距離選通成像的主要參數調節仿真分析

譚小波,衣文軍,唐武盛,李修建,楊建坤

(國防科學技術大學 理學院，長沙　410073)

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距離選通成像的主要參數調節仿真分析

譚小波,衣文軍,唐武盛,李修建,楊建坤

(國防科學技術大學 理學院，長沙410073)

摘要：距離選通激光主動成像技術能夠很大程度上抑制大氣后向散射和環境光的干擾，獲得高分辨率、高對比度圖像，該技術在目標探測、識別等領域有十分廣泛的應用前景；因此，確定距離選通成像系統參數選取原則很有意義；結合距離選通成像原理，對探測器接收能量和噪聲進行了估算，得到成像信噪比，建立了成像參數模型；進一步結合仿真實驗，對成像的影響因素及主要參數進行了調節仿真分析，最終得到了系統參數選取原則。

關鍵詞：激光主動成像；距離選通；信噪比；參數模型；參數調節仿真

傳統的被動光學成像系統(如微光、紅外成像系統)在黑夜以及煙、霾、雨等惡劣氣象條件下，或者受其他低亮度、大氣傳輸特性差等客觀條件的影響，無法提供高對比度和高分辨率圖像。距離選通激光主動成像技術具有成像清晰、對比度高、穿透能力強、作用距離遠、不受環境光源干擾等優點[1-2]，能夠在復雜背景和氣象條件下獲取目標的圖像、位置信息。該技術在目標探測、識別等領域有十分廣泛的應用前景，能夠在新一代制導和導航技術的發展中發揮重要作用。探究主要參數對成像的影響，對于該成像系統的搭建非常有意義。文章結合距離選通原理，建立了參數模型，對主要參數進行了調節分析，確定了參數選取原則。

1距離選通成像原理

如圖1所示，距離選通激光主動成像技術利用脈沖激光作為照明光源，通過調節激光束的發散角，對遠處待觀測目標全部或者主要特征部位進行照射，然后選擇特定的時間間隔，探測激光脈沖的回波信號，只有當脈沖回波反射到選通相機時，選通門打開，接收到信號后選通門立即關閉[3-4]。如果門控寬度和激光脈沖寬度足夠短，這樣將大部分非目標(大氣中的懸浮顆粒等)反射的光屏蔽掉，大大減少大氣后向散射光對探測的影響，提高了成像品質，實現對目標的高品質成像和精確跟蹤測量。

圖1　距離選通成像原理圖

2距離選通成像參數模型

計算在選通成像過程中，探測器接收到的目標反射能量、大氣后向散射能量以及其他噪聲，得到成像的信噪比，建立成像參數模型，作為對主要參數調節仿真分析的基礎。

2.1CCD像元接收能量的估計

由于探測距離遠大于激光發射器與探測器之間的距離，故可設激光發射器與探測器位置近似重合，發射的單脈沖能量E0，則到達距離Z處的目標平面光斑面積為S(Z)=πα2Z2/4，其中α為激光發散角。

圖2　接收系統坐標系

考慮能量在路徑上的衰減，距離Z處接收到的能量面密度為[6]

(1)

若區域A(X,Y,Z)為云霧，則后向散射的能量為

(2)

其中β(X,Y,Z)為(X,Y,Z)處的后向散射系數，V(X,Y,Z)為后向散射的體積，表達式為

(3)

其中，c為光速，T為選通時間。

探測器接收的區域A(X,Y,Z)產生的后向散射能量為

(4)

其中Af為探測器面積。進而得到最終像元(x,y)接收到的大氣后向散射的能量為

(5)

若進一步考慮脈沖形狀P(t)和探測器增益G(t)，則任一探測器像元接收的光強與目標對應像元成像區域的關系[7]，可以表述為

(6)

其中，Z0為選通區域的起始距離，Z為該像元對應成像目標區域的距離。

則像元(x,y)接收的大氣后向散射的能量為

(7)

若區域A(X,Y,Z)為目標物體，則反射的能量為

(8)

其中r(X,Y,Z)為目標(X,Y,Z)處的反照率。

同理可得最終像元(x,y)接收的目標反射的能量為

(9)

可見，CCD像元接收的云霧后向散射能量和目標的反射能量，具有相同的形式。

2.2成像信噪比的計算

從距離選通激光主動成像的原理可以看出，影響成像的光能量主要包括激光回波、背景光噪聲和系統噪聲[8]。而其中背景噪聲和激光回波中的后向散射噪聲是成像時的主要噪聲部分。另外，成像過程中的系統噪聲如光子散粒噪聲、讀出噪聲、暗電流噪聲等也是不可忽略的部分[9]。

1) 激光回波。激光回波是反射回來進入探測器的激光信號，其中包括由2.1中已得到的像元(x,y)接收的目標反射的能量和大氣后向散射的能量。

2) 背景噪聲。背景噪聲是傳輸過程中目標背景輻射的能量，主要為從太陽、月亮、星體等自然輻射源照射或反射到接收器上的能量[10]。CCD像元(x,y)接收到背景輻射的能量為

(10)

其中，Lλ為背景的光譜輻射；Δλ為帶通濾波器帶寬；Ωr為反射立體角；ρbackgr為背景平均反射系數；T為選通時間；Np為對應探測器的空間分辨率。

該成像系統的信噪比SNR公式為

(11)

其中Es為信號能量的大小，En為噪聲的總能量；Vt為對應探測器的信噪比閾值，通常(10·lgVt)為5 dB。該式子可以進一步寫成：

(12)

其中Enoise為系統中其他噪聲，如暗電流噪聲、散粒噪聲和讀出噪聲等[11]。

綜合以上分析，可以得到SNR公式的最終形式為

(13)

在實際的物理過程中，探測器ICCD接收入射的光子經光電轉化產生光電子，并通過微通道板進行增益進一步放大，最終產生的電子數

(14)

其中QE為量子效率，Kgain為微通道板對光電子的增益系數。

3主要參數的調節仿真分析

仿真實驗中采用的目標物體為平面艦船圖(如圖3所示，右側數據條為相對灰度值)，以便于分析提出的方法的可行性以及各參量的影響。

圖3　目標物體平面艦船圖

路徑上的云霧模型如下：假設云霧厚度不均勻，云層前后表面取了簡單的正弦形狀，假設云層前后表面之間，總粒子數密度均勻分布，云層前后表面的模擬圖像如圖4。這樣的模擬總體上云霧滿足密度均勻但是厚度非均勻(研究光在大氣中的傳輸，主要考慮光的透過率，故可假設為密度均勻，便于計算)，霧滴復折射率的m1=1.317+8.55×10-5i，云滴的眾數半徑4 μm，總粒子數密度100/cm3，粒子半徑服從Deirmandjian譜分布[12]。

圖4　云霧模型示意圖

在后面的仿真實驗中，成像均是從天空穿過云霧向下俯拍的過程，且以下參數為不變參數：接收系統視場角1°×1°，CCD分辨率為100×100，像元大小13 μm ×13 μm，激光發散角為1.5°，云層厚度為50 m，云底距離接收器1 000 m。

3.1入射激光波長的影響

由激光在大氣中的傳輸特性，在傳輸距離相同的條件下，波長越長散射越弱，波長越短散射越明顯[13]。為了分析波長對成像的影響，進行了仿真實驗。參數設置如下：激光脈沖寬度20 ns，單脈沖能量為60 mJ，目標距離接收器2 000 m，選通時間間隔40 ns。分別選用不同的波長參數進行實驗，比較其信噪比的變化，得到的結果如圖5所示；在選定一波長后，通過改變目標與接收器的距離，比較信噪比的變化，得到如圖6所示的結果。

結合圖5、圖6分析，隨著波長的增大，成像的信噪比也增大，這是因為波長增大使得云霧的散射減弱，激光能量的衰減減少，同時云霧后向散射產生的噪聲也減少。但是，在實際應用中，波長并不是越長越好，首先由于大氣對激光的吸收較為復雜，這里沒有考慮大氣的吸收光譜。因此，在該成像系統設計中，要結合大氣的吸收光譜，選擇合適的波長，在實驗技術允許的情況下選擇波長盡量長的光源，減少激光在大氣傳輸過程中的損耗，同時最大限度抑制大氣后向散射的影響，提高系統成像的信噪比。查閱相關資料[12]，1.4～1.9 μm波段為近紅外窗口，其中1.55～1.75 μm透過率較高，在實驗中選取波長為1.6 μm的激光可以取得較好的效果。

圖5　信噪比與激光波長關系

圖6　信噪比隨距離的變化(不同波長的激光)

3.2入射激光單脈沖能量的影響

云層對激光的衰減作用非常強，為了使得從目標反射的激光回波通過云層到達接收器的能量較強，入射激光單脈沖能量應該選得較強。參數設置如下：激光脈沖寬度為20 ns，波長為1.6 μm，目標距離接收器2 000 m，選通時間間隔40 ns。分別選取不同的單脈沖能量進行實驗，比較其信噪比的變化，得到如圖7所示的信噪比與單脈沖能量的關系。

圖7　信噪比與單脈沖能量的關系

從結果看出，單脈沖能量越大，信噪比越高。圖8中的4幅圖像分別為不同單脈沖能量下的成像，通過直觀對比發現，單脈沖能量高的成像對比度和亮度較高，能夠更加清晰地觀察到目標物體的外部特征。因此，選擇激光單脈沖能量較高的能取得更好的成像效果，而在現有實驗條件下，高功率的脈沖激光器激光的單脈沖能量不可能很大，目前可選用單脈沖能量為60 mJ的Er:YAG激光器(1.6 μm)，能取得較好效果[14]。

圖8　不同單脈沖能量下的成像

3.3單幅圖像的脈沖積分次數

本節探討信噪比與單幅圖像中積分脈沖個數的關系。在靜態的距離選通成像系統中，有兩種方法可以降低噪聲提高信噪比。一種方法是對同一選通距離進行多次選通成像過程；另一種方法是在較長時間曝光內進行多次選通，將目標多次回波信號積分到一幅圖像中。兩種方法的區別在于，前者每次回波信號生成一幅圖像，后者將多次回波信號積分成一幅圖像。本節對第二種方法進行了仿真分析，選取激光單脈沖能量為60 mJ，其余參數設置與3.2中相同，選通次數分別從1選擇到100次，得到的結果如圖9所示。

圖9　信噪比與選通次數的關系

隨著選通次數的增加，信噪比也隨之增大，但當選通次數超過約25次后，信噪比增加不再顯著，這是由于增加選通次數對多次回波信號進行積分，這樣雖然增加了信號的強度，同時也使得噪聲(背景噪聲、光子散粒噪聲等)強度增加。所以，在實際成像中，選通次數并不是越多越好，需要視具體情形而定。比如當單脈沖照射目標返回的光子數太少時，達不到探測器的靈敏度閾值，不能有效成像，有必要增加選通次數對多次回波信號積分以達到探測器的靈敏度閾值。

3.4脈沖寬度、探測器寬度以及選通距離的影響

為了分析脈沖寬度和探測器寬度的影響，對三維目標進行了仿真實驗[15]。首先建立如圖10中所示的三維塔形黑白靶作為目標物體，用該模型既能反映反照率信息，又能夠反映深度信息，塔頂距離探測器2 000 m，塔身高度為4 m，每一層的高度為1 m。選取激光單脈沖能量為60 mJ，波長為1.6 μm，目標距離接收器2 000 m。

圖10　三維塔形黑白靶

(1)首先討論固定激光脈寬，改變探測器寬度對目標成像的影響(選通距離為2 000 m)，在實際實驗中，為了讓激光的能量得到充分利用，通常探測器寬度要大于脈寬。因此，首先采用10 ns矩形激光脈沖和60 ns矩形探測器寬度，激光垂直三維目標靶俯拍(對準塔頂中心)，得到的目標俯視圖成像如圖11(a)所示。

保持脈寬10 ns不變，分別減少探測器寬度至30 ns和10 ns，得到目標成像分別如圖12(a)和13(a)所示。可以看到，目標成像出現顯著的層次性，這是由(6)式的IPG(Z)因子引起的，CCD任一像元接收的光強是隨著該像元對應的目標區域的距離而變化的。如圖11(b)、12(b)和13(b)，分別顯示了脈沖寬度均為10 ns，而探測器寬度分別為60 ns、30 ns 和10 ns時的IPG(Z)函數圖像。對于矩形脈沖和探測器寬度，像元相對接收光強隨目標距離變化呈梯形，分為3段：上升區，平臺區和下降區。探測器寬度相對于脈寬越大，平臺區越大，這部分成像強度高且相對穩定。反之，探測器寬度越短，平臺區短，將造成接收光強的層次性變化，因此，探測器寬度減小時，亮度變暗，且不同目標距離處成像的亮度也不同。

(a) 目標成像

(b) IPG(Z)函數圖像

(b) IPG(Z)函數圖像

(a) 目標成像

(b) IPG(Z)函數圖像

(2)同理，如果固定探測器寬度、選通距離，改變脈沖寬度，探測器寬度與脈寬的相對大小改變，也會使得平臺區的大小發生變化，從而成像效果也會受到同樣的影響；如果固定探測器寬度、脈沖寬度，只改變選通距離，平臺區所處的距離必然也會發生變化，進而成像也將受到影響。

綜上，在實際選通成像系統中，要綜合考慮脈沖寬度、探測器寬度以及選通距離的影響，使得IPG(Z)函數圖像中的平臺區盡量包含多的目標區域，這樣才能得到穩定、均勻的目標圖像。

另外，通過以上實驗發現，如果目標處于IPG(Z)函數圖像的上升區或者下降區，其成像效果會出現顯著的層次性。為了更好地研究該層次性出現的原因，將脈寬和探測器寬度均設定為30 ns，然后分別選擇2 000、2 001、2 002 m和 2 003 m 的選通距離，得到的目標成像如圖14所示。

如圖15所示，此時脈寬和探測器寬度相同，IPG(Z)函數圖像只有上升區和下降區，沒有平臺區。這樣使得不同距離的目標區域對應CCD像元接收到的光強是不同的，并且若該目標區域越靠近圖像中的尖頂處(即為所設定選通距離)，則對應CCD像元接收到的光強越大，最后成像越明亮。從圖14中的4幅圖可以看出，圖像中成像最清晰、最明亮的部分即為該選通距離對應的目標區域。利用該原理，通過設定選通距離進行連續采樣，不僅能夠獲得目標的強度像，還能夠通過距離選通得到目標的距離信息。進一步地，當獲取了完整的強度傳遞關系，便可以提取距離向信息，建立包含強度真實分布和距離信息還原的地物圖像，即對目標的三維重建或者深度重建[16-17]。

圖14　不同選通距離下的的目標成像

圖15　選通距離下為2 000 m的IPG(Z)函數圖像

4結論

結合距離選通成像原理，對成像的影響因素及主要參數進行了調節仿真分析，得到了參數的選取原則：應在現有實驗條件下選取單脈沖能量較大的激光器，結合大氣的吸收光譜以及信噪比與波長的關系，選取單脈沖能量為60 mJ、波長為1.6 μm 的Er:YAG激光器；增加選通次數可在一定程度上提高信噪比，特別是對于單脈沖照射目標返回的光子數太少情況，而具體的選通次數的選取要根據具體情況而定；要綜合考慮脈沖和探測器寬度及選通距離使得目標距離處在強度分布函數中的平臺區，這樣才能得到更強、更穩定和均勻的目標圖像。另外，可通過設定選通距離進行連續采樣，獲取目標的深度信息，進而對目標進行三維重建，這是下一步研究的方向。

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(責任編輯楊繼森)

本文引用格式：譚小波,衣文軍,唐武盛,等.距離選通成像的主要參數調節仿真分析[J].兵器裝備工程學報，2016(4):74-80.

Citation format:TAN Xiao-bo, YI Wen-jun, TANG Wu-sheng, et al.Simulation on Adjusting Main Parameters for Range Gated Imaging System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(4):74-80.

Simulation on Adjusting Main Parameters for Range Gated Imaging System

TAN Xiao-bo, YI Wen-jun, TANG Wu-sheng, LI Xiu-jian, YANG Jian-kun

(College of Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

Abstract:Laser range-gated active imaging technology can largely suppress interference from back-scattering of the atmosphere and ambient light and can obtain high-resolution and high-contrast images. The technology has a broad application prospects in the field of target detection, identification and so on. Therefore, it is very important to determine the parameters of the range gated imaging system. Based on the principle of the range gated imaging, the energy and noise that the detector obtains were estimated, and then the signal to noise ratio of the image was obtained, and the parameter model of imaging was established. Furtherly, the influence factors and the main parameters of the imaging system were analyzed through the simulation experiments, and the selection principle of the system parameters was obtained.

Key words:laser active imaging; range-gated; SNR; parameter model; parameter adjusting simulation

文章編號：1006-0707(2016)04-0074-07

中圖分類號：TN249

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.04.019

作者簡介：譚小波(1992—)，男，碩士研究生，主要從事光學圖像采集處理研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(61070040)

收稿日期：2015-09-22；修回日期：2015-10-22

【光學工程與電子技術】