条纹管激光三维成像技术分析

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题研究的目的和意义激光具有良好的空间相干性和时间相干性，激光一问世，人们就考虑激光在军事上的应用。激光雷达比传统微波雷达系统的分辨率高许多。由于光学成像法所依靠的是从物体上反射回来的光，所以图像的分辨率与接收系统所采用的口径成正比。口径越大，所生成的图像的分辨率就越高，这是光学[1]系统的一大优点。此外，光学系统的性能改进费用也不是很高。自1964年美国率先研制成功用于导弹靶场的激光跟踪测量雷达以来，美国、英国、法国、德国、日本等，先后研制了多种军用激光雷达，其中大部分已完成外场

2、实验，有的已投入生产和装备使用。如今军用激光雷达已走出实验室，逐[2]步成长壮大。成像激光雷达由于具有极高的角度分辨率和距离分辨率，可以同时成目标的强度像和距离像，还可以成高分辨率的三维图像，所以很适合于在军事[3-4]上发展智能武器。成像激光雷达在军事中的应用很广，如小型灵巧炸弹和巡航导弹的精确制导；巡航导弹的地形跟随和障碍物回避、导弹下视测高；水下鱼雷探测和识别；战场中敌我识别；目标跟踪；目标瞄准；导弹防[5-11]御；直升机避障；飞行器导航；空间探测等。成像激光雷达按有无照明光源可以分为主动成像雷达和被动成像雷达，[12

3、]但这两种雷达都是采用灵敏的光学探测系统作为雷达的接收装置。本课题所研究的对象就是成像激光雷达接收端所用到的一种新型三维像（三维像+强度像）探测设备——条纹相机。其核心器件条纹管是基于高速光电偏转原理，使瞬态光电子在高速偏转场的作用下，随时间扩展为空间分布，再增强摄像处理的一种技术。条纹相机的时间分辨率可以达到皮秒量级，传统上[13-16]主要应用于光脉冲、冲击波、等离子演变等超快过程的诊断和测量。它输出的是条纹状图像，条纹相机因此而得名。条纹相机的这种具有高时间分辨能力的特性使得它在激光雷达回波探测应用上有着独特的优势。--

4、1哈尔滨工业大学工学硕士学位论文1.2国内外在该方向的研究现状及分析纵观激光成像雷达技术的发展，从功能方面看，大体可分四个阶段：第一阶段是最早最简单的测距机，第二阶段激光技术主要用于测距的跟踪测量；第三阶段采用了相干检测技术，增加了测速手段；第四阶段是正在发展的非扫描成像和多普勒成像技术，它具有高精度识别、跟踪、测量提供图像、测得目标姿态和滚动速度等多种综合功能。激光三维成像技术分辨率高，可以采集三维数据，如方位角—俯仰角—距离、距离—速度—强度，并将数据以图像的形式显示，获得辐射几何分布[17]图像、距离选通图像、速度图像等

5、。1989年，美国的F.K.Knight等人首先演示了用单狭缝条纹管扫描方[18]式实现16×16像素的激光雷达系统。近十几年，国外相关实验室和研究机构都在努力进行这方面机理和关键器件的研究。目前，从现有的文献来看，美国国家海洋管理局（NOAA）已经能够实现64×64像素的非扫描激光成像雷达系统，成像的距离误差小于2.5%，图像处理速度可达到每秒[18]100帧。1999年六月，美国国家海洋管理局经过授权和美国空军研究实验室签订了STIL第一阶段的研究合同。第一阶段的目标是验证用条纹管成像雷达（STIL）得到可应用于导弹自动目

6、标搜索/识别（ATA/R）的三维图像。第一阶段测试的数据分析结果直接显示了STIL成功显示了目标的三维像和强度像，这个图像完全符合导弹自动目标搜索/识别的要求。第一阶段的实验是在地面上完成的。图1-1、图1-2是MSTIL分别对60m和1000m目标的静态成像实验结果，从中可以看出，MSTIL既能够给出高分辨率的强度像，还能给出高精度的三维几何像，同时获取4种信息（3D+强度），这正是激光成像技术的优势所在。a)三维距离像b)目标强度像图1-1利用MSTIL对60m目标成像实验结果Figure1-160mMSTILimagin

7、gresults--2哈尔滨工业大学工学硕士学位论文a)1000m处目标－C130运输机b)三维距离像c)目标强度像图1-2利用MSTIL对1000m目标成像实验结果Figure1-21000mMSTILimagingresultsSTIL计划的后期，NOAA对其进行了拓展，发展用于机载的高性能激光成像雷达，开展了ASTIL（AirboneSTIL）计划，研究目标是高性能机载侦察雷达。图1-3是其获得的对地貌成像的结果。图1-3利用ASTIL获取的地貌条纹像及雷达图像与照片的对比Figure1-3comparephotosto

8、ASTILimageofphysiognomy美国海军（Navy)也选择MSTIL方案，搜索海下隐藏物，如水雷等。传统的水声探测虽然探测的范围广，能够探测到雷状的物体，但不能分辨所探测的物体是否是真的水雷，误报率高。采用MSTIL的目的就是分辨所探测到的雷状物体，是否是真的水