基于國產三代微光ICCD探測器的三維激光成像雷達

王濱川,鄭煥東,石 峰

(1.北京動力機械研究所,北京 100074；2.天津津航技術物理研究所,天津300308；3.微光夜視技術重點實驗室,陜西 西安 710065；4.昆明物理研究所,云南 昆明 650223)

1 引 言

隨著光電技術的發展,二維平面光電成像技術日趨成熟,大視場、高分辨、高幀頻、多/高光譜等各具特色的成像產品已在軍事偵察和民用安防、監控、測繪等領域取得了廣泛應用,極大滿足了市場需求。二維平面成像技術的蓬勃發展,使得人們發現從空間到平面映射這一信息降維獲取方式存在諸多弊端,還原空間三維成像信息的需求日趨強烈。激光雷達技術體制天然具有測距的優勢,配合掃描技術或者高規格探測器,可形成三維成像能力[1]。三維激光成像雷達(以下簡稱激光雷達)近二十年來在科研、民用及軍用領域獲得了廣泛關注[2-4]。

掃描式激光雷達[5-6]通過機械掃描或非機械掃描的方法提高目標的二維平面分辨率,結合每一點的測距信息,形成目標的三維空間全貌。掃描式激光雷達對激光器的發射頻率要求高、對掃描機構的線性度與重復精度要求高,掃描圖像易出現失真[7-8]。

無掃描激光雷達[9]以高規格面陣探測器為核心,單幀成像便可獲取垂直于視線的平面二維信息,結合直接/間接測距技術,單幀成像即可獲取目標的三維信息。與掃描方式相比,無掃描激光雷達具有成像固態化、無掃描失真、實時性好與幀頻高的優點[10],同成像規模條件下體積重量小,無運動部件可靠性高。缺點是隨著探測器陣列規模增加,對光源的能量要求成幾何級數增加,目標反射率差異過大容易導致低反射率區域信噪比不足、高反射率區域飽和問題,進而影響測距精度。

核心探測器方面,國外已突破了256×256像元的LM-APDs和GM-APDs[9],而國內研制起步較晚,尚未形成高規格APD面陣探測器。綜合考慮到三維成像高分辨率的需求和系統體積、重量、成本限制,采用基于國產三代微光像增強器的單ICCD相機與像增強器增益調制技術路線[11-12]進行工程樣機研制。本文針對增益調制型三維快速成像激光雷達工程樣機研制的關鍵問題進行研究。

2 增益調制三維成像原理

2.1 增益調制測距原理

三維快速成像技術的核心為面陣探測器的像元測距方法,增益調制測距基本原理如圖1所示,對三維目標實體發射激光窄脈沖能量,利用經過增益調制探測器所接收的圖像像元信息,與未進行增益調制探測器所接收的圖像像元信息進行對比,即可獲取對應像元的距離信息。對整幀圖像數據進行快速處理,獲得每一個像元的測距信息,即可獲取整幅圖像中目標的三維信息。

圖1 增益調制三維成像原理圖

當配置兩個探測器時,一個探測器工作于增益調制狀態、另一個探測器工作于非調制狀態,則發射一次激光窄脈沖能量既可獲得目標的一幀三維圖像；當配置單個探測器時,則需發射兩次激光窄脈沖能量,探測器一次工作于調制狀態、另一次工作于非調制狀態,前后兩幀圖像進行處理,即可獲取目標的一幀三維圖像信息。

2.2 激光發射功率與成像距離

凝視焦平面激光成像測距示意如圖2所示,假設激光發射圓形光斑,能量均勻分布,激光發射光軸與接收光軸平行,位置貼近。激光發射束散角與接收對角線視場角為θ,則距離為R的物體,輻射照度為:

圖2 凝視焦平面測距方程示意圖

(1)

其中,Ps為激光發射功率;ηt為發射光學系統透過率;τa為大氣透過率。設目標為反射率為ρ的朗伯體,則其面輻射強度為:

(2)

為方便分析,假設探測器焦平面為正方形,探測器規格M×M,其接收立體角為θ2/2,對于擴展源目標,接收探測器視場光學前端輻射照度為:

(3)

單個像元對應探測器前端輻射照度為:

(4)

設ICCD像增強器增益為A,則探測器單個像元接收到的功率為:

(5)

可見探測器單位像元接收到的目標反射激光功率與增益A、激光發射功率、光學接收孔徑面積成正比,與探測器像元數M2、目標距離的平方成反比,與視場角大小無關。為實現遠距離探測,需增加激光發射功率、增加光學接收孔徑或者提高ICCD像增強器增益。

面陣探測器三維成像對激光器脈沖功率要求較高,對于512×512規格探測器,對激光能量要求是點源掃描探測的26萬倍。而高幀頻視頻序列三維成像,對激光器連續工作能量輸出的能力提出更高需求。

2.3 測距方程

圖3 理想情況下的圖像增益時序示意圖

(6)

其中,斜率k為常數,(tj-t1/2)

(7)

理想情況下CCD中每一個像元的耦合電量與接收到的光子數成正比,即與像增強器放大后的能量成正比,則該像元的能量,用圖像灰度采樣值計算可表為:

(8)

其中,K為傳感器灰度轉換系數。

在理想情況下激光光源發射特性相同、短時間內大氣傳輸特性相同,則對任意一個像元來說Eopts是恒定值。

因此由式(8)可知對于一個特定的像元,在恒定增益非調制成像時灰度值為:

(9)

同理由式(8)可知,線性增益調制成像時像元灰度值為:

(10)

(9)、(10)兩式相除得:

(11)

由式(11)可求出:

(12)

t為像元接收到激光脈沖能量的時刻,因此該像元與目標的距離為:

(13)

目標與視軸之間的夾角φ可以由光學系統參數、探測器參數計算獲得,于是,該物體與系統之間的垂直距離為:

H=Rcosφ

(14)

3 測距誤差分析

實際中,脈沖激光器每次發射存在不穩定性、ICCD放大接收存在噪聲,物體運動也會導致能量反射差異,傳輸路徑變化會引起回波差異,電路時序控制會形成直接解算誤差,以上均會形成測距誤差,影響三維成像效果,本文對激光發射的差異進行分析研究。

3.1 功率誤差

假設發射激光脈寬穩定不變,功率存在誤差,即式(8)中的i值存在誤差,設相對誤差為Δ,Δ是小量。即調制狀態的增強前功率為i(1+Δ),代入式(9)和式(10)中:

(15)

(16)

可得:

(17)

(18)

對1/(1+Δ)進行一階泰勒展開可得:

(19)

3.2 脈寬誤差

設發射激光脈沖功率相同,但脈寬不同,相對誤差為δ,即調制狀態的時激光發射脈寬為t0(1+δ)。同上可求出:

(20)

(1+δ)2]

(21)

(22)

(23)

對1/(1+δ)進行一階泰勒展開:

(24)

3.3 同能量測距誤差

考察同能量激光脈沖發射情況下的測距誤差,即激光脈沖功率和脈寬之積為恒定,設調制狀態的時激光脈沖功率為i(1+σ)、發射脈寬為t0/(1+σ)。有:

(25)

N2=KEopts(1+σ)t0·

(26)

(27)

(28)

對1/(1+σ)進行一階泰勒展開可得:

(29)

3.4 遠距離高精度三維成像的措施

根據以上分析,為保證一定的成像距離和測距精度,需要采取以下措施:①選用光纖耦合輸出的高功率窄脈沖半導體激光光源；②選用具備脈寬穩定性高、功率穩定性好的激光器；③激光脈沖重頻超過200 kHz,多脈沖回波以相同相位在ICCD焦平面做累計曝光；④選用合理規格的ICCD探測器,不宜盲目擴大面陣探測器規模；⑤系統允許情況下,盡可能增加接收光學系統口徑,獲取更多能量；⑥實際物體反射率差異較大時可通過空間濾波、時域濾波以及動態曝光等方式解決。

4 系統硬件組成與試驗驗證

4.1 系統軟硬件設計

某車載無掃描激光成像雷達硬件如圖4所示,主要有由六部分組成:

(a)產品結構圖

(1)車載穩臺用陀螺；

(2)脈沖光纖激光器；

(3)激光器驅動板；

(4)增益調制三代ICCD；

(5)變焦物鏡；

(6)激光擴束鏡。

系統工作時由外部控制器發送命令給激光器驅動板,驅動窄脈沖光纖激光器輸出激光脈沖,與此同時發送命令給增益調制三代ICCD相機,控制其打開快門的時間,并完成增益調制曝光,輸出數字圖像至外部視頻采集與圖像處理模塊,進行視頻顯示與存儲。

4.2 外場試驗

外場試驗如圖6所示,圖像分辨率720×576,幀頻25 Hz,與目標距離220 m,成像距離分辨率0.005 m,測距精度優于0.01 m。增益調制圖像如圖6(a)所示,非增益調制圖像如圖6(b)所示,三維重建偽彩色圖像如圖6(c)所示。試驗成功驗證了本文分析和措施的有效性。

圖5 外場試驗圖

5 結 論

本文建立了面陣激光三維成像激光發射功率與成像距離的數學模型,并依據增益調制三維激光成像原理,得出測距方程。進一步對激光發射系統的脈寬和功率誤差進行了詳細分析,得出遠距離高精度三維成像的解決措施。根據分析結果指導單ICCD接收工程樣機設計,由外場試驗可知,在220 m遠處獲得了清晰的三維視頻圖像,距離精度優于0.01 m。

未來可進一步提高探測距離,并結合高技術成熟度的掃描技術,形成廣域偵察激光成像雷達。