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应用激光主动成像探测小暗目标的技术研究

徐效文  
【摘要】:根据有无照明光源,成像系统可以分为主动成像系统和被动成像系统两种。 被动成像系统最大的特点就是本身不带光源,依赖于环境或目标的发光,容易 受到环境光源的影响。主动成像系统采用一个人造光学辐射源(一般为激光器) 和接收器,其接收器用于收集和探测目标景物直接或反射的部分光辐射,具有 成像清晰、对比度高,不受环境光源的影响等优点。 监视、搜索、捕获、跟踪等光电成像探测系统,向来以“被动”成像探测 为主要特点,具有极好的隐蔽性,故不易被对方察觉或识别。然而,在漆黑的 夜晚、空气中含有大量的气溶胶等能见度低的恶劣天气条件下,被动成像系统 即使采用最灵敏的接收器,也很难探测小暗目标。 在背景无温差的情况下,红外成像系统也不能很好的工作。像打印的字符 或其他字符标记(如车牌)等这类的目标,就是很好的与背景达到热平衡的例 子,用红外成像系统通常不能从背景中辨认出打印的字母。 被动成像系统不能正常工作的主要原因是返回信号的能量极其微弱。增加 辅助照明是克服这种缺点的有效方法。采用一个人造光学辐射源(通常为 激光器)对小暗目标实施照射,以增加返回信号的光能。但是,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、烟和尘等)吸收和散射、 后向散射、背景辐射等影响。 激光束经过远距离传输,又经目标漫反射(在立体角π内都反射能量), 实际返回的光能很弱。在能见度较差时,为了得到远距离目标的高分辨率图像, 需要增加激光的功率。随着激光功率的增加,后向散射光也随之增加,有用的 信号甚至会被强大的后向散射光所淹没,不能探测和识别目标。因此,如何有 效地克服后向散射是激光主动照明成像系统必须解决的关键问题。 采用脉冲激光对远距离目标实施照明,用距离选通技术克服后向散射光, 就可以克服传统的被动成像许多缺点,可以在全天候下探测和识别目标,具有 成像清晰、对比度高、不受环境光源的影响等优点。 本文分析了激光在大气中衰减特性,分析了后向散射对激光主动照明成像 系统的影响,提出了距离选通技术是克服后向散射的有效方法。详细地阐述了 激光距离选通成像的原理及其系统组成,分析了激光距离选通成像关键技术, 提出了距离选通同步控制技术,分析了脉冲激光器与选通接收器的两种同步方 式(内触发方式和外触发方式)的优缺点。设计了激光距离选通成像系统的触 发信号产生电路,以基于CPLD器件的单稳态触发器为基础设计了激光距离选 通成像系统同步控制电路。建立了激光距离选通成像系统两种模型,即简单照 明模型和基于像素的激光雷达模型。对于简单照明模型,模拟了作用距离与激


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