激光主动成像技术综述

0引言
激光主动成像具有分辨率高、抗干扰性好等优势。

因此该技术被越来越多的应用于侦查、
制导、导航、测绘等领域。

围绕着激光主动成像这一课题，
形成了多个研究热点，多项技术快速发展。

本文介绍并分析了激光主动成像的一些相关技术和研究成果，这些技术应用前景较为广泛，引领着未来激光成像的发展方向。

1成像机制
激光成像技术受成像探测器的制约，分为扫描成像和非扫描成像两种[1]。

1.1扫描型激光主动成像
扫描型激光成像技术发展较早，
多应用于成像速率要求不高的系统中。

本文列出了几种主要的扫描模式，论述原理，分析优缺点，
如表1所示。

作者简介:王燕(1984-)，女，硕士，工程师，主要从事激光导引信息处理技术研究。

激光主动成像技术综述
Overview of Laser Active Imaging Technology
王燕1,王鹏辉1,2(1.中国空空导弹研究院,河南洛阳471009;2.航空制导武器航空科技重点实验室,河南洛阳471009)
Wang Yan 1,Wang Peng-hui 1,2(1.China Airborne Missile Academy,Henan Luoyang 471009;2.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons,Henan Luoyang 471009)
摘要：激光主动成像技术是正在快速发展的前沿技术，其应用前景非常广泛。

该文介绍了不同的激光成像体制、激光成像图片的信息处理技术、以及激光成像的目标识别算法等，分析了这些技术的原理、特点和适用场景。

关键词:成像体制；信息处理；目标识别中图分类号:TN249
文献标识码：A
文章编号：1003-0107(2019)07-0001-03
Abstract:Laser active imaging technology is a rapidly developing advanced technology,and its application prospects are very wide.This paper introduces different laser imaging systems,information processing tech-nologies of laser images,and target recognition algorithms of laser imaging.The principles,characteristics and applicable scenarios of these technologies are analyzed.
Key words:imaging systems;information processing;target recognition CLC number:TN249
Document code:A
Article ID ：1003-0107(2019)07-0001-03
表1扫描型激光成像系统
测试测量技术
1
电子质量2019年第07期(总第388期)
1.2非扫描型激光主动成像
1.2.1基于APD探测器的激光主动成像
1.2.1.1盖革模式APD雪崩管阵列探测器
盖革模式的雪崩管阵列探测器中的每个像元都集成了距离计数器。

工作时像元接收目标反射回的激光回波，触发出电脉冲信号，关闭计数器。

计算计数器数据，可得到目标点距离。

APD工作在击穿电压之上，有非常高的倍增增益。

其后续接收电路较简单。

但是每个雪崩脉冲产生之后有一个死区时间，在死区时间内，探测器无法在响应到来的光子。

1.2.1.2线性模式APD雪崩光电二极管探测器
线性模式雪崩光电二极管探测器响应敏感度稍低于盖革模式APD，当APD接收激光回波时，计数器停止计数，有序读出各像元中计数器的值，即可计算单点激光脉冲往返飞行时间。

该APD可完成像元级的独立距离测量，也可得到目标强度像。

1.2.2基于偏振调制的激光主动成像
基于偏振调制的成像技术是利用目标反射光和激光后向散射光的不同偏振特性来改善成像的分辨率。

当激光器发出水平偏振光，而探测器前的线偏振器为垂直偏振方向时，接收的目标反射光能量远大于激光光源的散射光能量，对比度最大，成像清晰。

1.2.3基于条纹管的激光主动成像
该成像体制的关键技术是多狭缝条纹管的设计以及光纤耦合技术或阵列透镜设计技术。

条纹管可利用激光的高重频，使CCD阵列上每一单元积累较多的脉冲数，继而可读出改善信噪比后的像信号。

条纹管可实现面阵探测，具有很高的时间分辨能力。

1.2.4基于调频连续波(FMCW)的激光主动成像
该成像体制是利用射频副载波信号对激光光源进行频率调制，同时调频信号作为本振信号加在自混频探测器上，与目标回波一起进行光电变换和混频。

两个信号存在频率差，目标越远，混频后的频率差越大，通过测量频率差信号就可求得目标的距离。

该成像体制的关键技术是大面阵自混频器件的设计。

1.2.5基于距离选通的激光主动成像
该成像体制通过控制激光脉冲波门的延迟时间，实现对目标进行不同距离的切片成像。

既可得到距离像，也可获得强度像[2]。

后续通过三维重建技术，将得到的一系列二维切片合成三维图像。

波门延迟时间决定成像距离，波门宽度决定成像景深。

该成像体制的关键技术主要有光电成像探测器的设计，高精度波门延时控制系统设计和数据处理技术[3]。

该成像体制成像较慢，但是能够有效抑制后向散射，且有较高的距离分辨率。

2信息处理技术
在激光主动成像技术的应用中，成像效果经常会受到大气后向散射、背景环境辐射、激光光源自身条件以及成像系统自身设计等因素的影响。

因此需要对采集到的信息进行有效的去噪，以得到足够清晰的图像，提高后续目标识别的准确度[4]。

主要的去噪算法有以下几种：
(1)一种同态滤波和SURE(Sten's Unbiased Risk Esti-mation)方法结合的小波域去噪算法；
(2)基于交互技术的降噪算法；
(3)基于同态滤波与双数复值小波变换级联的图像去噪算法；
(4)基于谱域约束的降噪算法；
(5)基于像素点分类的激光主动成像混合滤波算法；
(6)基于同态滤波和改进阈值整数提升小波变换级联的噪声抑制算法。

去噪算法不仅要对激光主动成像得到的图像信息进行噪声抑制，而且要求算法具有较好的实时性。

这样才能满足成像系统的实时准确识别目标的要求。

3目标识别技术
在实际应用中，目标往往受到烟雾、植被、伪装网等伪装手段的掩蔽。

因此得到目标的三维像后，需要对其进行智能识别，将其从背景或伪装中辨别出来。

目前对激光成像目标识别算法的研究主要分为基于图像特征的识别算法和基于模型匹配的识别算法两类[5]。

基于图像特征的识别算法是通过对激光成像的目标图像进行特征提取，采用实测或仿真图像训练分类器实现目标识别。

基于图像特征的识别算法相对简单，但是识别可靠性略低，因为该算法选取的特征易受到目标的角度、距离等因素变化的影响。

因此有很多学者提出了各种改进算法：
(1)基于改进SIFT特征算子的目标识别算法。

对目标的远近、大小、噪声等问题建立高斯尺度空间。

结合Harris角点特性，除去其中不显著的特征点，再根据图像的梯度大小排布来建立对应特征点的特征向量，以此来进行特征描述。

(2)利用广义似然比检测器(GLRT)和接收机工作特征(ROC)的识别算法。

2
(3)基于混合的模糊神经网络分类器的识别算法。

该算法从目标距离像中提取几何特征，从强度像中提取反射系数特征，将两者进行特征层融合。

(4)基于最大平均相关高度(MACH)滤波器和距离分类相关滤波器(DCCF)的识别算法。

(5)基于k-nn分类器和多层感知器(MLP)网络的目标识别算法。

该算法从激光目标强度像的伴随矩阵中提取相关度、矩、对比度、熵、均值和标准差等13个特征，随机选择特征匹配。

(6)利用奇异值特征的激光成像雷达目标识别算法。

奇异值特征表征图像具有良好的稳定性，从激光成像目标的距离像中提取奇异值特征，应用支持向量机进行分类识别。

基于模型匹配的识别算法是通过目标与系统已建模型进行匹配实现目标识别。

通过获取目标几何形状特性，应用自旋图找到目标点与模型点之间的对应关系，再利用迭代最近点法实现目标与模型的匹配完成目标识别。

目前应用的有下列各种算法：
(1)基于统计模型的目标识别算法。

应用边缘跟踪提取目标距离像的轮廓边缘作为特征，然后建立特征的统计模型，通与目标模型库作匹配。

(2)基于矩形估计算法。

通过计算点云和模型之间的相对均方误差完成目标识别。

(3)基于贝叶斯假设检验技术的模型匹配算法。

4结语
激光主动成像技术是目前一个非常热门的研究课题，各类成像体制下都有很多研究成果和相关技术在快速发展。

不同类型的成像器件约束着成像体制，不同的成像体制得到的距离强度像采用不同的数据处理算法和目标识别算法，最终组合成一套完整的成像技术体系。

该体系的成像速率、成像精度、识别概率、重量体积和使用效率等方面的性能指标是主要的评价标准。

参考文献：
[1]陈念江.激光三维成像体制综述[J].激光与红外,2015, 45(10):1152-1156.
[2]马超杰,吴丹.新体制军用激光雷达成像技术[J].航空兵器,2007,(4):25-29.
[3]韩亮亮,王春成,刘国国.激光成像探测时序控制设计与实现[J].物联网技术,2014,(6):54-56.
[4]岳娟.激光三维成像关键技术研究[D].上海:中国科学院大学(中国科学院上海技术物理研究所),2017. [5]王燕,马亚非,游牧.基于激光成像的三维目标重建[J].科学技术与工程,2012,12(13):3116-3120.
3。