（信号与信息处理专业论文）海上搜救目标选通成像技术的研究.pdf

中文摘要 摘要 随着国际国内贸易、航运和旅游事业的快速发展，海上船舶海难事故和人员 伤亡日益增多。及时有效的海上搜救工作是保障人民生命财产安全的需要，也是 保障航运安全、维护社会稳定的需要。目前我国的救助设备还相对落后，受海况 和能见度影响很大，导致救援工作难以开展。本文结合海上成像特点，以距离选 通技术为理论基础，设计了海上搜救目标选通成像系统，为海上救助事业提供了 新的搜救方法。 海上搜救的前提是进行目标探测，距离选通成像技术采用激光器和选通式相 机，可以克服传统被动成像系统受天空背景照度、气象条件影响及成像距离短等 缺点，同时可以有效的抑制大气后向散射对成像的影响。与其他成像方式相比具 有成像清晰、对比度高、不受天气条件限制等优点，适用于海上搜救。 论文以海上搜救目标为研究背景，以距离选通激光主动成像技术为理论基础， 设计了海上搜救目标选通成像系统；利用a l t e r a 公司的飓风系列高性能f p g a 设 计选通控制电路，实现了选通距离可调、输出选通脉冲宽度可调等功能，且精度 可达纳秒量级；完成了选通成像图像的初步处理工作，利用o t u s 算法实现了海天 线分割，实现了图像的伪彩色变换，使图像更利于入眼观察，并初步讨论了基于 距离选通的三维图像处理方法；设计软件系统，实现了基于串口通信的选通成像 距离的上位机设置，及图像处理算法。 初步实验和仿真结果表明该系统的技术途径是可行的，达到了预期效果，为 开发具有实际应用功能的海上搜救成像系统打下坚实的技术基础。 关键词：海上搜救；距离选通；同步控制电路；图像处理 英文摘要 r e s e a r c ho nr a n g g a t e di m a g i n gt e c h n o l o g yo f d e t e c t i n g o b j e c t so nt h es e a a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n t e r n a t i o n a lt r a d e , s h i pa n dt o u r i s m , t h e s h i p w r e c ka n dp e r s o n n e lc a s u a l t yi n c r e a s eg r a d u a l l y 砀ep r o m p ta n de f f e c t i v em a r i n e r e s c u en o to n l yc a l ls a f e g u a r dp e o p l ep e r s o n a ls a f e t ya n dp r o p e r t y , b u ta l s oc a n s a f e g u a r ds h i p p i n gs e c u r i t ya n dm a i n t a i nt h es o c i a ls t a b i l i t y a tp r e s e n t , t h er e s c u e e q u i p m e n to f0 1 1 1 c o u n t r yi sr e l a t i v eb a c k w a r d n e s s ，w h i c hw i l li m m e d i a t ei n f l u e n c e r e s c u er e s u l t t oi m p r o v et h er 镐c u ee f f i c i e n c y , t h ei m a g i n gc h a r a c t e ro nt h es e ai s a n a l y z e d , t h er a n g - g a t e dt e c h n i q u ei su s e da sr a t i o n a l e , t h es y s t e mo fr a n g - g a t e d i m a g i n gt e c h n i q u eo fd e t e c t i n go b j e c t so nt h es e ai sd e s i g n e d , w h i c hw i l lp r o v i d ean e w r e s c u em e t h o df o rs a l v a g e 1 1 圮p r e c o n d i t i o no fr e s c u eo nt h es e ai so b j e c td e t e c t i n g r a n g - g a t e dt e c h n o l o g y u s el a s e ra n di c c d ，w h i c hc o u l do v e r c o m ed i s a d v a n t a g e so ft r a d i t i o np a s s i v ei m a g i n g s y s t e ma n da l s oc o u l de f f e c t i v e l ys u p p r e s st h ei n f e c t i o nb r o u g h tb ya t m o s p h e r i c b a c k s e a t t e r i n g c o m p a r ew i t l lo t h e ri m a g i n gm e t h o d , t h er a n g - g a t e dt e c h n i q u eh a s a d v a n t a g e so fh i g hi m a g i n gq u a l i t y , h i g hi m a g i n gc o n t r a s ta n dw i l ln o tr e s t r i c tb y w h e t h e rc o n d i t i o n s ot h er a n g - g a t e dt e c h n o l o g yi ss u i t a b l et ob eu s e di nr e s c u eo nt h e s e a 1 1 地p a p e rt a k e sr e s c u eo nt h es e aa sr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t a k e st h er a n g - g a t e dl a s e r i n a c t i v ei m a g i n gt e c h n o l o g ya st h e o r i e sf o u n d a t i o n , d e s i g n e dt h es y s t e mo fr a n g - g a t e d i m a g i n gt e c h n i q u eo fd e t e c t i n go b j e c t so nt h es e a t h er a n g - g a t e dc o n t r o lc i r c u i tt h a t b a s e do nf p g ac h i pb e l o n g e dt oc y c l o n ef a m i l yo fa l t e r ac o r p o r a t i o ni sd e s i g n e d ， r e a l i z e df u n c t i o n sa sr e g u l a t i n gr a n g - g a t e dd i s t a n c ea n do u t p u ti m p u l s ew i d t h 1 1 1 e r a n g - g a t e di m a g ep r e t r e a t m e n ta n do t u ss e aa i rd i v i s i o na n df a l s ec o l o rt r a n s f o r m a t i o n a r er e a l i z e dt oi m p r o v et h ei m a g er e s o l v i n gp o w e r , a tt h es a n l et i m eg r a p h i cm o d e l p r o c e s s i n gm e t h o db a s i n go nr a n g g a t e dt e c h n o l o g yi sd i s c u s s e d s o f t w a r es y s t e mi s d e s i g n e dt or e a l i z er a n g - g a t e dd i s t a n c es e t t i n gb a s e do nu a r ta n di m a g ep r o c e s s i n g a r i t h m e t i c 英文摘要 p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t et h a tt h et e c h n i q u ea p p r o a c h o ft h es y s t e mi sf e a s i b l ea n da c h i e v e dt h ee x p e c t a t i o ne f f e c t w h i c hw i l le s t a b l i s ht h e t e c h n o l o g yf o u n d a t i o no fr e s c u ei m a g i n gs y s t e mo nt h es e a k e yw o r d s ：r e s c u eo nt h es e a ；r a n g - g a t e d ：s y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o lc i r c u i t ： i m a g ep r o c e s s i n g 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：篷攮熬尽拯选适盛傻挂苤的硒究= = 。除论文中已经注明 引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表或未 公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 做作者签名：贡禺详肿乃月纠日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法 ，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密酉( 请在以上方框内打“ ) 论文作者虢骶。梯翩躲昼删 日期：枷年弓月纠日 海上搜救目标选通成像技术的研究 第1 章绪论 1 1 课题研究意义 随着海上交通运输和海上旅游业的快速发展，海上交通事故的发生频率也随 之增加，导致遇难人数越来越多。而海难一般发生在恶劣天气下，这种天气气候 条件差、能见度低，导致救援工作很难开展。直接关系人民生命财产安全。 搜救的关键在于及时发现被救对象。目前我国海上搜救被救对象的方法是采 用救助船或救助直升机上简单的观测仪和照明系统，并依赖于操作人员的手工作 业，这种传统的搜救方法因其搜索速度慢，目标易丢失等缺点已远远不能满足实 际搜救工作的需要。单一波段热像仪由于成像速度慢，且受水温与海浪的影响很 大，极易造成虚假目标，且目标易丢失等缺点，亦不能实现海上活体快速搜救的 目的。而现有的激光雷达，只能对目标进行探测，而不能进行目标识别，因此也 无法用于海面救助。因此，研究海上新型快速搜救目标技术便显得非常重要与紧 迫。 海上搜救成像系统主要有被动成像和主动成像两种。传统的红外成像系统采 用被动工作方式，即系统本身不带光源，依赖于环境或目标的发光，并最终成像。 这种成像系统工作距离受天空背景照度、气象条件、目标温度对比度等诸多因素 限制，在恶劣天气条件下成像质量不高，直接影响搜救效果。主动成像技术采用 激光器和接收机，利用激光主动照明技术，可以克服传统的被动成像系统的许多 缺点，在远距离目标探测和水下成像等领域有重要应用。对于采用连续激光作为 照明光源的主动成像系统，大气散射将严重降低成像对比度，同样会影响搜救效 果。距离选通激光主动成像技术避免了以上两种成像技术的缺点，可以克服激光 后向散射，具有成像清晰、对比度高、不受环境光源影响等优点，是海面搜救目 标成像系统的首选，对海上活体搜救具有十分重要的意义。 本文在交通部基础研究基金项目“多波段海上搜救目标成像与水下遥测技术 研究 的资助下，开展了对海上搜救目标选通成像的研究。 第1 章绪论 1 2 海上搜救技术的研究现状 随着通信及计算机技术的不断发展，海上搜救技术也得到飞速发展。自从2 0 0 0 年2 月1 日全球海上遇险与安全系统( g m d s s ) 在全球实施，海上遇难船只便可 以通过卫星地球站和地面通信岸站迅速地向海上搜救中心和附近其他船只报警， 从而尽快得到搜救与救助组织的支援与救助。然而海上搜救的关键是目标探测， 因此在全球海上遇险与安全系统之外，对遇险船只目标的探测及定位是搜救工作 成败的关键。目前，应用比较广泛的海上目标探测手段主要有雷达技术、红外热 成像技术、距离选通成像技术掣1 4 】。 雷达技术【习 雷达是用于对诸如飞机、舰船、车辆和自然环境等反射体进行检测和定位的 电磁系统，它向空间发射电磁波并接收由目标反射的回波信号，通过比较回波与 发射信号的差别判定目标是否存在，并获得目标的位置、速度及其他相关信息【5 1 因此，一直以来海上交通信息的来源都是雷达，但是雷达系统也有其自身的局限 性。一方面，海上雷达对目标的观测易受海浪回波、舰船回波、岛屿陆地回波、 射频干扰及大气噪声等环境回波的干扰，目标的测量精度和分辨力有限；另一方 面，雷达对金属反射的回波信号强烈，而对活体反射的信号则较弱，而且不能反 映目标的相关信息。因此雷达系统不适用与海上搜救。 红外热成像技术【q 红外热成像技术实现目标探测是现代光电子技术领域的重要组成部分。红外热 成像系统不仅具有抗干扰、全天候工作的特点，而且隐蔽性能好，探测能力强， 作用距离远。因此被广泛应用于军事领域，成为现代战争中侦察、告警、跟踪的 主要手段。但是，红外热成像的前提是被测目标与背景之间的热辐射特性差异， 因此红外热成像的识别对象主要是飞机、舰船、坦克等高温物体，而对于海上搜 救，则具有受水温和海浪影响较大，极易造成虚假目标，且目标容易丢失等缺点， 因此具有一定的局限性。 海上搜救目标选通成像技术的研究 距离选通成像技术【7 - 9 1 距离选通成像技术是激光主动成像技术的一种，利用激光主动照明技术使被测 目标成像，摆脱了被动成像自身不带光源，成像质量受环境影响大的缺点，而且 通过控制选通门的开关，可以有效的降低大气后向散射对激光的影响，利于在气 候条件差、能见度低的海上作业。 正因为距离选通成像技术具有其他成像所无法替代的优势，国外从第一台激光 器诞生不久，至今已有几十年的研究历史。以美国、加拿大为代表的许多国家的 距离选通成像技术已经非常成熟，成为为恶劣天气条件下侦查、探测、识别目标 的有效手段。 加拿大光子学研究开发中心( i n o ) 自上世纪末以来先后开发了三代主动成像 系统a l b e d o s 、e l v i s s 和a t v - 2 0 0 0 i 。a l b e d o s 主动成像系统是基于强功率 的激光二极管阵列照射器( d a l i s ) 以及距离选通相机，耦合到4 8 倍变焦距镜头 上。a l b e d o s 是一种带距离选通的主动成像单元，在背景全黑或有雨、雪或雾的 情况下也能成像。图1 1 示出了a l b e d o s 系统的所用的基本单元部件，包括脉冲 激光源、c c d 相机、第二代有门控( 距离选通) 的像增强器、4 8 倍电动变焦镜头、 s u p e r - - v h s 型记录仪以及有关电子学单元。电子学单元的主要功能之一，是为系 统中两个重要单元，激光源和带门控的像增强器产生同步信号。定时或距离选通 单元提供很宽的门脉冲工作选择范围，这些脉宽和延迟用于使系统获得最佳增强 器的探测和观察能力。e l v i s s 系统结合了主动成像和被动成像的优点，它由改进 的实际a l b e d o s 主动成像器，耦合到安装在两个分开的稳定框架的热像仪上， 热像仪的最小可分辨温差为0 1 k 。该系统采用激光二极管照射器工作波长为 8 5 5 n m ，更趋向于红外波段，具有更好的隐蔽性，可以更准确的执行搜救或营救任 务。a t v 2 0 0 0 i 是目前最先进的激光主动夜视系统之一，它采用近红外激光二极管 阵列、耦合第三代像增强器i c c d 和高达2 6 0 倍的变焦镜头，改进了a l b e d o s 系统，同时还集成了g p s 接收机。 第l 章绪论 图1 ia l b e d o s 系统的基本组成结构 f i g 1 1b a s i cf l a m eo f a l b e d o s 美国的i n t e v a c 公司开发出一种距离选通激光照明二维成像系统，它工作在对 人眼无害的1 5 0 0 - - - 1 6 0 0 n m 波段。该系统采用激光脉冲照射目标区域，应用距离选 通技术，只收集目标区域所反射的辐射，并在高能量子效率的短波红外光电阴极 上成像。这样，仅有激光束覆盖部分和选通时间内所确定的景深可以在图像中反 映出来，消除了背景光的影响，具有较高的对比度。 我国的距离选通激光主动成像技术的研究起步较晚，只做了些概念性的研究， 还没有达到应用化程度。哈工大及其光电技术研究所在室内进行了半导体激光和 c 0 2 激光的主动成像实验。光源是6 5 0 r a n 的可见光，采用光电倍增管接受，漫反 射目标距离系统为1 0 m ，获得了目标的强度图像，验证了主动成像技术的可行性。 华中科技大学进行了水下激光主动成像实验。成像系统由激光发射器、激光接收 器和延迟发生器等组成。光源是倍频n d ：y a g 脉冲激光器，波长为5 3 2 n m ，接收 器为i c c d ，可在极微弱的亮度下成像，且可工作在选通和非选通两种方式。国防 科技大学光电学院制作了激光主动成像实验样机，取得了效果比较好的成像图像， 但系统体积庞大、成本较高。 综上可以看出距离选通激光主动成像的核心技术和核心元器件都掌握在国外 少数发达国家手中，我国的研究与国外相比差距很大。因此加快技术的研究，缩 短与发达国家之间的差距，并以主动成像为基础开发出具有自主知识产权的海上 激光搜救系统，对于我国海上开发与海上交通领域的发展具有十分重要的意义。 海上搜救目标选通成像技术的研究 1 3 课题研究主要内容 本课题根据海面活体搜救的需要，立足于国内现有技术，以硬件和软件相结 合的方式，研究了海面搜救目标距离选通激光主动成像的理论分析、系统设计、 硬件电路设计及图像处理等关键问题。主要研究内容包括： 1 分析了海上搜救目标选通成像系统的光源在大气中的传输衰减特性，及大 气后向散射对连续激光成像的影响，阐述了距离选通技术原理，分析了距离选通 技术能够有效地抑制后向散射的影响，提高成像效果，适用于海上搜救。 2 低能见度海面搜救目标高清晰度成像方法。采用红外脉冲激光器和微通道 板式选通增强型c c d 摄像机( 即i c c d ) 设计距离选通激光主动成像系统，克服 了传统的被动成像和连续激光主动成像的缺点，可以在全天候下探测和识别目标。 3 设计基于f p g a 的距离选通同步控制电路。该电路提供选通门宽度、脉冲 宽度和延迟时间，从而使激光器和i c c d 摄像机同步。由于同步精度要求高，设计 以高性能f p g a 为核心的同步控制电路，利用其较高频率的工作时钟和运算速度， 实现距离选通技术，同时设计串口接收模块，方便选通距离的上位机设置。 3 研究海上搜救目标图像处理技术。针对海面搜救目标成像的特点，设计图 像预处理算法，利用o u t s 算法对图像进行海天线分割，降低虚警概率，并利用伪 彩色编码技术对图像进行伪彩色变换，提高图像分辨率，同时初步讨论了基于距 离选通的三维图像处理方法。 4 设计海上搜救目标选通成像系统软件。实现了选通距离的上位机控制，及 后期图像处理。 第2 章海上搜救目标选通成像特性及系统组成 第2 章海上搜救目标选通成像特性及系统组成 海上搜救目标选通成像系统发射激光对被测目标进行照明，接收望远镜接收 目标反射光成像，但是激光在海面传输过程中会受到大气传输特性及后向散射的 影响，直接影响成像效果【1 0 1 。本章详细分析了激光的大气传输衰减特性和后向散 射对连续激光影响，论述了距离选通技术对后向散射的抑制作用，及系统组成。 2 1 激光的大气传输衰减特性 激光器是海上搜救目标选通成像系统中的重要组成部分。作为主动照明光源 的激光在大气中传输时，会受到大气传输特性的限制。激光通过大气时，将产生 两种效应：一是大气组成部分( 各种分子和气溶胶) 对光波的吸收和散射作用而 造成的激光能量的衰减，称为大气衰减；二是大气的湍流运动使大气折射率具有 随机起伏的性质，从而使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束 质量收到严重影响，称为大气湍流效应。大气吸收、大气散射和大气湍流共同作 用造成激光束在大气传播中的能量损失i l l - 1 3 1 。 2 1 1 大气吸收 光波通过大气时，大气分子在光波电场的作用下产生极化，并依入射光的频 率作受迫振动。所以光波为克服大气分子内部阻尼力要消耗能量，这个能量的一 部分转变成其他形式的能量( 如热能) ，表现为大气分子的吸收。当入射光的频 率等于大气分子的固有频率时则发生共振吸收，大气分子吸收出现极大值。因此， 分子的吸收特性强烈的依赖于光波频率。 大气中的n 2 、0 2 分子虽然含量最多( 约9 9 ) ，但它们在可见光和近红外区 几乎不表现吸收。除h 2 0 、c 0 2 分子外的其他分子，虽然它们在可见光和近红外区 有客观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般不考虑它们的吸收作用。 而h 2 0 和c 0 2 分子，特别是h 2 0 分子，是可见光和近红外区最重要的吸收分子【1 4 1 。 研究表明，对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收，光波几乎无法 通过。根据大气的这种选择吸收特性，把近红外区分成八个区段，将透过率较高 海上搜救目标选通成像技术的研究 的波段称为“大气窗口一( 如图2 1 所示) 。在这些窗口中，大气分子呈现弱吸收。 目前常用的激光波长也都在这些窗口之内。 椭 柏 鼍 翅 麓4 0 2 0 ol 1 j l i j l 1 1 1 e 二j l o 7 2仉9 4l 1 31 3 sl 9 0z 7t 3 波长，弘m 图2 1 大气透过率及大气窗口 f i g 2 1t r a n s m i s s i o nr a t eo fa t m o s p h e r es p e c t r u ma n da t m o s p h e r ew i n d o w 2 1 2 大气散射 激光光束在大气中传播时，除了受到选择性吸收以外，还会发生散射作用。 当光通过大气时，若大气光学均匀，使光只在折射方向继续传播，不会发生散射。 然而大气中总存在密度起伏，破坏了大气的光学均匀性；另外，由于大气中存在 各种微粒，因此，一部分辐射光会向其他方向传播，从而导致光在各个方向上的 散射。 根据粒子的尺度和光波长的关系，散射可分为：直径远小于激光波长的粒子 对激光的散射，即瑞利( r a y l e i g h ) 散射，如大气分子的散射；粒子的尺度和激光 波长相比不能忽略的散射，即米氏( m i e ) 散射，如悬浮粒子的散射。一定条件下， 伴随瑞利散射发生的入射激光与分子的振动活转动能级之间进行了能量交换，从 而产生波长在入射激光波长附近的第三种类型的散射一拉曼( r a m a n ) 散射。通常 情况下，拉曼散射极其微弱，可以忽略。 光的散射定理指出：当光波波长远大于散射微粒尺寸时，即产生瑞利散射； 当光波波长相当于或小于散射微粒尺寸时，即产生米氏散射。瑞利散射与光波波 一删恿顿描州t 唧 r r阿一r， 第2 章海上搜救目标选通成像特性及系统组成 长有强烈的关系；而米氏散射则依赖于气溶胶尺寸和密度的分布及气溶胶的折射 率等特性，与光波波长的关系远不如瑞利散射强烈。 因为大气分子的线度很小( 1 0 c r a ) ，所以在可见光和近红外波段，辐射 波长总是远大于分子的线度，这一条件下容易产生瑞利散射。瑞利散射系数的经 验公式为： t r y , = o 8 2 7 彳( 2 1 ) 式中，o r 。为瑞利系数；n 为单位体积中的分子数；a 为分子的散射截面；五为 光波波长。由此可知瑞利散射系数与分子密度成正比，与波长的四次方成反比。 波长越长，散射越弱：波长越短，散射越强烈。对于目前的军用激光波长，因为a 很小，所以瑞利散射的衰减可以忽略不计。 对于目前的军用激光器而言，因散射造成激光能量衰减的主要原因是米氏散 射。这是因为大气中除大气分子外，还有大量的粒度在0 0 3 p r o 到2 0 0 0 1 u n 之间的 固态和液态微粒，它们大致是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有机微生物等。这 些微粒在大气中的悬浮呈胶溶状态，通常称为大气气溶胶。气溶胶的尺寸分布极 其复杂。一般同时存在瑞利散射和米氏散射的作用。但经测量表明，气溶胶微粒 的线度远远大于大气分子的线度。图2 2 给出了气溶胶粒子的尺度范围。因此对于 气溶胶来说，瑞利散射的作用一般可不予考虑，而主要考虑米氏散射的作用【悱阍 蠢堵曩 一大气缘缓- _ _ _ _ - - - - _ o i - _ _ _ h _ _ _ _ o _ 。o 一 稳爆 飞盔 璐墨 雨 塔菇 里鼍墨多 掰擦 - - _ l - _ 一i l l - _ l 一= ；二二_ - - 二 l o o “i 矿 l o 1 a il 妒 i o r t s , m ) 图2 2 气溶胶粒子的尺度范围 f i g 2 2s i z er a n g eo f a e r o s o lp a r t i c l e 海上搜救目标选通成像技术的研究 米氏散射系数色与波长五成反比，同时还与粒子大小的分布、高度、距离以 及一些自然因素，如地面风、森林火等有关。屏与波长名和能见度之间存在下列 经验关系式： 屏= ( 3 9 1 2 v ) ( 0 5 5 旯) 9 ( 2 2 ) 式中，v 为大气能见度，即在白日水平天空背景下，对于0 5 5 1 u n 的光可分辨 足够大的绝对黑体的最远视程，五为激光波长，q 为与波长和能见度密切相关的常 数。 对于可见光，2 0 5 5 1 ，故有色= 3 9 1 2 v 。 对于近红外光： q = 1 6当v 很大时 q = 1 3 当中等能见度 q = o 5 8 5 v 1 乃 当v 、 ，则矽= r l 很小( m a r d ) ，发射视场角与 海上搜救目标选通成像技术的研究 这样公式( 2 4 ) 可以简化为： e = 厶鲁撇一伊) ，7 e - ：, p j ( 2 5 ) 由图2 3 可以看出，积分区域v 应该是发射锥体与接收锥体的相交部分。为 了便于计算公式( 2 5 ) ，假定发射视场角的轴线与接收视场角的轴线相交在目标的中 央，并且忽略目标平面之后的大气散射的背景辐射。这样公式( 2 5 ) 积分为： e = 厶鲁撇刊e 竹丁e - 2 p a l s u 矽( 2 6 ) 式中，s ( ) 为发射锥体与接收锥体的相交部分在z 处垂直与接收轴线的公共部分面 积，由试验设备的几何分布给定；，o 为达到散射体的最近距离；f 为散射层高度。 考虑到接收望远镜的物镜孔径d 和散射体积元对物镜所张的立体角q ( ，) ，可 以求得接收望远镜接收到的散射功率匕为： 名眦= 厶等鲁p ( 万一咖r 写冬( f ) 叫瑚= ， 嘉 爿2 鲁肛纠r 争讲 亿7 ， 式中体积元所张立体角q ( ，) = r r ( d 2 ) 2 。 假定照明目标为一面积为的平面均匀浸反射体，反射率为r ，则接收望远 镜接收到的目标漫反射功率为： 一龇= 等等孚万 矗 2 c 2 固 锄一龇一万下丁刀i 瓦i m 这样，由公式( 2 7 ) 、( 2 8 ) 得到了接收望远镜接收到的后向散射和目标反射的总 功率，我们用大气后向散射影响系数，7 来表示大气后向散射对激光照明的影响： 嗉= ：竺一 亿9 ， 第2 章海上搜救目标选通成像特性及系统组成 通过对刁的计算分析，可以看出大气后向散射对目标照明的影响程度。当r l 时，后向散射干扰已经湮没了目标信号；r - - 1 时为临界影响系划1 7 - 2 0 。 综上可以看出大气后向散射严重影响激光主动照明成像的效果，所以要得到 高质量的主动成像图像，就需要抑制后向散射的影响。为了克服大气散射及其他 大气衰减特性对激光主动照明的影响，采用近红外脉冲激光器和选通增强型c c d 相机设计的距离选通激光主动成像系统，不仅可以克服传统被动成像的许多缺点， 而且也避免了连续激光主动成像面临的大气后向散射的问题。 2 3 距离选通技术的基本原理 根据有无照明光源，成像系统可以分为主动成像和被动成像两种，如图2 4 所 示。被动成像系统本身不带照明光源，依靠环境或目标的发光成像。主动成像利 用人工施照的方式，采用人造光学辐射源和接收机，接收机用于收集和探测目标 景物直接或反射后的部分光辐射并最终成像。由于激光具有高强度、高准直性、 单色性等优点，因此常常采用激光器作为成像系统的主动照明光源【1 1 7 1 。 圆鳓 ( 矗) 敞动成像系绩 b ，囊动成慷蒸缝 图2 4 被动主动成像系统示意图 f i g 2 4s k e t c hm a po fp a s s i v e i n i t i a t i v ei m a g i n gs y s t e m 由于大气传输特性及后向散射的影响，将严重降低连续激光主动成像效果， 很难探测和识别目标。为此，人们采用近红外脉冲激光器和选通增强型c c d 相机 设计出一种距离选通激光主动成像系统，不仅可以大大降低大气的后向散射对成 海上搜救目标选通成像技术的研究 像系统影响，而且大大提高成像系统的探测距离。 距离选通激光主动成像系统都是通过向被测物体发射激光脉冲，并接收目标 反射的回波信号，然后进行分析处理。通过调节发射激光束的发散角，将目标全 部或关键特征部位照亮，实现对目标的成像和精确跟踪。辐射脉冲和回波信号在 大气路径中传输，大气背景辐射、透过率、散射、吸收以及湍流等因素都将对主 动照明成像产生影响。为此采用距离选通技术克服这些因素，特别是后向散射对 成像距离和成像质量的影响。 ( 1 ) 选通门关 ( 2 ) 选通门开 图2 5 距离选通激光主动成像原理 f i g 2 5s c h e m a t i co fr a n g e - g a t e di m a g i n g 距离选通技术是利用脉冲激光器和选通c c d 相机，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摄像 机选通工作的时间内到达c c d 相机并成像。具体工作原理如下：激光器发射很强 的短脉冲，脉冲激光传输到目标上，对目标进行照射，由目标反射的激光返回到 第2 章海上搜救目标选通成像特性及系统组成 c c d 相机。当激光脉冲处于往返途中时，如图2 5 中( 1 ) 所示，c c d 相机选通门关 闭，这样就挡住了大气中悬浮微粒引起的后向散射光。当反射光到达摄像机时， 如图2 5 中( 2 ) 所示，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 时间与激光脉冲一直，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，使得只有目标附近的反射光才能到达 摄像机，只接收目标附近的反射光信号，消除大部分后向散射光，那么就能大大 提高系统的信噪比f 2 l - 2 6 。 2 4 海上搜救目标选通成像系统组成 根据距离选通激光主动成像技术原理，设计了海上搜救目标选通成像系统， 如图2 6 所示。海上搜救目标选通成像系统主要由以下几部分组成：激光器、发射 光学系统、接收光学系统、同步控制电路、图像采集处理系统等。激光器发射短 激光脉冲，经过发射光学系统对远距离目标进行主动照明，同时由分光镜分出一 部分光用p i n 管接收，经触发电路为同步控制电路提供延时基准脉冲。根据激光 到目标的距离来确定同步控制电路的延迟时间。当从目标反射回的回波信号到达 i c c d 摄像机的瞬间，同步控制电路产生选通脉冲，打开i c c d 摄像机的快门，使 i c c d 摄像机接收从目标反射回的回波信号而成像。 。 图2 6 海上搜救目标选通成像系统框图 f i g 2 6s k e t c hm a po f r a n g e - g a t e di m a g i n gs y s t e m 海上搜救目标选通成像技术的研究 2 4 1 激光器 距离选通激光主动成像系统对激光光源有如下要求：( 1 ) 较高的峰值功率；( 2 ) 较窄的脉冲宽度；( 3 ) 大气传输特性好。 目前在国防科技中应用较广泛的激光波段有两个：钇铝石榴石( n d ：y a g ) 激光器的1 0 6 1 t m 和二氧化碳( c 0 2 ) 激光器的1 0 6 1 x m 。2 1 2 作波长为1 0 6 t a m 的脉 冲n d ：y a g 激光器，经倍频后为0 5 3 2 p a n ，发射和接收光学系统均容易设计，探 测也较容易，缺点是穿透战场烟尘的能力较差，而且倍频后波长在可见光范围内， 容易对人眼造成伤害。c 0 2 激光器，发射波长为1 0 6 9 m 的激光，对人眼安全，大 气穿透性能好，但是光学系统复杂，所以目前还不如n d y a g 激光器应用广泛。 1 5 4 1 a m 波长的激光大气穿透性强，目标反射系数高，而且对人眼安全性高， 因此采用1 5 4 p r o 波长的激光器作为照明光源是今后主动成像系统的一个发展趋 势。但是价格昂贵，且接收光学系统复杂。输出波长1 5 4 1 m a 的对人眼安全的固体 激光器主要有两种，即铒玻璃激光器和喇曼频移n d ：y a g 激光器。 脉冲二极管泵浦n d ：y a g 激光器的转换效率可达6 ，几乎是闪光灯泵浦 n d ：y a g 激光器的2 倍。这种激光器在同样激光能量输出条件下可大大降低电源 和制冷的功耗，而且重复工作频率高、体积小、重量轻。目前的主要缺点是成本 较耐2 7 - 2 8 1 。 2 4 2 接收光学系统 对于纳秒级脉冲激光，如果想获得照明目标的选通图像，接收器的成像器件 必须具有快速选通功能。一般的c c d 帧扫描周期约为几十毫秒，而激光脉冲为纳 秒级，再加上光脉冲到达c c d 的随机性，导致激光脉冲可能有部分落入c c d 的 积分时间区，探测不到目标反射回来的激光信号。由于积分时间为几十毫秒，即 使探测到激光的回波信号也包含大部分后向散射光，不能起到选通的作用。因此 要想得到选通图像，必须缩短c c d 的积分时间，目前最快的电子快门速度为 1 8 0 0 0 0 s ( 1 2 5 p , s ) ，与纳秒级激光脉冲相比不能满足选通要求。为了达到选通的 目的，采用i c c d 摄像机，即在c c d 摄像机前加装选通型像增强器，像增强器能 够在很短的时间内( 通常为5 n s ) 打开或关闭，可以实现纳秒级选通。由于选通减 第2 章海上搜救目标选通成像特性及系统组成 小了c c d 的积分时间，相应降低了c c d 摄像机的有效灵敏度，像增强器的高增 益可以补偿入射光的减弱而引起的灵敏度降低。选通型像增强器既可以增加光探 测器的增益，又起到快门的作用【2 7 1 。 像增强器是选通成像系统的核心。其作用是把微弱的光图像增强到足够的亮 度，以便人们用肉眼进行观察。像增强器是一种电真空成像器件，主要由光阴极、 电子光学系统和荧光屏组成。其图像增强作用主要由三个环节完成。即外光电效 应的光阴极把输入到它上面的微弱光辐射图像转变为电子图像；电子图像通过特 定的静电场或电磁复合场而获得能量并被加速聚焦到该电子光学系统的像面上； 位于电子光学系统像面的荧光屏被高速电子轰击而发出和入射图像强弱相应的被 增强了的目标可见图像【2 9 - 3 0 。 像增强器的种类很多，按工作方式可分为：连续工作、选通工作和变倍工作 像增强器；按像管结构可分为：近帖式、倒像式；按电子聚焦方式可分为静电聚 焦式和电磁复合聚焦式；按发展阶段则可分为：一代级联式像增强器，二代光纤 面板阴极窗且带微通道板的像增强器，二代半玻璃阴极窗带微通道板的像增强器 和三代负电子亲和势光阴极带微通道板的像增强器【1 4 1 2 5 海上搜救目标选通成像的关键技术 2 5 1 距离选通同步控制技术 距离选通同步控制技术是距离选通激光成像系统的关键技术之一，直接关系 到能否得到目标的选通图像。 距离选通同步控制技术主要是使激光器的脉冲和i c c d 摄像机在时序上正确 配合，以时间的先后分开不同距离上的后向散射引起的背景辐射和目标反射回的 有用信号，使从被探测目标反射回的有用信号刚好在摄像机选通工作的时间内到 达摄像机并成像。因此同步控制技术是实现距离选通的关键。 根据同步控制技术的原理设计同步控制电路，用来确定激光器的照明脉冲和 i c c d 摄像机选通脉冲之间的时序和相应的延时关系。同步控制电路主要由使快门 开启与激光照射同步的定时电路组成，定时时间取决于激光脉冲传输到目标上再 海上搜救目标选通成像技术的研究 反射到接收器所需要的时间。图2 7 中给出了对1 2 2 0 r a 处目标进行观察时的理想 距离选通成像的时序关系图。图中波形a 为激光脉冲照明输出：波形b 为接收器 接收到的照明激光脉冲后向散射辐射的变化；波形c 为激光脉冲由目标返回到接 收器上的反射辐射；波形d 为接收器的选通脉冲；f 为延迟脉冲发生器的延迟时 间；t 。为接收器的选通脉冲宽度。由于目标距离为1 2 2 0 m ，激光光束来回时间约 为8 i t s ，所以选通脉冲应比照明激光脉冲发出时间延迟8 姻。图中波形d 是理想的 选通脉冲，实际的距离选通同步控制电路就是要使选通脉冲的延时尽可能的精确， 这样才能得到目标理想的选通图像。而由于激光的传播速度为3 1 0 8 m s ，因此选 通脉冲的延迟时间为微秒，甚至纳秒量级，这是距离选通同步控制的一大难剧2 7 1 。 j m s 图2 7 目标距离为1 2 2 0 m 时理想选通时序图 f i g 2 7i d e a lr a n g e - g a t e dw a v e f o r mr a n g eo f1 2 2 0 v a 2 5 2 同步扫描技术 同步扫描技术是把激光器与接收光学系统安置在两个间距一定距离的地方， 照射远程目标的光束光轴与接收光学系统的光轴在被观察区域相交成一个角度， 这样可以使大气的后向散射引起的背景辐射尽可能少的进入接收系统中，可有效 的减少后向散射的影响，增大系统的探测距离，改善成像质量。在对较远距离的 目标进行探测时，需要增大目标回波信号的能量，这就需要激光器的扫描光点小、 发散角小。这种情况下，激光器的每个脉冲不可能覆盖整个目标场景，因此需要 第2 章海上搜救目标选通成像特性及系统组成 激光器对目标的扫描运动来完成对整个目标场景的照明。这种逐行扫描的方式能 扫描较宽区域，有效视场可达7 0 度。同步扫描技术的关键是实现扫描光束与接收 视线的同步，一般采用的是机械同步和信号同步【9 】。 2 5 3 海上搜救目标成像处理技术 海上搜救目标的探测及识别技术是海上搜救系统的关键技术。图像处理技术 和选通成像的同步控制技术同样重要，当硬件的发展出现瓶颈，成为选通成像技 术发展的制约因素时，后期的图像处理技术便显得更加重要。 海上搜救目标选通成像系统对目标进行探测和识别主要受到几个因素的限 制，包括：大气传输特性影响；激光的后向散射；激光器的能量以及接收光学系 统本身的影响等。这些因素都会对最终的所成图像造成影响，直接影响目标的识 别，因此就需要进行针对海上搜救目标识别的图像处理技术。 海上搜救目标成像由于其特定的成像环境而表现出特定的性质。由于受大气 传输特性和海上大雾天气的影响，海上目标成像的信噪比低，因此对图像处理首 先要进行去噪及图像增强处理。另外，在海面远距离平视的状态下，海上目标成 像可以分为三个区域，即天空区域、海天线区域和海面区域。针对远距离舰船目 标总是出现在海天线区域中的特点，通过检测海天线位置来确定目标的潜在区域， 可以极大的缩小目标的搜索范围，排出海浪和云团的干扰，提高目标检测的效率 因此海天线分割是海上目标识别的关键技术。除此之外，由于海上搜救目标所成 图像是灰度图像，而人眼只能区分二十种不同等级的灰度，但却可以辨别几千种 不同色度与不同亮度的彩色特点，因此对图像进行伪彩色编码处理可增强图像目 标的可识别性。 海上搜救目标选通成像技术的研究 第3 章基于f p 6 a 的选通控制电路的设计与实现 3 1f p g a 特征概述 3 1 1 可编程逻辑器件与f p