激光照明距离选通成像技术研究进展

第３７卷，增刊

Ｖ０１．３７Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ

红外与激光工程

ＩｎｆｒａｒｅｄａｎｄＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

２００８年９月

Ｓｅｐ．２００８

激光照明距离选通成像技术研究进展

王寿增，孙峰，张鑫

（华中光电技术研究所，湖北武汉４３００７４）

摘要：阐述了激光主动照明距离选通成像系统的工作原理，介绍了几种正在研制或已经研制成功的激光照明距离选通成像系统，并对激光主动照明距离选通成像技术的应用前景进行了分析．

关键词：激光照明；中图分类号：ＴＮ２４９

距离选通成像；文献标识码：Ａ

应用前景

文章编号：１００７—２２７６（２００８）增（激光探测）一００９５．０５

Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｌａｓｅｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇｒａｎｇｅ－ｇａｔｅｄｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ

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Ｓｈｏｕ－ｚｅｎｇ，ＳＵＮＦｅｎｇ，ＺＨＡＮＧＸｉｎ

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（ＨｕａｚｈｏｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅＥｌｅｃｔｒｏ－ｏｐｔｉｃｓ，Ｗｕｈａｎ４３００７３．Ｃｈｉｈａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｌａｓｅｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇｒａｎｇｅ—ｇａｔｅｄｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ，ｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆｌａｓｅｒｒａｎｇｅ—ｇａｔｅｄｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｈｉｃｈ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇ；Ｒａｎｇｅ—ｇａｔｅｄｉｍａｇｉｎｇ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｕｔｕｒｅ

０引言

根据照明光源的不同，激光主动照明成像系统可分为连续激光主动照明成像系统和脉冲照明成像系统。连续激光主动照明成像系统采用连续半导体激光器对目标进行照明、采用普通近红外ＣＣＤ成像，获取目标的图像信息，系统体积小、质量轻，但作用距离近，无法解决大气后向散射问题。脉冲激光主动照明成像系统采用脉冲固体激光器或脉冲半导体激光器对目标进行照明，采用距离选通相机成像，系统作用距离远，可以消除大气后向散射，近年来得到各国军方的高度重视，发展很快。脉冲激光主动照明成像系统具有以下优点：

（１）可以在低照度、背景复杂条件下获取目标的图像信息，作用距离远；

（２）相同的口径下，与中波、长波红外热像仪相比分辨率更高；

（３）积分时间可达几十纳秒，对安装平台的稳定性要求不高：

（４）具有一定的穿透能力，可以探测隐藏于植被、伪装网中的目标；

国外瑞典国防研究中心（ＦＯＩ）［１－２１，英国ＢＡＥ公司１３】，美国ＩＮＴＥＶＡＣ公司【训、ｎＴ公司、ＯＢＺＥＲＶ公司１５】、麻省理工学院（ＭＩＴ）林肯实验室、德国陆军大学１６】等单位均开展了激光照明距离选通成像技术研究，并已研制成功激光照明成像装备。国内开展激光照明距离选通成像技术研究的单位包括中科院长春光机所１７１、东北光电技术研究所、南京理工大学［８１、长春

理工大掣引、华中光电技术研究所等，目前尚处于理

论研究和实验室验证阶段。

１激光主动照明距离选通成像系统工作原理

距离选通技术是利用脉冲激光器和距离选通相

ｔ■日一・２００８－０５．２９

作者■介ｌ王寿增（１９７７－），男，山东滨州人．工程师。主要从事激光器、激光应用技术研究。Ｅｍａｉｌ：ｃｈｗｐｗｓｈｚ＠１６３．ｃｏｍ

红外与激光工程：激光探测、制导与对抗技术

第３７卷

机，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的

反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在相机选通上作的时间内到达相机并成像。其原理如图１所示。

荚国ＯＢＺＥＲＶ夜视技术公司采用８６０

ｎｍ／８０８ａｍ

半导体激光器及选通型ｉ代ＩＣＣＤ先后研制成功了ＡＲＧＣ一２４００型远距离土动侦察系统及ＡＴＶ－５００型便携式主动侦察系统，其Ｌ｝ＪＡＲＧＣ一２４００对车辆、人及车牌的识别距离分别是１０、５和２ｋｍ，ＡＴＶ－５００对车

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辆、人及车牌的识别距离分别是２

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图２是ＡＲＧＣ一２４００及ＡＴＶ－５００的外形吲ｐ’１ｕｌ。

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图２

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ＡＲＧＣ．２４００（左）、ＡＴＶ－５００（右）激光主动照明系统

ＡＲＧＣ一２４００（Ｌ）、ＡＴＶ－５００（Ｒ）ｌａｓｅｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

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图ｌ激光主动照明距离选通成像系统工作原理示意图

Ｆｉｇ．１Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｌａｓｅｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇｒａｎｇｅ—ｇａｔｅｄｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

使用ＡＲＧＣ一２４００系统观察到的车辆、轮船的图

激光主动照明距离选通成像町以分为４个阶段：（１）激光器发射脉冲激光，激光脉冲向目标方向传输。这时相机的选通门是关闭的：

（２）当激光脉冲处于往返途中时，会受到大气吸收、散射、后向散射和背景辐射等影响，尤其是强烈的后向散射光往往会淹没有用的信号，使相机饱和而无法接收有用的光信号，这时相机的选通门是关闭的，这样就消除了大气中悬浮微粒引起的后向散射光的影响：

（３）当被观察目标的反射光到达相机时，选通门开启，让来自目标的反射光进入相机，选通门开启持续时问与激光脉冲宽度相当；

（４）相机接收完从日标反射回来的激光脉冲信号后，重新关闭选通门，使背景辐射等其他的干扰光不能进入相机，这样形成的目标图像主要与距离选通时间内的反射光有关。如果选通脉冲宽度和激光脉冲宽度都很窄，则接收器只能探测目标附近的反射光，这样回波信号的信噪比大大提高。

像如图３、４所示，其中左边未照明，右边使用了激光照明距离选通技术。

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图４对轮船照明成像（目标距离１．４ｋｍ）

Ｆｉｇ．４

Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇｉｍａｇｅ

ｏｆｔｈｅ

ｓｈｉｐ（ｒａｎｇｅ：１．４ｋｍ）

２典型激光主动照明距离选通成像系统

世界各主要军事强国对激光主动照明距离选通成像系统ｆ－＃重视，纷纷投入巨资进行研制开发。经过近几年的发展，已经形成样机和装备，这些样机和装备主要应用在目标侦察、精确制导和目标识别中。

图５

Ｆｉｇ．５

ＬＩＶＡＲ４０００型激光主动照明成像系统

ＬＩＶＡ４０００ｌａｓｅｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇ

ｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

增刊王寿增等：激光照明距离选通成像技术研究进展

９７

美国ＩＮＴＥＶＡＣ公司从２０世纪９０年代初开始研制ＩｎＧａＡｓ距离选通型ＥＢＣＭＯＳ＊Ｈ）０Ｌ，日前该公司的距离选通相机已经开始在北约盟国的激光主动侦察系统ｔｔｌ应用［４１。图５为ＩＮＴＥＶＡＣ公司研制的ＬＩＶＡＲ４０００型便携式短波２ｒ外激光主动侦察系统，其照明激光采用脉冲人眼安全１．５７ｕｍ激光器，距离选通相机选通门宽最小可达１５０ＲＳ，系统由１２Ｖ电池供电，使用方便。

瑞典国防研究中心（ＦＯＩ）是最早开展激光主动照明距离选通成像技术研究的机构之一，他们对目标和背景的特性进行了深入的研究，收集了大量的试验数据，用于快速地形成形、环境再现等应用。ＦＯＩ使用多种波长的激光对目标进行照明成像试验，得到了不同目标和背景的反射系数，他们还在彳ｉ同的季节进行植被穿透试验，得到了不同波长激光穿透特性的实验数据…Ｊ。ＦＯＩ还对复杂背景卜．的目标提取和识别算法进行了研究，为激光主动照明距离选通成像装备的研制奠定了基础。

英国ＢＡＥ系统公司采用１．５７ｕｍ激光器和３２０×２５６的ＨｇＣｄＴｅ焦平面阵列距离选通相机研制’｜，激光主动照明距离选通成像系统，如图６所示¨Ｊ。其中激光器脉宽２０ｎｓ、重复频率１５Ｈｚ，距离选通相机的距离分辨率为９ｍ，相机灵敏度可达１０个光子。使用该系统，ＢＡＥ公司进行了远距离目标成像试验和隐藏于森林中的目标的穿透成像试验。

Ｒａｙｔｈｅｏｎ公司也研制』，装有激光成像雷达导引头的ＰＡＭ（Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ

Ａｔｔａｃｋ

ＡｔｔａｃｋＭｉｓｓｉｌｅ）、ＬＡＭ（Ｌｏｉｔｅｒｉｎｇ

图７对车辆照明成像

Ｆｉｇ．７Ⅱｌｕｍｉｎ撕ｎｇｉｍａｇｅｏｆｖｅｈｉｃｌｅ

冈８对人照明成像

Ｆｉｇ．８Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇｉｍａｇｅｏｆｍａｎ

美国的ＬＯＣＡＡＳ（Ｌｏｗ

ＣｏｓｔＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＡｔｔａｃｋ

Ｓｙｓｔｅｍ）系统最早由宅军装备实验窀在２０世纪８０年代研制，用于对抗华沙条约组织的装甲编队，冷战结束后，ＬＯＣＡＡＳ系统的打击目标变为伊拉克战争中的运动军事日标，并交由ＬｏｃｋｈｅｅｄＭａｒｔｉｎ公司研制，更名为ＰＬＯＣＡＡＳ（ＰｏｗｅｒｅｄＬＯＣＡＡＳ）。ＰＬＯＣＡＡＳ系统如图９所示，装有固体激光雷达导引头，用于运动目标的自动跟踪、识别，提高了打击的精度。

图９

Ｆｉｇ．９

ＰＬＯＣＡＡＳ系统

ＰＬＯＣＡＡＳｓｙｓｔｅｍ

Ｍｉｓｓｉｌｅ）系统，如图１０所示。

图６

Ｆｉｇ．６

ＢＡＥ公司研制的激光主动照明成像系统

ＬａｓｅｒｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｎｇｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆＢＡＥ

图１０

Ｆｉｇ．１０

ＰＡＭ和ＬＡＭ系统ＰＡＭ

ａｎｄ

ＬＡＭｓｙｓｔｅｍ

使用上图所示激光主动照明距离选通成像系统获取的车辆、人的图像如图７、图８所示，其中左边为中波红外热像仪图像、右边为激光照明成像系统获取的图像。

德国的ＤｉｅｈｌＢＧＴ防务公司正在研制用于拦截

战区弹道导弹的攻击系统¨２１，该系统的导引头由被动红外传感器和主动激光雷达组成，具有自动导引、目

些

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标识别等功能。其１１Ｉ红外传感器与激光甫达兆削一个

研究中心（ＦＯＩ）的研究数据表明，ｌ５７ｇｍ激光对

宙口，在光路－ｔ采用其有波长选｛羊功能的分光镜进行

分光，减小了系统的体积，如罔ＩＩ所不，导引头工

夏季茂密树林的穿透能力在５０ｍ处为２５％，在春秋季为５０％，而在冬季则高达７５％。

蛙后．撒光照明成像系统可降低对安装平台稳定性的要求。距离选通相机的积分时问仅为几十纳秒，也就是说距离选通成像系统获取一帧罔像的曝光时州仅为几十纳秒，在这段时间内平台的振动几乎可以

忽略不计，因此激光照明成像系统对安装平台的稳定性耍求不高，可以减小体积、重量．降低系统成本。

作时，首先由红卅传感器获取较丈桃场的嘲像信息，分辨出特定的目标后川激光进行照射，获取特定目标的高分辨率图像，用１。识Ｈ０和跟踪。

４激光主动照明成像技术的发晨趋势

同外激光土动照明距离选通成像系统已有成熟产品．国内尚处于理论研究和实验室验证阶段．未来

激光照明成像技术的发展趋势是：

酬ｌ】ＤｉｃｈｌＢＧＴ∞务０日ｍ制的￥引头

ＦｉｇＩＩ

（】）便按式激光照明成像系统的研制。用于单兵侦察、反恐行动Ｉ｛Ｉ．可侦察隐藏于建筑物有色玻璃

后、伪装网；｝ｃ的Ｈ标。

（２）Ｈ标二维成像技术研究。利用距离选运技

ＭｉｓｓｉｌｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＤｉｅｈｌＢＧＴｄｅｆｅｎｓｅｃｏｍｐａｎｙ

３应用前景分析

激光主动照明距离选通成像系统具仃作用距离远、分辨率高、具备一定的穿透能力、可以在低照度背景复杂条件下获取目标的阿像信息等优点，在日标侦察、精密跟踪、日标识别等领域具有广阔的应用前

景。

首先，激光照明成像系统可提高侦察系统的作用距离和分辨率。利用激光单色性好、方向性好的特点

术对删年事口标进行分段成像，可以获得目标的三维信息，用Ｊ二导弹导引头自动跟踪束制导系统中，可以将真Ｈ标和假目标及碎片区分开，提高自动攻击系

统的扣山精度，

（３）主动照明分布孔径相干探测成像技术研究。｝４用激光主动照明、分柑孔径相干探测及数字图像处理的办法可以获取日标的高分辨率图像，与非相干被动分柑孔径成像系统相比，调试使用更方便。

（４）多光谱照明成像技术研究。采用不同波长的激光对口标进行Ｊ！ｆｃ明成像．利用目标对不同波长激光反射率的芹异．可以获取目标的高对比度图像信息，解决单波Ｋ激光照明探测获取图像局部模糊的问

题。

向目标发射脉冲激光．可显著提高目标与背景的对比

度，由于脉冲激光器的峰值功率高，距离选通相机的

灵敏度高．因此激光主动照明成像系统可提高侦察系统的作用距离。由于激光主动照明成像系统工作在近

红外波段（８５０ｎｍ、８０８ｎｍ或ｌ５７“ｍ），与３－５”ｍ及８—１２ｕｍ被动红外热像仪相比，在相同口径条件

（５）偏振辙光照明成像探测技术研究。采用线偏振光对Ｈ标进｛一照明，在成像接收光学系统中设置榆偏器，可以获取１１｜｝偏特性较好目标（如军事目标）的高对比度图像信息。

Ｆ，其分辨率更高．可提供目标的高分辨幸图像。

其次，激光照明成像系统町增强侦察系统探测伪装目标的能力。采用距离选通技术，可以对特定距离

上的目标进行选通成像，；Ｕ以消除位ｎ＆通距离之外的目标的干扰。对ｒ隐藏于树林、伪装阿中的目标．

５结束语

文中喇述了撒光卡动照明距离选通成像系统的ｌ：作躲理．舟纲丁国外几种典型激光用明成像系统．并对】ｔ应州前景和发展趋势进行了分析。

激光照明成像系统在对其进行侦察时，可以将选通距

离设定到树林之－ｌ，、伪装网２后，这样就消除了树林、伪装阿的干扰．获取隐藏日杯的蚓像信息。瑞典呵防

增刊王寿增等：激光照明距离选通成像技术研究进展

９９

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