高光譜-激光共光路聯測設計與試驗

付成群， 方亮,2， 謝立軍， 王勇

(1.解放軍理工大學 野戰工程學院， 江蘇 南京 210007；2.61175部隊， 江蘇 南京210049)

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高光譜-激光共光路聯測設計與試驗

付成群1， 方亮1,2， 謝立軍1， 王勇1

(1.解放軍理工大學 野戰工程學院， 江蘇 南京 210007；2.61175部隊， 江蘇 南京210049)

為解決同時對空中、地面和水下等目標進行精確的距離、方位和光譜屬性探測問題，提出了高光譜- 激光雷達共光路探測原理和計算模型，以及原理樣機設計方法，并進行高光譜- 激光雷達共光路探測試驗。試驗生成了高光譜與激光雷達合成數據，每個點具有坐標信息和光譜信息，對合成前后數據進行對比，可以實現對不同目標識別偽裝，并對目標進行精確定位。試驗結果表明，高光譜- 激光雷達共光路聯測方法具有可行性。

兵器科學與技術； 高光譜成像； 激光掃描數據； 同步聯測； 設計與試驗

0 引言

在揭露偽裝目標與精細目標識別方面，急需能夠快速同步獲取該目標的空間位置信息和光譜屬性特征信息。然而，常規的航空攝影系統、衛星遙感系統以及高光譜成像和微波系統等傳統的對地探測手段都存在一個共同的局限——難以同時對空中、地面和水下等目標進行精確的距離、方位和光譜屬性探測。

高光譜對于偽裝目標識別具有優勢，但缺乏精確的三維坐標數據，識別精細目標受限制[1]；激光掃描技術可快速獲取高精度戰場環境數據[2]，但缺乏光譜特征數據，揭露偽裝能力弱，將二者結合可以實現空間目標的精確定位和屬性識別。

目前國外有能同時探測采集光譜數據和空間坐標數據的機載系統，如瑞典AHAB公司的鷹眼、龍眼、蝙蝠系列產品及奧地利Riegl公司的CP-680-EAGLE系統等，這些系統集成了差分定位、慣性測量、數字相機、激光掃描儀和高光譜成像儀[3-5]，但是該系統的各個模塊相互獨立，光譜數據、空間坐標數據和影像數據之間的匹配是通過一系列后處理步驟完成的。試驗表明：積木搭建式綜合集成的激光與高光譜成像系統體積大，對搭載平臺要求高，最關鍵的制約問題是激光與光譜數據在匹配精度方面難以提升。

鑒于以上分析，要實現高光譜數據、激光掃描空間坐標數據同步一體化采集，且實現設備小型化，就必須將兩種數據采集光路進行綜合，即共光路設計，從儀器內部實現數據的同步一體化，以提高數據的匹配精度。發展高光譜- 激光雷達復合聯測技術，為戰場偵察提供一種新的技術手段。

1 共光路聯測原理與計算模型

1.1 高光譜- 激光雷達共光路聯測原理

高光譜- 激光雷達共光路成像是將激光掃描成像與高光譜成像進行高度集成[6]，其基本原理是使激光發射和接收部分與高光譜成像部分共用光學主透鏡，將線掃描高光譜成像和激光點掃描成像光路一體化，從光學結構上實現高光譜- 激光雷達成像視場和像元匹配，如圖1所示。

圖1 高光譜- 激光雷達共光路成像原理圖Fig.1 Imaging principle of hyperspectral lidar with common optical path

1.2 高光譜- 激光雷達共光路計算模型

1.2.1 高重頻偽隨機碼激光脈沖位置調制計算

在激光探測中，將激光脈沖之間的間隔時間進行偽隨機碼調制，接收的回波同樣具有偽隨機編碼特點，可以通過編碼的相關性，準確解算出與發射脈沖相關的回波脈沖，克服超過模糊距離的激光測距錯誤問題。采用偽隨機碼激光脈沖位置調制和連續高速采樣技術，克服高重頻激光發射帶來的距離模糊。

在高重頻激光發射與接收條件下，傳統的規則周期脈沖由于傳輸距離較近，脈沖發射與接收之間的時間間隔往往小于激光脈沖發射時間間隔[7]，因此，當探測系統接收到激光脈沖時，無法確定是哪次發射脈沖所產生的反射信號，即會產生模糊距離。

最大模糊距離計算公式為

(1)

式中：c為激光光速；PRR為激光發射頻率。

如圖2所示，Tn時刻脈沖為En，其前序發射脈沖為Sm，時刻為Tm，以此類推。脈沖飛行時間為

(2)

圖2 規則周期脈沖與模糊距離Fig.2 Regular periodic pulse and fuzzy distance

當對應的目標位于0

(3)

當對應的目標位于Ru

(4)

當對應的目標位于2Ru

(5)

由于最大模糊距離計算無法判斷反射目標的具體距離，因此，無法獲得準確的坐標數據。

采用脈沖調制技術，將激光脈沖之間的間隔時間進行偽隨機碼調制，如圖3所示，Sm為發射脈沖，En為接收脈沖，將發射時間Tm之間的間隔根據脈沖調制規則進行調整，因此，接收脈沖En的發射脈沖可能位于第2模糊區，其距離為rt.

圖3 激光脈沖偽隨機碼調制示意圖Fig.3 Modulation of laser pulse pseudo-random code

1.2.2 系統光譜定標及激光測距計算模型

光譜定標是輻射定標的基礎，準確的光譜定標是獲得地物正確光譜信息的必要條件[8]。光譜定標就是確定成像光譜儀各光譜通道的中心波長和光譜帶寬，光譜響應函數可以表示為

(6)

式中：λ為中心波長；λi為相應光譜通道的波長；Δλ為光譜響應函數的半峰值全寬。

光譜定標的任務是確定各通道的光譜中心波長、位置和通過特性(等效通帶寬度和通帶函數)，光譜定標應滿足對全系統、全口徑、全視場的要求[9]，其關鍵是光源的選擇，它應具有穩定性高和壽命長的特點，要求入射多光譜相機的光源單色性好，分布均勻。色散型高光譜相機的光譜定標由單色儀定標系統完成。

1.2.3 像元間響應度的相對定標計算模型

相對定標的目的是修正探測器像元間響應的不一致性和系統光能傳輸不均勻造成的視場方向輸出不均勻性[10]。

干涉成像光譜儀的原理與結構和色散型光譜儀及電荷耦合元件(CCD)相機不同，它在像面上得到的是干涉圖，不能簡單地進行像面的不均勻性修正，需分步進行修正：

1)修正CCD芯片像元間響應的不均勻性：采用足夠遠距離的穩定點光源，或者穩定、均勻的軸上平行光做照明光源，以照度均勻的光照亮CCD芯片的受光面，經歸一化處理，得到像元間響應不一致的相對響應系數C1(i,j)，i、j分別為CCD面陣行、列序數；

2)校正全系統視場方向光能傳輸引起的不均勻性：對整機全系統輸入充滿視場的均勻光，對探測器響應的輸出數據進行擬和、歸一化處理，得到每個像元的相對響應系數C2(i，j).

經過以上修正，即完成了整個像面的相對定標。則有

C(i,j)=C1(i,j)C2(i,j).

(7)

整機全系統不均勻性校正采用的光源應為充滿視場的均勻平行光，可用天空背景作為無限遠的均勻光源，也可用優化設計的平行光管來實現。

1.2.4 光譜輻射度絕對定標計算模型

高光譜相機的光譜輻射度絕對定標是為了確定所有探測單元的光譜響應函數，即復原光譜值與輸入光譜輻射亮度值之比，建立復原光譜值與目標光譜輻亮度間的定量關系。輻射定標由積分球輻射系統完成。

已知光譜強度分布B(u)的均勻定標光進入干涉光譜成像儀，得到CCD像面的干涉強度分布(DN值)為

B(v)cos (2πvx)dv+I0(i,j),

(8)

式中：x是光程差，x坐標為行方向；v為波數(cm-1)；I0(i,j)是像元(i,j)的零輸入響應；C(i,j)是相對定標系數；R(i,j,v)是光譜響應函數；K(v)為sinC函數，是由于矩形采樣產生的調制函數；v1、v2為起始和終止波數。

提取零光程差列某個像元i的點干涉圖(光譜方向的一行干涉強度數據)，經過相應像元的零輸入響應修正、相對定標的像元響應不均勻性修正(平場)、濾波、相位修正、傅里葉變換后，得到復原光譜，將此復原光譜與輸入標準光譜B(v) (輻射亮度值)進行比對，先做光譜相對強度的光譜形狀定標(光譜相對定標)，得到復原光譜分布B′i(v)，再做光譜幅值的絕對定標，確定絕對定標系數Di(v).Di(v)表示像元輸出每單位DN值對應的輸入光譜輻射亮度值，

(9)

在定標中因每像元的I0(i,j)和C(i,j)是與光程差無關的因子，干涉圖經過這兩項修正后，各行干涉圖相同，絕對定標系數可以單值化為D(v). 若干涉成像光譜儀響應的非線性度超過1%，為了提高定標精度，應按8～10個輸入亮度級給出絕對定標系數。

1.2.5 距離校正計算模型

測距誤差還與反射物體的表面特征有關[11]。為了減少外界因素對測距誤差測定的影響，需在整個試驗過程中保證激光掃描儀的絕對靜止，通過移動標志板來測定距離。

測距誤差校正的方法：將標定設備固定在水平臺上，用水準管將調平，保持靜止，對著貼有不同反射介質的標志板掃描；然后把標志板置于1 m不等的距離處掃描，并用全站儀測定不同距離處標志板與激光掃描參考中心的距離，從不同距離處選擇一組標志板上強度值連續的數據，根據強度對應距離的關系擬合二者的曲線函數，建立強度改正查找表；分別對不同距離處的測距值都加以強度改正，求出標志板上的平均測距值，作為激光測距值，對激光測得的距離和全站測得的距離用最小二乘來擬合，求取加乘常數。

LQ=LL+K1+K2LL+L(i)，

(10)

式中：LQ為全站儀測得的標志板到激光掃描參考中心的距離；LL為激光掃描儀測得的標志板到激光掃描參考中心的距離；K1、K2分別為加、乘常數；L(i)是關于強度的函數，可以從強度改正查找表中查找。

數據處理方法：1) 由激光掃描儀測得的距離和掃描角計算標志板上每個激光點到激光發射參考中心的垂直距離，以消除斜距的影響；2) 統計不同強度對應的激光測距值，擬合二者的曲線，選取一基準強度值，其他強度值處的激光測距值都相對該基準強度值進行改正，例如，強度值為0時的改正數為0，其他強度值處的改正數則可由擬合曲線求出；3) 建立強度改正查找表，消除由于反射強度不同引起的測距誤差；4) 計算標志板上所有點到激光掃描參考中心的平均距離作為激光測距值，并與全站儀的測距值對比；5) 根據最小二乘原理求測距的加乘常數。

1.2.6 角度校正計算模型

測角誤差校正是利用水準管將轉臺調平固定，將固定轉臺對著某個方向掃描，同時每隔一段時間把轉臺轉動一個小角度(約為2°)，然后靜掃描一段時間(約為20 s)，再轉動轉臺，依照同樣的方法依次掃描，通過轉臺轉動的角度和激光掃描儀測得標志點的角度對比擬合出它們之間關系。激光掃描儀的測角誤差呈線性規律變化：

θQ=θL+K1+K2θL，

(11)

式中：θQ為轉臺“測”得的標志點的角度；θL為激光掃描儀測得標志點的角度；K1、K2為角度改正系數。

通過外部已經標校的坐標控制點，獲取激光掃描的實際角度和測量角度數據，分析隨著掃描夾角的變化，測量角度殘差呈固定變換[12]。通過最小二乘法擬合出關系曲線，對測量角度進行矯正[13-14]。

Surgical management is the preferred approach for cardiac liposarcoma, given its metastatic potential and the significant associated cardiorespiratory morbidity.

2 高光譜- 激光雷達共光路設計

2.1 系統結構設計

高光譜- 激光雷達共光路系統采用共光路設計方式，系統組成如圖4所示。整個系統分為控制字系統、激光發射子系統、激光探測子系統、高光譜探測子系統、共光路光學子系統、定位定姿系統(POS)等分系統組成，完成高光譜- 激光雷達數據的共光路采集和記錄。

圖4 高光譜- 激光雷達共光路系統組成圖Fig.4 Block diagram of common optical path system of hyperspectral lidar

系統的成像幅寬角為11.5°，最大作用距離2 km，成像的幀頻達到50 Hz. 其中主動激光成像采用單點一維掃描方式，形成一維的線陣激光，線陣的幅寬角為11.5°，激光點角間距0.4 mrad，單束激光發散角0.2 mrad，測距精度0.1 m. 被動高光譜成像采用面陣CCD探測器和高分辨率光譜儀獲取一維高光譜像，高光譜范圍400～950 nm，光譜分辨率為4 nm，空間分辨率0.4 m. 系統總體方案如圖5所示。

圖5 高光譜- 激光雷達共光路系統框圖Fig.5 Block diagram of common optical path system of hyperspectral lidar

2.2 高重頻掃描激光器設計

成像系統中的主動成像部分采用高重頻光纖1 030 nm激光器作為照明光源，該激光器波長范圍靠近可見光，與成像光譜的波段接近，采用的接收主透鏡波長兼顧性好，能夠同時滿足高光譜- 激光雷達系統對成像質量的要求。激光器采用全光纖結構，光纖激光器方案如圖6所示。激光器系統采用主振蕩- 功率放大 (MOPA) 結構放大，由種子激光器和兩級放大器組成。

種子激光器采用直接調制的半導體激光器，內置半導體制冷器(TEC)溫控電路，其參數為中心波長1 030 nm，經電脈沖直接調制后輸出光脈沖峰功約200 mW，脈沖寬度5 ns左右，光譜寬度約1.5 nm，尾纖輸出的種子光經隔離器后進入分束器，分出小部分光作監測用，判斷種子激光器是否正常工作。分束器之后大部分光進入級聯的放大級進行放大。

圖6 光纖激光器結構圖Fig.6 Schematic diagram of fiber lasers

2.3 共光路光學系統設計

共光路光學系統用于收集來自地面目標的光輻射和激光回波，并通過分色片將高光譜與激光波段信號分離。光學系統中的高光譜- 激光雷達成像系統共用一個前置主透鏡，采用光譜分光方式將后端光路分開，分別實現高光譜成像和激光探測。主動激光的發射和接收采用同軸方式，共用一個4面體掃描鏡，實現激光線陣成像。高光譜- 激光雷達共光路光學系統方案如圖7所示。其中前置鏡部分包含光闌和望遠物鏡兩個組件，望遠物鏡屬于短焦距、寬譜段、相對孔徑較大的系統，需要校正包括球差、像散、色差等在內的所有7種像差。本方案采用了外置光闌的改進型雙高斯結構，是一個全透射式的光學系統。該系統具有如下特點本方案采用了外置光闌的改進型雙高斯結構：

1)光闌位于透鏡前焦平面上，構成像方遠心系統，減少使用場鏡與后置光譜儀匹配所帶來的一系列問題；

2)將光闌置于前置物鏡的前端，易于系統雜光的消除；

3)望遠物鏡的像面上設置狹縫，而在狹縫和最后一塊鏡片之間留有較大長度，有利于消除雜光和鬼像。

2.3.1 探測系統設計

探測系統中的主被動成像分別采用單像素雪崩光電二極管(APD)探測器和面陣CCD探測器，主動成像采用APD探測激光的回波，根據飛行時間測量獲取目標距離，同步采樣掃描鏡編碼器的角度，實現激光三維原始圖像的采集；被動成像采用CCD面陣探測光譜圖像，實現高光譜原始圖像的采集。根據探測距離、像素分辨率和光譜分辨率要求。探測系統以現場可編程邏輯門陣列(FPGA)為控制核心器件，完成多源數據的同步和傳輸；以APD和CCD作為探測器，實現高光譜- 激光雷達探測；以內部時序信號產生器產生CCD的曝光觸發信號、激光器的出光觸發信號和APD探測電路的主波信號，有效從時間上將多元數據進行主動同步，確保高光譜- 激光雷達成像像元的時間匹配。APD的探測信號經過放大和整形后，由FPGA實現時間測量獲取距離。探測系統的方案如圖8所示。

圖8 探測系統功能框圖Fig.8 Functional block diagram of detecting system

激光探測部分的光路采用了一個擴束鏡+線掃描的結構，通過一個短焦凹透鏡與前置物鏡構成一個4倍的擴束鏡，一方面提高接收口徑，一方面壓縮掃描角度以提高成像角分辨率。使用帶通孔的45°平面反射鏡實現激光收發同軸，后端接收透鏡直徑20 mm，發射激光直徑2 mm. 根據成像的角范圍，后端掃描鏡的掃描角度達到45°，采用4面塔鏡作為一維掃描鏡，該掃描鏡采用玻璃一體加工成型，轉軸穿過掃描鏡中心，與轉軸垂直方向的投影直徑為50 mm，沿轉軸方向的高度為20 mm，外表面鍍1 030 nm波段的介質高反膜。反射面與轉軸夾角45度，塔鏡360°單方向連續轉動，單圈可以獲得4條掃描線，有效通光孔徑20 mm，單面有效掃描角度達到45°.

2.3.2 控制和采集系統設計

控制和采集系統基于高速的PCIe工業總線實現探測數據的傳輸，通過磁盤陣列完成高速海量數據的存儲，采集和存儲的數據包括激光探測數據、CCD光譜圖像數據和姿態系統的數據。通過內置串口實現對整個成像系統各個模塊的控制和狀態采集。控制和采集系統采用4核工控機作為硬件平臺，實現對其它系統和控制和監測，同時完成高光譜- 激光雷達圖像數據和姿態數據的采集和存儲。通過PCIe總線實現探測系統的高速數據傳輸和控制指令發送，通過串口實現其它模塊控制指令的發送、狀態參數和測量數據的接收[15]。方案如圖9所示。

圖9 控制采集系統框圖Fig.9 Block diagram of control-acquisition system

系統由綜合控制與監測子系統進行統一控制，其中同步控制模塊負責控制各子系統的工作時序，在接收到POS系統發出的飛行速度與高度信息后，同步控制模塊實時計算合適的基準工作頻率，并將分頻處理后的觸發信號同步發送給激光發射子系統、高光譜成像子系統和POS系統，實現各子系統同步工作，保證數據之間的匹配。

2.3.3 干涉型分光光譜成像

與傳統帶狹縫的棱鏡、光柵等色散型光譜儀相比，干涉型分光光譜成像具有高通量、多通道、高測量精度、雜散光低等突出優點[16]。在高光譜成像部分，采用Offner中繼系統結構，Offner中繼系統結構緊湊，在遠心條件時能自動校正各種3級像差，具有良好的成像特性，且易于加工。通常有兩種設計方案：第1種方案是將Offner中繼系統中的次鏡換成光柵，這種方案結構緊湊能量利用率低，由于有2級光譜的存在，光譜范圍受限；第2種方案是在Offner中繼系統上下兩匯聚光路中分別加入棱鏡，這種方案克服了光柵能量利用率低、光譜范圍受限的問題，但雙離軸曲面棱鏡裝調困難，穩定性受限。設計了一種Offner曲面棱鏡光譜成像系統，如圖10所示，即將Offner中繼系統中次鏡換成單曲面棱鏡，這樣不但系統結構緊湊，還克服了光柵能量利用率低、光譜范圍受限的問題，同時采用軸上單曲面棱鏡，克服雙離軸棱鏡裝調困難，穩定性受限的問題。圖10中，O為物點，C為軸點，H為物點到軸點的距離。

圖10 軸上單曲面棱鏡光譜儀Fig.10 On-axis single curved prism spectrograph

3 高光譜- 激光雷達共光路聯測試驗

3.1 試驗參數

測量速度:100 000點/s，測量距離：3～1 000 m，測量精度：8 mm(100 m)，掃描視場：360°×310°. 譜段范圍：450～1 000 nm，譜段數：180，光譜分辨率(RMS)：2.5 nm，像元數：1 000，空間分辨率：0.026 m. 試驗場地：掃描目標為對面3個水泥垛口及其周圍，如圖11所示。

圖11 試驗場景Fig.11 Test scene

圖12 激光點云數據Fig.12 Laser point cloud data

圖13 高光譜數據立方體Fig.13 Hyperspectral data cube

3.2 試驗結果

試驗結果如圖12～圖14所示。試驗實現了高光譜與激光雷達數據的合成，且合成數據都具有掃描儀坐標信息和光譜信息，通過對比可以識別偽裝，并對目標進行精確定位。圖12為激光點云數據，圖13為高光譜數據立方體，圖14(a)為迷彩墻凸顯的偽彩色圖像，圖14(b)為真彩色圖像。圖14(b)中迷彩墻和綠色草地顏色一致，界限不分明，但是從圖14(a)中可以看出迷彩墻和綠色草地的顏色已經分開。說明在高光譜圖像中，迷彩墻的偽裝效果大打折扣。

圖14 高光譜與激光合成數據Fig.14 Highspectrum and lidar synthesized data

4 結論

高光譜具有識別偽裝目標優勢，但識別精細目標受限制；激光掃描技術可快速獲取高精度戰場環境數據，但缺乏光譜特征數據，揭露偽裝能力弱，本文將二者結合，構建了共光路聯測計算模型，設計了高光譜- 激光雷達共光路系統，并進行了試驗。試驗顯示高光譜與激光合成數據能夠將具有偽裝的目標凸顯出來，數據立方體可以提供每一個波段的光譜圖像數據，也可以為每一個像元提供連續的光譜曲線，利用不同物質具有不同光譜特性的物理本質可以對區域內的目標進行分類和識別，為物質的分析提供有力的手段，從而實現空間目標的精確定位和屬性識別。

但是，高光譜- 激光雷達共光路系統在應用中存在兩個瓶頸：一是大數據的應用需要實時處理軟件支撐；二是基于時間序列演變的全時域三維高光譜數據的數學問題需深入研究。

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Joint Survey Design and Test of Common Optical Path of Hyperspectral Lidar

FU Cheng-qun1，FANG Liang1,2，XIE Li-jun1，WANG Yong1

(1.College of Field Engineering， PLA University of Science and Technology， Nanjing 210007, Jiangsu, China； 2.Unit 61175 of PLA, Nanjing 210049, Jiangsu, China)

In order to accurately detect the distances, orientations and spectral properties of air, ground and underwater targets, the measuring principle and calculation model of common optical path of higyperspectral lidar are discussed, and a principle prototype design method is proposed. The detection test of common optical path of higyperspectral lidar is carried out. The synthetic data of hyperspectrum and lidar are generated, each point contains the scanner coordinate information and spectral information. By comparing the data before and after synthesis, the camouflaged targets can be identified, and the targets can be also accurately located. The experimental results show that the measuring method for common optical path of hyperspectral lidar is feasible.

ordnance science and technology; hyperspectral imaging; laser scanning data; synchronous joint survey; design and test

2015-11-12

國家“863”計劃項目(2014AA7042011)

付成群(1975—)，男，副教授，碩士生導師。E-mail:fcq-7505@sohu.com； 方亮(1983—)，男，碩士研究生。 E-mail:120594952@qq.com

TN958.98

A

1000-1093(2016)11-2002-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.11.006