距离选通技术对后向散射抑制作用的理论分析

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（５）
（６）
珊（Ｌ）为Ｌ的单调递增函数。随着Ｌ的增大，％增大，式（４）中的％随之减小。当Ｌ增大到一定程度时，单 ＣＣＤ像元信噪比过低，图像不可用。所以要在单ＣＣＤ像元信噪比可以接受的范围内提高成像距离Ｌ，就必须 抑制后向散射的影响。 设系统图像采集时间为Ｔｃ，则理想成像图像从能量角度可以表述为Ｐ。Ｔ。，实际图像表述为Ｐ，Ｔ＝（Ｐ０＋ Ｐ。。）Ｔｃ。借用图像的客观质量评价方法‘６３来考察后向散射对整幅图像质量的影响，则图像均方差误差ｅＭｓＥ为
△￡一￡。。一ｓＭ驱一∑∑（［Ｒ＃（纪）力２一Ｐ‰）霹
考察
（１５）
ＥＳｃ。（纪）厂≤箍鲁等（竿）２譬夕（，ｃ—ｇ珥玎ｌ“。写竽ｄｚ《Ｐ５ｃ冉，一Ｐ刚口
并代入式（１５），有
（１６）
△ｅ《∑∑（口２—１）Ｐ‰Ｔ２／删＜ｏ，
上式表明，采用距离选通技术，能够提高主动成像图像质量。
其中ｎ∈［ｏ，１］
（１７）
综上，在信噪比可以接受的范围内，距离选通技术可以提高成像距离；在相同条件下，距离选通技术可以降 低后向散射对图像质量的影响。所以距离选通技术是抑制后向散射的有效手段。
４
结
论
本文从理论上建立了单ＣＣＤ像元距离选通激光主动成像模型，并借助单ＣＣＤ像元信噪比和图像均方差
误差证明了照离选通技术是抑制后向散射的有效手段。最后，论文从建立的模型出发，结合激光器功率等实际
条件，推导了距离选通技术实现时几个关键参数如激光频率厂、占空比口、脉宽知等的选取原则，用以指导距离 选通技术的实现。 参考文献：
Ｐ。。，。ｉ。／Ｐ，Ｉｎｉ。＝Ｔ。／Ｔ。一１／ｎ （２１）
式（２１）表明距离选通成像所需激光器的最小功率为同等距离同等条件下直接照射成像所需激光器最小功 率的１／口。从能量角度考虑，得到参数选取原则二：要能够达到尽可能远的观测距离，在激光功率一定的情况 下，口愈大愈好。
万方数据
２０００
强
激
光
与
摘要：从辐射度学的基本理论出发，建立了单ＣＣＤ像元的距离选通激光主动成像模型。而后考虑成 像质量，借助单ＣＣＤ像元信噪比和图像均方差误差两个指标，阐明了距离选通技术是抑制后向散射、增大成像
砸离、提高图像质量的有效手段。最后从模型出发，导出了距离选通技术在激光主动成像中应用时一些关键参
数的选取原则：（１）尽可能减小激光脉冲宽度，以克服后向散射的影响；（２）要能够达到尽可能远的观测距离， 在激光功率一定的条件下，激光占空比越大越好；（３）在激光满足一定条件的情况下，脉冲频率越高越好。 关键词： 激光主动成像； 后向散射；距离选通；抑制；单ＣＣＤ像元信噪比； 文献标识码：
３
距离选通成像关键参数的选取原则
理想情况下，距离选通技术原理要求激光频率厂满足 ，≤ｌ／（２Ｌ／ｃ＋￡。）
（１８）
即当反射光脉冲末端到达接收器后才能发射下一个脉冲。 式（１３）中，令
弛，）＝４喁√脒‰纵丌一帆４ｅＬ。训，。字龇舢‰）『－…ｎ搿≤。
质量降低。由此得到参数选取原则一：尽可能地减小￡。，以克服后向散射的影响。 Ｋ。Ｐ。ｉＴ。≥Ｅ。［¨，故连续激光成像时对激光功率的要求满足 Ｐ。≥Ｅ。／Ｋ。Ｋ。Ｔ。
ｈ～．：：：：：：：：沪笆≤歹 ，三善≤＜：：：ｌ＝：ｋ
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Ｆｉｇ．１
Ｓｋｅｔｃｈ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇ
图１激光照明示意图
Ｐ。。一荔爱笔等ｃ警，２譬乡ｃ丌一以，』Ｌ写＝ｄｚ ，∞。一丽ｉ ｉ。Ｔ厂ｉ夕¨一啡’Ｊ。１ｒ叫
第（ｉ，歹）个ＣＣＤ像元接收到的目标漫反射功率为
１ ０＂
㈤ （３）
记去＝型毪熹业，Ａ—ｆ字此％一觚，故单ＣＣＤ像元信噪比（ＳｃｓＮＲ）％为
．
％＝…ｎ每一…ｎ去一…ｎ砉
（４）
由式（３）、式（４）可知，影响单ＣＣＤ像元信噪比的因素包括展，，风，夕（口），Ｌ和Ｒ。，其中前三项受天气条件 影响，最后一项由目标本身属性决定。在天气状况确定的情况下，单ＣＣＤ像元信噪比主要与成像距离Ｌ相 关。将（３）式改写为
（１９）
上式表明，随着昂的增大，单ＣＣＤ像元信噪比减小。类似地，由式（１５）也可以得到：随着玮的增大，图像 假设ＣＣＤ平均照度灵敏度阚值为Ｅ。，激光源的光视效能为Ｋ，，连续激光照射时ＣＣＤ能够成像必须满足
（２０）
式榔，砘最警字等死
同理，采用距离选通技术是对激光功率的要求满足Ｐ。。。≥Ｅ。／Ｋ，Ｋ。Ｔ。。在成像距离一定的情况下比较两 者的最小功率
１
后向散射影响连续激光主动成像的效果
假设激光器与接收望远镜间距为ｒ，激光器和目标
之间的距离为Ｌ；激光在水平和竖直方向发射半角分别 为晓。和只。，接收望远镜在水平和竖直方向的视场半角
分别为配，和如。建立如图１所示的激光照明模型。
假设激光功率为Ｐ０，且光强均匀分布；接收ＣＣＤ 有ｍ×’ｚ个像元，ＣＣＤ大小和镜头匹配，考虑接收光学 系统的衰减，第（ｉ，＿『）个ＣＣＤ像元上后向散射引起的辐 射功率为
粒
子
束
第１９卷
综合考虑式（１９）和（２１），得到参数选取原则三：在满足式（１８）的情况下，激光脉冲频率，越高越好。 假设激光照亮区域长度△ｚ＝ｃ～＝ｃ乜／．厂，成像景深为［Ｌ一△ｚ／２，Ｌ＋“／２］。由以上原则，确立距离选通技 术各参数选取顺序为；根据成像需要选择合适的景深，而后根据激光光源允许的最高频率和式（１８）得到厂，最 后确定口和￡。。
＠ ８
Ｐｓｃ。ｃｕ＝荔爰鲁譬ｃ譬，２譬夕ｃ丌一只，，二‰，。写竽ｄｚ
同理可得在￡∈［岛，％＋￡。］时刻
＠ ９
ｆｚ—ｚ’（￡）＝露ｐ，（，）／２，
￡ｐ，∽∈［ｏ，￡ｐ（ｏ］，
ｚＰ（ｆ）一０～（￡一岛） ｍ Ｏ
１Ｐ。“ｃｃ，＝箍鲁鲁ｃ警，２譬夕ｃ兀一以，』二吒∞，：号竽ｄｚ
单次脉冲时间内，第（ｉ，．『）个ＣＣＤ像元上接收到的后向散射能量为
Ｅ。Ⅱ（￡。）＝ｌ吣”９Ｐ。口（ｆ）ｄ￡＝Ｉ’Ｐ。。＃（￡）出
万方数据
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第ｌｏ期
王祥科等：距离选通技术对后向散射抑制作用的理论分析
采用距离选通技术单ＣＣＤ像元信噪比为
‰＿１ ０１ｎ毒苗＝１ ｏｌｎ鲁 ｕ
１＿，ｓＣ＂＼ｏＣ，
（１２）
式中：Ｂ＝ｒＬ．刊，。字Ⅲｒ。
比较式（４）和式（１２），得 △ｙ＝％口一％一１０
＊收稿日期：２００６—１２—２８； 修订日期：２００７一０９—０６ 作者简介：王祥科（１９８ｌ一），男，湖北随州人，博士生，主要研究方向为激光主动成像、机器人足球；ｗｘｋ２６６０５７７１＠１６３．ｃｏｍ。
万方数据
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束
第１９卷
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Ａ
图像均方差误差
中图分类号：ＴＮ２４８
激光主动成像中，大气分子和大气悬浮物等产生的激光后向散射严重影响着成像距离和图像质量［１≈］。距 离选通技术是近几年克服后向散射的一种有效手段［２’３］，它以时间的先后分开不同距离上的后向散射光和目标 反射光，使得目标反射光在摄像机选通工作的时间内封达并成像。它可以克服被动成像和连续激光主动成像 的许多缺点，能够实现远距离较清晰的成像，能够在薄雾、雨、雪等恶劣天气条件下成像，是一种很有前途的成 像方式。然而，目前国内外文献中缺乏距离选通技术的成像模型，相应地也缺乏距离选通技术对后向散射抑制 作用的详细阐述，对距离选通技术关键参数的选取缺乏严密的理论和计算。本文基于文献［１］的连续激光主动 成像模型，尝试推导了单ＣＣＤ像元的连续激光主动成像和距离选通激光主动成像模型。而后考虑成像质量， 借助单ＣＣＤ像元信噪比和图像均方差误差两个指标分析了后向散射对激光主动成像的影响，阐明了距离选通 技术是抑制后向散射的有效手段。最后从建立的单ＣＣＤ像元距离选通成像模型出发，结合激光器功率等实际 条件提出距离选通技术的一些关键参数的选取原则，指导实际系统的实现。
第１９卷第１２期
２００７年１２月
文章编号：
强
ＨＩＧＨ
激
ＰＯＷＥＲ
光
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与
粒
子
束
ＢＥＡＭＳ
Ｖ０１．１９，Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ．，２００７
ＡＮＤ ＰＡＲＴＩＣＬＥ
１００１—４３２２（２００７）１２一１９９７一０４
距离选通技术对后向散射抑制作用的理论分析＋
王祥科， 张辉， 郑志强
（国防科学技术大学机电工程与自动化学院自动控制系，长沙４１００７３）
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Ｔｉｍｅ
图２连续激光和距离选通成像工作时序
选通成像。比激光前沿延时￡。，的激光，在ｚ’（ｔ。）处的后向散射光与目标反射光前沿同时到达ＣＣＤ，有 ２２７（岛）／ｃ＋ｆ，，一２ｚ／ｃ 得到ｚ—ｚ’（％）一ｆ￡，，／２，其中和∈［ｏ，～］，则ｚ一２’（如）∈［ｏ，ｃ气／２］。类似式（１）可推导出
％一Ｒ。象警学挚２
大气散射系数；ｐ（口）为散射相函数；印取（包。＋如）／２；Ｒ。为目标平均漫反射率。 号和噪音部分。定义功率比为
㈤
式中：ｒ，￡分别为发射光学系统和接收光学系统衰减率；ｄ为接收望远镜的物镜孔径；展。为大气吸收系数；熊。为
只考虑后向散射对图像的影响，忽略镜头、ＣＣＤ固有噪音等因素的影响，则Ｐ。＃，Ｐ。ｄ分别为图像的理想信