光电雷达-距离选通技术

距离选通激光雷达技术摘要：成像激光雷达无论在军用领域还是民用领域日益得到广泛的应用。

其中，激光距离选通成像技术经过数十年的发展，在军事侦察、搜救、监视、水下探测等方面获得重要的应用。

本文介绍了距离选通激光雷达的工作原理，对距离选通激光雷达设计中的关健技术进行分析，给出了几种具备代表性的元件及其指标。

关键词：激光雷达;同步控制;距离选通;主动成像引言1960 年世界上第一台激光器诞生以来，激光雷达便以其独特的优势成为雷达研究领域的热门项目，其中无扫描成像是激光雷达发展趋势之一[1]。

一般的成像激光雷达在对水中的目标进行成像探测时，或者陆地探测而大气中含有较多的雨、雾或烟等悬浮颗粒时，就会产生很强的前向和后向散射，又或者在海上、雪地或者白天等环境中探测时，会产生很强的背景光辐射，这些情况都会对成像质量造成严重影响。

为了使激光雷达能在上述情况中也能够很好的工作，人们发明了距离选通技术，并且逐步成为人们研究的热点[2]。

距离选通激光雷达能很好的消除背景光及散射的影响，在上述复杂环境中获得目标的 2D强度像，并且经过进一步的数据处理还可以从多幅的 2D像中获得关于距离的 3D距离像[3]。

距离选通激光成像激光雷达系统属于主动成像，它不仅可以克服被动成像的一些缺点，比如能够获得更高的成像分辨率，不受环境的背景光的影响等；而且同时它也可以弥补主动成像的一些不足，降低大气散射、湍流等对激光脉冲的前行波和回波的影响，使其在水底目标成像和矿产探测，远距离军事目标识别和跟踪方面都可以有很广泛应用[4]。

1 成像激光雷达近年来人们对成像激光雷达的研究越来越关注，并且成像激光雷达有着取代传统微波雷达的趋势[5]。

这是因为激光成像雷达有着微波雷达无法比拟的优势，比如利用激光作为光源可以使雷达系统具有极高的距离分辨率、速度分辨率、角分辨率和很强的抗干扰能力，而且能在烟雾较多的大气中进行探测，还能对位于树林、灌木丛或伪装网后面的目标进行成像探测和识别，这在军事方面有着很重要的应用值；另外对于特定波长的激光雷达可以进行水底探测，便于实现水底矿产或海底地形的开采[6]。

随着激光器体积的小型化，这使得激光雷达系统的体积大大减小，与微波雷达庞大的体积相比较，更加的便于携带和进行移动测量。

而对人眼安全的1.5 um波段激光器的出现，预示着成像激光雷达已经可以走出纯军事应用，广泛用于人民生活当中，比如气象学和医疗等[7]。

成像激光雷达按照成像的方式可以分为两类：一类是非扫描成像激光雷达；另一类是扫描成像激光雷达。

扫描成像激光雷达使用单元探测器对目标进行扫描，最后经过处理获得完整的目标的图像，所以成像速度比较慢，并且由于扫描器的存在使得系统体积较大，不利于携带，但是这种雷达作用距离很远。

非扫描成像激光雷达的探测器一般都是由阵列探测器构成，不需要对目标进行扫描，成像速度很快，但是由于它是利用激光器的泛光照射目标，导致这种系统的作用距离一般比较近。

1.1 扫描成像激光雷达最早的扫描成像激光雷达是由麻省理工学院的林肯实验室于 1976 年首先研制成功，它采用了平均功率高达12w的二氧化碳激光器作为照明光源，波长10.6um，脉冲宽度100ns，由12个元探测器构成的线阵列探测器对目标进行扫描，获得像素为128×60的图像。

这套系统可以同时获得探测目标的强度和距离信息，其测距方法是较为常见的利用系统发射信号与接收信号之间的时间延迟计算获得。

该系统的距离分辨率为15m ，作用距离也只有1.5km 。

虽然二氧化碳激光器有较高的功率，能够增加系统的作用距离，但是由于早期的二氧化碳激光器需要较大散热系统，导致该系统体积庞大，笨重，只能用于地面试验。

2001 年美国了陆军实验室利用扫描探测实现了对朦胧目标的三维成像。

实验中他们对有树叶等伪装遮蔽的车进行探测，成功的获得了位于遮蔽物后面的汽车的三维像。

他们采用波长1.06um 、脉冲宽度1.2ns 、重复频率3kHz 的Nd：YAG激光器，探测器是商用的APD，通过电脑控制的反射镜旋转来实现对目标的扫描探测，电脑处理速度达每秒 20 亿张图像。

但是该系统对50 处的目标扫描成一副三维距离像需要40s的时间，并且分辨率只有256×256×256。

这充分表明了虽然扫描成像激光雷达有很高的距离分辨率，但是扫描装置笨重，扫描回波延时使得系统成像时间加长，很难实现远距离目标的实时成像的需求，有很大的局限性。

1. 2 非扫描成像激光雷达目前较为常用的非扫描成像激光雷达有以下几种[8]：基于雪崩二极管（APD）焦平面探测阵列的激光成像雷达，基于线性调频连续波探测的非扫描激光成像雷达，条纹管激光成像雷达[9]，和基于距离选通技术的 3D激光成像雷达。

2001，麻省理工学院的林肯实验室完成了4×4的盖革模式的APD的三维无扫描成像激光雷达。

该系统采用的是基于二极管泵浦的调Q固体激光器，它是通过测量每个到达像素点的光束的延迟，来获得该点对应的目标距离，最后经过电脑绘制得到整幅图像的距离。

经过两年研发，在 2003 年，他们提出了第三代的APD无扫描激光成像雷达，该系统采用是经过倍频的调Q的固体激光器，波长532nm ，脉冲宽度700 ps 。

他们使用的32×32的阵列APD探测器，每个像素由0.35μm的CMOS数字时间电路构成，并且在室温下，单个探测元的量子效率都大于20% ，所以在成像效果上有了很大提升，距离分辨率是15cm。

2005 年，美国空军基地实验室发表了一种最新的单脉冲闪耀激光三维成像雷达，分辨率128×128，系统的核心是基于模拟和数字处理的多功能集成电路。

该系统使用的是手掌大小的 3D摄像器，接收器是前端按有透镜的砷化铟镓PIN探测器阵列。

2 距离选通激光雷达早在 20 世纪 60 年代人们就发明了距离选通技术，那时采用红外激光脉冲照射，利用像增强接收器（ICCD）进行接收，制造了最早的激光距离选通成像系统，后来由于系统器件性能的限制就没有继续研究。

到了 20 世纪 90 年代，由于人们对成像器件制造技术有了很大的进步，距离选通成像又重新成为了激光雷达研究的热门。

2.1 国内外研究发展现状在美国距离选通技术发展较早，1999 年Thomas等人使用微通道板图像放大器的高速快门的各种不同的距离选通实验，照明激光脉冲宽度从6-12ns，波长532nm，获得的距离精度在十几厘米左右，这是较早期的系统，成像距离精度比较低，主要用于水底矿产的探测。

该系统通过直升机携带的机载距离选通激光雷达系统从空中对水底进行成像，可以获得水底的矿产及地形图像。

另外美国许多研究所也一直致力于对人眼安全的1.5um 波段距离选通激光雷达探测的研究，而以前一直没有对此波段有响应的光学探测器。

2001 年，美国新墨西哥州George利用人眼安全的1.5um 光波照射，接受时将光先经过非线性晶体，经二次谐波换成可见光波段，再由ICCD探测，间接地解决了这一波段激光脉冲探测的问题，但是缺点是系统体积偏大，不能满足小型化的要求。

直到 2004 年，美国普林斯顿大学制作出砷化铟镓焦平面阵列的结合CMOS读出回路的全固态器件，响应波长从0.9-1.7um ，对人眼安全的波段1.5um ，脉冲宽度为毫微秒的光波有很好的响应，能够直接接受回波信号，不需要进行二次谐波转化。

这使系统的体积小型化，让离选通激光成像雷达能更广泛的民用。

2004 年，Jens Busck利用了脉冲重复频率 32kHz 、波长532nm 的激光器首次将通过距离选通技术获得的 50 幅 2D灰度图像通过质心算法获得了13.5m 处的高的目标的 3D距离像。

紧接着 2005 年，Jens Busck又提供了一种新的改进的距离选通成像，实现新型水底 3D距离选通激光雷达，获得的图像对比度从 0 到 100 并且第一次获得了矩形脉冲的距离精度表达式。

2004 年，英国研究人员实现了一种低噪声远距离目标识别的距离选通激光系统，文章中主要是依靠采用小的脉冲宽度提高目标的识别性能，并且采用了APD进行回波接收，降低噪声提高信噪比。

针对利用质心算法获得 3D距离像的诸多不足，2007 年，法国实现了远距离3D成像距离选通激光雷达的超分辨率成像。

实验中激光光源为宽度 2μm的矩形脉冲，选通门时间为4um ，接收器为1392 ×1040的 8位灰度ICCD探测器。

通过改变预置时间延迟获得了距离为 650m，950m，1250m的三幅强度像，通过对这三幅强度像进行运算可以获得 10 倍于普通质心算法获得距离精度值。

2009 年，该实验室也实现了红外波段激光的超分辨率距离选通实验。

2006年和2007年瑞士防御研究部（FOI）也发表了两篇他们近年来距离选通成像研究的总结，主要包括地表烟雾透过实验和水底实验的成像，2009年实现了收发分置的超短红外波段的距离选通激光雷达系统，并完成了室外地面目标的成像。

2010年，德法联合的圣路易斯研究院的马丁提出了一种李萨——琼斯（Lissajous）的估计矩阵，用它来对距离选通成像系统的距离分辨率和成像能力进行评价，这是一种新的分析距离选通3D成像能的工具。

在国内对距离选通雷达研究也取得了不少成果，对距离选通激光雷达系统的结构和成像性能都有很多研究。

长春光机所的徐效文等人阐述了激光距离选通成像原理，详细分析了距离选通关键技术，指出传统的距离选通同步控制系统中是由计算机统一给出信号，控制激光器和延迟控制电路开始工作。

2005 年黎全等详细分析了距离选通激光雷达系统的技术要求，针对系统照明光源，他们分别使用电源调制和机械调制[10]的方法使用氙灯泵浦YAG激光器实现了对 675m和 1509m距离目标的主动成像。

2008 年浙江大学提出高线性精度的远距离三维主动成像与脉冲形状无关。

在实验中他们采用峰值功率达 3.6kw的激光二极管阵列照明，中心波长是808nm。

接收器是 8 位灰度值、分辨率 800 × 600、成像时间 50ms的ICCD，选通门时间宽度是3.1um 。

2009 年，张勇讨论了利用质心理论的距离选通的激光雷达的距离精度, 详细分析了距离精度与时间切片数的关系。

2009 年哈工大刘敏在《基于距离选通的技术的激光三维成像系统仿真研究》对距离选通的激光雷达成像系统做出了 3D仿真实验[11]。

2010，华中科技大学的付波等人分析了基于ICCD的水底距离选通成像系统，针对微通道板的增益进行了讨论，并完成了水底成像。

2.2 3D距离选通雷达的成像原理距离选通激光雷达系统如图 2-1 所示，分为四部分：脉冲发射部分；成像部分；延迟控制及触发部分；数据处理显示部分。