远距离激光照明选通成像技术的研究进展

宋岩峰，孙卫平，刘 灏

(中国兵器工业第203研究所，陕西西安710065)

1 引言

远距离激光照明选通成像技术作为距离选通激光成像技术的主要应用之一，是在激光主动成像技术的基础上发展起来的。远距离激光照明选通成像技术融合了先进的脉冲激光光源技术、高速选通相机技术以及高精度的延时同步控制技术等，使得远距离激光照明选通成像系统具有作用距离远、系统分辨率高、有一定的穿透能力、可以在低照度背景复杂条件下获取目标的图像信息等特点，使其在复杂环境条件下对远距离目标的全天候侦察、精密跟踪和目标识别等领域具有广阔的应用前景。

在国外，远距离激光照明选通成像技术得到了世界上各大军事强国的重视，许多单位和机构都对该技术进行了深入研究，如瑞典国防研究中心(FOI)［1－4］、英国的 BAE 公司［5］、美国的 INTEVAC公司［6］和Goodrich 公司 SUI小组［7］、加拿大的 OBZERV公司［8］、德国光电与模式识别研究所(Research institute for optronics and pattern recognition)［9］等，而且许多单位已经有装备研制成功。

在国内，虽然也有一些单位在积极开展该技术的研究，但是由于器件等原因，目前都尚处于理论研究和实验室验证阶段，和国外相比还有较大的差距［10］。

2 基本原理

远距离激光照明选通成像系统通常需要采用高能量的脉冲激光器作为照射光源，对目标区域发射激光脉冲进行照射;采用高速选通相机作为成像接收设备，在极短的时间内完成相机快门的开启和关闭工作;通过高精度的延时同步控制技术，严格控制激光脉冲的发射和选通相机快门开启成像的时间延迟，使得需要观察目标场景反射回来的辐射脉冲刚好在相机选通工作的时间内到达相机并成像，从而将不同距离上的散射光和目标的场景反射光分开，获得目标区域的清晰图像［11］。远距离激光照明选通成像系统原理如图1所示。

图1 远距离选通激光成像系统原理图

从系统的分辨率上分析，远距离激光照明选通成像系统通常工作在可见光、近红外及短波红外波段，相对中波和长波红外等被动热成像系统，在相同口径条件下，距离选通激光成像系统的分辨率更高，可以获取更多的目标信息;从成像效果来看，由于距离选通技术的采用，通过对特定距离上的目标进行选通成像，可以消除位于选通距离之外的背景干扰，将目标从复杂背景中提取出来，提高对特定目标的成像效果［12］。

3 研究进展

在可见光波段，瑞典国防研究中心(FOI)构建了远距离激光照明选通成像试验系统，试验系统如图2所示。其中，激光光源采用Nd∶YAG激光器，经过倍频后输出波长为532 nm的绿激光，激光脉冲的重复频率约10 Hz，工作时输出能量约60 mJ，束散角为0．3～0．7 mrad;选通相机的光谱响应范围为400～900 nm，水平方向分辨率为30 lp/mm，垂直方向分辨率为23 lp/mm，最小选通门宽为50 ns，相机的理论空间角分辨率约为10μrad。

图2 FOI的远距离激光照明选通成像试验系统

通过试验，获取了7 km和14 km远处的卡车目标图像，目标图像如图3所示。

图3 14 km处(左)和7 km处(右)的卡车试验图像

需要说明的是，FOI在获取目标的选通图像的同时，还分别获取了目标的电视图像、红外图像以及通过选通相机获取的被动图像等进行了对比。2005年，FOI在美国的白沙靶场还对大气和目标散斑噪声等因素对激光照明选通成像系统的影响进行了进一步跟踪试验。通过大量的试验研究，FOI在远距离激光照明选通成像技术方面积累了丰富的经验和数据，也为其在人眼安全波段的试验研究奠定了很好的基础。

在近红外波段，加拿大的OBZERV夜视技术公司采用波长为860 nm和808 nm的半导体激光器和选通型三代像增强ICCD先后成功研制成功了多种型号的远距离激光照明选通成像系统，如图4所示的ARGC－750型和ARGC－2400型DALIS(diode array laser illumination system)。

图4 ARGC－750型(左)和ARGC－2400型(右)激光照明选通成像系统

通过试验，ARGC－750型对典型军用车辆(参考尺寸2．3 m ×2．3 m)和人(参考尺寸 1．8 m ×0．5 m)等目标的识别距离分别是4 km和3 km;对应的ARGC－2400远距离激光照明选通成像系统的识别距离则分别是15 km和8 km。OBZERV公司给出了两组ARGC－2400型远距离激光照明选通成像系统的试验图片。图5为6．4 km远处一条大船的红外热图像和ARGC－2400获取的激光主动图像。试验图像表明ARGC－2400型远距离激光照明选通成像系统可以清晰分辨船体上17 in的标识字符。

图5 红外热图像(左)和ARGC－2400获取的激光主动图像(右)

在短波红外波段，美国INTEVAC公司专门研制了工作在人眼安全波段的短波红外高速选通相机，如LIVAR M506型短波红外距离选通相机。该相机采用TE－EBCMOS InGaAs探测器，像元数达到了640×480，响应波长范围为950～1650 nm，其中在1．55μm波长处量子效率大于20%，分辨率大于28 lp/mm，选通时间约为65 ns，选通门宽最小可达70 ns。图6给出了2 km外目标区域的红外热图像和通过LIVAR获取的激光照明选通图像。LIVAR M506型相机的外形如图7所示，需要说明的是该相机已被列为出口受限产品。

图6 2 km公里远处的红外热图像(左)和LIVAR获取的目标识别图像(右)

图7 LIVAR M506

在其短波红外选通相机的基础上，INTEVAC公司推出了LIVAR4000型远距离激光照明选通成像系统，如图8所示。该系统的照射光源为闪光灯泵浦Nd∶YAG激光器，激光器输出人眼安全的1．57μm脉冲激光，脉冲能量大于10 mJ，重复频率2 Hz，束散角1．5～15 mrad内可调;选通相机选通门宽最小150 ns，分辨率大于28 lp/mm。

图8 LIVAR 4000

在短波红外波段，FOI搭建了1．5μm远距离人眼安全激光照明跟踪成像系统。如图9所示，该系统安装在一个随动平台上;系统采用INTEVAC公司的短波红外选通相机作为接收成像设备;采用Saab公司IRK－2000型LWIR热成像系统作为远距离目标的热成像探测跟踪设备;采用Saab公司开发的激光测距设备作为测距设备，同时兼顾激光目标的照射工作。激光光源输出的脉冲能量约20 m J，重复频率10 Hz，脉冲宽度约20 ns，发散角约 5．5 mrad。

图9 FOI的1．5μm远距离激光照明选通跟踪成像系统

该系统通过热成像系统完成对远距离目标的探测和跟踪任务;通过激光测距设备实时完成对远距离目标的距离测量。根据测距结果，系统可以自动完成激光成像系统延迟时间的更新和选通成像，从而实现在跟踪模式下对运动目标的激光照明选通成像。通过该系统FOI成功完成了对远距离飞行目标的跟踪和激光照明选通成像工作，获取的图像如图10所示。

图10 飞行目标的热跟踪图像(左)和距离选通图像(右)

德国光电与模式识别研究所将多光谱成像技术引入远距离激光照明选通成像系统，通过构建的验证系统对其成像效果进行了验证，系统组成如图11所示。在验证系统中，采用了两种不同模式的激光器作为照射光源。其中一个输出1．54μm固定波长的激光，其最大输出脉冲能量22．5 mJ，脉冲宽度3 ns，重复频率15 Hz;另外一个输出波长在1．45～1．65μm范围内可调的激光，步长20 nm。在验证系统中，采用了INTEVAC公司的LIVAR400型相机作为接收设备。

图11(a)激光器(b)光参量振荡(OPO)(c)波长调节旋钮(d)2032 mm望远系统(e)LIVAR400型相机(f)InGaAs探测器

通过该验证系统，完成两种照射模式下对距离为2 km的车辆目标的成像效果对比工作，试验获取的图像如图12所示。可以看出，采用可调激光器照射的目标选通图像相对固定波长激光器照射的目标选通图像，图像的噪声显著减小，图像质量得到显著提高。

图12 1540 nm固定波长照射时获取的车辆目标图像(左)可调波长(1450～1650 nm，步长为20 nm)照射时的车辆目标图像(右)

4 发展趋势

通过分析国外远距离激光照明选通成像技术的研究发展动态，可以看出目前该领域技术正在向以下几个方向发展:

(1)1．5μm人眼安全激光照明选通成像技术。与可见光和近红外激光辐射相比，1．5μm激光具有对人眼安全、大气传输性能好、对雾霾和战场烟雾有较强穿透能力、太阳光谱辐照度低和有一定的光电对抗能力等优势。因此，基于1．5μm人眼安全激光的远距离激光照明选通成像技术是目前的研究热点，也是未来的发展趋势。

(2)多种探测跟踪成像系统结合，构建组合式探测跟踪系统。通过与红外热成像系统、电视系统、雷达系统以及其他辅助跟踪系统等的组合，构建组合式探测跟踪系统，可以弥补单一模式的不足之处，大大提高系统的快速捕捉、跟踪和识别目标的有效性，提高系统效率和抗干扰能力。

(3)多光谱成像方向发展。采用不同的波长激光对目标区域进行照明并选通成像，通过目标对不同波长激光的反射率差异，获取目标更高对比度的图像信息，解决单一波长激光照明探测系统图像局部模糊的问题。

(4)目标三维成像技术及自动识别方向的发展。利用距离选通技术对同一军事目标进行分段成像，可以获得目标的三维信息，用于导弹导引头自动跟踪末制导系统中，可以将真假目标及碎片区分开，提高自动攻击武器系统的打击精度等。

5 结束语

随着激光技术、光电探测技术、图像处理技术、自动目标识别技术、高速信息处理等技术的迅速发展，远距离激光照明选通成像技术正在朝着远距离、高分辨、高可靠性的方向发展。该技术被认为是最有潜力的复杂背景下、远距离目标的探测模式，非常适合激光成像雷达、制导和引信等武器系统的应用。一直以来，国外主要军事强国如美国、英国、德国和瑞典等都非常重视该技术的研究，已经研制出了不少样机，而且许多已经装备。国内由于前期投入较少，关键器件受限等原因，尚有多项关键技术未突破。可以预见到，随着国家对此领域的更加重视，研发投入将越来越多，我国的远距离激光照选通成像技术将会有较快的发展。

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