掃描成像跟蹤激光雷達(dá)

屈恒闊 ，張清源，阮友田

(中國電子科技集團(tuán)公司 第二十七研究所，河南 鄭州450047)

1 引 言

激光雷達(dá)從功能上可分為激光測角和跟蹤激光雷達(dá)、掃描成像跟蹤激光雷達(dá)。近年來，隨著高重頻二極管泵浦( DPL) 激光器、光纖激光器、多元陣列探測、高速掃描器等技術(shù)的飛速發(fā)展，激光成像的幀頻和分辨率以及跟蹤性能都有了明顯的提高，在對目標(biāo)精密智能跟蹤方面極具潛力［1］。

與紅外和可見光成像相比［2］，激光成像具有顯著的優(yōu)點(diǎn):(1) 抗電磁干擾能力強(qiáng)，不容易受環(huán)境溫度和陽光變化的影響; ( 2) 具有較高的距離、角度和速度分辨率，能同時(shí)獲得目標(biāo)的多種圖像，圖像信息量豐富，更適用于目標(biāo)識別［3］;(3) 與四象限探測點(diǎn)跟蹤系統(tǒng)相比，成像跟蹤具有目標(biāo)識別能力強(qiáng)且跟蹤精度高的優(yōu)勢。

掃描成像跟蹤激光雷達(dá)可采用單元探測器的掃描成像和多元陣列探測器的非掃描成像等工作體制，兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。目前以采用單元探測器的掃描成像技術(shù)較為成熟。掃描成像跟蹤激光雷達(dá)兼具成像偵察和目標(biāo)捕獲跟蹤的能力，在直升機(jī)機(jī)載防撞、空間監(jiān)測、空間維護(hù)、空間對抗、火控雷達(dá)、夜間偵查等諸多方面具有廣泛的應(yīng)用。

本文設(shè)計(jì)了一種基于激光圖像跟蹤的激光雷達(dá)系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)的組成和關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測試，并給出了測試結(jié)果。

2 原理及關(guān)鍵技術(shù)

圖1 為掃描成像跟蹤系統(tǒng)的原理框圖。系統(tǒng)由激光發(fā)射/接收系統(tǒng)、激光發(fā)射/接收光學(xué)系統(tǒng)、圖像處理單元、伺服機(jī)構(gòu)、總控計(jì)算機(jī)等部分組成。其中激光發(fā)射/接收系統(tǒng)由激光器及其驅(qū)動源、探測器、放大電路等部分組成。

圖1 掃描成像跟蹤系統(tǒng)組成原理框圖Fig.1 Structure graph of scanning image tracking system

掃描成像跟蹤系統(tǒng)的工作過程如下: 首先由控制計(jì)算機(jī)通過時(shí)序控制電路控制時(shí)序，驅(qū)動激光器發(fā)射激光脈沖序列，激光脈沖經(jīng)過發(fā)射光學(xué)整形后，由掃描系統(tǒng)偏轉(zhuǎn)光束方向后再照射目標(biāo)區(qū)域，形成排列緊密的掃描覆蓋。二維掃描機(jī)構(gòu)采用雙向三角波掃描，行電機(jī)沿水平方向運(yùn)動，完成方位方向探測區(qū)域的覆蓋。幀電機(jī)沿垂直水平方向運(yùn)動，完成俯仰方向探測區(qū)域的覆蓋，從而完成整個(gè)空域的探測。二維電機(jī)的掃描經(jīng)修正后，脈沖序列按照時(shí)序約定與掃描視場的位置線性對應(yīng)。當(dāng)激光脈沖照射目標(biāo)后，目標(biāo)表面對激光的漫反射回到掃描系統(tǒng)，經(jīng)接收系統(tǒng)處理后照射到探測器，形成光電流，通過信號處理得到目標(biāo)的距離。圖像處理電路按照時(shí)序約定排列回波信號，得到目標(biāo)的距離圖像［4］，當(dāng)完成一幅圖像后，通過圖像處理對目標(biāo)進(jìn)行分析，判斷跟蹤整幅圖像內(nèi)的某個(gè)目標(biāo)，計(jì)算出跟蹤目標(biāo)中心與掃描中心的偏差量，伺服機(jī)構(gòu)根據(jù)此偏差量和目標(biāo)的角速度不停地改變掃描中心，達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤的目的。同時(shí)根據(jù)計(jì)算結(jié)果輸出目標(biāo)的相對距離和相對視線角。

系統(tǒng)有動態(tài)圖像跟蹤和靜態(tài)圖像監(jiān)測兩種工作模式。在動態(tài)圖像跟蹤模式下，系統(tǒng)捕獲角度為10° ×10°，跟蹤目標(biāo)后掃描角度為1° ×1°，像素為30 pixel ×30 pixel，幀頻為4 Hz。當(dāng)系統(tǒng)需要對目標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)觀測時(shí)，可通過提高掃描頻率和激光重頻獲取更高分辨率的三維目標(biāo)圖像。跟蹤模式下可由外部控制實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為靜態(tài)掃描成像模式。本設(shè)計(jì)方案中，系統(tǒng)不僅具備對目標(biāo)的測量能力，同時(shí)具備了一定的偵察能力。

掃描成像跟蹤激光雷達(dá)系統(tǒng)除了關(guān)注激光器和探測器的指標(biāo)( 如激光脈寬、重復(fù)頻率、單脈沖能量、探測器件靈敏度等) ，還要關(guān)注影響整機(jī)使用的目標(biāo)搜索、捕獲、圖像處理和跟蹤算法等關(guān)鍵技術(shù)。為了獲取較好的探測效果及較高的圖像質(zhì)量，在選擇光源時(shí)盡量選取單模且光束質(zhì)量因子高的激光器，本系統(tǒng)采用KOPASYS 公司的光纖激光器［5］，其光場模式為LMA 單模，光束質(zhì)量因子為1.3。激光的波束不但窄，而且分辨率高，但用窄波束激光實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的搜索和捕獲是成像跟蹤激光雷達(dá)系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)之一。通常掃描成像跟蹤激光雷達(dá)安裝在移動平臺上，探測目標(biāo)同樣處于移動狀態(tài)，因此需要考慮兩個(gè)平臺運(yùn)動的相對視線角度、角速度、速度、激光重頻、光斑覆蓋率、掃描速度等多種因素。

為了更直觀地描述激光成像探測系統(tǒng)所測量的信息，需要將被測對象的測量數(shù)據(jù)以圖像形式顯示出來，并對其進(jìn)行處理和分析。圖像處理按基本功能特征可以分為采集、顯示、存儲、通訊、處理和分析模塊。采集模塊完成圖像像元信息的獲取;顯示模塊是按用戶需要顯示所關(guān)心的目標(biāo)圖像信息;存儲模塊存儲所采集的信息，以供事后分析處理;通訊模塊完成多系統(tǒng)之間的信息交換;處理和分析模塊則針對采集的信息進(jìn)行過濾、處理、分析，提取相關(guān)可用信息。采用光機(jī)掃描形式成像時(shí)，需對其圖像獲取、數(shù)據(jù)修正映射等進(jìn)行研究。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)激光成像探測系統(tǒng)的特點(diǎn)，綜合考慮其搜索效率、搜索速度、實(shí)現(xiàn)難易程度、對圖像的影響程度、重量功耗、成本等多方面因素，采取了檢流計(jì)式搜索和光柵式掃描［6］方式。

3.1 光斑重疊率要求

為了防止掃描過程中目標(biāo)從未掃描區(qū)域移到已掃描區(qū)域而丟失目標(biāo)，相鄰兩點(diǎn)尤其相鄰兩行應(yīng)具有一定的光斑重疊率，才能滿足系統(tǒng)捕獲目標(biāo)的要求。假定脈沖間隔時(shí)間為TP，行間隔時(shí)間為TL，目標(biāo)運(yùn)動速度為v，最壞情況目標(biāo)運(yùn)動速度與掃描方向相反，dP為一行內(nèi)兩脈沖點(diǎn)中心距，dL為行間距，D為光斑尺寸。對于圖2 所示的矩形光斑，運(yùn)動目標(biāo)應(yīng)滿足如下條件:

圖2 光斑重疊率要求Fig.2 Demand of facula overlap

所以，有:

設(shè)KP為行內(nèi)光斑間的重疊率，KL為行間重疊率，則:

根據(jù)式(2) 和式(3) ，激光采用圖像掃描目標(biāo)時(shí)，光斑的重疊率應(yīng)滿足以下條件:

系統(tǒng)的光斑重疊率是針對目標(biāo)最大運(yùn)動速度而設(shè)計(jì)的，無需隨目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)的不同而設(shè)計(jì)不同的光斑重疊率。

3.2 圖像處理

激光成像探測系統(tǒng)得到的圖像數(shù)據(jù)是包括二維坐標(biāo)和距離的三維圖像，對這種圖像的顯示采用三維偽彩色圖像顯示方法，其中二維坐標(biāo)為角度信息，不同顏色表示遠(yuǎn)近不同的距離。用紅色表示最近距離，用藍(lán)色表示最遠(yuǎn)距離，共256 種顏色。

由于二維振鏡掃描固有的特性，光學(xué)掃描角與機(jī)械掃描角存在一定的非線性，使掃描圖樣出現(xiàn)一定畸變，這種畸變隨著掃描角度和掃描速度的增大而增大［7］。由于幀掃速度慢，掃描的非線性可以忽略，而行掃速度快( 25 Hz) ，因此，圖像的畸變主要出現(xiàn)在水平方向，行電機(jī)的非勻速正掃和逆掃均會導(dǎo)致圖像出現(xiàn)畸變。這種畸變校正對于不同的方位、俯仰角，其畸變量是固定的，可以預(yù)先計(jì)算，用查表的方式進(jìn)行修正。

典型的激光雷達(dá)平面圖像如圖3 所示。

圖3 某水塔典型的激光雷達(dá)圖像Fig.3 Typical lidar image of water tower

3.3 跟蹤算法

對目標(biāo)的跟蹤算法直接關(guān)系到系統(tǒng)的跟蹤性能，結(jié)合系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)選擇質(zhì)心跟蹤算法作為對目標(biāo)的跟蹤算法。

當(dāng)選定目標(biāo)后，系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)的速度、大小、距離等綜合信息使用適當(dāng)?shù)牟ㄩT框住目標(biāo)，只處理波門內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，節(jié)省了大部分背景的計(jì)算，壓縮了處理數(shù)據(jù)量。質(zhì)心跟蹤算法［8］采用質(zhì)心坐標(biāo)法來確定目標(biāo)的質(zhì)心，其質(zhì)心坐標(biāo)表達(dá)式為:

式中:當(dāng)像元的信息值小于系統(tǒng)閾值時(shí)，Uij=0;當(dāng)像元的信息值大于系統(tǒng)的閾值時(shí)，Uij=1。xi和yj分別為x方向的第i個(gè)坐標(biāo)和y方向的第j個(gè)坐標(biāo)。m和n分別為x和y方向上的分辨像元數(shù)。

采用質(zhì)心算法跟蹤可以達(dá)到很高的位置分辨率，而且算法處理快，有利于系統(tǒng)的快速處理和快速跟蹤。

4 試驗(yàn)方法與結(jié)果

4.1 靜態(tài)掃描

系統(tǒng)對距離960 m 左右的水塔進(jìn)行了靜態(tài)成像，圖4( a) 為水塔的CCD 圖像。采集掃描數(shù)據(jù)對激光雷達(dá)的原始圖像進(jìn)行了插值、對比度增強(qiáng)、濾波等處理。由原始數(shù)據(jù)可知，原始圖像中水塔距離為［960，970 m］，若直接采用距離和顏色映射方式，通過二次插值和濾波處理后，顯示的圖像如圖4( b) ，所探測的水塔面呈水平面，反映不出水塔探測曲面的真實(shí)走向。采用對比度增強(qiáng)處理后，顯示的圖像如圖4( c) ，可以看出，圖像增強(qiáng)后顯示的水塔形狀與真實(shí)水塔結(jié)構(gòu)一致，能夠體現(xiàn)水塔外形結(jié)構(gòu)。

圖4 水塔圖像Fig.4 Images of water tower

4.2 動態(tài)跟蹤能力

激光雷達(dá)安裝于U 型伺服轉(zhuǎn)臺上，初始時(shí)伺服轉(zhuǎn)臺以0.4( °) /s 的速度對距離約500 m 的目標(biāo)氣球進(jìn)行5° ×5°范圍的反復(fù)運(yùn)動、探測( 見圖5) ，經(jīng)多次測試，激光雷達(dá)均能在5 s 之內(nèi)捕獲目標(biāo)。當(dāng)激光雷達(dá)捕獲目標(biāo)后伺服轉(zhuǎn)臺以1.2( °) /s的速度轉(zhuǎn)動，仍能穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。

圖5 目標(biāo)氣球?qū)崟r(shí)跟蹤圖像Fig.5 Real time tracking image of air balloon

4.3 精度測試

激光雷達(dá)跟蹤距離900 m 的靜態(tài)目標(biāo)時(shí)，伺服轉(zhuǎn)臺作為第三方測試系統(tǒng)對激光雷達(dá)的角精度和角速度精度進(jìn)行評價(jià)。精度測試結(jié)果見圖6 和圖7。經(jīng)測試，工作視場為50° ×50°，該系統(tǒng)距離精度優(yōu)于0.25 m，角精度可達(dá)到0.07°。

圖6 距離精度測試數(shù)據(jù)圖Fig.6 Graph of distance precision

影響系統(tǒng)測距精度的主要因素是激光回波信號提取的時(shí)延誤差，在后續(xù)的改進(jìn)工作中可加入恒比定時(shí)電路，預(yù)計(jì)精度將提高近10 cm;而影響系統(tǒng)角跟蹤精度的主要因素是激光圖像的分辨率以及由于高速掃描系統(tǒng)掃描呈非線性帶來的誤差，在后續(xù)的改進(jìn)工作中可通過減小激光束散角、增加激光重頻或者采用陣列探測器的方式來提高圖像分辨率。掃描系統(tǒng)的非線性可通過數(shù)據(jù)擬合進(jìn)行非線性修正，或者采用更高掃描能力的掃描系統(tǒng)，預(yù)計(jì)精度將提高近0.05°。

圖7 角精度測試數(shù)據(jù)圖Fig.7 Graph of angle precision

5 結(jié) 論

本文對激光圖像雷達(dá)系統(tǒng)的組成和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)的性能測試，本項(xiàng)工作對激光圖像跟蹤雷達(dá)的設(shè)計(jì)和研制具有重要的指導(dǎo)意義。該系統(tǒng)已通過長達(dá)200 h 的烤機(jī)試驗(yàn)，并參加過多次野外試驗(yàn)，經(jīng)各種試驗(yàn)考核，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。另外通過對掃描成像跟蹤雷達(dá)的深入研究，未來激光成像雷達(dá)系統(tǒng)擬在以下方面進(jìn)行探索:

(1) 提高激光雷達(dá)的探測能力。采取直接探測體制是當(dāng)前激光主動探測的主流，為提高系統(tǒng)的作用能力和探測概率，要發(fā)展相干探測體制;

(2) 提高激光成像雷達(dá)成像幀頻和圖像分辨率。幀頻數(shù)的提高將直接提高激光雷達(dá)的跟蹤能力，需要在高重頻激光輻射源、靈活快速掃描機(jī)構(gòu)等方面進(jìn)行攻關(guān)，從而達(dá)到實(shí)時(shí)掃描的效果。另外國內(nèi)外已經(jīng)開展了多元或陣列凝視激光成像探測系統(tǒng)的相關(guān)研究，該技術(shù)一旦成熟，必將極大地推動激光成像雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)展。

(3) 針對激光主動成像特點(diǎn)進(jìn)行有效的圖像處理和評判。激光圖像不同于CCD 圖像，它不僅具有強(qiáng)度、角度等信息，還包括距離量信息，但其3D 偽彩色的顯示方法信息量過于豐富，不利于圖像的判讀，可借鑒CCD 圖像處理方法以及與CCD圖像相融合來加強(qiáng)激光圖像的可讀性。

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