激光主动照明成像技术_分析和实验证明_王智

后向散射和目标反射的总功率 , 反映了后向散射的
影响 。如果需要研究后向散射对目标识别的影响 , 还
必须考虑望远镜焦平面的成像设备 , 本实验的接收
装置为 CCD 摄像机 , 还必须知道散射体和目标在探
测器对应像元上的辐射功率 , 从而可以对后向散射
引起的 辐射背景 对目标照 明的影 响加 以分析 。设
φ)
loi I
oi
+τ
i
e-2
βl
ex
l6
S i(l )dl
(10)
我们通过对 ηi 的分析 , 可以看出大气的后向散射对 目标照明的影响程度 。当 ηi >1 时 , 后向散射干扰已 经淹没了目标 , 即噪声大于有用的信号 , 通常取 η0i =1 为临界影响系数 。
1.2 成像系统组成
激光主动照明成像系统由以下几个部分组成 : 激光发射装置 ;激光接收望远镜 ;数据采集 、处理和 输出显示系统 。图 2 所示是激光主动照明成像系统 的示意图 。目前在国防科技中应用较广泛的激光波 段有两个 :钇铝石榴石(Y AG)激光的 1.06 μm 和二氧 化碳(CO2)激光的 10.6 μm , 前者主要用于激光测距
传输的目的 。随着激光成像技术的研究 , 成像距离 越来越远 , 使用领域越来越宽 。 不仅在军事上用于 侦察 , 还用于海岸巡逻 , 海上搜索和救援 , 安全部 门用于对可疑分子监视 。
1 激光主动照明成像系统分析
对于短距离范围的主动成像系统设计是相当简 单的 , 激光器工作于光斑模式 , 光照明于整个探测 器焦平面阵列的可视实时域 。接收器产生可连接电 视系统的图像序列 。这种系统有以下好处 :(1)简 单 ;(2)在场景中 , 能允许实时地观察运动物体和 运输工具 。 对于更长的距离 , 由于受大气的干扰 , 连续的散粒噪声影响 , 雾气的后向反 射等限制因 素 , 工作在这种模式下是不可能的 。 往往需要多次 曝光和处理来产生整个景像的单帧图像 。 在这种情 况下 , 获取整个景像的完整图像所需要的时间和图 像保真度之间应该有一个平衡 。
目标周围景物激光散射的影响 。探测器采用光谱敏 值之间的关系曲线见图 3 , CCD 接收的目标后向散
化硅光电二极管 , 其感光峰值位于 1.06 μm , 并且感 射的光照度与目标距离的关系见图 4 。
光光谱范围很小 , 无需加滤光片既可消除大部分杂
试验在没有月光的小山顶上进行的 , 这样就避
散光的影响 。
王智1 , 2 金光1 杨简3
(1.中国科学院长 春光学精密机械与物理研究所 , 长春 130031;2.中国科学院研究生院 , 北京 :100039; 3.长春理工大学 , 计算机科学技术学院 , 长春 130022)
摘 要 :激光主动照明成像技术是以近红外激光作为照明光源 , 对低照度情况下 , 远距离目标进 行探测成像 。由激光照射到待探测的目标上 , 用 CCD 相机对目标进行拍摄 , 分析了大气后向散 射对成像系统影响 , 并利用距离选通技术可大大增加目标探测能力和探测距离 。实际大气条件下 的激光照明成像实验 , 对理论进行了验证 。 关键词 :激光主动成像 ;后向散射 ;CCD 相机 中图分类号 :TN2 文献标识码 :A
生由后向散射引起背景辐射 。为了研究后向散射对
照明作用的影响 , 建立了如图 1 所示的物理模型 。图
中 , 激光器与接收望远镜间距为 r ;发射和接收方向
之间的夹角为 φ;激光发射角和和接收视场角分别
为 , ψ;激光器与目标之间的距离为 L ;激光器的输
出功率 P0 。如果激光在发射角内均匀分布 , 则辐射
光电成像系统根据有无照明光源 , 分为主动成 像和被动成像系统两种方式 。 被动成像本身无照明 光源 , 依赖目标或环境反射太阳等自然光或自身辐 射 , 使用成像设备拾取微弱信号并最终成像 。主动 成像系统利用人工施照的方式 , 采用一个人造光学 辐射源 (一般为激光器)和接收机 , 其接收机用于 收集和探测目标景物直接或反射后的部分光辐射并 最后成像 。大多数情况下 , 只要能够满足要求 , 最 好使用被动成像系统 。然而在另外一些领域如 :微 光和夜视 ;远程小暗目标探测 ;深空目标成像 。 如 果仍沿用全被动方式 , 将会遇到极大的困难 , 有些 问题甚至无法解决 。 在这样情况下 , 重新考虑人工 照明的主动工作方式 , 再辅之以现代光电技术和信 息处理算法支撑下的距离门选通技术等最新成果 , 为这些难题的解决提供了良好的前景 。
(km) (mrad)(mrad) (m)(m/ s) (%) (km) (km-1)(km -1)
1.06 μm 波段接收望远镜系统的视场可变 , 这样
3.0
1.0 28 0.5 1.0 70
18 0.0315 0.164
可使接收望远镜的视场与目标大小相匹配 , 以消除 在表 1 所示的大气条件下 , 计算的散射相函数与 φ
∫ E
= I0
4βsπc P(π-φ)
l
0
l0
+τe
-2β
e
l4
xl
S
(l)dl
(4)
式中 :S(l)发射锥体与接收锥体的相交部分在
处垂直于接收轴线的公共部分面积 , 由实验设备的
几何分布给定 ;
l0 ——— 达到散射体的最近距离 ;
τ——— 散射层的厚度 。
考虑接收望远镜的物镜孔径 d 和散射体积元对
第 27 卷第 4 期 2 0 0 4 年 1 2月
长春理工大学学报
Journal of Changchun University of Science and Technology
文章编号 :1672-9870 (2004) 04 -0101-04
Vol.27 No.4 Dec .2 0 0 4
激光主动照明成像技术 :分析和实验证明
CCD 上有 N ×N 个像元 , 则每一像元对应的视场角
为 Χ/ N 。不考虑接收望远镜光学系统的衰减 , 则第
i 个 CCD 像元上后向散射引起的辐照功率为 :
∫ Psi
=
P0 πΥ2
πd 2 4
2
βsc 4 πP
(π-φ)
l
0i
+τi e
l0i
-2 βexl
l6
S (l )dl
(8)
式中 i ——— 第 3 公里远
处的目标的 CCD 记录图片 (连 续激光照明 , 无距
目标在 CCD 上所占像元数为 N 2S0/ L2 ψ2 , 则目 标在 CCD 上一个像元的功率为 :
Poj
=RP0
ψ2 NΥ
πd 2 4
e-2
βL
ex
L2
d 2L
2
(9)
这样 , 定义功率比 Psi/ Poj 为后向散射影响系数即 :
∫ ηi
= Psi Poj
=
N2 L4 R ψ2
e2
βexL
4βscπP (π -
可以认为 , 散射角 θ接近 , cos(π -θ)近似为 1。 从图 1 可以看出 , 积分区域 V 应该是发射锥体
与接收锥体的相交部分 .为了便于计算 , 近似认为发
射视场角的轴线与接收视场角的轴线相交在目标的
中央 , 并且忽略目标平面之后的大气散射的背景辐
射 。这样 , 公式(3)的积分为 :
第 4期
王智 等 :激光 主动照明成像技术 :分析和实验证明
103
图 2 激光 主动照明成像系统示意图
2 激光主动照明成像仿真实验
实验装置分布如图 1 所示 , 在本实验中 , 照明激 光采用 0.53μm 半导体激光器(功率 150mW), 接收 望远镜焦平面采用分辨率为 800 ×600 像素的 CCD 摄像机 。建立如图 1 所示 的坐标系 。激光的光轴与 CCD 接收器的光轴相交在目标中心 , 且光轴平面与 目标平面垂直 。其中消光系数 βex =βsc +βab = βm + βp +βab , βm 、βp 分别为分 子与气溶胶体散 射系数 , βab 为大气吸收系数 。由公式可以看出 , 后向散射系
P(θ)——— 散射相函数 。
对接收视场内的散射体积分 , 可以求得接收望
远镜物镜上的照度为 :
∫ E
= I0
βsc 4π
V
e(-βle′x()l′2+l2l)P(θ)cos(π -θ)dv
(3)
在实际的激光照明条件下 , L r , φ=r/ L 很小
(mrad), 发射视场角 Υ和接收视场角 Χ也很小 。这样
图 6 经中值滤波后图像
射望远镜为透射式 , 光束发散角在 20 ～ 50mrad 的 实验参数与大气条件如表 1 所示 。
范围内可调 , 以便使发散光束能全部覆盖目标 。反射
表 1 激光主动成像的试验参数和大气条件
机上瞄准望远镜与发射望远镜同轴 , 通过瞄准望远 镜使反射光束对准目标 。
L
φ ψ r Wind HumidityVisibi lity βsc βex
图 3 散射相函数与 φ关系曲线 图 4 CCD 接收的目标后向散射 图 5 3 公里远目标的激光主 光照度与目标距离的关系 动照明成像图
和激光半主动制导 , 后者主要用于激光雷达 。在激光 主动成像系统中主要用 1.06 μm , 采用电光调 Q 的 YAG 脉冲激光器 , 脉冲峰值功率可达 10MW , 脉冲宽 度约 10ns , 重复频率在 1 ～ 10Hz 的范围内可调 。发
收稿日期 :2004 -01 -10 基金项目 :国家 863 计划 (2002AA 731263) 作者简介 :王智 , 男 (1978-), 博士研究生 , 主要从事图像处理技术与激光主动成像技术的研究工作 。