基于国产三代微光ICCD探测器的三维激光成像雷达

王滨川,郑焕东,石 峰

(1.北京动力机械研究所,北京 100074；2.天津津航技术物理研究所,天津300308；3.微光夜视技术重点实验室,陕西 西安 710065；4.昆明物理研究所,云南 昆明 650223)

1 引 言

随着光电技术的发展,二维平面光电成像技术日趋成熟,大视场、高分辨、高帧频、多/高光谱等各具特色的成像产品已在军事侦察和民用安防、监控、测绘等领域取得了广泛应用,极大满足了市场需求。二维平面成像技术的蓬勃发展,使得人们发现从空间到平面映射这一信息降维获取方式存在诸多弊端,还原空间三维成像信息的需求日趋强烈。激光雷达技术体制天然具有测距的优势,配合扫描技术或者高规格探测器,可形成三维成像能力[1]。三维激光成像雷达(以下简称激光雷达)近二十年来在科研、民用及军用领域获得了广泛关注[2-4]。

扫描式激光雷达[5-6]通过机械扫描或非机械扫描的方法提高目标的二维平面分辨率,结合每一点的测距信息,形成目标的三维空间全貌。扫描式激光雷达对激光器的发射频率要求高、对扫描机构的线性度与重复精度要求高,扫描图像易出现失真[7-8]。

无扫描激光雷达[9]以高规格面阵探测器为核心,单帧成像便可获取垂直于视线的平面二维信息,结合直接/间接测距技术,单帧成像即可获取目标的三维信息。与扫描方式相比,无扫描激光雷达具有成像固态化、无扫描失真、实时性好与帧频高的优点[10],同成像规模条件下体积重量小,无运动部件可靠性高。缺点是随着探测器阵列规模增加,对光源的能量要求成几何级数增加,目标反射率差异过大容易导致低反射率区域信噪比不足、高反射率区域饱和问题,进而影响测距精度。

核心探测器方面,国外已突破了256×256像元的LM-APDs和GM-APDs[9],而国内研制起步较晚,尚未形成高规格APD面阵探测器。综合考虑到三维成像高分辨率的需求和系统体积、重量、成本限制,采用基于国产三代微光像增强器的单ICCD相机与像增强器增益调制技术路线[11-12]进行工程样机研制。本文针对增益调制型三维快速成像激光雷达工程样机研制的关键问题进行研究。

2 增益调制三维成像原理

2.1 增益调制测距原理

三维快速成像技术的核心为面阵探测器的像元测距方法,增益调制测距基本原理如图1所示,对三维目标实体发射激光窄脉冲能量,利用经过增益调制探测器所接收的图像像元信息,与未进行增益调制探测器所接收的图像像元信息进行对比,即可获取对应像元的距离信息。对整帧图像数据进行快速处理,获得每一个像元的测距信息,即可获取整幅图像中目标的三维信息。

图1 增益调制三维成像原理图

当配置两个探测器时,一个探测器工作于增益调制状态、另一个探测器工作于非调制状态,则发射一次激光窄脉冲能量既可获得目标的一帧三维图像；当配置单个探测器时,则需发射两次激光窄脉冲能量,探测器一次工作于调制状态、另一次工作于非调制状态,前后两帧图像进行处理,即可获取目标的一帧三维图像信息。

2.2 激光发射功率与成像距离

凝视焦平面激光成像测距示意如图2所示,假设激光发射圆形光斑,能量均匀分布,激光发射光轴与接收光轴平行,位置贴近。激光发射束散角与接收对角线视场角为θ,则距离为R的物体,辐射照度为:

图2 凝视焦平面测距方程示意图

(1)

其中,Ps为激光发射功率;ηt为发射光学系统透过率;τa为大气透过率。设目标为反射率为ρ的朗伯体,则其面辐射强度为:

(2)

为方便分析,假设探测器焦平面为正方形,探测器规格M×M,其接收立体角为θ2/2,对于扩展源目标,接收探测器视场光学前端辐射照度为:

(3)

单个像元对应探测器前端辐射照度为:

(4)

设ICCD像增强器增益为A,则探测器单个像元接收到的功率为:

(5)

可见探测器单位像元接收到的目标反射激光功率与增益A、激光发射功率、光学接收孔径面积成正比,与探测器像元数M2、目标距离的平方成反比,与视场角大小无关。为实现远距离探测,需增加激光发射功率、增加光学接收孔径或者提高ICCD像增强器增益。

面阵探测器三维成像对激光器脉冲功率要求较高,对于512×512规格探测器,对激光能量要求是点源扫描探测的26万倍。而高帧频视频序列三维成像,对激光器连续工作能量输出的能力提出更高需求。

2.3 测距方程

图3 理想情况下的图像增益时序示意图

(6)

其中,斜率k为常数,(tj-t1/2)

(7)

理想情况下CCD中每一个像元的耦合电量与接收到的光子数成正比,即与像增强器放大后的能量成正比,则该像元的能量,用图像灰度采样值计算可表为:

(8)

其中,K为传感器灰度转换系数。

在理想情况下激光光源发射特性相同、短时间内大气传输特性相同,则对任意一个像元来说Eopts是恒定值。

因此由式(8)可知对于一个特定的像元,在恒定增益非调制成像时灰度值为:

(9)

同理由式(8)可知,线性增益调制成像时像元灰度值为:

(10)

(9)、(10)两式相除得:

(11)

由式(11)可求出:

(12)

t为像元接收到激光脉冲能量的时刻,因此该像元与目标的距离为:

(13)

目标与视轴之间的夹角φ可以由光学系统参数、探测器参数计算获得,于是,该物体与系统之间的垂直距离为:

H=Rcosφ

(14)

3 测距误差分析

实际中,脉冲激光器每次发射存在不稳定性、ICCD放大接收存在噪声,物体运动也会导致能量反射差异,传输路径变化会引起回波差异,电路时序控制会形成直接解算误差,以上均会形成测距误差,影响三维成像效果,本文对激光发射的差异进行分析研究。

3.1 功率误差

假设发射激光脉宽稳定不变,功率存在误差,即式(8)中的i值存在误差,设相对误差为Δ,Δ是小量。即调制状态的增强前功率为i(1+Δ),代入式(9)和式(10)中:

(15)

(16)

可得:

(17)

(18)

对1/(1+Δ)进行一阶泰勒展开可得:

(19)

3.2 脉宽误差

设发射激光脉冲功率相同,但脉宽不同,相对误差为δ,即调制状态的时激光发射脉宽为t0(1+δ)。同上可求出:

(20)

(1+δ)2]

(21)

(22)

(23)

对1/(1+δ)进行一阶泰勒展开:

(24)

3.3 同能量测距误差

考察同能量激光脉冲发射情况下的测距误差,即激光脉冲功率和脉宽之积为恒定,设调制状态的时激光脉冲功率为i(1+σ)、发射脉宽为t0/(1+σ)。有:

(25)

N2=KEopts(1+σ)t0·

(26)

(27)

(28)

对1/(1+σ)进行一阶泰勒展开可得:

(29)

3.4 远距离高精度三维成像的措施

根据以上分析,为保证一定的成像距离和测距精度,需要采取以下措施:①选用光纤耦合输出的高功率窄脉冲半导体激光光源；②选用具备脉宽稳定性高、功率稳定性好的激光器；③激光脉冲重频超过200 kHz,多脉冲回波以相同相位在ICCD焦平面做累计曝光；④选用合理规格的ICCD探测器,不宜盲目扩大面阵探测器规模；⑤系统允许情况下,尽可能增加接收光学系统口径,获取更多能量；⑥实际物体反射率差异较大时可通过空间滤波、时域滤波以及动态曝光等方式解决。

4 系统硬件组成与试验验证

4.1 系统软硬件设计

某车载无扫描激光成像雷达硬件如图4所示,主要有由六部分组成:

(a)产品结构图

(1)车载稳台用陀螺；

(2)脉冲光纤激光器；

(3)激光器驱动板；

(4)增益调制三代ICCD；

(5)变焦物镜；

(6)激光扩束镜。

系统工作时由外部控制器发送命令给激光器驱动板,驱动窄脉冲光纤激光器输出激光脉冲,与此同时发送命令给增益调制三代ICCD相机,控制其打开快门的时间,并完成增益调制曝光,输出数字图像至外部视频采集与图像处理模块,进行视频显示与存储。

4.2 外场试验

外场试验如图6所示,图像分辨率720×576,帧频25 Hz,与目标距离220 m,成像距离分辨率0.005 m,测距精度优于0.01 m。增益调制图像如图6(a)所示,非增益调制图像如图6(b)所示,三维重建伪彩色图像如图6(c)所示。试验成功验证了本文分析和措施的有效性。

图5 外场试验图

5 结 论

本文建立了面阵激光三维成像激光发射功率与成像距离的数学模型,并依据增益调制三维激光成像原理,得出测距方程。进一步对激光发射系统的脉宽和功率误差进行了详细分析,得出远距离高精度三维成像的解决措施。根据分析结果指导单ICCD接收工程样机设计,由外场试验可知,在220 m远处获得了清晰的三维视频图像,距离精度优于0.01 m。

未来可进一步提高探测距离,并结合高技术成熟度的扫描技术,形成广域侦察激光成像雷达。