可疑車輛車窗透過系統(tǒng)的測試研究

盧偉 步萬崗

1.山東警察學(xué)院 山東省濟(jì)南市 250014 2.聊城市看守所 山東省聊城市 252000

在公共安全領(lǐng)域，遠(yuǎn)距離、非接觸視頻監(jiān)控已經(jīng)成為預(yù)防和懲治犯罪、處理沖突發(fā)生惡性事件、保障公共安全和國家安全的重要高科技防控手段。激光主動(dòng)探測成像技術(shù)是一種主動(dòng)成像技術(shù)，具有作用距離遠(yuǎn)、分辨率高、具備一定的穿透能力、可以在低照度背景復(fù)雜條件下獲取目標(biāo)的圖像信息等優(yōu)點(diǎn)，是近幾年安全防范行業(yè)新出現(xiàn)的創(chuàng)新技術(shù)。由于激光主動(dòng)探測成像在軍用及特殊民用領(lǐng)域有著強(qiáng)烈需求，世界各國對(duì)激光主動(dòng)成像系統(tǒng)十分重視，紛紛投入巨資進(jìn)行研制開發(fā)，目前經(jīng)過十多年的發(fā)展，激光主動(dòng)成像系統(tǒng)已經(jīng)逐漸被各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域所應(yīng)用，并且在目標(biāo)觀測、精密跟蹤、目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

利用激光單色性好、方向性好的特點(diǎn)向目標(biāo)發(fā)射激光，可顯著提高目標(biāo)與背景的對(duì)比度。由于激光器的功率高，配備激光成像相機(jī)的靈敏度高，激光成像系統(tǒng)可增強(qiáng)觀測系統(tǒng)探測偽裝目標(biāo)的能力和提高低透過率鍍膜車窗玻璃的穿透觀測能力。利用激光整形技術(shù)，將光束匯聚后提高目標(biāo)照射光強(qiáng)，然后配合高幀率相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)瞬間圖像采集，在這段時(shí)間內(nèi)平臺(tái)的振動(dòng)幾乎可以忽略不計(jì)，因此激光成像系統(tǒng)對(duì)安裝平臺(tái)的穩(wěn)定性要求可以降低提高適應(yīng)性，可以減小體積、重量，降低系統(tǒng)成本。采用窄帶激光器源，配合窄帶成像光學(xué)系統(tǒng)，可以對(duì)晝視環(huán)境光進(jìn)行有效抑制，可以提高低透過率阻隔鍍膜玻璃后目標(biāo)的光照度，得到足以滿足成像要求的圖像，這樣就可以實(shí)現(xiàn)人眼無法實(shí)現(xiàn)的鍍膜玻璃透視效果。

1 可疑車輛車窗透過系統(tǒng)原理

1.1 距離選通透玻璃原理

距離選通系統(tǒng)采用脈沖激光做光源，進(jìn)行補(bǔ)光照明，同時(shí)采用精確時(shí)間控制的高速外觸發(fā)攝像機(jī)對(duì)圖像采集，高速攝像機(jī)將圖像采集輸出，從而得到連續(xù)圖像，該圖像與普通監(jiān)控視頻圖像一致，從而實(shí)現(xiàn)精確距離選擇通過成像。

其主要原理如圖1所示：在t時(shí)發(fā)射一束脈沖激光（此時(shí)攝像機(jī)快門是關(guān)閉的）；在t時(shí)該激光束被物體反射；在t時(shí)（被反射激光束回到攝像機(jī)）高速攝像機(jī)根據(jù)設(shè)定的觀測景深持續(xù)開通相應(yīng)的時(shí)間Δ。這樣，t至t時(shí)間內(nèi)激光脈沖所產(chǎn)生的后向散射光不會(huì)進(jìn)入到攝像機(jī)，控制外觸發(fā)高速攝像機(jī)僅在目標(biāo)的反射光到達(dá)時(shí)打開選通門，因此有效降低后向散射光影響，極大地降低強(qiáng)散射光和水汽、霧、雪（這些物體能夠反射激光）等干擾，提高信噪比，降低目標(biāo)周圍環(huán)境光影響。

圖1 方案原理圖

目標(biāo)的距離L與時(shí)間t和t遵循以下關(guān)系：

L=C(t-t）/2

其中C為光速。t-t是光脈沖從發(fā)射到反射回來的渡躍時(shí)間。這段時(shí)間內(nèi)，光脈沖傳播距離為2L。

由于光速為3×108米/秒，對(duì)于1公里的目標(biāo)，光脈沖的渡躍時(shí)間僅為6.67×10-6秒，而對(duì)于100米的目標(biāo)，光脈沖的渡躍時(shí)間只有600ns。因此要求同步控制電路時(shí)間控制精度要在10ns(光脈沖寬度3米)以下量級(jí)，當(dāng)控制電路精度達(dá)到1ns時(shí)，而選擇通過的起始位置精度可以達(dá)到0.3米以下。脈沖激光配合高速外觸發(fā)成像攝像機(jī)可以很好地將成像范圍選擇控制在玻璃后面因此可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃后面景物的成像，避免玻璃反光對(duì)玻璃后面成像的影響。因?yàn)椴捎么蠊β拭}沖激光，因此距離可達(dá)到數(shù)公里，但是所用的大功率激光器及電源、遠(yuǎn)距離成像鏡頭，配合目標(biāo)方位搜索的變焦攝像機(jī)組成的整個(gè)系統(tǒng)尺寸體積較大，因此要配合高精度云臺(tái)進(jìn)行目標(biāo)方位搜索和對(duì)準(zhǔn)，對(duì)于固定安裝、車載固定安裝的形式是比較適用的。

1.2 連續(xù)激光透玻璃原理

激光具有良好的單色性和直線性，配合窄帶濾波成像攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境光的過濾成像，同時(shí)采用同步變焦激光控制可以實(shí)現(xiàn)大視野目標(biāo)方位搜索和小視場目標(biāo)細(xì)節(jié)放大觀察。

連續(xù)激光透玻璃原理如下圖（圖2）所示。

圖2 連續(xù)激光透玻璃原理

連續(xù)激光透過系統(tǒng)由近紅外人眼不可見近紅外半導(dǎo)體激光器做光源，通過光束整形變焦激光鏡頭對(duì)光束進(jìn)行整形和束散角的控制。當(dāng)激光透過玻璃照射到目標(biāo)上并返回后，通過與激光光源相對(duì)應(yīng)的窄帶濾光片進(jìn)行帶通選擇通過，可以有效避免環(huán)境光對(duì)成像的影響，同時(shí)控制系統(tǒng)配合成像和照明同步變焦控制有效提高激光光束能量，讓目標(biāo)與背景的對(duì)比度更高從而實(shí)現(xiàn)透玻璃成像。該方法結(jié)構(gòu)形式簡單，體積尺寸較小，性價(jià)比較高，是便攜設(shè)備的首選。

2 可以車輛車窗透過系統(tǒng)主要技術(shù)難點(diǎn)

2.1 激光透車窗圖像復(fù)原技術(shù)

眾所周知，針對(duì)玻璃后面的目標(biāo)成像，尤其是針對(duì)汽車貼膜玻璃后的目標(biāo)成像，會(huì)面臨著圖像亮度下降，對(duì)比度下降等難點(diǎn)。由于車頂和車膜的影響，在白天的戶外汽車貼膜玻璃后面的目標(biāo)圖像會(huì)比周圍環(huán)境的圖像亮度低至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。造成膜后目標(biāo)成像漆黑一片，不能被有效識(shí)別。利用激光雷達(dá)主動(dòng)成像原理的激光主動(dòng)透膜成像技術(shù)，解決了車內(nèi)目標(biāo)成像亮度低的難題，實(shí)現(xiàn)了車內(nèi)目標(biāo)的清晰成像。激光雷達(dá)最基本的工作原理與普通雷達(dá)類似，即由發(fā)射系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，與目標(biāo)作用產(chǎn)生的返回信號(hào)被接收系統(tǒng)收集并處理，以獲得所需信息。不同的是激光雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)為激光束，與普通無線電雷達(dá)發(fā)送的毫米波相比，波長要短得多，因此成像分辨率高出很多。激光雷達(dá)的反射光中，包含了目標(biāo)的亮度等信息。在激光雷達(dá)方程中，這對(duì)此應(yīng)用場景，加入車窗衰減系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)成像器件靈敏度和作用距離，計(jì)算出所需激光功率。使用小型化不可見激光，基于激光相干性和方向性，提高車內(nèi)圖像亮度和信噪比，反演復(fù)原車內(nèi)圖像。同時(shí)，根據(jù)車窗的衰減特性，使用反卷積圖像復(fù)原算法，增強(qiáng)圖像效果，提高系統(tǒng)識(shí)別能力。此技術(shù)對(duì)房間窗玻璃后目標(biāo)以及車窗內(nèi)夜間成像有更好的成像效果。

2.2 鍍膜車玻璃的激光吸收和反射效應(yīng)研究

確定最佳透視激光和相匹配攝像機(jī)。車窗玻璃對(duì)環(huán)境光和激光的作用主要分為光反射和光吸收，車窗膜層的光衰減（主要是吸收）效應(yīng)很明顯。《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB7258-2004）中對(duì)于汽車貼膜有明確規(guī)定：前擋風(fēng)玻璃及風(fēng)窗以外玻璃用于駕駛?cè)艘晠^(qū)(指駕駛?cè)笋{駛時(shí)用于觀察后視鏡的部位)的可見光透光率應(yīng)大于等于70%，并且所有車窗玻璃不得張貼鏡面反光遮陽膜。而側(cè)窗內(nèi)過濾一般透過率低于40%。針對(duì)窗膜層的吸收系數(shù)。項(xiàng)目單位前期做了大量的測試工作，取得了不同車窗膜層，不同波長的透過率系數(shù)，對(duì)后期的波長匹配和攝像機(jī)確定，打下了良好的基礎(chǔ)。而車窗玻璃的反射也比較強(qiáng)，車窗玻璃表面非常光滑，激光照射到物體表面相當(dāng)于照射到鏡面上，則此時(shí)光的傳播遵循反射定律，即入射角度等于發(fā)射角度。因此當(dāng)測量時(shí)，需要調(diào)整一下光學(xué)系統(tǒng)的角度，使玻璃反光不能進(jìn)入探測系統(tǒng)，而探測系統(tǒng)只接收目標(biāo)漫反射光。照射到物體的激光發(fā)生漫反射后的光反射量與物體表面密切相關(guān)，物體表面的材料，物體表面的吸收系數(shù)，物體表面的反射率都決定了反射光的能量。當(dāng)目標(biāo)物體為部分朗伯體時(shí)反射情況有所差異，圖3表示了幾類反射表面的反射情況，圖a為鏡面反射；圖b表示準(zhǔn)鏡面反射；圖c為各向同性的朗伯面；圖d為準(zhǔn)朗伯表面；圖e為復(fù)雜表面的反射，圖中虛線的長度表示反射輻射的強(qiáng)度。從圖中可以看出，車窗玻璃屬于b，而車內(nèi)目標(biāo)屬于d和e。

圖3 不同類型的部分朗伯體對(duì)光線的反射

2.3 抗陽光干擾技術(shù)

遠(yuǎn)距離窄帶圖像增強(qiáng)技術(shù)，消除陽光干擾。低照度攝像機(jī)雖然對(duì)紅外激光能感應(yīng)，但其感應(yīng)光譜是非常寬的，對(duì)可見光感應(yīng)也是相當(dāng)靈敏的（如圖4所示）。環(huán)境中的強(qiáng)可見光同時(shí)被攝像機(jī)所接收，致使攝像機(jī)飽和。

圖4 低照度攝像機(jī)的光譜響應(yīng)

所以要想獲得高清晰的目標(biāo)圖像，除了采用紅外激光照明以外，重要的一點(diǎn)是必須采用特殊的強(qiáng)光抑制技術(shù)，來抑制太陽光等高強(qiáng)度的可見光干擾。采用的抗環(huán)境光干擾技術(shù)主要包含：干涉窄帶濾光技術(shù)和寬動(dòng)態(tài)成像技術(shù)。人們經(jīng)常用隔離可見光透過紅外光的紅外玻璃作為干擾光隔離濾光片，也能收到一定效果。但是，普通的紅外玻璃只是隔離了可見和紫外部分的光，并沒有隔離紅外光。而在實(shí)際的干擾光中，從可見到紅外都是存在的，因?yàn)樘柟獾墓庾V很寬，并且漫反射或散射的太陽光是主要的干擾源。因此，想得到良好的抗干擾效果，必須采用干涉窄帶濾光技術(shù)。吸收型的紅外玻璃與窄帶濾光片在透過率性能上不管是哪種牌號(hào)的紅外玻璃都只隔離了可見光，對(duì)紅外光沒有任何阻擋效果，而窄帶濾光片對(duì)信號(hào)光譜范圍之外的所有干擾光的隔離都是很有效的。

理論上講，在截止范圍內(nèi)的透過率越低越好，但考慮到制作成本和實(shí)際需要，截止深度要選擇在合理的數(shù)值。需要達(dá)到的截至深度為OD4，寬動(dòng)態(tài)技術(shù)是在非常強(qiáng)烈的對(duì)比下讓攝像機(jī)看到影像的特色而運(yùn)用的一種技術(shù)。當(dāng)在強(qiáng)光源（日光、燈具或反光等）照射下的高亮度區(qū)域及陰影、逆光等相對(duì)亮度較低的區(qū)域在圖像中同時(shí)存在時(shí)，攝像機(jī)輸出的圖像會(huì)出現(xiàn)明亮區(qū)域因曝光過度成為白色，而黑暗區(qū)域因曝光不足成為黑色，嚴(yán)重影響圖像質(zhì)量。系統(tǒng)使用DSP圖像處理技術(shù)，可以通過其超強(qiáng)的寬動(dòng)態(tài)功能來獲得高質(zhì)量的圖片。寬動(dòng)態(tài)功能劃時(shí)代地提升了一幅圖像中亮和暗區(qū)域的影像拍攝效果，可以達(dá)到比CCD更真實(shí)、更清晰的圖像。

3 典型案例應(yīng)用實(shí)測

3.1 陰涼下車窗透過測試

在晝視陽光較強(qiáng)的中午時(shí)分，車輛放置于樓下陰涼非直射環(huán)境下（如圖5所示），玻璃透過系統(tǒng)距離車輛50米，玻璃透過系統(tǒng)與車輛側(cè)車窗成30°～60°夾角，側(cè)車窗為有色貼膜玻璃，1米以上距離肉眼無法觀測車內(nèi)，貼膜玻璃透過率≥20%。

圖5 樓下陰涼車窗透過測試

3.2 逆光下測試

在晝視陽光較強(qiáng)的中午時(shí)分，車輛放置于陽光直射環(huán)境下，玻璃透過系統(tǒng)距離車輛200米，玻璃透過系統(tǒng)與車輛側(cè)車窗成3°～5°夾角，側(cè)車窗為有色貼膜玻璃（如圖6所示），1米以上距離肉眼無法觀測車內(nèi)，貼膜玻璃透過率≥20%。

圖6 晝視逆光透玻示意圖

通過設(shè)備透玻模式對(duì)車輛進(jìn)行觀測（如圖7所示），可以對(duì)車內(nèi)靠窗一側(cè)人員進(jìn)行成像，大體區(qū)分人員樣貌特征，例如性別、臉型、發(fā)型、胡須、眼鏡等細(xì)節(jié)進(jìn)行分辨。

圖7 逆光車窗透過測試

3.3 順光測試

在晝視陽光較強(qiáng)的上午或下午時(shí)分，車輛放置于陽光直射環(huán)境下（如圖8所示），玻璃透過系統(tǒng)距離車輛200米，玻璃透過系統(tǒng)與車輛側(cè)車窗成3°～10°夾角，太陽與玻璃透過系統(tǒng)分別位于車輛的兩側(cè)，即玻璃透過系統(tǒng)逆光觀測車輛側(cè)車窗，側(cè)車窗為有色貼膜玻璃，1米以上距離肉眼無法觀測車內(nèi)，貼膜玻璃透過率≥20%。

圖8 逆光透玻示意圖

通過設(shè)備透玻模式對(duì)車輛進(jìn)行觀測（如圖9所示）可以對(duì)車內(nèi)靠窗側(cè)人員進(jìn)行成像，大體區(qū)分人員樣貌特征，例如性別、臉型、發(fā)型、胡須、眼鏡等細(xì)節(jié)進(jìn)行分辨。

圖9 順光車窗透過測試

4 結(jié)語

全天候透玻璃偵查技術(shù)與裝備采用窄帶近紅外激光對(duì)目標(biāo)進(jìn)行主動(dòng)探測，結(jié)合帶通成像系統(tǒng)，通過嵌入式視頻圖像處理技術(shù)對(duì)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和優(yōu)化處理，能夠?qū)崿F(xiàn)晝夜數(shù)百米距離的透鍍膜玻璃視頻觀測，并具有良好的透霧功能。近紅外透玻璃系統(tǒng)，專門為案件刑事偵查、事件預(yù)防的目標(biāo)人員跟蹤、車輛跟蹤、車內(nèi)人員狀況偵查取證提供有力的技術(shù)手段，提升了民警排查風(fēng)險(xiǎn)、化解矛盾、打擊犯罪、應(yīng)急處置、安全防范等業(yè)務(wù)能力。