reflective surface and the target or the detector on the image quality are analyzed in terms of the parameters of a typical non-line-of-sight imaging system.The simulation results show that a laser range-gated imaging system is indispensable for non-line-of-sight imaging with commonly used intermedi-ary reflective surfaceswithout significant specular reflection characteristics,and the distance of the intermediary reflective surface from the target has a significant effect on the non-line-of-sight imaging.When the locations of detector and target are fixed,the non-line-of-sight imaging system can hardly identify the target if the intermediary reflective surface is closer to the target.In practice,the performance of the nonline-of-sight imaging system can bemaximized using an appropriate usage strategy.

optics;laser imaging;range-gated imaging;non-line-of-sight imaging

TN219

A

1000-1093(2014)12-2003-07

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.12.011

2014-05-08

國家自然科學基金項目(61405013);高等學校博士學科點專項科研基金項目(20111101110013)

許凱達(1980—),男,博士研究生。E-mail:xukaida1@sina.com;

金偉其(1961—),男,教授,博士生導師。E-mail:jinwq@bit.edu.cn