一种基于距离选通方法的激光主动成像系统研究

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1、一种基于距离选通方法的激光主动成像系统研究：该文讨论了激光成像探测系统的基本原理及所涉及的主要关键技术，提出了一种基于距离选通方法的激光主动成像系统，并进行了原理验证试验。试验证明，距离选通方法能有效减少激光成像的后向散射，提高图像的信噪比，可以在全天候、零照度条件下工作。　　关键词：激光成像；后向散射；距离选通技术；CCD　　：TP311：A：1009-3044(2011)11-2645-02　　近年来，夜视技术不断发展，广泛应用于民用和军用领域。根据夜视工作原理不同，夜视系统可以分为两大类：以微光夜视和红外热成像为代表的被动夜视系统和以采用激光或红外灯

2、作照明源为代表的主动夜视系统。　　被动成像系统，隐蔽性好，但工作距离和成像效果受到天空背景照度、气象条件、目标温度对比等诸多限制，在一些特殊的探测领域如远程暗弱目标探测，恶劣气象条件观测，水下目标成像等场合将会遇到极大的困难[1]。　　主动成像系统由于自带照明光源，受外界自然环境的影响较小，成像效果一般比被动系统好。然而，传统的主动式红外夜视系统，由于体积大、重量重、隐蔽性差等缺点，其应用范围在不断缩小。采用激光作为照射光源，利用激光的高亮度、高方向性和高单色性等特点,对远、小、暗目标或其局部进行照射，以增加返回信号的能量,减小背景辐射的影响，提高系统对远

3、、小、暗目标的精确跟踪和成像测量能力,获得远距离目标的高分辨率图像,从而实现对远距离目标的探测。如选用合适的成像波长，还可以应用于水下成像[7-8]，并且可以在无温差、零照度环境中成像。此外还具有抗电磁干扰和抗隐身能力强的特点，被公认为目前最具潜力的复杂背景下的目标探测模式。由于激光在大气中传输时，会受到空气中气体分子和悬浮微粒(雨、雾、烟、尘等)吸收和散射、后向散射、背景辐射等影响。同时，激光束经过远距离传输，又经目标漫反射，实际返回的光能很弱。在能见度较差的情况下，需要增加激光的功率来获得远距离目标的高分辨率图像。而随着激光功率的增加，大气后向散射作用

4、也随之增加，强大的后向散射光会淹没大量的有用信号不能探测和识别目标。本文拟采用脉冲激光器照射目标，通过距离选通技术克服大气后向散射和背景杂光的影响，从而提高成像系统的作用距离。　　1距离选通激光成像原理　　激光器发射很强的短脉冲，对目标进行照射，由目标反射的激光返回到摄像机，在目标反射光未到达摄像机时，摄像机处于关闭状态，当反射光到达摄像机时，选通门开启，让来自目标的反射光进入摄像机。根据所要求的景深，摄像机快门开启一段时间，可以获得从目标反射回来的光所形成的图像，从而排除后向散射光，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。当摄像机接收到从目标

5、反射回来的激光脉冲信号后，再将选通门关闭，使背景辐射等其他的干扰光不能进入接收器，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。如果选通门宽度和激光脉冲宽度足够短，那么就能去除大部分后向散射大大提高返回信号的信噪比。　　本文采用近红外脉冲激光器和开门时间可控的CCD设计出了一种距离选通激光主动成像系统。该系统主要由像增强CCD、脉冲激光器、同步控制电路三部分组成。其结构框图如图1所示。工作过程为：激光电源打开，发射激光，根据目标距离CCD距离和激光器自身延迟时间，由延时电路控制ICCD快门打开，根据图像质量，调节激光束的聚焦状态(发散角)和ICCD镜

6、头，直到接收清晰图像为止。　　2距离选通激光成像主要关键技术　　在距离选通激光成像系统中，涉及到的关键技术主要有：激光器的选择、精确延时控制电路和CCD的选择[2]。　　2.1激光器的选择　　激光器是距离选通激光成像系统的发射器件，它主要用于提供照射目标能量。在此系统中根据成像2km的距离计算，要求激光的峰值功率达到1000），发射波长与固体激光介质吸收峰值易于匹配，电光转换效率高(30%～40%)，工作寿命长（典型值10000h），体积缩小、光束质量好，半导体激光器泵浦更适合激光成像系统。半导体激光器，结构紧凑、转换效率可达30%，但是目前市场上还没有窄

7、脉冲、高亮度的二极管激光器。激光二极管列阵具有效率高、寿命长、光束发散角大等优点，适合于近距离大视场成像探测。　　从激光中心波长分析，激光波长的选择必须综合考虑CCD的光电转换效率、大气传输衰减性能以及镜头的透过率等。从现有的激光成像系统，有采用1.06um近红外、532nm绿光、808或880nm近红外；如果选用工作波长为1.06um的近红外，普通CCD的光电转换效率很低，相对光电转换效率只有0.07％。如果采用相应波段的CCD，价格太高；532nm绿光属于可见光，容易被敌方侦测到。且两者穿透战场烟尘的能力较差。　　综上考虑我们选用808nm近红外的激光

8、二极管阵列。　　2.2精确延时控制电路　　为消除大气后向散射作用，