光电雷达距离选通技术.docx

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光电雷达距离选通技术

距离选通激光雷达技术

摘要：

成像激光雷达无论在军用领域还是民用领域日益得到广泛的应用。

其中，激光距离选通成像技术经过数十年的发展，在军事侦察、搜救、监视、水下探测等方面获得重要的应用。

本文介绍了距离选通激光雷达的工作原理，对距离选通激光雷达设计中的关健技术进行分析，给出了几种具备代表性的元件及其指标。

关键词：

激光雷达;同步控制;距离选通;主动成像

引言

1960年世界上第一台激光器诞生以来，激光雷达便以其独特的优势成为雷达研究领域的热门项目，其中无扫描成像是激光雷达发展趋势之一[1]。

一般的成像激光雷达在对水中的目标进行成像探测时，或者陆地探测而大气中含有较多的雨、雾或烟等悬浮颗粒时，就会产生很强的前向和后向散射，又或者在海上、雪地或者白天等环境中探测时，会产生很强的背景光辐射，这些情况都会对成像质量造成严重影响。

为了使激光雷达能在上述情况中也能够很好的工作，人们发明了距离选通技术，并且逐步成为人们研究的热点[2]。

距离选通激光雷达能很好的消除背景光及散射的影响，在上述复杂环境中获得目标的2D强度像，并且经过进一步的数据处理还可以从多幅的2D像中获得关于距离的3D距离像[3]。

距离选通激光成像激光雷达系统属于主动成像，它不仅可以克服被动成像的一些缺点，比如能够获得更高的成像分辨率，不受环境的背景光的影响等；而且同时它也可以弥补主动成像的一些不足，降低大气散射、湍流等对激光脉冲的前行波和回波的影响，使其在水底目标成像和矿产探测，远距离军事目标识别和跟踪方面都可以有很广泛应用[4]。

1成像激光雷达

近年来人们对成像激光雷达的研究越来越关注，并且成像激光雷达有着取代传统微波雷达的趋势[5]。

这是因为激光成像雷达有着微波雷达无法比拟的优势，比如利用激光作为光源可以使雷达系统具有极高的距离分辨率、速度分辨率、角分辨率和很强的抗干扰能力，而且能在烟雾较多的大气中进行探测，还能对位于树林、灌木丛或伪装网后面的目标进行成像探测和识别，这在军事方面有着很重要的应用值；另外对于特定波长的激光雷达可以进行水底探测，便于实现水底矿产或海底地形的开采[6]。

随着激光器体积的小型化，这使得激光雷达系统的体积大大减小，与微波雷达庞大的体积相比较，更加的便于携带和进行移动测量。

而对人眼安全的1.5um波段激光器的出现，预示着成像激光雷达已经可以走出纯军事应用，广泛用于人民生活当中，比如气象学和医疗等[7]。

成像激光雷达按照成像的方式可以分为两类：

一类是非扫描成像激光雷达；另一类是扫描成像激光雷达。

扫描成像激光雷达使用单元探测器对目标进行扫描，最后经过处理获得完整的目标的图像，所以成像速度比较慢，并且由于扫描器的存在使得系统体积较大，不利于携带，但是这种雷达作用距离很远。

非扫描成像激光雷达的探测器一般都是由阵列探测器构成，不需要对目标进行扫描，成像速度很快，但是由于它是利用激光器的泛光照射目标，导致这种系统的作用距离一般比较近。

1.1扫描成像激光雷达

最早的扫描成像激光雷达是由麻省理工学院的林肯实验室于1976年首先研制成功，它采用了平均功率高达12w的二氧化碳激光器作为照明光源，波长10.6um，脉冲宽度100ns，由12个元探测器构成的线阵列探测器对目标进行扫描，获得像素为128×60的图像。

这套系统可以同时获得探测目标的强度和距离信息，其测距方法是较为常见的利用系统发射信号与接收信号之间的时间延迟计算获得。

该系统的距离分辨率为15m，作用距离也只有1.5km。

虽然二氧化碳激光器有较高的功率，能够增加系统的作用距离，但是由于早期的二氧化碳激光器需要较大散热系统，导致该系统体积庞大，笨重，只能用于地面试验。

2001年美国了陆军实验室利用扫描探测实现了对朦胧目标的三维成像。

实验中他们对有树叶等伪装遮蔽的车进行探测，成功的获得了位于遮蔽物后面的汽车的三维像。

他们采用波长1.06um、脉冲宽度1.2ns、重复频率3kHz的Nd：

YAG激光器，探测器是商用的APD，通过电脑控制的反射镜旋转来实现对目标的扫描探测，电脑处理速度达每秒20亿张图像。

但是该系统对50处的目标扫描成一副三维距离像需要40s的时间，并且分辨率只有256×256×256。

这充分表明了虽然扫描成像激光雷达有很高的距离分辨率，但是扫描装置笨重，扫描回波延时使得系统成像时间加长，很难实现远距离目标的实时成像的需求，有很大的局限性。

1.2非扫描成像激光雷达

目前较为常用的非扫描成像激光雷达有以下几种[8]：

基于雪崩二极管（APD）焦平面探测阵列的激光成像雷达，基于线性调频连续波探测的非扫描激光成像雷达，条纹管激光成像雷达[9]，和基于距离选通技术的3D激光成像雷达。

2001，麻省理工学院的林肯实验室完成了4×4的盖革模式的APD的三维无扫描成像激光雷达。

该系统采用的是基于二极管泵浦的调Q固体激光器，它是通过测量每个到达像素点的光束的延迟，来获得该点对应的目标距离，最后经过电脑绘制得到整幅图像的距离。

经过两年研发，在2003年，他们提出了第三代的APD无扫描激光成像雷达，该系统采用是经过倍频的调Q的固体激光器，波长532nm，脉冲宽度700ps。

他们使用的32×32的阵列APD探测器，每个像素由0.35μm的CMOS数字时间电路构成，并且在室温下，单个探测元的量子效率都大于20%，所以在成像效果上有了很大提升，距离分辨率是15cm。

2005年，美国空军基地实验室发表了一种最新的单脉冲闪耀激光三维成像雷达，分辨率128×128，系统的核心是基于模拟和数字处理的多功能集成电路。

该系统使用的是手掌大小的3D摄像器，接收器是前端按有透镜的砷化铟镓PIN探测器阵列。

2距离选通激光雷达

早在20世纪60年代人们就发明了距离选通技术，那时采用红外激光脉冲照射，利用像增强接收器（ICCD）进行接收，制造了最早的激光距离选通成像系统，后来由于系统器件性能的限制就没有继续研究。

到了20世纪90年代，由于人们对成像器件制造技术有了很大的进步，距离选通成像又重新成为了激光雷达研究的热门。

2.1国内外研究发展现状

在美国距离选通技术发展较早，1999年Thomas等人使用微通道板图像放大器的高速快门的各种不同的距离选通实验，照明激光脉冲宽度从6-12ns，波长532nm，获得的距离精度在十几厘米左右，这是较早期的系统，成像距离精度比较低，主要用于水底矿产的探测。

该系统通过直升机携带的机载距离选通激光雷达系统从空中对水底进行成像，可以获得水底的矿产及地形图像。

另外美国许多研究所也一直致力于对人眼安全的1.5um波段距离选通激光雷达探测的研究，而以前一直没有对此波段有响应的光学探测器。

2001年，美国新墨西哥州George利用人眼安全的1.5um光波照射，接受时将光先经过非线性晶体，经二次谐波换成可见光波段，再由ICCD探测，间接地解决了这一波段激光脉冲探测的问题，但是缺点是系统体积偏大，不能满足小型化的要求。

直到2004年，美国普林斯顿大学制作出砷化铟镓焦平面阵列的结合CMOS读出回路的全固态器件，响应波长从0.9-1.7um，对人眼安全的波段1.5um，脉冲宽度为毫微秒的光波有很好的响应，能够直接接受回波信号，不需要进行二次谐波转化。

这使系统的体积小型化，让离选通激光成像雷达能更广泛的民用。

2004年，JensBusck利用了脉冲重复频率32kHz、波长532nm的激光器首次将通过距离选通技术获得的50幅2D灰度图像通过质心算法获得了13.5m处的高的目标的3D距离像。

紧接着2005年，JensBusck又提供了一种新的改进的距离选通成像，实现新型水底3D距离选通激光雷达，获得的图像对比度从0到100并且第一次获得了矩形脉冲的距离精度表达式。

2004年，英国研究人员实现了一种低噪声远距离目标识别的距离选通激光系统，文章中主要是依靠采用小的脉冲宽度提高目标的识别性能，并且采用了APD进行回波接收，降低噪声提高信噪比。

针对利用质心算法获得3D距离像的诸多不足，2007年，法国实现了远距离3D成像距离选通激光雷达的超分辨率成像。

实验中激光光源为宽度2μm的矩形脉冲，选通门时间为4um，接收器为1392×1040的8位灰度ICCD探测器。

通过改变预置时间延迟获得了距离为650m，950m，1250m的三幅强度像，通过对这三幅强度像进行运算可以获得10倍于普通质心算法获得距离精度值。

2009年，该实验室也实现了红外波段激光的超分辨率距离选通实验。

2006年和2007年瑞士防御研究部（FOI）也发表了两篇他们近年来距离选通成像研究的总结，主要包括地表烟雾透过实验和水底实验的成像，2009年实现了收发分置的超短红外波段的距离选通激光雷达系统，并完成了室外地面目标的成像。

2010年，德法联合的圣路易斯研究院的马丁提出了一种李萨——琼斯（Lissajous）的估计矩阵，用它来对距离选通成像系统的距离分辨率和成像能力进行评价，这是一种新的分析距离选通3D成像能的工具。

在国内对距离选通雷达研究也取得了不少成果，对距离选通激光雷达系统的结构和成像性能都有很多研究。

长春光机所的徐效文等人阐述了激光距离选通成像原理，详细分析了距离选通关键技术，指出传统的距离选通同步控制系统中是由计算机统一给出信号，控制激光器和延迟控制电路开始工作。

2005年黎全等详细分析了距离选通激光雷达系统的技术要求，针对系统照明光源，他们分别使用电源调制和机械调制[10]的方法使用氙灯泵浦YAG激光器实现了对675m和1509m距离目标的主动成像。

2008年浙江大学提出高线性精度的远距离三维主动成像与脉冲形状无关。

在实验中他们采用峰值功率达3.6kw的激光二极管阵列照明，中心波长是808nm。

接收器是8位灰度值、分辨率800×600、成像时间50ms的ICCD，选通门时间宽度是3.1um。

2009年，张勇讨论了利用质心理论的距离选通的激光雷达的距离精度,详细分析了距离精度与时间切片数的关系。

2009年哈工大刘敏在《基于距离选通的技术的激光三维成像系统仿真研究》对距离选通的激光雷达成像系统做出了3D仿真实验[11]。

2010，华中科技大学的付波等人分析了基于ICCD的水底距离选通成像系统，针对微通道板的增益进行了讨论，并完成了水底成像。

2.23D距离选通雷达的成像原理

距离选通激光雷达系统如图2-1所示，分为四部分：

脉冲发射部分；成像部分；延迟控制及触发部分；数据处理显示部分。

首先系统的控制器给激光器一个触发信号，激光器发射一个脉冲宽度为tp的光脉冲照射需探测的目标，这时选通门处于关闭状态，如图2-2所示。

同时，出射的光脉冲给触发电路信号，在经过预置延迟时间t0之后，控制器给探测器的选通门一个触发信号打开选通门，这时探测器才打开门接收信号，如图2-3所示。

这时距离选通雷达系统就对距离为ct0/2处的激光回拨进行探测。

根据不同探测器的读出频率不同，在经过多个脉冲的积累后，在探测器成像面上形成了距离雷达系统ct0/2处的目标的2D的强度像。

图2-1距离选通激光雷达系统

图2-2选通门处于关闭时雷达工作图图2-3选通门处于开启时雷达工作图

2.33D距离选通激光雷达关键技术

要实现距离选通激光雷达3D成像需要满足以下几个技术条件：

激光照明光源，同步控制技术，脉冲回拨接收器，距离选通技术，3D距离像获得算法。

（1）激光照明光源。

用作激光雷达系统的激光照明必须满足以下几点要求：

有较高的激光峰值功率，具有很好的大气透过率，以便雷达有很大的作用距离，以满足远距离工作需求。

另外要求激光有较短的脉冲宽度以便减少激光传输过程中的后向散射光。

表2-1给出了常用的激光器的种类以及它们的优点和缺点。

目前一般室内试验采用的是Nd：

YAG激光器，结构简单便于实验平台的搭建。

而外场实验一般采用二氧化碳激光器，它的功率高可以满足远距离目标成像。

表2-1常用激光器分类

（2）接收器。

用作距离选通激光雷达的接收器必须具备以下性能：

首先要有外触发控制选通的功能，较低的噪声，高量子效率，高空间分辨率，大口径，较大的动态增益变化范围。

目前用在激光雷达上的探测器主要有三种：

光子探测器、光纤探测器、固态阵列探测器，而用在成像激光雷达系统上常见的接收器一般都是阵列型的，主要有三类：

雪崩光电二极管（APD）阵列、扫描变像管、像增强型光电耦合成像器件（ICCD）。

目前在距离选通雷达中主要用像增强型光电耦合成像器件，因为它不仅有较高的灵敏度，降低了对激光光源功率的要求，而且微通道板能够实现选通的的控制，同时还能通过调节加到微通道板的电压实现微通道板放大增益选择，后面我们实现线性变化的选通门增益就是利用了微通道板的这一特点。

（3）同步控制技术。

该技术主要是通过延迟触发电路使激光器与ICCD达到同步工作，并且能够控制选通门宽度和延迟时间设置，从而能够满足不同距离目标探测的需求。

同步控制电路主要由控制ICCD微通道板的快门开启和激光照射同步的预置延迟时间控制电路组成，预置时间延迟由需要探测的距离要求决定。

当激光器发射出一束激光后，经过分束镜出射的另一束激光被光电二极管接收，然后给触发器一个信号，是延迟控制电路开始工作，经过预先设置的一段延迟时间后，延迟控制电路会给选通门一个触发信号，使得选通门打开，接收器开始接收回波。

（4）距离选通技术。

通过对预置延迟时间的设置，控制微通道板选通门的开启时间，实现对特定距离目标的回波进行接收的技术。

这项技术能够使激光传输过程中产生后向散射以及背景光的辐射造成成像干扰大为降低。

具体的工作原理是这样的，当出射光波在接收器和目标间行进时，接收器的选通门处于关闭状态，此时激光照射时产生的后向散射及目标的背景光无法进入选通门成像，通过预置的时间延迟当目标反射光到达接收器时，选通门打开，此时回波脉冲被探测器接收，而通过对预置延迟时间的设置则可以控制选择对不同距离目标的反射波进行接收，从而实现不同距离目标回波的选通。

（5）3D距离像的合成算法。

由ICCD探测器获得是目标的强度像，将多幅2D的强度像经过运算处理，我们可以得到目标的3D距离像。

目前用于3D距离成像处理的算法主要由两种：

一种利用质心算法，将不同延迟获得图像的强度与延迟时间取加权平均，得到激光在系统与目标间行进的时间，然后获得目标的距离信息，此种算法获得的距离像的距离精度与系统的设置的时间切片数有关，在低于阈值切片数的情况下距离精度随切片数增加而不断提高，这样导致系统的数据处理量加大，大大减慢了3D距离像的成像速率；第二种是超分辨率成像算法此种算法只需两幅距离强度像就可以得到较高的3D距离像，使数据处理量大大减少，提高了3D距离像成像速率。

2.4超分辨率距离选通3D距离像的获得

远距离3D成像距离选通激光雷达的超分辨率成像，使用的系统结构与一般的距离选通系统相同，如图2-1所示。

不同的主要有两点：

一是采用的激光照明光源不同，这里使用的是微秒量级的宽脉冲激光，而一般距离选通则采用皮秒量级的短脉冲；另外是求解距离的算法不一样，这一点对系统结构没有影响，所以对于超分辨率和一般距离选通系统两者的系统组成基本相同。

超分辨率距离选通系统所使用的是矩形脉冲，矩形函数变化的微通道板增益，并且脉冲宽度为门宽度的一半，这时系统所获得目标的2D强度像随距离变化如图2-4所示。

强度变化曲线可分成三段，第一段是一定距离处目标的回波脉冲到达距离门时，选通门还没开，所以整个脉冲只有一部分进入ICCD成像，而随着距离的增加进入选通门的脉冲就会增加，像的强度就会增加，显然是按照线性增加的；第二段是回波脉冲正好全部进入选通门，这段距离范围内像的强度并不会随着距离为变化，所以在图上是恒定的。

第三段正好与第一段相反，回波脉冲还未全部进入选通门，选通门就已经关闭了，所以当距离继续增加时，进入选通门的脉冲会越少，显然也是按线性规律减少。

我们可以称这三段为增长区，恒定区，下降区。

改变预置时间延迟，使得两幅强度像的时间延迟步长为脉冲宽度。

这样获得两幅目标强度随距离变化的曲线，将它们在一幅图中表示出来如图2-5所示，第二幅图的恒定区正好与第一幅图的下降区重合，这样只需知道下降区某个未知距离的像的强度信息，就可以利用恒定区与下降区构成的三角形的相似性求解出相应的距离，获得目标的距离3D距离像。

图2-4常数增益下距离与强度关系图

图2-5超分辨率成像3D距离像求解示意图

这种方法只需两幅强度像，就使系统的数据存储和处理压力大大减少。

并且距离精度仅依赖于系统对强度分辨能力，即只要系统能够精确地识别某两个距离处目标的强度，那么我们就能够根据距离与强度关系，如下式所示，精确地给出这两点的精确距离信息，从距离上将两点区分开来。

这种距离选通也被称为超距离分率距离选通激光雷达系统。

式中z——目标的距离；

z0——预置延迟时间所对应的距离；

If，i-1，Ip，i——分别为距离z处两幅图像的强度

Δzf,i-1——延迟步长所对应的距离。

3距离选通成像激光雷达发展趋势

国外激光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：

（1）便按式激光照明成像系统的研制。

用于单兵侦察、反恐行动中，可侦察隐藏于建筑物有色玻璃后、伪装网中的目标。

（2）主动照明分布孔径相干探测成像技术研究。

利用激光主动照明、分布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。

（3）多光谱照明成像技术研究。

采用不同波长的激光对目标进行照明成像．利用目标对不同波长激光反射率的差异，可以获取目标的高对比度图像信息，解决单波长激光照明探测获取图像局部模糊的问题。

（4）偏振辙光照明成像探测技术研究。

采用线偏振光对目标进行照明，在成像接收光学系统中设置检偏器，可以获取保偏特性较好目标（如军事目标）的高对比度图像信息。

（5）发展能够绕过拐角或障碍物的遮挡对目标物进行成像的光电技术和装备，国外将此类人眼视觉及光电成像系统成像视场难以直接观察的场景成像称为非视域成像，建立基于激光距离选通成像的非视域成像理论模型、针对非视域成像的激光距离选通成像系统及其控制技术、常见建筑材料的反射/散射特性及其对非视域成像的影响、针对非视域成像的图像处理方法、基于激光距离选通成像非视域成像技术应用拓展等方面进行深入研究，以期对非视域成像系统的研制和应用提供理论指导和关键技术。

参考文献：

[1]韩绍坤.激光成像雷达技术及发展趋势[J].光学技术，2006，32（8）：

494-496

[2]徐效文，郭劲，付有余.距离选通激光主动成像技术研究进展[J].激光杂志，2003,24（5）：

1-3.

[3]Belin,ChristnecherE.DisplayofanAnalyticalModelforBackscatteredLuminanceandaFull-fieldRangeGatedImagingSystemforVisioninFog[J].SPIE,2008,7088：

70880O.

[4]HailanLi,XiaWang,TingzhuBai.SpeckleNoiseSuppressionofRangeGatedUnderwaterImagingSystem[J].SPIE,2009,7443：

74432A.

[5]倪树新.新体制成像激光雷达发展评述[J].激光与红外，2006（36）：

732-736.

[6]刘广荣，黄睿，金伟其.水下探测光电成像技术及其进展[J].光学技术，2004，30（6）：

732-737.

[7]王青梅，张以谟.气象激光雷达的发展现状[J].气象科技，2006，34（3）：

246-249.

[8]严惠民，倪旭翔，陈奇霖.无扫描三维激光雷达的研究[J].中国激光，2000，27（9）：

861-864.

[9]赵宝升，陈敏.采用多狭缝条纹管实现激光三维成像[J].光子学报，2004，33（12）：

1425-1427

[10]刘敏.基于距离选通的技术的激光三维成像系统仿真研究[D].哈尔滨工业大学硕士论文，2009：

9-11.

[11]易明，王晓,王龙.美军光电对抗技术、装备现状与发展趋势初探[J].2006,35（5）:

601-607