基于距離選通的非視域成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)

韓宏偉　鐘煒

摘要： 介紹了采用距離選通技術(shù)進(jìn)行非視域成像探測的原理，基于窄脈沖激光器和選通型成像器件搭建了非視域主動成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。以玻璃作為中介反射面，以黑白條紋靶板作為目標(biāo)，對目標(biāo)和周圍環(huán)境處于不同光照情形時(shí)，系統(tǒng)的非視域成像效果進(jìn)行測試。結(jié)果表明，基于距離選通的非視域成像技術(shù)是一種能夠在不同光照條件下實(shí)現(xiàn)對視覺盲區(qū)進(jìn)行有效觀察的成像技術(shù)。

關(guān)鍵詞： 距離選通； 非視域成像； 背景光

中圖分類號： TN 29文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.007

Abstract： The principle of nonlineofsight imaging technology based on rang gated is introduced in this paper， and the experimental system which is composed of shortpulse laser and imaging receiver with gated capability for nonlineofsight imaging is constructed. In the experiment， the glass is selected as the intermdiary reflection plane and the board with white and black stripes is used as the target. The effect of nonlineofsight imaging is tested under different conditions of background illumination on the target and surrounding. The results show that nonlineofsight imaging technology based on rang gated is an effective method to observe the deadzone under various background illumination.

Keywords： rangegated imaging； nonlineofsight imaging； background illumination

引言借助光滑墻壁或窗戶的反射間接成像，以實(shí)現(xiàn)對由于墻壁或街道拐角等遮擋而形成的無法直接觀察的視覺盲區(qū)進(jìn)行觀察的技術(shù)稱為非視域成像技術(shù)[12]。由于能夠繞過拐角或障礙物的遮擋對目標(biāo)成像，該技術(shù)在城市巷戰(zhàn)、反恐、災(zāi)難救援等方面都具有較大的應(yīng)用潛力[2]。瑞典國防研究局（FOI）和德國FGANFOM實(shí)驗(yàn)室于2006—2007年聯(lián)合開展了非視域成像技術(shù)的外場實(shí)驗(yàn)[34]，其實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用1.5 μm波長的激光器和Intevac公司的選通型紅外相機(jī)，配備500 mm的鏡頭。實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)距墻面90 m，激光以30°的入射角照射墻面。當(dāng)以墻面上的窗戶玻璃作為中介反射面時(shí)，可以獲得距離墻面20 m的持槍站立人員和30 m的汽車牌照圖像。當(dāng)激光照射窗戶周圍的墻磚、混凝土和金屬，而探測器仍通過窗戶玻璃接收目標(biāo)反射光時(shí)，可以獲得鋁箔制成的合作目標(biāo)圖像以及非常微弱的30 m處的汽車牌照圖像。2010年，F(xiàn)OI采用Obzerv公司的主動式距離選通夜視系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)采用波長為860 nm的激光器。實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的中介反射面曲率半徑約1.5 m的光潔噴漆曲面（汽車外殼），由于損耗因子較大，只能獲得距汽車1.5 m處的人員圖像[5]。此外，愛爾蘭MIT Media實(shí)驗(yàn)室和國內(nèi)的北京理工大學(xué)都對此技術(shù)展開了相關(guān)研究[2，6]。本文介紹了基于距離選通的非視域成像技術(shù)的原理，搭建了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，對采用落灰玻璃作為中介反射面的情況進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)研究。1基于距離選通的非視域成像原理距離選通又稱時(shí)間切片[7]，是一種通過高精度的時(shí)序控制實(shí)現(xiàn)對視場內(nèi)不同距離目標(biāo)進(jìn)行“切片”采樣的技術(shù)。根據(jù)這一特點(diǎn)，基于距離選通的激光成像系統(tǒng)在大氣和水下光電成像中有著重要應(yīng)用，能夠有效抑制傳輸介質(zhì)后向散射帶來的圖像質(zhì)量劣化問題[8]。光學(xué)儀器第37卷

第3期韓宏偉，等：基于距離選通的非視域成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)

單基距離選通激光成像系統(tǒng)采用窄脈沖激光器作為主動光源照射目標(biāo)，并采用面陣探測器ICCD接收目標(biāo)回波。當(dāng)激光脈沖被目標(biāo)反射且返回成像系統(tǒng)之前，ICCD在時(shí)序控制電路的作用下處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當(dāng)目標(biāo)反射回波達(dá)到ICCD的那一時(shí)刻，ICCD才開始工作，且系統(tǒng)選通門寬等于激光脈沖的脈寬。這樣，在ICCD的整個(gè)曝光時(shí)間內(nèi)，參與成像的光信號幾乎只有目標(biāo)反射的激光脈沖，從而排除了大氣或水體后向散射的影響。探測器選通一次所接收的光信號SGV正比于選通深度G，而選通深度G等于激光脈沖的時(shí)域波形P（t）和探測器的選通函數(shù)W（t）的卷積，即[9]：SGV∝G

G=∫+∞-∞Pt-2zc·W（t-τDelay）·dt（1）式中：z為目標(biāo)距離；c為光速；τDelay為探測器的延遲時(shí)間。根據(jù)距離選通成像技術(shù)利用不同距離的目標(biāo)回波到達(dá)成像系統(tǒng)的時(shí)間差異實(shí)現(xiàn)對特定距離目標(biāo)場景成像的原理，可以構(gòu)建單基距離選通非視域成像系統(tǒng)。其基本思想是以具有較好鏡面反射效應(yīng)的物體表面或光潔的物體表面做中介反射面，利用距離選通技術(shù)消除中介反射面上強(qiáng)烈的1次散射光，使ICCD只捕獲并增強(qiáng)目標(biāo)回波（2次散射光）再經(jīng)過中介反射面達(dá)到成像系統(tǒng)的所謂3次散射光，從而實(shí)現(xiàn)對街道拐角或建筑物內(nèi)部等非視域場景的成像探測。圖1為基于單基距離選通的非視域成像技術(shù)的兩種應(yīng)用模式[34]，其中圖1（a）為在室外街道拐角處，利用對面墻壁或窗戶的反射實(shí)現(xiàn)對同側(cè)目標(biāo)的成像，圖1（b）為在室內(nèi)利用建筑物內(nèi)部的墻壁反射實(shí)現(xiàn)對建筑內(nèi)部場景的成像。

2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

2.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成本文搭建了基于距離選通的非視域成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以玻璃作為中介反射面，對系統(tǒng)在不同背景光條件下的成像能力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由短脈沖激光器、ICCD和控制電路等組成。其中激光器采用BigSky公司的單模脈沖激光器，工作波長532 nm，最大重復(fù)頻率10 Hz，單脈沖能量80 mJ，光脈沖半幅值全寬（FWHM）約為10 ns。脈沖激光通過一個(gè)單透鏡進(jìn)行整形擴(kuò)束，擴(kuò)束倍率可通過放置不同焦距的負(fù)透鏡進(jìn)行改變。ICCD具有快速選通和增益放大的功能。該ICCD采用二代像增強(qiáng)器和透鏡耦合技術(shù)，最小選通門寬1.5 ns，ICCD的增益通過直接設(shè)置像增強(qiáng)器的工作電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，最高值為1 450 V。系統(tǒng)采用外觸發(fā)方式，照明光束通過一個(gè)分光鏡后，一部分反射光進(jìn)入PIN管，從而輸出一個(gè)電脈沖信號。該信號作為時(shí)間基準(zhǔn)信號進(jìn)入DG535，再由DG535產(chǎn)生門控信號控制ICCD的選通。實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示，單基距離選通成像系統(tǒng)位于A房間中，其視場正對對面B房間的窗戶。在單基距離選通成像系統(tǒng)和B房間窗戶之間的走廊上放置一塊玻璃作為中介反射面，其材質(zhì)與窗戶上的玻璃相同。中介反射面中心距單基距離選通成像系統(tǒng)和B房間窗戶的距離分別為5.5 m和6.5 m。目標(biāo)有兩個(gè)，一個(gè)是黑白條紋靶板，如圖3所示，位于走廊中距中介反射面中心15 m C地點(diǎn)，另一個(gè)是滅火器。激光相對于中介反射面的入射角為50°。

2.2相關(guān)圖像處理方法由于目標(biāo)反射光要經(jīng)過中介反射面才能被ICCD所接收，因此對獲得的目標(biāo)圖像首先要進(jìn)行的處理就是鏡像變換。此外，由于非時(shí)域成像技術(shù)基于距離選通的切片成像原理，即ICCD一次曝光只能接收一段距離范圍內(nèi)的目標(biāo)反射光，因此可以通過逐漸增加延遲時(shí)間獲得序列圖像，再將這些序列圖像重構(gòu)來增大系統(tǒng)的景深[10]。本文所設(shè)計(jì)的序列圖像重構(gòu)算法首先將每一幀圖像進(jìn)行非下采樣輪廓波（NTSC）變換，然后對于不同方向的高頻系數(shù)，按相鄰幀取極大值的方法進(jìn)行融合，而對低頻系數(shù)，在按相鄰幀取極大值的方法進(jìn)行融合完成后再進(jìn)行非線性變換以增加圖像銳度和對比度，最后進(jìn)行反NTSC變換得到景深增強(qiáng)后的圖像。3實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)在晚上進(jìn)行，第一輪實(shí)驗(yàn)時(shí)，將中介反射面移開。由于中介反射面與B房間窗戶玻璃的材質(zhì)相同，因此此時(shí)相當(dāng)于以窗戶玻璃作為中介反射面，且入射角為90°，此時(shí)探測目標(biāo)為窗戶外面的樹木（離窗戶最近的樹干距窗戶的距離約為2 m）。實(shí)驗(yàn)中，ICCD的增益設(shè)置為1 100 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。其中，圖4（a）為打開B房間日光燈，不使用激光器，且ICCD工作在連續(xù)工作模式下所獲得的圖像。可以看到，由于窗戶玻璃對日光燈的反射，且室外景物照度較低，無法觀察到室外的情景。圖4（b）為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)工作于距離選通模式，且ICCD延遲時(shí)間設(shè)置為0 ns，選通寬度設(shè)置為20 ns所獲得的圖像。因?yàn)榫嚯x選通成像系統(tǒng)存在固有延遲（約為94 ns），因此此時(shí)成像系統(tǒng)實(shí)際的延遲時(shí)間應(yīng)加上固有延遲。根據(jù)式（1），假設(shè)P（t）和G（t）都具有理想的方波波形，則T玻璃

第二輪實(shí)驗(yàn)時(shí)，將中介反射面移入圖2中所示位置，ICCD增益仍設(shè)置為1 100 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。其中圖5（a）為只打開C處日光燈，不使用激光器，且ICCD工作在連續(xù)模式時(shí)所獲得的圖像。可以看到，如日常生活中裸眼所見一樣，ICCD可以在被動成像模式下獲得目標(biāo)經(jīng)玻璃鏡面反射后的圖像。此時(shí)目標(biāo)板上可分辨的最小條紋寬度為20 mm。但這種情況需要避免背景光的干擾，否則如圖5（b）和圖5（c）所示，當(dāng)打開A處或B處的日光燈時(shí)，由于目標(biāo)板的鏡面反射光通量遠(yuǎn)小于A處燈光的反射光通量以及B處燈光的透射光通量，因此ICCD所獲得的圖像上無法再辨識出目標(biāo)板。使用主動式距離選通成像技術(shù)可以解決這一問題，如圖5（d）所示，當(dāng)設(shè)置延遲時(shí)間為0 ns，選通寬度為10 ns時(shí)，所獲得的圖像為B房間窗戶前一塊方板的圖像。為了獲得放置在走廊上的目標(biāo)板的圖像，需要繼續(xù)增大延遲時(shí)間。如圖5（e）所示為延遲時(shí)間等于20 ns時(shí)的圖像，目標(biāo)板上可分辨的最小條紋寬度為10 mm。比較圖5（a）和圖5（e）可以看出，使用距離選通成像系統(tǒng)所獲得的圖像對比度更高、細(xì)節(jié)更清晰、分辨率更高。

第三輪實(shí)驗(yàn)時(shí)，整體布置同上，但是將目標(biāo)靶板移開，同時(shí)將滅火器放置在距中介反射面中心25 m的地方，滅火器后面是白色墻壁。圖6（a）～（e）為通過逐漸增加延遲時(shí)間所得到的序列圖像，其中步長為1 ns，選通寬度為10 ns。圖6（e）為重構(gòu)后的結(jié)果，可以看到，該圖像包含了序列圖像中的所有目標(biāo)信息，且圖像的細(xì)節(jié)和對比度都得到了提升。

4結(jié)論通過建筑或汽車上的玻璃、平靜的水面等物體表面的反射，實(shí)現(xiàn)對街道拐角或室內(nèi)目標(biāo)等非視域場景的觀察，具有一定的實(shí)際使用價(jià)值。但是當(dāng)場景中存在太陽光或其他光源的干擾時(shí)，被動成像技術(shù)難以勝任這一任務(wù)。采用基于單基距離選通的主動成像技術(shù)，通過合理調(diào)整選通門開啟時(shí)間和寬度，可以有效抑制背景光的干擾，獲得質(zhì)量更優(yōu)的圖像。下一步的工作在于研究光線非確定性導(dǎo)致的目標(biāo)定位不準(zhǔn)的問題。參考文獻(xiàn)：

[1]許凱達(dá)，金偉其，裘溯，等.激光距離選通成像技術(shù)及其組合應(yīng)用模式綜述[J].紅外技術(shù)，2012，34（1）：1623.

[2]徐凱達(dá)，金偉其，劉敬，等.基于激光距離選通成像的非視域成像應(yīng)用[J].紅外與激光工程，2012，41（8）：20732078.

[3]REPASI E，LUTZMANN P，STEINVALL OK，et al.Mono and bistatic SWIR rangegated imaging experiments for ground applications[J].SPIE，2008，7114：119.

[4]REPASI E，LUTZMANN P，STEINVALL O，et al.Advanced shortwavelegnth infrared rangegated imaging for ground applications in monostatic and bistatic configurations[J].Applied Optics，2009，48（31）：59565969.

[5]STEINVALL O，ELMQVIST M，LARSSON H.See around the corner using active imaging[J].SPIE，2011，8186：116.

[6]KIRMANI A，HUTCHISON T，DAVIS J，et al.Looking around the corner using transient imaging[C]∥2009 IEEE 12th International Conference on Computer Vision.Kyoto： IEEE，159166.

[7]郭惠超，孫華燕，都琳.利用時(shí)間切片序列圖像的三維成像距離信息計(jì)算方法[J].紅外與激光工程，2012，41（12）：32583262.

[8]王榮波，鐘森城，李澤仁，等.激光照明水下目標(biāo)距離選通成像系統(tǒng)的研制[J].強(qiáng)激光與粒子束，2013，25（7）：16661670.

[9]LAURENZIS M.Evaluation metrics for rangegated active imaging systems using a Lissajoustype eye pattern[J].Applied Optics，2010，49（12）：22712276.

[10]李海蘭，王霞，金偉其，等.基于多幀水下距離選通圖像的三維重構(gòu)方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（12）：34643470.

（編輯：張磊）