《光电子成像技术》-10

10.1引

言光电子成像技术通常分为“被动式成像”和“主动式成像”两种工作模式。常见的望远镜、显微镜、照相机、微光夜视仪、红外热像仪等，在无人工辅助照明、而仅靠自然光(日光、月光、星光)、或景物自身的热辐射作为信号源的情况下，均属于被动式成像系统；而激光成像雷达和微波成像雷达等属于主动式成像系统。一般讲，主动式成像系统，用激光(或微波)束作为辅助信号源，扫描照射景物，并接收—解算—显示从景物反射回来的信号。下一页返回10.1引

言这些信号既携带了被探测场景面元的位置(x，y)的强度信息，还包含了该面元与接收器间的距离信息(x，y，z)，以及该面元对激光(微波)照射后的光谱反射特性等物理属性信息(ρ，λ)，因此，从理论上讲，一个完整的激光(或微波)成像系统所提供的图像应该是用公式I＝I(x，y，z，λ，ρ，…)描述的三维或多维灰度或彩色亮度分布信息。上一页下一页返回10.1引

言激光雷达(LightDetectionAndRang，LiDAR)是以激光作为载波的雷达，传统的雷达是以微波和毫米波段的电磁波作为载波。激光是光波波段电磁辐射，其波长比微米波和毫米波短得多。可以用振幅、频率、相位和偏振来搭载信息。激光雷达可以采用非相干的能量接收方式，这主要是以脉冲计数为基础的测距雷达，还可以以相干接收方式接收信号，通过后置信号处理实现探测。激光雷达由发射、接收、后置信号处理三部分和使这三部分协调工作的机构组成。激光光束发散角小，能量集中，探测灵敏度和分辨率高，系统的几何尺寸可以做得很小。上一页下一页返回10.1引

言常见的微波雷达工作于毫米波—厘米波波段，该波段不受大气透过率衰减影响，系统作用距离远，是当前全天候远距离目标探测成像告警应用中的主要技术装备；而激光雷达可分别工作于紫外—可见—红外波段，虽不同程度受大气衰减影响，系统作用距离不如微波那样远，但其空间、时间、光谱分辨率远比微波雷达高；相对于紫外—可见光—红外波段的被动成像系统而言，可以通过激光选通及器件门控技术，克服水、雾、霾等恶劣天候及水下传播介质散射背景影响，大大提高原被动成像系统的作用距离，且能提供目标距离等附加信息，实现三维成像。上一页下一页返回10.1引

言例如，与全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)集成在一起的激光扫描成像系统，它们在城乡地区表面三维信息获取、局部地形地貌测绘，尤其是在冰雪、沙地、湿地、森林等困难地区的地形地貌信息获取方面，在需要高密度、高精度测量和需要快速反应的自然灾害监测、超级设施监测方面，在带状地物监测方面具有重大作用；在全天候远距离目标观察、瞄准、测距、跟踪、制导、告警等军用领域具有广泛实用价值，例如机载激光雷达探雷成像系统、水下蓝绿激光探潜成像系统和陆用远视距激光选通微光或红外成像系统等。上一页下一页返回10.1引

言此外，在数字化、网络化、信息化时代，激光器作为一种亮度高、单色性强、方向性好、调制解调容易的光源，已成为当今高清晰度、高彩色保真度的激光图像显示和激光图像存储技术中的重要成员。激光投影显示技术(LaserProjectorDisplay，LPD)，按照电视机显像原理，采用可见光(红、黄、蓝)激光，通过光机扫描或空间光调制器LCD(液晶显示器)、DMD(为反射镜阵列)、GVL(微变形反射镜)等技术，实现高逼真图像显示给人眼直接观看(如激光背投电视等)。上一页下一页返回10.1引

言激光图像存储技术如激光照相机和光盘等器材，医学上用的激光照相机是用被数字X光影像灰度调制过的激光束，使专用胶片逐点、逐行曝光，形成透视影像照片；又如，人们常见的刻录光盘，是由高强度激光束按图像信息在一种记忆膜上打孔而记录所需的文字、图形和图像信息；在读取时，以较弱的激光根据反光原理在CD机或计算机上重建记录的图像。本章将按照以上思路和需求背景，分别介绍激光扫描成像技术和激光显示存储技术的系统组成、工作原理、特性参数、设计评价及其相关发展动态等。上一页下一页返回10.1引

言本章要点：激光成像基本原理及系统组成机载激光雷达成像系统多波段条纹管激光成像技术蓝绿激光/微光选通水下成像技术激光全息三维成像技术激光显示与激光存储技术上一页返回10.2激光雷达成像技术激光扫描成像系统基于激光雷达测量技术(LightDetectionAndRanging，LiDAR)原理。该技术源自1970年美国航天局(NASA)的研发。因全球定位系统(GlobalPositioningSystem，GPS)及惯性导航系统(InertialNavigationSystem，INS)的发展，使精确的实时定位及姿态确定成为可能。德国Stuttgart大学于1988—1993年间将激光雷达技术与实时定位定姿系统结合，形成空(机)载激光雷达测量系统(Ackermann－19)。之后，空(机)载激光雷达测量系统紧跟其后，发展异常迅速，从1995年开始商业化。下一页返回10.2激光雷达成像技术从1998年起，以每年25%的速度递增。截至2001年7月，全球有75个商业组织使用了69种类似的系统。研发空(机)载激光雷达测量系统的原始目的是观测多重反射(MultipleEchoes)的观测值，测出地表及树顶的高度模型。由于其具有高度自动化及精确的观测能力，空(机)载激光雷达测量(成像)系统演变为DTM的主要生产工具。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术三维激光测量(成像)技术的出现和发展，为空间三维信息的获取与空间信息数字化发展，提供了全新的技术手段。由于激光具有单色性、方向性、相干性和高亮度等特性，将其引入测量装置中，在精度、速度和易操作性等方面均表现出强大的优势，这项技术的出现和应用引发了现代测量技术的一场革命，引起相关行业学者的广泛关注，许多高新科技公司、研究机构将研究方向和重点放在激光测量装置的研究中。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术随着激光技术、半导体技术、微电子技术、计算机技术、传感器等技术的发展和应用需求的推动，激光雷达测量技术也逐步由点对点的激光测距装置发展到采用非接触主动测量方式，能快速获取物体表面大量采样点三维空间坐标的三维激光扫描的测量(成像)技术。随着这门高新技术在精度、速度、易操作性、轻便、抗干扰能力等性能方面的提升，以及价格方面的逐步下降，20世纪90年代开始，这项技术在测绘领域成为研究的热点，扫描对象不断拓宽，应用领域不断扩展，逐步成为快速获取空间实体三维模型的主要方式之一，许多公司都推出了不同类型的三维激光扫描测量(成像)系统。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术在国外，20世纪90年代中后期，三维激光雷达测量技术已形成为颇具规模的产业。三维激光扫描测量(成像)技术克服了传统测量技术的局限性，采用非接触主动测量方式直接获取高精度三维数据，从而能够对任意物体进行扫描，且无白天和黑夜的限制，快速地将现实世界的信息转换成可以处理的数据。这项技术具有扫描速度快、实时性强、精度高、主动性强、全数字特征等特点，可以极大地降低成本，节约时间，而且使用方便，这项技术输出格式可以直接与CAD、三维动画等工具软件接口。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术10.2.1激光雷达成像系统分类目前激光雷达种类繁多，按照不同的方式有以下分类方法：(1)按运载平台分，有手持式激光雷达、地面固定式激光雷达、车载移动式激光雷达、机载激光雷达、船载激光雷达、星载激光雷达等。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(2)按激光发射波形分，有脉冲激光雷达、连续波激光雷达和混合型激光雷达等。(3)按激光介质分，有固体激光雷达、气体激光雷达、半导体激光雷达、二极管激光泵浦固体激光雷达等。

(4)按激光波段分，有紫外激光雷达、可见光激光雷达和红外激光雷达等。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术10.2.2激光雷达成像系统组成、基本原理及性能评价1系统组成及工作过程激光雷达成像系统组成如图10-1所示。其工作过程是：在计算机与时序控制装置的统一指令下，使激光束经过光束整形系统、发射望远镜、发射扫描系统，对被成像场景及目标按照一定方式扫描照射，其携带有I＝I(x，y，z，λ，ρ，…)信息的激光反射信号，由激光雷达接收扫描系统、接收望远镜传递给光电探测器转换为电信号，解算出被扫描场景点的距离信息和强度信息，交由计算机与时序控制装置，提供给存储和显示装置，记录及显示所考察场景的激光雷达图像。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术其中GPS(全球定位系统)实时提供被扫描场景的定位信息，INS(惯性导航系统)实时提供载体本身的姿态信息。2激光雷达成像技术一般原理激光雷达成像系统主要基于激光测距原理，进而分脉冲激光测距和连续激光测距两种形式。这里，只讨论脉冲激光测距及成像的一般工作原理。如图10-2所示。应特别注意其中的回波信号，它虽是一系列时序信号，但它包含了用来三维成像的以下信息：上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(1)场景面元灰度信息。在激光雷达扫描场景期间，投射的第一个和第2个脉冲之间，雷达先后接收到场景相邻面元(x1，y1)和(x2，y2)的回波信号，它们之间的信号电压的相对差别(正比于相应点的反射能力)，反映了景物的对比度或灰度分布，即

同理，在激光雷达对场景视场内的所有面元扫描完成后，即可获得该场景的一幅灰度按式(10-1)分布的图像矩阵I(xi，yj)。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(2)场景面元高程差信息。利用激光测距原理，可以获得场景相邻面元(x1，y1)和(x2，y2)距离接收机的距离差，经归一化校正后可计算出它们之间的高程差。即从图10-2可知，它们离接收机的距离及其高程差分别为

式中：c———光速(3×108m/s)。以上，i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术各面元相对于某基准平面的高程差，提供了该面元的第三维位置信息z值，于是，回波信号的空间矩阵变为I(xi，yj，zk)，k＝1，2，…，p。该数字矩阵经一系列解算处理和可视化重构后，可显示为被扫描场景的三维灰度图像；如果用红－绿－蓝三色激光共光轴激光雷达完成上述同样功能，则原则上讲，可获得相应场景的三维彩色图像；如果设计系统还能分辨场景目标不同的偏振反射特性，则进一步可构成偏振探测激光雷达成像系统；如果再考虑随时间t变化的因素，则从数理上讲，可把激光雷达成像的一般原理抽象为：上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术通过激光扫描场景目标，从其反射回接收器的回波相关信息中，经一系列解算处理和可视化重构，线性转换为与面元空间坐标(x，y，z)、光谱反射率ρλ和光谱偏振度σλ等因素有关的亮度多维空间函数分布，即式中：KLidar是一个多因素比例系数。理想情况下它是一个线性比例系数，能够把被考察场景目标的空间、时间、光谱反射和偏振等物理属性毫不失真地再现给“终端”。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术然而实际上，由于受到天候、环境、目标及系统本身的种种限制，只可能根据具体任务的性质和需要，尽可能进行优化设计，达到一定的保真度再现。这就是设计和制造一个满意的激光雷达成像系统的基本出发点。3激光雷达子系统相关特性(1)激光雷达发射机：①雷达的激光工作波长λ；②发射激光脉冲宽度τ；③激光脉冲重复频率frep；上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术④激光脉冲峰值功率PT或脉冲峰值能量ET；⑤激光频率稳定度(长稳Sf，短稳σf)；⑥发射功率及激光功率稳定度Sp；⑦激光发散角θ；⑧激光振荡模式；⑨激光器的冷却方式；⑩体积、重量和功耗及寿命等。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术

(2)激光雷达接收机：①接收灵敏度(或最小可探测信号功率)Ps；②接收信噪比SNR；③检测系统终端负载性质及其要求的电压VR；④被探测的动目标径向速度v；⑤内部传输光路的尺寸和外部传输光路长度；⑥体积，质量和功耗；⑦接收机在激光雷达中的结构要求和其他系统的电气交联。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术

(3)相干接收系统主要电气参数：①混频器带宽Bmi；②中频信号放大器带宽BIF；③中频频率元F；④灵敏度或最小可探测信号光功率PSmiry；⑤中频放大器总增益KIF；⑥视频放大器带宽Bv；⑦本振频率调整宽度BLo等。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术

(4)激光雷达四种场景扫描方式(图10-3)：①摆镜扫描方式［103(a)］。由两个平面镜分别沿两个方向对地面场景做双向扫描，构成Z形地面扫描线；②旋转棱镜扫描方式［103(b)］。旋转棱镜旋转一周后在地面形成椭圆扫描线；③光纤扫描方式［103(c)］。多根并排光纤传光束在地面形成扫描平行线；④正多面体扫描方式［103(d)］。只有一个旋转方向，每个表平面具有不同倾角，扫描中，每个表平面都按各自同一方向扫描，在地面形成单向扫描平行线。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术扫描在地面形成的形状不仅取决于激光扫描装置及其工作方式，也决定于载体的飞行方向、飞行速度和地形。比较常见的激光雷达扫描方式是第①种和第②种(又叫渐进式Palmer扫描)。(5)激光雷达常用的激光器(表10-1)。

(6)激光雷达成像常用的探测器。分单元探测器、面阵探测器和阵列探测器三种类型：上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术①单元探测器。采用这类探测器，每次只获得一个像素的数据。大部分激光雷达均采用这类探测器，其光谱响应的选择以所用激光器而定。常用的探测器有：光电倍增管(紫外—近红外)、GaAs基PIN光电二极管或APD雪崩光电二极管(可见—近红外)、GaN基光电二极管(紫外)，以及GaInAs雪崩光电二极管(人眼安全波段1.56μm)。美国用后者做成的战场环境监视用固体激光雷达成像系统达到的技术水平是：噪声等效功率NEP＝0.8×10－8W，最小可探测信号功率PDP＝1.5×10－7W，距离分辨率0.25m，最大距离2km；该系统还成功用于直升机防撞。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术②面阵探测器。属二维阵列探测器，需要控制激光，使发射光能覆盖较大面积的场景，或同时照射许多不同的目标，然后接收回波信号。一般需要对发射光进行调制，对接收信号进行解调，才能测出距离。用面阵探测器成像技术不需要扫描器，但需要发射功率足够大，多应用于希望成像像素多、成像速率不高的情况下。各类微光像增强器也属于激光成像面阵探测器一类，后面将介绍的条纹像管及蓝延伸GaAs光阴极像增强器等用于激光时空选通成像中，具有灵敏度高、响应速度快和时空分辨率好等特点。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术③阵列探测器。采用这类探测器需要将发射光分为N束，同时照射目标上的N点，从这些点上反射回来的信号由探测器上N个探测元所接收，信号处理后得到N个像素上的距离信息和强度信息。通过扫描器扫描，获得二维信息，即可成像显示。这是目前比较新颖、有发展潜力的一项技术，难度较大。用于这一技术方案的高灵敏度阵列APD探测器的线阵列维数可达32维，面阵APD可达8×80。采用这一技术可以实现高速高分辨率成像，但对扫描器的要求比较高。这类探测器在军事上应用价值较高，可作为激光制导导引头中的Si－APD雪崩式光电位敏探测器。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(7)激光雷达成像系统其他性能参数：①使用要求。如启动时间、连续工作时间、存储期、存储环境、运输条件、互换性和操作控制程序。②其他特殊要求。视不同激光雷达类型及使用要求而定，如机载和弹载，地面和星载的特殊要求均不同。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术10.2.3激光雷达成像系统性能评估1脉冲激光雷达成像系统总体性能分析从总体上，人们普遍关心的脉冲激光雷达成像系统总体性能有：空间分辨率(最小可分辨场景面元)、最远可测距离Rmax、距离分辨率ΔR和雷达测距精度σR等。结合图10-2，在不考虑大气透过和系统MTF衰减情况下，可以把它们分别表示为：上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(1)极限空间分辨率(最小可分辨场景面元)(ΔX•ΔY)min，m。

式中：H———雷达载体飞行高度(m)；w和l———探测器单元的宽和长(mm)；f———激光雷达共窗口发射及接收光学系统物镜的焦距(mm)；α和β———雷达系统扫描场景时X方向和Y方向的瞬时视场iFOV(mrad)。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术对于像增强器一类探测器，w和l可用其极限分辨率(lp/mm)的倒数来表示。可见，探测器单元面积愈小(或器件分辨率愈高)，物镜焦距愈长，或系统瞬时视场愈小，载体飞行高度不高时激光雷达系统对场景的空间分辨率愈好。例如，10μm×10μm探测器单元、200mm物镜焦距、飞行高度5km的激光雷达，对地面场景的极限空间分辨率为25cm×25cm。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(2)距离分辨率ΔR(m)。

式中：ΔR为距离分辨率，即测量值与实际值之间的误差，其理论极限等于激光脉冲宽度(τ激光)内激光波往返行走的单程距离，例如，ΔtL＝τ激光＝1ns和1μs时，距离分辨率ΔR分别等于15cm和150m。后者在讨论微光像增强器等面阵探测器激光选通成像系统的景深分辨率时，有一定实际意义。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(3)最远可测距离Rmax(m)。

式中：tLmax是相邻脉冲间的间隔，即激光脉冲周期TL(s)，或激光脉冲重复频率的倒数fL(Hz)。例如，fL＝25kHz，或TL＝0.04ms，则该激光雷达只能测量的最大高程差为6km。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(4)测距精度σR(m)。

这里的“测距精度”指一次测量值与多次测量值平均值之间的误差，与上述“距离分辨率”看起来是类似的，但却具有不同的物理意义：式(10-6)是在假定激光脉冲为理想矩形脉冲、脉冲周期(或重复频率)严格确定的前提下导出的；而式(10-8)中把系统的信噪比因素考虑在内，这样更接近实际情况，即系统的信噪比愈高，测距精度愈高(不确定度愈小)。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术这是因为，实际的激光脉冲或雷达电脉冲，不可能是理想的矩形波；而时间间隔测量的关键就在于准确地确定往返波的“起始时刻”，只有当信号阈值达到或超过系统电压的噪声水平时，才开始正确计时，这种阈值判断和计时全靠系统自动进行，所以，系统本身的信噪比高低，对测距精度起着十分关键的作用。式中的根号代表了系统功率量纲信噪比与电压(或电流)量纲之间的转换。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(5)信噪比S/N。激光雷达接收机的信噪比与系统的很多因素有关，如接收信号功率、信号带宽、背景辐射、大气透光率、探测器响应灵敏度和放大器噪声等。而其中某些因素又与其他参量有关，如激光发射功率、接收光孔孔径和目标距离等。分析表明，如果接收到的回波信号很低，噪声中主要是探测器及预放器的热噪声，不考虑发射噪声(shotnoise)，则系统的信噪比可简化为S/N＝光电二极管电流中的信号功率/光电二极管和预放器中的热噪声(10-9)上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术但光电二极管光电流流经放大器耦合电阻的均方根电压

式中：k———波尔兹曼常数；T———绝对温度(K)；RL———电路耦合器负载电阻(Ω)；B———放大器带宽(Hz)。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术进而设接收到的激光脉冲功率为PR/峰值，则(10-8)式变为

以上介绍的物理概念和公式，为定性评价影响激光雷达成像系统总体性能的制约因素，提供了总体分析思路。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术2影响激光雷达成像系统总体性能的制约因素(1)激光雷达接收机的灵敏度、噪声系数及带宽。灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。灵敏度越高，这种能力越强，激光雷达的作用距离越远。通常灵敏度以最小可探测功率来衡量。最大作用距离与最小可探测功率的四次方根成反比，因此减小最小可探测功率，可以增大作用距离。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术要提高接收灵敏度，首先要提高接收机的增益。然而加大接收机的增益并不能无限地提高灵敏度。灵敏度的极限受到接收机外部干扰和内部噪声的限制，因此，提高接收机灵敏度的关键是在提高放大量的同时，尽量地减小内部噪声。为了衡量接收机内部噪声的大小，通常用噪声系数NF表示，它定义为接收机输入端信号与噪声功率比(SNR)in与输出端信号噪声功率比(SNR)out的比值：NF＝(SNR)in/(SNR)out(10-12)它表示信号通过接收机后，信号噪声功率比变坏倍数。噪声系数通常用分贝(dB)表示。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术激光雷达接收机的通频带是很宽的，要保证发射脉冲很窄(10ns)的波形不失真(特别是主通道与测距合用的方案)，其带宽须达60MHz以上。但加大跟踪距离，提高跟踪信噪比，须适当压缩带宽，以减小噪声，提高测距精度［见式(10-11)］。压缩的原则是让主要频谱能量不降低或降低很小，而保证信噪比的提高。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(2)激光雷达接收机的恢复时间。当接收机输入信号很强时，由于自动增益控制(AutomatismGainControl，AGC)取样电路的后拖，造成接收机增益很低，甚至暂停工作。这段时间称为接收机的恢复时间，要接收紧随在强信号之后的微弱信号，就必须缩短恢复时间。(3)激光雷达接收机的抗干扰能力。在现代战争中，光电子对抗是很激烈的，激光雷达的突出优点是抗干扰能力强，但也存在阳光背景、杂散光、人为干扰及无线电波干扰问题，因此要求接收机必须采取有效措施，提高抗干扰能力，经得起一切人为干扰和自然干扰。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(4)激光雷达接收机的动态范围。接收机输出电压从噪声电平变到接近饱和(限幅)电平时，噪声电平对应输入信号最小值Uinmin，饱和电平对应输入信号最大值Uinmax，这一变化范围即是激光雷达的动态范围DR。即DR＝Uinmax/Uinmin(10-13)若要求动态范围大，则接收机接收小信号时应具有足够高的增益，接收强信号时，其增益相应降低而不限幅。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(5)激光雷达接收机多通道的一致性。多通道的一致性是脉冲激光雷达要求的重要指标之一。动态运用下的一致性更难于实现。由于元器件的离散性、非线性和不同的温度特性，一致性是很难保证的，因此需要采取很多措施，如单通道技术和计算机修正补偿技术等。多通道的一致性要求能做到5%以内，目前已达3%水平。上一页下一页返回10.2激光雷达成像技术(6)激光雷达接收机的稳定性和可靠性。系统的可靠性对工程化和商品化的激光雷达极为重要。要保证系统有足够的可靠性，必须具备良好的工作稳定性。首先接收机不应自激。由于接收机频带很宽，很容易产生自激，必须采取有效措施防止自激；其次是参数的稳定性，在使用过程中不应因环境条件的改变而发生变化，导致工作性能变坏或不能工作。上一页返回10.3机载激光雷达成像系统机载激光雷达成像系统是一种集激光测距、全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一体的系统，用于获得数据并生成精确三维地形(DEM)。这三种技术的结合，可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。激光本身具有非常精确的测距能力，其测距精度可达毫米级。机载激光雷达系统包括一个单束窄带激光器和一个接收系统。激光器产生并发射一束光脉冲打在物体上并反射回来最终被接收器所接收。接收器准确地测量光脉冲从发射到被反射回的传播时间。鉴于光速是已知的，传播时间即可以被转换为对距离的测量。下一页返回10.3机载激光雷达成像系统结合激光器的高度，激光扫描角度，从GPS得到的激光器的位置和从INS惯性导航仪得到的激光发射方向，就可以准确地计算出每一个地面光斑的X、Y、Z坐标。机载激光雷达成像系统在城乡地区表面三维信息获取、局部地形地貌测绘，尤其是在冰雪、沙地、湿地、森林等困难地区的地形地貌信息获取方面，在需要高密度、高精度测量和需要快速反应的自然灾害监测、超级设施监测方面，在带状地物监测方面具有重大作用；在全天候远距离目标观察、瞄准、测距、跟踪、制导、告警等军用领域具有广泛实用价值。以下简单列举它的具体应用领域和技术特优点。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统1机载激光雷达成像的应用领域(1)城市三维建模：激光雷达能够提供高精度三维地形数据和城市建筑影像数据，与传统的遥感或实地测量相比较，具有速度快、精度高、时效性强、更新方便等特点。(2)数字电网：采用机载激光雷达测量技术，可以快速获取高精度三维地形数据、影像数据、电力线以及线下地物数据为电网规划、改造、检测和维护应用提供数据基础。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统

(3)数字水利：以高精度、高分辨率的激光雷达数据为基础，结合互联网和光线通信等现代化手段对中国水利资源进行数据采集、传输、存储和管理，进行洪水分析、生态评估、航运调度、水域治理等应用。通过分析研究水利的自然现象，探索其内在规律，为水域治理、开发和管理提供方案和科学依据。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统

(4)数字勘测：激光雷达测量技术可以为城市建设、工程建设等提供各种比例尺数字地形图、影像图、三维地形模型、各类专题图等数据，为城市规划、建设项目的立项、选址、论证以及房屋拆迁、用地普查、公共设施配套等提供决策依据和咨询意见，并为水文地质、地震、环保等综合分析提供参考。利用建设工程竣工测量、地下管线竣工测量、修测等手段，保证基础地理信息的动态性和现时性。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统

(5)古建筑文物保护：借助于激光雷达测量技术可以对各种文物古迹，乃至大型建筑物进行扫描和存储，电脑驱动的强大扫描头每秒可以抓取数百幅图像，并且可以在固定的操作架上从不同的角度同时对同一目标进行扫描。(6)林业应用：准确的树高、树林密度等信息对于林业非常重要，而这些数据用常规测量方法获取困难。机载激光雷达测量系统能同时获取树冠底部的地形信息以及树高信息，可以分析植被并加以分类，计算树高、树种及木材量，可以动态监测植物的生长情况以及提取林区的真实DEM。当前的研究应用包括树木种类、高度、冠层结构、蓄积量及各种参数的估算等方面。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统2机载激光雷达成像的技术特优点机载激光雷达与现有的航空摄影测量方法相比较，一方面可以作为摄影测量的一种补充，另一方面也是传统测量技术的一种竞争技术。对于许多测量应用来说，机载激光雷达测量技术目前可以开展与其他多种传统的传感器包括标准航空相机、数码相机、多光谱扫描仪或专题成像仪的联合应用。然而，在某些应用中例如林业、输电线路等，机载激光雷达技术提供的独特能力是其他任何技术都无法做到的。相比之下，机载激光雷达测量成像技术具有如下优特点：上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统

(1)快速性：应用激光雷达能快速获取大面积目标空间信息，也可及时测定形体表面立体形貌，提高了测量效率。具有数据采集速度快、测量数据精度高、外场作业工作量少、外场作业成本低和数据处理自动化程度高等优点。(2)非接触性：非接触性这一特征解决了危险领域及对柔性目标的测量、需要保护的对象(如文物)的测量和人员不可到达位置的测量等。是目前唯一能测定森林覆盖地区地面高程的可行技术。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统

(3)穿透性：是一种直接主动式测量方法，受天气条件的影响很少。激光能穿透不太浓密的植被，到达目标表面，由于激光扫描技术能在一瞬间得到大量的采样点，这些采样点能描述目标表面的不同层面的几何信息。(4)主动性：主动发射测量信号，不需要外部光源，通过探测自身发射出的光的反射来得到目标信息。可以对危险地区安全地实行远距离、高精度三维测量。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统

(5)高密度、高精度：机载激光雷达测量系统采集的激光点云数据非常密集，精度也高，通常激光点间距离1～2m，平面绝对精度0.3m，高程绝对精度0.2m。如果采用直升机为载体，激光点密度和精度将更高，点密度可以达到每平方米几十甚至上百个点。(6)高效性：可以不用事先埋设控制点进行控制测量，只需在测区附近地面已知点上安置GPS基准站即可，而且数据采集高度数字化、自动化，数据处理过程高度自动化。大大提高作业速度。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统

(7)数据产品丰富：基于直接采集获取的激光点云数据和数码影像数据，经加工处理后，可以得到DEM、DOM、DTM、DSM等数据产品，在相关专业软件的支持配合下，还可以制作其他数据产品，如城市建模物三维模型等，也可以把激光点云直接应用于三维量测如电力巡线中的地物到线的安全距离检测等。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统本节将分别介绍机载激光雷达成像系统(Lidar－IS)的以下相关内容：①机载Lidar－IS组成、功能及发展动态；②机载Lidar－IS探雷系统；③机载Lidar－IS快速灭雷系统；多波段条纹管激光成像技术单独用一节(10-4)讲述。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统10.3.1机载Lidar－IS组成及功能通常，一套完整的机载激光雷达成像系统由空中测量平台、激光扫描仪、姿态测量和导航系统、计算机及软件等组成。为了获取的数据更加全面，系统通常还搭配一个数码相机。图10-4是加拿大LiteMapper5600型机载激光雷达测量(成像)系统组成方框图。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统激光雷达测量系统的工作过程，实际上就是一个不断重复的激光点发射和接收过程，这个工作过程通过具有一定分辨率的空间点(坐标X、Y、Z)，其坐标系是一个与激光设备位置和扫描姿态有关的仪器坐标系所组成的点云图，来表达系统对目标物体表面的采样结果。图10-5为一个Lidar

IS的工作过程及功能示意图。激光雷达测量系统所得到的原始观测数据主要包括：上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统

(1)根据两个连续转动的、用来反射脉冲激光的镜子的角度值，得到激光束的水平方向值和竖直方向值。(2)根据脉冲激光传播的时间，计算仪器到扫描点的距离值。(3)扫描点的反射强度值等。前两种数据用来计算扫描点的三维坐标值，扫描点的反射强度用来给反射点匹配颜色。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统由于激光雷达测量系统采用的是脉冲测距方式，通过计数器测量激光从发射到接收之间的脉冲个数计算距离。如果时标振荡器频率为f，在激光雷达和目标之间往返的时间t内(即取样信号和回波信号之间的时间间隔)包含时标脉冲个数为n，则待测距离为L＝c×n/2f(10-14)上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统10.3.2机载Lidar－IS探雷系统(ALMDS)美国诺斯罗普•格鲁门公司提供机载激光水雷探测系统(ALMDS)。由MH－60S直升机控制的ALMDS，利用一种光探测和测距的蓝－绿激光器，探测、定位和区分沉底雷、锚雷和漂雷。海军计划在2005年至2011年之间购买57套ALMDS吊舱，整个项目总价值大约是2亿美元。ALMDS提供控制濒海的复杂、高速作战环境所必须具备的机动力量，ALMDS是为濒海战斗舰艇设计的水雷战任务包的重要部分。2007年1月29日，该公司已经向美国海军交付了首套机载激光水雷探测系统(ALMDS)，用于搜索移动的、水面和接近水面的水雷。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统ALMDS还计划安装在濒海作战舰(LCS)上；海军计划于2018年前购买45套此系统，预计项目费用总值将近2.55亿美元。全天候ALMDS系统是利用激光探测舰船龙骨线(大约12.2m深)以下水域的水雷。搜集到的信息将很快传送到“海岸战场侦察与分析系统”(COBRA)或进入“快速机载扫雷系统”(RAMIC)。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统装备蓝绿激光的美国海军直升机将很快能够以60节的速度，探测到水深超过40英尺(1ft＝0.3048m)的水雷。根据掠扫所收集到的数据，直升机返回到该领域，运用二级聚焦激光瞄准水雷，然后用专门设计的30mm超空泡射弹将其摧毁。新型机载激光探雷系统(ALMDS)及其伴侣机载快速水雷清除系统(RAMICS)将大幅度提高探测和清除漂雷和浅水水雷的速度，同时保证工作过程的安全性。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统该探测水雷激光装在一个8英尺的吊舱，挂于MH－60S直升机的一侧。每秒向水中发射数以百计的激光脉冲。吊舱内的照相机以数字格式捕获其反射信息。直升机返回到母舰后，该数据传输到计算机，分析员借此鉴定水雷，该系统的运算处理能力要求很高。一旦鉴定出水雷，直升机就会配备RAMICS系统，配备RAMICS系统耗时约4h。RAMICS采用同一种蓝绿激光，但其对焦更精细。利用全球定位系统，直升机返回到雷场，重新定位并导向水雷。然后该系统开火，其子弹是由气泡或者“气泡膜”包裹，而不是像普通子弹在飞行过程由水来包裹。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统机载激光探雷系统是直升机所装载的空对海激光探雷系统，它能利用绿波段的激光雷达进行高效率的海面扫描、搜索、探测，发现水雷，定位水雷，报告水雷的分布情况，机载激光探雷系统配置如图10-6所示。机载激光探雷系统的核心是机载激光探雷吊舱。在舰载设备系统、机载设备系统和保障系统的配合下，完成海上探雷任务。激光探雷吊舱由激光雷达系统、惯导/GPS、环控系统、吊舱增压系统、吊舱壳体等组成，其核心是激光雷达系统。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统激光雷达系统包括：激光发射机、发射光学、激光电子单元、激光接收光学、激光探测器、信息处理及通信和激光电源，激光发射及电子组件。激光发射机出射的激光束经过扩束，使系统出射的光束成为“扇形”光，在海面形成一窄光带，光带的长和宽应满足系统大面积搜索和无漏检的需求。激光接收系统应是一个狭长方形视场的光学结构，视场与发射光学匹配，焦面与条纹管探测器匹配，分辨率应满足系统探雷需求。当脉冲激光束照射海面，由海面及近海面的似雷物体反射或散射的激光脉冲在不同的时刻返回。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统这样就把景物的空间距离信息转变成返回光脉冲的时间信息。条纹管探测器的激光接收狭缝与发射扇形激光束平行，条纹管将返回光脉冲的时间信息再转变成空间信息，就得到了扇面内景物的二维空间信息。条纹管探测的光雷达系统可提供四维(俯仰角度－方位角度－距离－对比度)成像，条纹管探测器随系统装在直升机上，利用直升机向前的飞行，进行“推扫”，系统不断发射脉冲激光束，每一个激光脉冲均能得到一幅垂直海面的水下二维条纹图像，所有脉冲形成的图像按空间位置组合，即可构成搜索水域的三维图像，从而实现对水下目标的探测、识别与定位。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统10.3.3机载激光雷达快速灭雷系统(RAMCS)直升机所装载的空对海进行再捕获搜索和快速灭雷系统，根据激光探雷直升机所提供的水雷分布情况，利用绿波段的激光雷达对海面进行定点扫描、探测，发现并识别水雷，为火炮指示水雷位置，火炮发射超空泡射弹，摧毁水雷。快速机载灭雷系统的总体战术配置如图10-7所示。根据灭雷任务规划，快速机载灭雷系统可以实现智能定位、智能瞄准和智能发射。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统■智能定位：是根据水雷分布及灭雷次序规划，指令直升机以最短的航路到达再捕获点，这个再捕获点的设定，要既能够满足探雷扫描所需的高度和距离，又能使直升机快速进入安全的灭雷位置(SSO)，以使再捕获搜索、探测和定位目标所用时间最少。■智能瞄准：根据目标定位所得到精确的目标坐标，火控系统解算出最佳的火炮射击位置，火炮上的瞄准激光同步照射，进行闭环炮控，减小系统误差，使击毁目标所需的点射次数(用弹)最少。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统■智能发射：在简单射击模式下开火，系统能够为每次开火重新解算一个闭环火控方案，在各点射之间隙，使稳定平台和火控系统进行校正，以最少的射击次数获取每次任务清除目标最多，以及获取最少交战时间。快速机载灭雷系统的工作分两个阶段，一个阶段是再捕获扫描，进行探雷和目标定位；之后是灭雷阶段，发射超空泡射弹，摧毁水雷。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统1机载灭雷再捕获扫描过程再捕获搜索探雷仍是以激光雷达的原理工作，所用激光器与机载激光探雷系统的激光器基本相同。由于再捕获搜索是针对已知位置的目标雷，搜索区域可以限定在较小的范围内(RSA)，故照明光束的束散角小，相应的接收光学也以较小的视场接收激光回波，可以达到对雷目标的精确定位。扫描过程中的每一个光斑位置，都要采用6帧选通法，进行探测、判断、识别和定位；通过6个不同的选通时间，获得水下不同深度取6帧信号，进行解算，要求有很高的激光重频和探测器的帧频。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统采用螺旋扫描精确定位，对半径为160m左右的再捕获区域(RSA)进行螺旋扫描搜索，螺旋扫描光斑应有一定重叠，以保证没有漏扫；每一搜索位置都应检测至最大水雷探测深度；扫描至RSA最大边界时，再以反向相同的路线进行回扫，正反两次扫描间隔一定的时间，可以减少海洋生物带来的虚警。同时，消除太阳光等环境因素在扫描搜索过程中的不利影响，提高整个扫描区域内的置信度。两次扫描结束后需对可疑目标进行进一步的成像和确认，以完成目标精确定位、稳瞄和跟踪，无缝螺旋扫描精确定位示意图如图10-8所示。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统当在小范围扫描中发现目标时，系统即转入瞄准跟踪状态，激光束直接对准雷目标进行照射(照射激光)，并将雷的方向角位置、深度参数代入系统控制解算；解算出直升机的安全射击距离和高度，使直升机到达安全发射位置稳定悬停；火控系统根据直升机位置、姿态、大气条件(风速)、目标位置、解算出火炮的正确发射角度，调动炮塔进入射击位置；火炮上的激光准直器发出瞄准激光(起飞前已确认激光准直器与炮轴的平行性满足要求)；光雷达探测器同时探测到照射激光和瞄准激光在海面形成的两个光斑(光斑图像显示在监视器上)；上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统对两个光斑位置进行比较，如果与火控解算的预期位置出现偏差，即进行火炮发射角调整，使两个光斑的相对位置达到预期的关系(因为有海水折射，两个光斑是不重合的)；火炮发射超空泡射弹；如果一个点射未击中目标雷，进行火控调整，再次进行射击。通过火炮摄像机，获取灭雷效果图像，火炮操作员可进行灭雷效果评估，一旦确认该雷目标已被摧毁，直升机即可转入下一个雷位，执行上述灭雷过程。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统系统转入瞄准跟踪到火炮瞄准，仍采用6帧选通法进行目标定位和火控解算。6帧选通具体含义为：No1帧：确定水面的恒定距离；No2帧：定位水面恒定距离线；No3帧：刚好在雷上表面的窄选通图像，以此减少背景噪声；No4帧：前帧所报告位置的雷中心窄选通图像；No5帧：此帧与前帧高度相关、高度对位，提供精确的水雷距离；No6帧：长曝光时间选通，对瞄准激光光斑成像。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统2机载快速灭雷系统机载快速灭雷系统的核心是再捕获吊舱分系统、火力分系统。在舰载设备系统、机载设备系统和保障系统配合下完成再捕获和灭雷任务。再捕获吊舱分系统主要由万向架组件、激光发射机、激光电子单元、光雷达信息处理单元、万向架驱动控制单元、火控系统、通信处理单元组成。主要功能是进行光雷达扫描、发射、接收、信息处理，进行扫描控制、万向架驱动控制、火控解算、通信处理等。上一页下一页返回10.3机载激光雷达成像系统火力分系统是利用机载30mm无链单路、浮动转膛自动炮发射超空泡射弹的超空泡射弹武器系统。超空泡射弹是以高的初速发射，由于其特殊的弹丸形状，入水后可以使周围的水产生空化，形成超空泡，从而降低射弹在水中的运动阻力，在水中运动速度快、行程远、精度高，利用其高速动能和超空泡射弹能量摧毁水雷目标。上一页返回10.4多波段条纹管激光成像技术激光主动成像技术能够同时直接获取目标四维像(三维几何像＋一维强度像如图10-9所示)，具有很高的应用价值。但是，传统的激光成像技术采用扫描体制，获取一幅图像需要通过二维扫描(行扫＋帧扫)完成，使其成像帧频较低，成像视场角也较小；另外，扫描器的应用，不仅增大的系统的体积，还降低了系统的可靠性和工作稳定性。这些缺点限制了扫描体制激光成像技术的应用，因此，近年来国际上一些主要研究机构正在探索实现非扫描闪烁式激光成像技术，即发射一个激光脉冲覆盖整个目标视场，一次获取整幅图像，它具有成像帧频高，探测视场角大等优点。下一页返回10.4多波段条纹管激光成像技术实现非扫描激光成像的一个重要技术瓶颈就是很难研制出具有读出时间信息能力的高速采样面阵探测器，条纹管像增强器能够实现紫外、可见和近红外波段的面阵探测，利用其很高的时间分辨能力，可以获取目标距离像，是公认的最有希望实用化的三种主要非扫描成像体制之一。上一页下一页返回10.4多波段条纹管激光成像技术10.4.1条纹像管激光成像工作原理条纹相机是一种高速摄影设备，其核心器件是条纹像管，它像示波器那样，借助其管内的第十电磁场，控制经光阴极光电转换的瞬变目标光电子图像信号，并以高的能量，聚焦成像于荧光屏不同条带区，继而经CCD传感和计算处理，显示为不同Δt时刻(不同条带区)的序列图像。图10-10是利用这种条纹像管组成的激光成像系统，能够同时给出一维的连续的时间信息和二维的空间灰度信息。上一页下一页返回10.4多波段条纹管激光成像技术因此单狭缝条纹管可以作为激光成像系统中的线列探测器使用，而经过改造的多狭缝条纹管则可以作为面阵探测器。该系统的工作原理是：激光器发射的激光，通过光学系统进行光束变换，成扇形或者矩形激光射向目标；经目标反射的回波信号进入接收系统，由接收光学系统聚集耦合到探测器条纹管的光电阴极上，条纹像管的输出荧光屏上的像由CCD读出系统将数据读出到信号处理系统，信号处理进行噪声处理和目标提取等算法，最终对图像进行还原重构，获取目标的四维像。上一页下一页返回10.4多波段条纹管激光成像技术10.4.2条纹像管多波段激光成像已经实现的条纹像管激光成像系统是采用Nd：YAG倍频532nm可见光波段激光，用于水下侦察和探测，而就条纹管探测器本身，目前能够对紫外到近红外波段都有较高的量子效率，因此，利用条纹管探测技术可以实现从紫外到近红外的多波段激光成像。目前条纹管能够采用的光电阴极材料主要有：钾钠锑铯(Na－K－Sb－Cs)阴极(S20阴极)；银氧铯(Ag－OCs)阴极(S1阴极)；掺铟砷化镓(InGaAs)半导体阴极，它将响应波段向长波方向扩展；铝镁铜氧化物(［A1MgCu］Ox)阴极。表10-2为典型的光电阴极光谱响应范围和灵敏度。上一页下一页返回10.4多波段条纹管激光成像技术可以看出，光电阴极材料的光谱响应范围大致在200～1700nm，灵敏度峰值还是在可见光波段，紫外波段也有较高的响应灵敏度；红外虽然能够响应，但灵敏度相对较低，由于有较多的应用需求，所以近红外光电阴极一直是发展方向。综合分析各单元器件的性能指标和应用背景需求，条纹管激光成像系统的几个主要工作波长有：上一页下一页返回10.4多波段条纹管激光成像技术紫外波段：Nd：YAG三倍频355nm和四倍频265nm；紫外激光大气传输特性不好，不适合远距离探测；但是紫外波段有其自身的优点，紫外激光衍射极限小、分辨率高，其光学系统孔径也可以做得较小；紫外波段在太阳光谱中所占的成分很少，特别是265nm几乎不存在，属于“日盲波段”，这对提高探测信噪比十分有利，特别是在外空间应用，太阳光背景是噪声的主要来源，而且太空中不存在大气传输的问题，紫外激光的探测距离不受影响，而紫外激光成像技术的优点就显示出来，因此紫外激光成像技术适合航天和空间领域以及一些不需要远距离探测的应用，如三维视觉、地下管线勘察等。上一页下一页返回10.4多波段条纹管激光成像技术355nm还有一个优点，就是它的人眼安全特性，其人眼照射极限值与2m、10m等公认的人眼安全波段在一个数量级。光电阴极对紫外激光的响应灵敏度也较高，因此，条纹管紫外激光成像的技术实现没有问题。上一页下一页返回10.4多波段条纹管激光成像技术可见光波段：Nd：YAG倍频532nm绿光是已经实现条纹管激光成像的波长，另外一个有潜在应用价值的波长是456nm蓝光，蓝绿激光的共同优点是其具有良好的水中传输特性，分别对应于深海和浅海的海水透射窗口，因此比较适合水下成像，目前532nm条纹管激光成像雷达的主要应用也是水下目标探测。可见波段是光电阴极的响应峰值，探测灵敏度较高，但是这两个波长也有一个缺点，就是伤害人眼，其人眼照射限值比2m低4个数量级，属于人眼最不安全波段，因此限制了其应用。上一页下一页返回10.4多波段条纹管激光成像技术近红外波段：红外激光大气传输特性较好，其实现的技术瓶颈在于如何提高探测灵敏度，S1光电阴极对1.06μm(Nd；YAG激光波长)有一定的响应灵敏度，结合内增强技术能够实现1.06μm条纹管激光成像；1.57μm激光(Nd：YAGOPO激光波长)以其良好的大气传输和人眼安全特性很受关注，国外各大公司也在研制能够探测1.57μm光信号的条纹相机。中长波红外激光大气传输特性最好，也是激光成像最为理想的波段，但是由于没有能够响应的光电阴极，因此，以目前的技术和工艺水平，利用条纹管实现这个波段的激光成像，还不现实。上一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术10.5.1需求背景及工作原理1需求背景在大雾、阴霾、尤其是在水下的目标探测成像问题始终是人们关心、并亟待解决的技术难题之一。这是因为在这些恶劣的天候条件下，大气或水介质严重的散射和吸收特性，使被传播的图像对比度大大衰减所致。幸好在蓝绿光波段(约0.5μm)(见图10-11)，尚有有限的光谱透过率(或叫“水汽透光窗口”)。可见，在水下10m(近海)～100m(远海)以下，除此蓝绿光以外，其他可见光、紫外光和红外光几乎全部被水吸收殆尽。这就是为什么必须研究和应用蓝绿激光/微光距离选水下成像技术的根本原因。下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术实践证明，采用蓝绿色激光/微光选通成像技术装备是提高水下及雾霾等恶劣天候下成像视距和图像清晰度的有效途径，在军用水下目标识别、跟踪、探雷、导航，民用海洋勘测、搜索援救以及水文成像领域里，有广泛实用价值。在这些社会需求推动下，过去几十年里，水下成像技术一直受到各国政府的高度重视，相关技术发展迅速，其中，蓝绿光微光成像技术、激光技术、图像信号处理技术以及计算机技术的飞速发展最引人注目，其成果及应用提高了相关国家水下军事装备的水平，也加深和拓宽了人们对海下奇妙世界的了解。上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术例如，各类高科技潜水器材、潜水艇、遥控航行器(ROV)和自主式水下航行器(AUV)的发展，使人们到海底去旅行成为现实。在旅行途中，除能用人眼和传统的照相设备观览海底风光之外，而最有意义的是能记录下整个游览经历并得到其他的信息。上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术2激光/微光距离选通成像工作原理如上所述，水下激光雷达工作遇到的主要障碍是：在激光器—目标—接收器之间进行光传播途径中，除了目标信号外，水介质对传播光的前向散射、后向散射及剧烈吸收特性，导致系统结构信噪比严重下降，作用距离大大缩短。为此，必须采取如图10-12所示的激光/微光距离选通工作模式，即：上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术(1)激光脉冲发射并计时，同时启动像管电源延时电路，这里的像管包含于ICCD摄像机中；(2)目标回波到来时，启动像管阴极高压脉冲，ICCD正常工作，并当荧光屏图像达到最亮、或最清晰时，计数回波延时时间tL(s)；按此激光发射脉冲前沿与其回波脉冲前沿之间的时间间隔tL(s)，计算显示目标的单程距离，即R＝(1/2)c•tL(10-15)上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术10.5.2水下激光/微光选通成像技术特点和总体性能评估(1)必须选用蓝绿色激光/像增强器/电控距离选通工作模式。(2)使用微光像增强器等连续或不连续靶面探测器，不需要光机扫面机构，其各光敏单元同时接收经物镜聚焦成像的场景各相应面元的光子数回波信号，其输出信号大小正比于在一定采样时间内所累积的相应场景面元反射光子数强度、探测器的量子效率及系统增益等性能，即输出信号：

上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术式中：PM———激光脉冲功率(W)；τ———激光脉冲宽度(s)；f———激光脉冲重复频率(Hz)；S———探测器(光阴极)灵敏度(A/W)；G———系统增益。系统输出等效背景噪声，主要受限于水介质透过率衰减、前向散射和后向散射干扰、发射波与回波光束扇形重叠体积，以及探测器暗背景及系统的噪声因子等。上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术(3)按照式(10-15)，确定目标单程距离，距离判定最小误差(或“景深”)由ΔRmin＝(1/2)c•τ给出，即脉冲宽度τ愈窄，测距误差愈小。(4)系统作用距离与激光脉冲功率、重复频率、脉冲宽度、激光发散角、激光照射扇区与激光接收扇区重叠程度、水质污染程度、水对往返激光束的散射和吸收特性、电控单元控制精度等因素有关。计算起来比较复杂，工程中多通过理论分析与实验验证相结合的途径，分析系统的作用距离。上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术10.5.3水下激光/微光选通成像系统实验效果举例(1)作者单位西安应用光学研究所1967年用液N2冷却的GaAs组合线阵激光器(平均功率2W，水平发散角2°，10kHz，脉宽1μs)与Ag－O－Cs光阴极红外变相管(125μA/lm，26lp/mm)及选通控制电源组成的选通成像系统，在一个大雾夜晚(视觉能见度不到10m)进行夜视对比实验，选通和非选通工作的系统视距之比为251m/83m。上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术(2)加拿大、美国、法国和俄罗斯等国的水下激光/微光选通成像技术以研究装备属于世界前列。经过半个世纪的科技发展，无论激光器技术、像增强器成像技术以及光机电算控设计和制造，已达到相当高的水平，使这类系统的地对空视距已经达到10～20km，水下100～200m。水下勘探测绘的纵向空间分辨率达10cm左右。其中：上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术①加拿大LUCIE(LaserUnderwaterCameraImageEnhancer)已发展到第三代(水下蛙人头盔或手持式工具)，如图10-13所示，它可工作在200m的海下，用于水下救援及勘察，系统组成：二极管泵浦Nd：YVO4激光器，532nm，重频25kHz，功率600mW，脉宽1ns；像增强器选通门宽5ns，动态偏振控制；参量自动调整，自动最优化成像；系统是宽20cm、高10cm、长25cm的手持式系统，电池持续供电时间45min；功耗50W，重5kg。在5.0AL处可分辨16mm/lp的分辨力靶标图(如图10-13)；并可与高频成像声呐形成融合图像。上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术②美国：SPARTASee－Ray(1994)的距离选通成像系统，采用532nmNd：YAG激光器主动照明，单脉冲能量＞100mJ；接收器采用XYBION电子系统公司生产的ICCD(蓝延伸GaAs光阴极像增强ICCD)。该系统有两个版本，一种是手持式以方便潜水员使用，一种为远程式适合于安装在ROV上。获取5.6AL距离上的分辨力靶标图像，能探测到靶标的距离是6.4AL。AL为水下裸眼视距衰减长度(1/e)，6.4AL代表装备系统后视距为裸眼的6.4倍。上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术③法国IFREMER距离选通激光成像系统采用二极管泵浦Nd：YAG激光器，波长532nm，脉宽10ns，输出功率2mW，发散角0.6mrad。接收器为选通型ICCD，选通控制5ns～20ms，观察距离0～70m，具体探测性能如表10-3所示。上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术10.5.4导弹制导用激光/面阵探测器选通成像系统1激光/微光选通成像导引头图10-14激光/微光选通成像导引头原理示意图图10-14为激光/微光选通成像导引头原理示意图。所用激光器为YAG倍频蓝绿激光器，探测器为蓝延伸GaAs光阴极像增强ICCD，距离选通工作模式，通过宽视场搜索、窄视场跟踪、激光照射目标，ICCD成像解算，提供随动系统目标位置信息，制控导弹尾翼，制导摧毁目标。该系统亦可用于飞机防撞、着陆观察等领域。上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术2雪崩光电二极管位敏探测激光制导系统2×2(四象限)、4×4、8×8及64×64元雪崩光电二极管面阵位敏探测器是激光导引头的核心器件，它虽然像元数有限，但利用了较大单元面积的半导体内的雪崩电子倍增效应，灵敏度高，体较小，质量轻，功耗低，易于解算目标位置信息。图10-15(a)和(b)分别是一个2×2四象限激光探测器平面结构图和位敏探测原理示意图。图中和式中，S是探测器的有效总面积，S1、S2、S3、S4和A、B、C，分别是四个象限单元的面积和它们分别提供的电荷(电流)信号；上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术r是被探测目标像的圆斑半径；L是探测器中间的绝缘沟槽宽度。根据图上注明的几何及其信号读出关系，用一种“和差解算法”，可以把激光导引头目标位敏探测(x，y)的有关公式推导列举如下：

上一页下一页返回10.5蓝绿激光/微光选通水下成像技术式中：f’———成像物镜焦距(mm)；θx，θy———x和y方向的角误差，它是随动跟踪制导的信号源。很显然，探测器面元愈多，角误差愈小，但随着面元数增多，单元面积不得不缩小，使信噪比降低，故选择时应优化考虑。目前激光制导用的最高水平是64×64硅或GaAs雪崩光电二极管阵列探测器。上一页返回10.6激光全息三维成像技术10.6.1技术内涵和特点激光全息三维成像技术，又名激光波前再现成像技术，它是让来自同一激光器经过扩束的两束激光，一束作为“物光束”照射物体、经反射后，与作为“参考光束”的另一束激光，同时成像于全息底片上，经曝光、显影、定影处理，形成全息干涉条纹板(简称全息片)；事后，用照明光波(平行光波)再现显示成被摄物体的三维立体图像。这一系列处理十分类似于无线电广播的录音－调制(调幅或调频)高频载波－发射，到收音机接收－解调－回放的全过程：下一页返回10.6激光全息三维成像技术“物光波”类似于声波信号，“参考光波”类似于被调制的高频载波；再现显示时，经解调去除载波“参考光波”信号，提供三维图像信息。隐含于全息图中的干涉条纹图，既包含被摄物体处于成像焦平面上(x，y)点的灰度(或彩色灰度)信息，又由于光学干涉原理，还包含第三维由不同时刻Δt相位决定的z方向高差信息，这样，就构成为一幅幅I＝I(x，y，z，ρ，…)三维立体图像。上一页下一页返回10.6激光全息三维成像技术利用不同波长的激光器，可以获得多种不同光谱的全息图，如X线激光全息图、紫外光全息图、可见光全息图、红外光全息片、微波全息图和声波全息图等；输出显示可为单色显示像或彩色显示像；其中的全息底片也可以用其他类型的图像传感器替代，例如，用固体摄像器件(如CCD、CMOS等)或其他探测器，记录并经模数转换处理而存储于计算机中的全息图，它们被称为“数字全息图”。也可以用计算机通过数值计算，绘制出全息图，称为“计算全息图或相息图”。这种全息图在制作时较为复杂，但可以制作出实际上不存在的假想物体的全息图，并通过再现的方式显示出设想的物体来。上一页下一页返回10.6激光全息三维成像技术全息图按其记录介质厚度和像再现的原理可分为平面全息图和体积全息图两类。平面全息图(PlaneHologram)是指记录介质的厚度(如全息底片乳胶层的厚度)和全息图干涉条纹的间距相近时的全息图。如果介质的厚度比干涉条纹间距大很多，得到的就是体积全息图(VolumeHologram)。平面全息图和体积全息图的差别主要有两个：一是全息图再现时的成像原理，前者可用平面光栅说明，后者要用体光栅进行分析；二是一般情况下，体积全息图的衍射效率远远高于平面全息图。上一页下一页返回10.6激光全息三维成像技术实际全息图的记录材料有振幅型、相位型和混合型三种。相位型记录材料又分为浮雕型和折射型。若记录介质在曝光和处理以后厚度改变，折射率不变，则称为浮雕型；反之，若记录材料的厚度不变，折射率改变，则称之为折射率型。用全息干版制作的全息图，在显影处理以后是振幅全息图；进一步作漂白处理后则变为相位全息图或振幅相位混合型全息图。上一页下一页返回10.6激光全息三维成像技术激光全息术的物理和技术特点是：(1)激光全息图包含了被摄物体反射(透射)光波的振幅(x，y)和位相(z)的三维灰度分布图像信息，可以是单色的，也可以是彩色的。(2)对菲涅耳干涉全息图而言，到达记录平面上任一点的物光波均携带着物体表面各点的信息，因此，即使把菲涅耳全息图(打破)分割成若干块，其中的每一块均可再现出物体的全息像。只是随着该部分尺寸的减小(相当于通光孔径减小)，再现像的噪声增大，清晰度降低。上一页下一页返回10.6激光全息三维成像技术

(3)分辨率很高，图像很清晰，全息干涉条纹间宽度可以达到1000lp/mm，光谱分辨率好，颜色再现逼真度较高。(4)全息片制作及再现工艺较复杂，精度要求高，实时性较差。上一页下一页返回10.6激光全息三维成像技术10.6.2应用领域激光全息成像是近代先进光电子成像技术之一，在全息防伪、高密度全息存储、全息显微术、彩色全息显示、X线激光分子生物学研究等领域，有广泛应用价值。(1)全息防伪(antifigurebyhologram)。利用全息像可制成防伪商标，而且不容易被盗版，原因是全息像分辨率极高(约1000lp/mm)，工艺复杂，很难仿制。上一页下一页返回10.6激光全息三维成像技术

(2)全息存储(holographicstorage)。利用全息图存储信息，是20世纪60年代起发展起来的全新存储方式，其特点是存储容量大，密度高，一张10×10全息底片可记录上千幅图像，其中平面全息图存储密度比普通照相底片的大十倍，体积全息图则大一万倍。(3)全息显微术(hologra