激光距離選通成像門寬對圖像信噪比影響

王 銳

(1.激光與物質(zhì)相互作用國家重點實驗室，吉林長春130033;2.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林長春130033)

1 引言

自激光成像技術產(chǎn)生以來，人們一直在尋求一種新型的探測成像技術，相對傳統(tǒng)的微波雷達探測而言，激光探測具有分辨率高、體積小巧、抗干擾力強和適用范圍廣等優(yōu)點。相對于紅外熱成像技術，激光成像技術不受周圍環(huán)境溫度影響，對比度穩(wěn)定，在天氣條件惡劣、低照度、背景復雜的條件下，仍然能獲取目標的強度像和距離像，并且還可以生成高分辨率的三維圖像［1］。

20世紀90年代以來，為克服大氣后向散射影響、提高系統(tǒng)作用距離。歐美等發(fā)達國家開始重視距離選通技術的研究，該項技術是解決遠距離激光主動成像散射噪聲問題的主要技術手段。許多國外科研機構，如瑞典國防研究中心(FOI)［2］、英國 BAE 公司［3］、美國 INTEVAC 公司［4］和 Goodrich 公司 SUI小組［5］、加拿大 OBZERV公司［6］、德國光電與模式識別研究所(Research institute for optronics and pattern recognition)［7］等，都對該技術進行了深入研究，而且部分裝備已研制成功。

早期的激光距離選通成像系統(tǒng)更加關注選通門寬，希望通過更小的門寬獲得更加精確的特定距離圖像信息，更好地抑制大氣后向散射噪聲［8］。但同時，小的門寬意味著更加嚴格的測距精度［9］，限制了激光距離選通成像系統(tǒng)應用范圍。

本文為了明確選通門寬與圖像信噪比關系，設計并構建了外場實驗系統(tǒng)，獲得了豐富的實驗數(shù)據(jù)，并分析不同門寬條件下的圖像效果，證明了距離選通成像系統(tǒng)對選通門寬的要求并不嚴格，完全符合實際應用的需求。

2 距離選通成像工作原理

距離選通技術是借助精確時鐘同步技術、大功率脈沖激光驅(qū)動技術、選通增強攝像機(ICCD)等發(fā)展起來的。圖1為距離選通技術原理圖。脈沖激光和選通攝像機通過控制電路同步。在ta時刻，激光光源發(fā)射激光脈沖，選通攝像機關閉。在激光脈沖傳輸?shù)竭_目標并反射回選通攝像機所處位置(tb時刻)之前，選通攝像機保持關閉。這樣ta到tb時刻脈沖激光傳輸過程中產(chǎn)生的后向散射光無法進入選通攝像機形成噪聲。當反射回的脈沖激光到達選通攝像機所處位置(tb時刻)時，選通攝像機打開，接收返回的脈沖激光并成像。而后重復這一過程，關閉攝像機，并發(fā)射下一個激光脈沖。這樣形成的目標圖像主要與距離選通時間內(nèi)的目標反射光有關［3］。如果選通門開啟時間長度和激光脈寬都很窄，使得成像系統(tǒng)只接收目標附近的反射光信號，消除大部分的后向散射光，就能大大提高系統(tǒng)的成像對比度。距離選通成像方式可以選擇成像距離并控制成像景深，可以抑制后向散射，能夠在薄霧、雨、雪等惡劣天氣條件下成像。

圖1 距離選通成像原理圖Fig.1 Block diagram of range gating imaging

(1)延遲時間

對于距離選通成像系統(tǒng)，從發(fā)出一束脈沖激光到選通門開啟接收目標回波信息的延遲時間是根據(jù)目標與成像系統(tǒng)間距離計算得出的［10］，因此，需要根據(jù)實時測距信息設定選通門開啟時間，在不考慮其他系統(tǒng)延遲情況下，選通門開啟時間可表示為:

式中，t1為延遲時間，L為目標到成像系統(tǒng)間距離，c代表光速。

(2)選通門寬

而選通門寬決定了成像區(qū)域的景深，只有在景深范圍內(nèi)的目標才能夠被清晰成像，測距信息存在一定的精度范圍，為保證能夠在應用測距信息情況下對目標成像，需滿足以下條件:

式中，2ΔR代表測距精度(即 ±ΔR)，tpulse代表激光脈沖寬度，tgate代表選通門寬。當tgate＞tpulse時，tpulse忽略不計，測距精度只與tgate選通門寬有關。例如，測距精度為±150 m，利用式(2)計算得到tgate+tpulse=2 μs，通常固體激光器脈沖寬度為ns量級，可忽略，則 tpulse≈2 μs。

(3)距離分辨率

距離分辨率是表征距離選通成像系統(tǒng)通過調(diào)整延遲時間對目標前后不同距離部分進行成像的能力。

式中，ΔR代表距離分辨率，Rn+1，Rn分別代表兩個不同的成像距離，tclk代表延遲時間步進間隔。例如，選通控制系統(tǒng)步進間隔為2.5 ns，利用式(3)計算得到距離分辨率ΔR=0.375 m。

3 激光距離選通成像作用距離模型

根據(jù)激光雷達作用距離方程［11］:

式中:PS為激光器單脈沖能量;Pr為探測器接收能量;ηt為發(fā)射系統(tǒng)透過率;ηr為接收系統(tǒng)透過率;R為成像系統(tǒng)到目標的距離;TA為成像系統(tǒng)到目標的大氣透過率;ρ為目標反射率;S為目標截面積;θt為激光發(fā)散角;D為接收系統(tǒng)口徑。對于發(fā)射系統(tǒng)透過率ηt和接收系統(tǒng)透過率ηr，考慮到光學系統(tǒng)結構不會太復雜，發(fā)射系統(tǒng)按0.9計算，接收系統(tǒng)按0.8計算。

取作用距離3.5 km，所經(jīng)過的大氣路徑為斜程路徑，利用軟件計算，在532 nm處，大氣透過率按 TA=0.6 計算［12］。

通常情況下目標全部位于激光光斑范圍內(nèi)，故此時的目標面積要用目標上被激光照亮的全部面積來計算，初步擬定為7 m×7 m。

光學系統(tǒng)接收孔徑取D=100 mm，ICCD相機最小可探測能量為1×10-15J［13］。激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)散角為 5 mrad。由上式可得，為了實現(xiàn)3.5 km有效探測，需采用單脈沖能量10 mJ固體激光器進行照明。

4 構建外場實驗系統(tǒng)

根據(jù)以上作用距離模型分析，構建外場實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)3.5 km遠距離選通成像探測。整套實驗系統(tǒng)如圖2所示。采用荷蘭Lambert公司的ICCD相機配合長焦鏡頭構建接收成像系統(tǒng)，采用法國Quantel公司的固體脈沖激光器作為照明光源。研制選通控制系統(tǒng)，實現(xiàn)激光器與ICCD相機的高精度同步控制，具體參數(shù)如下:

(1)ICCD相機

a)CCD傳感器:pixel數(shù)為 1 379 pixel×1 024 pixel，pixel尺寸為 10.3 μm;

b)最大幀頻:25 FPS;

c)像增強器分辨率76 lp/mm。

d)亮度增益:30 000 lm/m2/lx。

圖2 距離選通成像外場實驗系統(tǒng)Fig.2 Experiment system of range gating imaging

(2)定焦鏡頭

a)F#2.8;

b)焦距300 mm。

(3)激光器

為了與 ICCD工作波段相匹配，需采用532 nm脈沖激光器。需利用信號發(fā)生器對激光器進行外觸發(fā)控制。所需激光器參數(shù)估算如下:

a)輸出波長:532 nm;

b)脈寬:10 ns;

c)重頻:100 Hz;

d)單脈沖能量:＞10 mJ。

(4)選通控制系統(tǒng)

a)計時步進:2.5 ns;

b)最小門寬:2.5 ns;

c)距離分辨率:0.375 m;

實驗過程中，采用激光測距機首先獲得測試系統(tǒng)與目標之間的直線距離，換算為同步延時參數(shù)輸入選通控制系統(tǒng)，實驗開始后，首先由選通控制系統(tǒng)觸發(fā)激光器，發(fā)射一束脈沖激光，同時，根據(jù)所設定的距離延時參數(shù)、激光器觸發(fā)延時參數(shù)及ICCD相機門控延時參數(shù)，在脈沖激光回波到達ICCD像面時觸發(fā)像增強器高壓，選通門開啟，接收回波信號成像。

5 實驗結果及數(shù)據(jù)分析

在3.5 km處對樓體目標進行了不同門寬條件下的距離選通成像，實驗結果如圖3所示。圖像采集過程中保證不同門寬條件下的像增強器增益電壓相同，以此來對比不同門寬條件下的圖像信噪比。

圖3 不同門寬條件下距離選通成像結果Fig.3 Range gating imaging results with different gate width

采用國際通用圖像信噪比計算方法，如式(5)所示。

式中，μ(DN)代表圖像灰度均值，σ(DN)代表灰度值標準偏差［14］。利用該算法對不同門寬條件下所采集圖像進行計算，信噪比計算結果如圖4所示。

由計算結果可以看出，隨著門寬增加，信噪比逐漸降低。圖像當中的樓梯尖頂目標在噪聲較低時，其外部形態(tài)清晰可見，隨著門寬增加，尖頂目標周圍出現(xiàn)大量噪聲點，從門寬2 000 ns開始，尖頂附近噪聲逐漸增加，使其外部形態(tài)模糊不清。采用相關自動目標識別算法［15］對尖頂目標圖像進行自動識別，識別結果顯示，門寬小于2 000 ns時，識別正確率在85%以上，完全滿足實際工程化應用需求。而而2 000 ns門寬對應的測距精度為±150 m，由此可見，距離選通成像系統(tǒng)對測距系統(tǒng)要求較低。

圖4 選通門寬與圖像信噪比關系曲線Fig.4 Curve of relation between gate width and image SNR

5 結論

本文在建立激光距離選通成像作用距離模型的基礎上，構建外場實驗系統(tǒng)。在不同門寬條件下獲得距離選通圖像，并采用國際通用的信噪比計算方法對實驗圖像進行計算。計算結果表明，隨著選通門寬的增加，圖像信噪比逐漸降低，完全符合激光選通成像理論。但研究發(fā)現(xiàn)，門寬不大于2 000 ns(對應的測距精度為±150 m)的情況下，圖像信噪比穩(wěn)定在8以上，圖像質(zhì)量完全滿足自動目標識別要求，充分證明了距離選通成像技術可擴展性和兼容適應性。本文研究結果對于距離選通成像技術應用推廣有著重要意義。

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