三维成像激光雷达的隐伪目标探测技术*1



三维成像激光雷达的隐伪目标探测技术*1

史要涛1，赵文1，于临昕1，张燕1，柯才军1，王晓剑2

(1.湖北航天技术研究院 总体设计所，湖北 武汉430034； 2.北京信息高技术研究所，北京100085)

摘要：复杂战场环境下有效探测地面隐伪目标是提高导弹作战效能的关键。针对现有APD阵列大小受限问题，提出了一种利用高空间分辨率的二维焦平面阵列和低空间分辨率的APD阵列进行联合探测技术，仿真实验结果表明，该技术可以实现高分辨率的三维成像，为现有的基于高分辨三维激光雷达的隐伪目标探测技术提供了一种可行性方案。

关键词：三维成像；激光雷达；隐伪目标；高分辨；期望最大化

0引言

复杂战场环境下，如何探测和识别地面隐伪目标是提高弹道导弹作战效能的关键[1-3]。战术导弹在打击受隐藏、伪装、干扰等影响的目标时，现有末制导手段难以有效分离识别目标，无法对有价值目标实现精确打击，其本质原因是现有末制导手段采用的是二维成像探测体制。然而二维成像只能探测空间域的强度信息，无法对隐藏和伪装目标进行有效识别。新斗争形势亟需提高对打击目标的精确三维探测能力，进一步提升战术导弹末制导系统的精确辨识能力和抗干扰突防能力。

由于受到弹载高速平台的限制，解决上述问题一般可采用成像速度快、分辨率高的大面阵APD阵列探测器[4-6]。而此类探测器受限于集成电路工艺的限制，国内无此类器件，且国外限制进口，无法获得。如何利用小面阵APD阵列获得高分辨率的三维图像，在现阶段具有实际意义。本文针对小面阵APD阵列三维成像问题，提出了一种利用高空间分辨率的二维焦平面阵列和低空间分辨率的APD阵列进行联合探测技术，分析了联合探测成像激光雷达回波信号模型，提出了一种基于期望最大值算法(expectation maximization,EM)的二维和三维关联算法。仿真实验结果表明，该技术可以实现高分辨率的三维成像，为现有的基于高分辨三维激光雷达的隐伪目标探测技术提供了一种可行性方案。

1三维非扫描激光雷达/二维焦平面阵列联合探测原理

三维非扫描激光雷达/二维焦平面阵列联合探测原理如图1所示。

图1　三维非扫描激光雷达/二维焦平面阵列联合　　　探测原理示意图Fig.1　Schematic of 3D flash lidar/2D focal　　　plane array joint detection

脉冲激光经发射光学系统准直、整形和扩束后照射到目标场景上，接收光学系统收集目标回波信号，分别投射到接收端的APD阵列和焦平面阵列上，读出集成电路(read out integrated circuit,ROIC)对APD阵列中每一个像元的数据进行并行处理，每个像元单独测量激光脉冲的往返时间、目标方位、目标强度信息，从而得到低分辨率目标的三维图像。二维焦平面阵列对选通门范围内的目标成高空间分辨率的强度像，数据处理单元对距离像和强度像进行关联解算，从而得到高分辨率的三维图像。高分辨三维图像形成思路如图2所示。

图2　高分辨三维图像形成思路图Fig.2　High resolution 3D image formation diagram

典型的基于APD阵列的三维非扫描激光雷达主要有2种工作模式[7-10]，第1种模式是触发模式，即探测阵列的每个像素通过设定阈值单独触发，这种模式受回波波形的干扰较大，但不需预先知道目标距离范围；第2种模式是采样模式，即所有像素在距离门范围内对回波信号进行同时采样(即全波形测距)，这种模式可以连续地捕获目标和背景的细节信息，但需要预先知道目标距离范围，在实际的三维非扫描激光雷达成像应用时，可以先采用触发模式探测到目标的大致距离范围，然后利用采样模式跟踪和确认目标[11]。

2二维和三维联合探测回波信号模型构建

本文是通过将高空间分辨率的二维强度图像与低空间分辨率三维图像数据融合的方法，实现高分辨率三维成像。因此在回波信号建模时，涉及到二维焦平面阵列强度图像数据和三维回波脉冲数据2个模型。

二维焦平面阵列强度图像数据：

在距离门范围内，目标回波脉冲的强度信息A(x,y)通过二维焦平面阵列成像系统获得，采用Lucy-Richardson反卷积算法[12-13]估计目标各像素点的强度，即

(1)

式中：(m,n)为二维焦平面阵列探测器坐标；(x,y)为目标平面坐标；N×N为二维焦平面探测器阵列大小；d(m,n)为退化图像。

三维回波脉冲数据模型：

在激光主动探测领域中，回波信号主要采用高斯模型，则基于APD阵列探测的三维非扫描激光雷达回波信号脉冲为

ο(x,y,rk)=A(x,y)p(x,y,rk)，

(2)

式中：

(3)

式中：A(x,y)为距离为r(x,y)的目标回波信号强度；p(x,y,rk)为距离为r(x,y)的回波信号波形；σpd为高斯脉冲宽度的标准偏差；rk代表三维非扫描成像激光雷达的距离采样能力。

探测器在采样间隔内探测的信号光子和噪声光子都近似服从泊松分布。则APD 阵列探测器接收光子数的联合概率密度分布函数(probability density function,PDF)为

P[D(z,w,rk)=d(z,w,rk);∀z,w,k]=

(4)

式中：

B(z,w)，

(5)

式中：(z,w)为APD阵列探测器坐标；K为欠采样因子[9]；M×M为APD探测器阵列大小。

3二维和三维关联解算算法

本文采用EM算法进行二维和三维的关联解算，主要分2步完成：E 步骤：构建完备数据和不完备数据，并建立完备数据和不完备数据之间的统计关系，寻找完备数据对数似然函数的期望值；M步骤：迭代最大化完备数据对数似然函数期望值，得到脉冲和噪声的迭代关系式。最后利用构建的采样数较多的脉冲与采集的脉冲进行互相关运算，得到目标的距离信息。

通过EM算法推导得到脉冲和噪声的迭代关系式为

(6)

式中：

(7)

(8)

迭代停止条件：

(9)

算法步骤如下所示：

(1) 初始化A(x,y)和B(z,w);

(2) 初始化距离r(x,y)，从而得到初始化脉冲p(x,y,rk)；

(3) 通过式(1)得到目标强度信息A(x,y)；

(4) 通过式(6)和(8)进行迭代，直到满足迭代停止条件式(9)，估计出p(x,y,rk)和B(z,w)；

(5) 通过归一化互相关距离估计方法得到目标的距离估计r(x,y)。

4仿真实验结果与分析

为验证本文提出的二维和三维联合探测技术的可行性，对典型的飞机目标进行了仿真实验验证，假定目标位于系统正前方且目标为朗伯反射体，仿真参数如表1所示。

表1　三维非扫描激光雷达/二维焦平面成像仿真参数

由表1可知，APD阵列大小为10×10，焦平面探测器阵列大小为50×50,则欠采样因子K=5，图3分别给出了2种不同目标的原始三维像和小面阵APD阵列得到的三维像。

图3a)为典型的飞机目标，距离成像系统最近的点的距离为300.4 m,图3b)为典型飞机目标的低空间分辨率三维图像。由图3可以看出，小面阵APD阵列成像会导致目标信息的大量丢失。

图4给出了通过传统的邻近插值、线性插值、双三次插值[14-15]和本文提出的关联解算算法得到的目标三维图像。

从图4可以看出，采用传统的插值算法时，目标的距离信息丢失严重。一些目标的特征信息在使用传统的插值算法时得不到复原，采用领近、线性和双三次插值算法时，飞机的机头和机尾的细节信息基本丢失，这会对后期的距离像的目标识别带来严重影响。本文提出的关联解算方法对二维和三维联合成像的三维像重建精度有明显的提升作用，图4中的飞机在采用了EM 算法进行复原后，机头和机尾的细节信息得以显示，对后期的目标识别有很重要的参考价值。

图3　典型飞机目标三维像及小面阵APD阵列三维像Fig.3　3D image of plane and low resolution 3D image

图4　不同算法的典型飞机目标三维像Fig.4　3D image of plane with different algorithms

5结束语

本文针对复杂战场环境下的隐伪目标探测问题，提出了一种基于小面阵APD阵列和大面阵焦平面阵列联合探测的体制，分析了联合探测体制的回波信号模型，提出了一种基于EM的二维和三维的关联解算方法，通过仿真验证了该联合成像探测体制的可行性。下一步，拟对以下关键技术进行攻关：隐伪目标激光探测系统设计技术；二维和三维图像融合技术；高效快速高分辨三维图像重构技术；三维图像实时显示和处理技术；高分辨二维和低分辨三维联合探测系统设计技术；系统集成与测试技术。

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Camouflage Target Detection via 3D Flash Imaging Lidar

SHI Yao-tao1, ZHAO Wen1, YU lin-xin1, ZHANG Yan1, KE Cai-jun1, WANG Xiao-jian2

(1.System Design Institute of Hubei Aerospace Technology Academy,Hubei Wuhan 430034,China;2.Beijing Information High Technology Institute, Beijing 100085,China)

Abstract:The camouflage target detection technology has played an important role in improving missile effectiveness in complicated battlefield environment. Aiming at the problem of limited size of APD array, a technology using high spatial resolution 2D focal plane array and low spatial resolution 3D APD array for joint detection technology is proposed. Simulation examples show that this technology can achieve high resolution 3D imaging, providing a feasible scheme for existing camouflage target detection technology.

Key words:three dimensional imaging; lidar; camouflage target;high resolution;expectation maximization

中图分类号：TN958.98；TJ76；TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-05-0007-05

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.002

通信地址：430034湖北武汉东西湖区金山大道九号中国航天三江集团E-mail：Sythn2002@163.com

作者简介：史要涛(1983-)，男，河南登封人。高工，博士，主要研究方向为新型光电探测技术。

基金项目：有

*收稿日期：2014-10-10；修回日期：2015-02-06