距离选通激光成像系统发展现状

　　1　引　　言

　　在低亮度、大气传输特性差或者后向散射严重等恶劣天气条件下,即使最灵敏的微光电视系统也不能提供足够的分辨率,很难探测识别目标,这时红外成像系统也受到温度对比低的限制。为了克服以上缺点,人们采用近红外脉冲激光器和选通增强型CCD相机设计出了一种距离选通激光成像系统[1,2],可以在全天候下探测和识别目标并且提供距离信息。距离选通激光成像技术可以克服传统的被动成像许多缺点,具有成像清晰、对比度高,不受环境光源的影响等优点。

　　2　原　理

　　通过调节发射激光束的聚焦状态(发散角),将目标全部或目标的关键特征部位照亮,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、散射和吸收以及湍流等因素都将对主动照明成像产生影响。为了克服以上因素(特别是后向散射)对成像距离和成像质量的影响,采取了距离选通技术[2～4],其原理如图1所示。

　　距离选通技术是利用脉冲激光器和选通摄像机,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摄像机并成像。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摄像机。当激光脉冲处于往返途中时,摄像机选通门(或光闸)关闭,这样就挡住了来自气体中的悬浮微粒的后向散射光。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。选通门开启持续时间与激光脉冲一致。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,使得只能探测到目标附近的反射光,那么就能大大提高回波信号的信噪比。

　　3　关键技术

　　3.1　距离选通同步控制技术

　　同步控制技术是距离选通激光成像系统的关键技术之一。同步控制电路使激光器和CCD相机同步,并且提供选通门宽度、脉冲宽度和延迟时间选择。采用同步控制技术使激光器和CCD相机同步,并且提供选通脉冲宽度、照明脉冲宽度和延迟时间可以根据观测景深调节。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,定时时间取决于目标距离和激光脉冲传输需要的时间。

　　3.2　激光器

　　激光主动成像系统对激光光源的要求:

　　·较高的峰值功率;

　　·较窄的脉冲宽度;

　　·大气传输性能好。

　　通常采用脉冲Nd∶YAG激光器,工作波长为1.06μm,经倍频后为0.532μm,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。1.5Xμm波长的激光对人眼更安全,穿透战场烟雾的性能优于1.06μm。1.5Xμm波长激光由于具有对人眼最安全,大气穿透能力强,目标反射系数高等优点,因而采用1.5Xμm波长激光器作为照明光源是今后主动成像系统的一个重要发展趋势。输出波长1.5Xμm的对人眼安全固体激光器主要有两种,即饵玻璃激光器和喇曼频移Nd∶YAG激光器。脉冲二极管泵浦Nd∶YAG激光器转换效率可达6%,几乎是闪光灯泵浦Nd∶YAG激光器的2倍,目前主要缺点是成本较高。二极管激光器用于激光成像系统的光源比较合适,结构紧凑、转换效率可达30%,但是目前市场上还没有窄脉冲、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。另一种有前途的是TEA CO2激光器,发射10.6μm波长的激光,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Nd∶YAG激光器的广泛。