宋巖峰，孫衛(wèi)平，劉 灝

(中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所，陜西西安710065)

1 引言

遠(yuǎn)距離激光照明選通成像技術(shù)作為距離選通激光成像技術(shù)的主要應(yīng)用之一，是在激光主動(dòng)成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。遠(yuǎn)距離激光照明選通成像技術(shù)融合了先進(jìn)的脈沖激光光源技術(shù)、高速選通相機(jī)技術(shù)以及高精度的延時(shí)同步控制技術(shù)等，使得遠(yuǎn)距離激光照明選通成像系統(tǒng)具有作用距離遠(yuǎn)、系統(tǒng)分辨率高、有一定的穿透能力、可以在低照度背景復(fù)雜條件下獲取目標(biāo)的圖像信息等特點(diǎn)，使其在復(fù)雜環(huán)境條件下對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的全天候偵察、精密跟蹤和目標(biāo)識(shí)別等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

在國(guó)外，遠(yuǎn)距離激光照明選通成像技術(shù)得到了世界上各大軍事強(qiáng)國(guó)的重視，許多單位和機(jī)構(gòu)都對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了深入研究，如瑞典國(guó)防研究中心(FOI)［1－4］、英國(guó)的 BAE 公司［5］、美國(guó)的 INTEVAC公司［6］和Goodrich 公司 SUI小組［7］、加拿大的 OBZERV公司［8］、德國(guó)光電與模式識(shí)別研究所(Research institute for optronics and pattern recognition)［9］等，而且許多單位已經(jīng)有裝備研制成功。

在國(guó)內(nèi)，雖然也有一些單位在積極開(kāi)展該技術(shù)的研究，但是由于器件等原因，目前都尚處于理論研究和實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，和國(guó)外相比還有較大的差距［10］。

2 基本原理

遠(yuǎn)距離激光照明選通成像系統(tǒng)通常需要采用高能量的脈沖激光器作為照射光源，對(duì)目標(biāo)區(qū)域發(fā)射激光脈沖進(jìn)行照射;采用高速選通相機(jī)作為成像接收設(shè)備，在極短的時(shí)間內(nèi)完成相機(jī)快門(mén)的開(kāi)啟和關(guān)閉工作;通過(guò)高精度的延時(shí)同步控制技術(shù)，嚴(yán)格控制激光脈沖的發(fā)射和選通相機(jī)快門(mén)開(kāi)啟成像的時(shí)間延遲，使得需要觀察目標(biāo)場(chǎng)景反射回來(lái)的輻射脈沖剛好在相機(jī)選通工作的時(shí)間內(nèi)到達(dá)相機(jī)并成像，從而將不同距離上的散射光和目標(biāo)的場(chǎng)景反射光分開(kāi)，獲得目標(biāo)區(qū)域的清晰圖像［11］。遠(yuǎn)距離激光照明選通成像系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)距離選通激光成像系統(tǒng)原理圖

從系統(tǒng)的分辨率上分析，遠(yuǎn)距離激光照明選通成像系統(tǒng)通常工作在可見(jiàn)光、近紅外及短波紅外波段，相對(duì)中波和長(zhǎng)波紅外等被動(dòng)熱成像系統(tǒng)，在相同口徑條件下，距離選通激光成像系統(tǒng)的分辨率更高，可以獲取更多的目標(biāo)信息;從成像效果來(lái)看，由于距離選通技術(shù)的采用，通過(guò)對(duì)特定距離上的目標(biāo)進(jìn)行選通成像，可以消除位于選通距離之外的背景干擾，將目標(biāo)從復(fù)雜背景中提取出來(lái)，提高對(duì)特定目標(biāo)的成像效果［12］。

3 研究進(jìn)展

在可見(jiàn)光波段，瑞典國(guó)防研究中心(FOI)構(gòu)建了遠(yuǎn)距離激光照明選通成像試驗(yàn)系統(tǒng)，試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。其中，激光光源采用Nd∶YAG激光器，經(jīng)過(guò)倍頻后輸出波長(zhǎng)為532 nm的綠激光，激光脈沖的重復(fù)頻率約10 Hz，工作時(shí)輸出能量約60 mJ，束散角為0．3～0．7 mrad;選通相機(jī)的光譜響應(yīng)范圍為400～900 nm，水平方向分辨率為30 lp/mm，垂直方向分辨率為23 lp/mm，最小選通門(mén)寬為50 ns，相機(jī)的理論空間角分辨率約為10μrad。

圖2 FOI的遠(yuǎn)距離激光照明選通成像試驗(yàn)系統(tǒng)

通過(guò)試驗(yàn)，獲取了7 km和14 km遠(yuǎn)處的卡車(chē)目標(biāo)圖像，目標(biāo)圖像如圖3所示。

圖3 14 km處(左)和7 km處(右)的卡車(chē)試驗(yàn)圖像

需要說(shuō)明的是，F(xiàn)OI在獲取目標(biāo)的選通圖像的同時(shí)，還分別獲取了目標(biāo)的電視圖像、紅外圖像以及通過(guò)選通相機(jī)獲取的被動(dòng)圖像等進(jìn)行了對(duì)比。2005年，F(xiàn)OI在美國(guó)的白沙靶場(chǎng)還對(duì)大氣和目標(biāo)散斑噪聲等因素對(duì)激光照明選通成像系統(tǒng)的影響進(jìn)行了進(jìn)一步跟蹤試驗(yàn)。通過(guò)大量的試驗(yàn)研究，F(xiàn)OI在遠(yuǎn)距離激光照明選通成像技術(shù)方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)，也為其在人眼安全波段的試驗(yàn)研究奠定了很好的基礎(chǔ)。

在近紅外波段，加拿大的OBZERV夜視技術(shù)公司采用波長(zhǎng)為860 nm和808 nm的半導(dǎo)體激光器和選通型三代像增強(qiáng)ICCD先后成功研制成功了多種型號(hào)的遠(yuǎn)距離激光照明選通成像系統(tǒng)，如圖4所示的ARGC－750型和ARGC－2400型DALIS(diode array laser illumination system)。

圖4 ARGC－750型(左)和ARGC－2400型(右)激光照明選通成像系統(tǒng)

通過(guò)試驗(yàn)，ARGC－750型對(duì)典型軍用車(chē)輛(參考尺寸2．3 m ×2．3 m)和人(參考尺寸 1．8 m ×0．5 m)等目標(biāo)的識(shí)別距離分別是4 km和3 km;對(duì)應(yīng)的ARGC－2400遠(yuǎn)距離激光照明選通成像系統(tǒng)的識(shí)別距離則分別是15 km和8 km。OBZERV公司給出了兩組ARGC－2400型遠(yuǎn)距離激光照明選通成像系統(tǒng)的試驗(yàn)圖片。圖5為6．4 km遠(yuǎn)處一條大船的紅外熱圖像和ARGC－2400獲取的激光主動(dòng)圖像。試驗(yàn)圖像表明ARGC－2400型遠(yuǎn)距離激光照明選通成像系統(tǒng)可以清晰分辨船體上17 in的標(biāo)識(shí)字符。

圖5 紅外熱圖像(左)和ARGC－2400獲取的激光主動(dòng)圖像(右)

在短波紅外波段，美國(guó)INTEVAC公司專(zhuān)門(mén)研制了工作在人眼安全波段的短波紅外高速選通相機(jī)，如LIVAR M506型短波紅外距離選通相機(jī)。該相機(jī)采用TE－EBCMOS InGaAs探測(cè)器，像元數(shù)達(dá)到了640×480，響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為950～1650 nm，其中在1．55μm波長(zhǎng)處量子效率大于20%，分辨率大于28 lp/mm，選通時(shí)間約為65 ns，選通門(mén)寬最小可達(dá)70 ns。圖6給出了2 km外目標(biāo)區(qū)域的紅外熱圖像和通過(guò)LIVAR獲取的激光照明選通圖像。LIVAR M506型相機(jī)的外形如圖7所示，需要說(shuō)明的是該相機(jī)已被列為出口受限產(chǎn)品。

圖6 2 km公里遠(yuǎn)處的紅外熱圖像(左)和LIVAR獲取的目標(biāo)識(shí)別圖像(右)

圖7 LIVAR M506

在其短波紅外選通相機(jī)的基礎(chǔ)上，INTEVAC公司推出了LIVAR4000型遠(yuǎn)距離激光照明選通成像系統(tǒng)，如圖8所示。該系統(tǒng)的照射光源為閃光燈泵浦Nd∶YAG激光器，激光器輸出人眼安全的1．57μm脈沖激光，脈沖能量大于10 mJ，重復(fù)頻率2 Hz，束散角1．5～15 mrad內(nèi)可調(diào);選通相機(jī)選通門(mén)寬最小150 ns，分辨率大于28 lp/mm。

圖8 LIVAR 4000

在短波紅外波段，F(xiàn)OI搭建了1．5μm遠(yuǎn)距離人眼安全激光照明跟蹤成像系統(tǒng)。如圖9所示，該系統(tǒng)安裝在一個(gè)隨動(dòng)平臺(tái)上;系統(tǒng)采用INTEVAC公司的短波紅外選通相機(jī)作為接收成像設(shè)備;采用Saab公司IRK－2000型LWIR熱成像系統(tǒng)作為遠(yuǎn)距離目標(biāo)的熱成像探測(cè)跟蹤設(shè)備;采用Saab公司開(kāi)發(fā)的激光測(cè)距設(shè)備作為測(cè)距設(shè)備，同時(shí)兼顧激光目標(biāo)的照射工作。激光光源輸出的脈沖能量約20 m J，重復(fù)頻率10 Hz，脈沖寬度約20 ns，發(fā)散角約 5．5 mrad。

圖9 FOI的1．5μm遠(yuǎn)距離激光照明選通跟蹤成像系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過(guò)熱成像系統(tǒng)完成對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測(cè)和跟蹤任務(wù);通過(guò)激光測(cè)距設(shè)備實(shí)時(shí)完成對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的距離測(cè)量。根據(jù)測(cè)距結(jié)果，系統(tǒng)可以自動(dòng)完成激光成像系統(tǒng)延遲時(shí)間的更新和選通成像，從而實(shí)現(xiàn)在跟蹤模式下對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的激光照明選通成像。通過(guò)該系統(tǒng)FOI成功完成了對(duì)遠(yuǎn)距離飛行目標(biāo)的跟蹤和激光照明選通成像工作，獲取的圖像如圖10所示。

圖10 飛行目標(biāo)的熱跟蹤圖像(左)和距離選通圖像(右)

德國(guó)光電與模式識(shí)別研究所將多光譜成像技術(shù)引入遠(yuǎn)距離激光照明選通成像系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建的驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)其成像效果進(jìn)行了驗(yàn)證，系統(tǒng)組成如圖11所示。在驗(yàn)證系統(tǒng)中，采用了兩種不同模式的激光器作為照射光源。其中一個(gè)輸出1．54μm固定波長(zhǎng)的激光，其最大輸出脈沖能量22．5 mJ，脈沖寬度3 ns，重復(fù)頻率15 Hz;另外一個(gè)輸出波長(zhǎng)在1．45～1．65μm范圍內(nèi)可調(diào)的激光，步長(zhǎng)20 nm。在驗(yàn)證系統(tǒng)中，采用了INTEVAC公司的LIVAR400型相機(jī)作為接收設(shè)備。

圖11(a)激光器(b)光參量振蕩(OPO)(c)波長(zhǎng)調(diào)節(jié)旋鈕(d)2032 mm望遠(yuǎn)系統(tǒng)(e)LIVAR400型相機(jī)(f)InGaAs探測(cè)器

通過(guò)該驗(yàn)證系統(tǒng)，完成兩種照射模式下對(duì)距離為2 km的車(chē)輛目標(biāo)的成像效果對(duì)比工作，試驗(yàn)獲取的圖像如圖12所示。可以看出，采用可調(diào)激光器照射的目標(biāo)選通圖像相對(duì)固定波長(zhǎng)激光器照射的目標(biāo)選通圖像，圖像的噪聲顯著減小，圖像質(zhì)量得到顯著提高。

圖12 1540 nm固定波長(zhǎng)照射時(shí)獲取的車(chē)輛目標(biāo)圖像(左)可調(diào)波長(zhǎng)(1450～1650 nm，步長(zhǎng)為20 nm)照射時(shí)的車(chē)輛目標(biāo)圖像(右)

4 發(fā)展趨勢(shì)

通過(guò)分析國(guó)外遠(yuǎn)距離激光照明選通成像技術(shù)的研究發(fā)展動(dòng)態(tài)，可以看出目前該領(lǐng)域技術(shù)正在向以下幾個(gè)方向發(fā)展:

(1)1．5μm人眼安全激光照明選通成像技術(shù)。與可見(jiàn)光和近紅外激光輻射相比，1．5μm激光具有對(duì)人眼安全、大氣傳輸性能好、對(duì)霧霾和戰(zhàn)場(chǎng)煙霧有較強(qiáng)穿透能力、太陽(yáng)光譜輻照度低和有一定的光電對(duì)抗能力等優(yōu)勢(shì)。因此，基于1．5μm人眼安全激光的遠(yuǎn)距離激光照明選通成像技術(shù)是目前的研究熱點(diǎn)，也是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

(2)多種探測(cè)跟蹤成像系統(tǒng)結(jié)合，構(gòu)建組合式探測(cè)跟蹤系統(tǒng)。通過(guò)與紅外熱成像系統(tǒng)、電視系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)以及其他輔助跟蹤系統(tǒng)等的組合，構(gòu)建組合式探測(cè)跟蹤系統(tǒng)，可以彌補(bǔ)單一模式的不足之處，大大提高系統(tǒng)的快速捕捉、跟蹤和識(shí)別目標(biāo)的有效性，提高系統(tǒng)效率和抗干擾能力。

(3)多光譜成像方向發(fā)展。采用不同的波長(zhǎng)激光對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行照明并選通成像，通過(guò)目標(biāo)對(duì)不同波長(zhǎng)激光的反射率差異，獲取目標(biāo)更高對(duì)比度的圖像信息，解決單一波長(zhǎng)激光照明探測(cè)系統(tǒng)圖像局部模糊的問(wèn)題。

(4)目標(biāo)三維成像技術(shù)及自動(dòng)識(shí)別方向的發(fā)展。利用距離選通技術(shù)對(duì)同一軍事目標(biāo)進(jìn)行分段成像，可以獲得目標(biāo)的三維信息，用于導(dǎo)彈導(dǎo)引頭自動(dòng)跟蹤末制導(dǎo)系統(tǒng)中，可以將真假目標(biāo)及碎片區(qū)分開(kāi)，提高自動(dòng)攻擊武器系統(tǒng)的打擊精度等。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著激光技術(shù)、光電探測(cè)技術(shù)、圖像處理技術(shù)、自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別技術(shù)、高速信息處理等技術(shù)的迅速發(fā)展，遠(yuǎn)距離激光照明選通成像技術(shù)正在朝著遠(yuǎn)距離、高分辨、高可靠性的方向發(fā)展。該技術(shù)被認(rèn)為是最有潛力的復(fù)雜背景下、遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測(cè)模式，非常適合激光成像雷達(dá)、制導(dǎo)和引信等武器系統(tǒng)的應(yīng)用。一直以來(lái)，國(guó)外主要軍事強(qiáng)國(guó)如美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)和瑞典等都非常重視該技術(shù)的研究，已經(jīng)研制出了不少樣機(jī)，而且許多已經(jīng)裝備。國(guó)內(nèi)由于前期投入較少，關(guān)鍵器件受限等原因，尚有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)未突破?？梢灶A(yù)見(jiàn)到，隨著國(guó)家對(duì)此領(lǐng)域的更加重視，研發(fā)投入將越來(lái)越多，我國(guó)的遠(yuǎn)距離激光照選通成像技術(shù)將會(huì)有較快的發(fā)展。

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