CN101794057A - 一种用于远距离夜间监控的激光频闪主动夜视方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于远距离夜间监控的激光频闪主动夜视方法，该方法采用一帧多脉多门的工作方式，在成像器件一帧的曝光时间里，脉冲激光器发射激光脉冲序列，选通门按照预定的选通脉冲序列工作，成像器件接收来自目标的多个目标回波信号，达到光积累进而增强信号的目的。本发明工作环境适应性好，可在能见度低的情况下正常工作，由于利用小功率脉冲激光器便可实现夜间远距离的目标的观察，大大降低了系统的成本，并提高了系统的激光安全性，尤其是人眼安全性。

Description

一种用于远距离夜间监控的激光频闪主动夜视方法

技术领域

本发明涉及激光主动夜视技术领域，尤其涉及一种用于远距离夜间监控的激光频闪主动夜视方法。

背景技术

远距离夜视技术在海上资源管理，海上缉毒反走私，海事搜救，边海防的高空瞭望监控系统，智能交通监控系统，核电站、石油仓储基地等重要场所的监控系统，公安及司法部门的取证监控等方面具有广泛的应用前景，尤其是恶劣天气环境下。

目前可用于夜间视频监控的技术主要有四种：LED夜视技术、红外热成像技术、连续激光夜视技术和距离选通激光夜视技术。

LED夜视技术是目前最常采用的一种夜间监控方式，但是由于单管LED的功率很小，因此，实现50m作用距离所需要的LED大约在1000～3000个左右，这么多的LED依靠串并联的方式组装在一起，这样不仅仅增加了功耗，增大了体积，而且如果一旦有个别管子损坏，就会造成整个LED照明光源功率的大幅度下降或坏死，可靠性不高；最重要的是采用这种方式的夜间照明由于其作用距离非常有限，因此，其工程量很大，最远30～50米就需要架设竿子来安装设备，造成资源和能源的浪费。

红外热成像技术主要采用了对长波红外敏感的热成像相机，摄像头直接以探测到的物体和行人的热辐射作为影像数据的来源，是一种被动成像技术。虽然该类技术善于探测热目标(运动的人和动物等)，但对于冷目标(道路标牌、道路指示路标、墙体等)而言，图像对比度却很差。因此，在目标细节观察方面存在较大的缺陷，这给事后的公安取证带来影响，并且目前用于生产红外热成像的核心芯片还主要靠进口，因此，造成热像仪的成本较高，作用距离为1km的红外热像仪的价格在10万元以上，不能广泛的用于视频监控领域。

连续激光夜视技术主要采用LD激光照明，最远作用距离可达2km，成像对比度较高，价格适中，作用距离为1km的激光夜视系统的价格约在4万左右，因此，在视频监控领域有很强的应用优势，但是采用连续的半导体激光器作为照明光源，在目标照射过程中由于受到后向散射的影响，使得有效作用距离和作用效果急剧下降，特别是在雾、雨、雪天气条件下，连续激光夜视将会受到很大的影响，大大缩短作用距离。另外，为实现远距离夜间观察，激光器的输出功率在几W～几十W，大大降低了系统的安全性。

距离选通激光夜视技术主要利用大功率的半导体脉冲激光器作为光源，采用具有选通门控功能的探测器作为成像器件，通过控制选通门和激光脉冲之间的时序，实现对目标的探测识别。由于该技术具有破雾雨雪特性而逐渐成为国内外监控行业突破的重点。

但是，传统距离选通激光夜视系统多是采用一帧一脉一门的工作方式，如图1所示，即成像器件在一帧的曝光时间里只接收脉冲激光器一个激光脉冲照射目标产生的目标回波信号，相应的选通门只开启一次，具体工作过程为：激光器发射一激光脉冲5，激光脉冲传至目标时产生目标回波信号，当该信号传至成像器件时，选通门开启，目标回波信号被接收，完成信号采集，生成目标图像。采用这种方法对于远距离观测时，要求激光器具有很窄的脉宽和很高的单脉冲能量，而窄脉宽高峰值功率的的激光器技术是目前国内外研究的热点和难点，其制作工艺复杂，价格昂贵，对于国内而言主要是进口国外产品，这大大提高了系统的成本，为此本发明提出了一种激光频闪主动成像技术，使用小功率脉冲激光器便可实现远距离的夜间视频监控。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对上述现有技术存在的不足之处，本发明的主要目的在于提出一种用于远距离夜间监控的激光频闪主动夜视方法，以达到小功率激光器照明实现远距离夜间监控目的，尤其解决恶劣天气情况下(如雾天)远距离夜间监控问题，并降低系统对激光器的要求，进而提高系统的激光安全性。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种用于远距离夜间监控的激光频闪主动夜视方法，该方法采用一帧多脉多门的工作方式，在成像器件一帧的曝光时间里，脉冲激光器发射激光脉冲序列，选通门按照预定的选通脉冲序列工作，成像器件接收来自目标的多个目标回波信号，达到光积累进而增强信号的目的。

上述方案中，所述激光脉冲序列和选通脉冲序列之间存在特定的匹配关系，在频闪成像中，选通门的选通脉冲和激光器的激光脉冲按照一定的编码方式工作：每个激光脉冲对应一个选通脉冲，形成一个脉冲对，在一个脉冲对里，激光脉冲和选通脉冲之间存在一定的延时，通过延时可实现对不同距离感兴趣观察区的观察，延时τ大小为

其中，R为感兴趣观察区到激光频闪主动夜视系统之间的距离，c为光速。

上述方案中，所述感兴趣观察区是指激光频闪主动夜视系统工作时的成像区间，当激光脉宽远小于选通门宽时，感兴趣观察区的景深d由选通门的门宽t_w决定，具体为

上述方案中，在成像器件一帧的曝光时间里，照明激光脉冲照射目标形成的多个目标回波信号都可被成像器件接收进而累积成像，成像器件一帧对应的曝光时间t_i和信号累积数量N分别由以下公式给出

t_i＝1/FPS-t_r    (1)

N＝t_i·RF    (2)

公式(1)和(2)中，t_r为成像器件一个工作周期内信号转移及读取时间，FPS为成像器件帧频，RF为脉冲激光器的重复频率，当感兴趣观察区到激光频闪主动夜视系统之间的距离为R时，脉冲激光器重复频率应满足以下关系式

$\mathrm{RF}<\frac{1}{2(R+d)/c+t_L}---\left(3\right)$

公式(3)中，t_L为脉冲激光器的脉冲宽度。

上述方案中，在成像器件一帧的曝光时间里，脉冲激光器的有效照明能量与信号累积数量N成正比，其大小为N·E_p，其中，E_p为激光器单脉冲能量。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，由于采用频闪成像技术，使得激光照射目标后可形成多个目标回波信号，在成像器件一帧的曝光时间里信号多次累积加强，等效于提高了脉冲激光器的单脉冲能量，所以，使用小功率的脉冲激光器作为照明光源，便可实现远距离夜视，大大降低了系统对激光器的要求，也降低了距离选通激光夜视产品的成本，同时提高了系统的激光安全性，尤其是人眼安全性。

2、利用本发明，由于采用距离选通编码技术有效抑制了非感兴趣观察区大气等的后向散射，提高了激光频闪主动夜视系统的信噪比，所以，该技术具备传统距离选通激光夜视技术的破雾破雪特性，在恶劣天气环境下(如雾雨雪天气)仍可实现远距离夜间的有效监控。

3、利用本发明，由于频闪成像与距离选通编码技术的复合，使得激光频闪主动成像技术在形成一帧图像的过程中，激光多次往返于感兴趣观察区与激光频闪主动夜视系统之间，这种多次传输的工作方式使得单次传输时大气扰动等引入的影响很微弱，从而整体上削弱了大气湍流以及雨雪等因素的影响，所以，与传统距离选通激光夜视系统相比，在相同的监控距离下激光频闪主动夜视系统受天候因素的影响更小，更有利于远距离恶劣天气环境下的观察。

附图说明

图1是传统距离选通激光夜视技术工作时序；

图2是激光频闪主动夜视技术，其中，图2(a)是工作原理，图2(b)是工作时序；

图3是激光频闪主动夜视系统；

图4是激光频闪主动夜视技术与其他激光夜视技术成像效果比较：(a)观察目标，(b)传统距离选通激光夜视技术夜视图片，(c)激光频闪主动夜视技术夜视图片，(d)连续激光夜视技术夜视图片。

图中主要元件符号说明：

1成像器件的一帧(一个工作周期)，2成像器件曝光序列，3传统距离选通激光夜视技术激光脉冲序列，4传统距离选通激光夜视技术选通脉冲序列，5激光脉冲，6选通脉冲，7激光频闪主动夜视系统，8照明激光脉冲，9目标回波信号，10雾、雨、雪等天气及大气影响因素，11感兴趣观察区，12目标，13激光频闪主动夜视技术激光脉冲序列，14激光频闪主动夜视技术选通脉冲序列，15脉冲对，16桥梁。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。在此公开本发明结构实施例和方法的描述。可以了解的是并不意图将本发明限制在特定公开的实施例中，而是本发明可以通过使用其它特征，元件方法和实施例来加以实施。不同实施例中的相似元件通常会标示相似的号码。

本发明提供的激光频闪主动夜视方法包含两项关键技术：频闪成像技术和距离选通编码技术，频闪成像技术可实现成像器件在一帧的曝光时间里接收脉冲激光照射目标形成的多个目标回波信号进而实现信号累积成像，进而实现小功率激光照明的远距离夜视。距离选通编码技术是指在频闪成像过程中，选通门的选通脉冲和激光器的激光脉冲按照一定的编码方式工作，每个激光脉冲对应一个选通脉冲，形成一个脉冲对，且在一个脉冲对里，激光脉冲和选通脉冲之间存在一定的延时，通过控制延时可实现不同距离处感兴趣观察区的观察，可降低非感兴趣观察区大气等环境因素对系统的影响，提高信噪比，增加系统作用距离。

本发明给出的激光频闪主动夜视方法采用频闪成像与距离选通编码复合的技术，其工作方式为一帧多脉多门，如图2(b)所示。该方法下的激光频闪主动夜视系统7包括成像器件、选通门、滤光片、脉冲激光器、发射光学系统、接收光学系统、光学系统调整器、时序驱动器、控制器、显示器。其中，成像器件可选用CCD，用以接收激光照射目标12产生的目标回波信号9，生成二维灰度图像；选通门具有高频开关和信号增强功能，可选用有选通功能像增强器来作为选通门，选通门开时成像器件接收信号，关时成像器件不接收信号；滤光片为带通滤光片，用以抑制环境背景光，提高信噪比，背景光主要包括自然光源(如月亮、星星)和人造光源(路灯，家庭照明灯等)；脉冲激光器为系统的照明光源，可产生脉冲激光序列；发射光学系统用以实现激光发散角和光束整形；接收光学系统用以收集目标12经激光照射后产生的目标回波信号9；光学系统调整器主要是调整发射光学系统和接收光学系统的参数，以满足系统不用应用环境下要求；时序驱动器主要是产生激光器的激光脉冲驱动序列和选通门的选通脉冲驱动序列，并可调整两个序列间的延时，即调整每个脉冲对15中两脉冲间的延时，时序驱动器可基于FPGA实现；控制器用以实现系统的控制和参数的设置，包括选通门的增益，激光器输出功率等；显示器用来作为视频输出终端，显示成像器件采集到的图像信息，可选用PC机。工作过程中，在成像器件一帧的曝光时间里，脉冲激光器发射激光脉冲序列，相应地选通门按照预定的选通脉冲序列13工作，这样在成像器件一帧曝光时间里，可接收来自目标12的多个目标回波信号9，从而达到光积累进而增强信号的目的。为抑制大气等后向散射进一步增加观察距离，激光脉冲序列13和选通脉冲序列14之间存在特定的匹配关系，每个激光脉冲5对应一个选通脉冲6，形成一个脉冲对15，在一个脉冲对15里，激光脉冲5和选通脉冲6之间存在一定的延时，通过延时可实现不同距离感兴趣观察区11的观察。

所述频闪成像是指在成像器件一帧的曝光时间里，照明激光脉冲8照射目标12形成的多个目标回波信号9都可被成像器件接收进而累积成像。成像器件一帧对应的曝光时间t_i和信号累积数量N分别由以下公式给出

t_i＝1/FPS-t_r  (1)

N＝t_i·RF    (2)

公式(1)和(2)中，t_r为成像器件信号一个工作周期1内信号转移及读取时间，FPS为成像器件帧频，RF为脉冲激光器的重复频率，当感兴趣观察区11到激光频闪主动夜视系统7之间的距离为R时，脉冲激光器重复频率应满足以下关系式

$\mathrm{RF}<\frac{1}{2(R+d)/c+t_L}---\left(3\right)$

公式(3)中，d为感兴趣观察区11的景深，c为光速，t_L为脉冲激光器的脉冲宽度。

在成像器件一帧的曝光时间里，脉冲激光器的有效照明能量与信号累积数量N成正比，其大小为N·E_p，其中，E_p为激光器单脉冲能量。

所述距离选通编码技术是指在频闪成像过程中，选通门的选通脉冲6和激光器的激光脉冲5按照一定的编码方式工作：每个激光脉冲5对应一个选通脉冲6，形成一个脉冲对15，且在一个脉冲对15里，激光脉冲5和选通脉冲6之间存在一定的延时，通过控制延时可实现不同距离处感兴趣观察区11的观察，延时τ大小为：

$\mathrm{\&tau;}=\frac{2R}{c}---\left(4\right)$

所述感兴趣观察区11是指激光频闪主动夜视系统7工作时的成像区间，当激光脉宽远小于选通门宽时，感兴趣观察区11的景深d由选通门的门宽t_w决定，具体为

$d=\frac{t_w\&CenterDot;c}{2}---\left(5\right)$

整个系统的框架图如图3所示，本实施例的具体步骤如下：

1)PC机作为显示器和参数设置平台，按照系统的要求(感兴趣观察区11位置及景深)设置系统参数。参数主要包括：激光器的脉宽、重复频率、单脉冲能量，选通门的工作频率、增益、选通门宽，CCD的增益、帧频，脉冲对中选通门脉冲与激光脉冲之间的延时，以及发射光学系统和接收光学系统的参数等。参数设定后指令传给CCD和控制器。

2)控制器按照PC机指令分别产生与时序驱动器、脉冲激光器、选通门和光学系统调整器相应的控制信号，并将控制信号分发给时序驱动器、脉冲激光器、选通门、光学系统调整器。

3)光学系统调整器接收控制器的指令对发射光学系统和接收光学系统的参数进行调整，使两者按照系统要求工作。

4)时序驱动器接收控制器发出的控制信号，按照该控制信号产生激光器激光脉冲驱动序列和选通门选通脉冲驱动序列，并调整每个脉冲对15中两脉冲之间的延时，最后将产生的驱动信号分别传输给激光器和选通门。

5)脉冲激光器按照控制器发出的指令调整工作参数，产生与时序驱动器给出的激光脉冲驱动序列对应的激光脉冲序列，对感兴趣观察区11进行照明。同时，选通门按照控制器发出的指令调整增益和选通门宽，并按照时序驱动器给出的选通脉冲驱动序列和预设的延时开启关闭，仅让感兴趣观察区11的信号进入到CCD中。

6)照明激光脉冲8经发射光学系统传输至感兴趣观察区11，对此区域的目标12进行照明。相应地，目标12被照射后产生各自的目标回波信号9，向接收光学系统方向传播。目标12的回波信号经接收光学系统收集，并经滤光片滤除大部分环境背景光噪声后，通过选通门被CCD采集。CCD则按照系统预设的参数工作，在完成一帧信号的累积之后，输出图像至PC机。

7)PC机端显示CCD采集到的图像，实时监控感兴趣观察区11。

图4是在本实施例下夜间能见度为6km时，激光频闪主动夜视系统对1km处桥梁16所成图像，以及与成像器件相同的增益下其他激光夜视技术夜视效果的对比。图4(a)为白天目标桥梁的照片；图4(b)和(c)分别是在同一成像器件相同增益下传统的距离选通激光夜视系统和激光频闪主动夜视系统所成图像；图4(d)是连续激光夜视技术所成的图像，实验中的连续激光夜视系统的成像器件的增益以及激光器的等效能量与激光频闪主动夜视系统均相同。从图4中可发现：在成像器件相同增益下，传统的距离选通激光夜视系统由于激光器能量低而无法对1km处的桥梁实施有效的观察，在增益和视场不变的情况下，解决途径只能是提高激光器的单脉冲能量，而这制约了该技术在远距离夜间监控应用；在图4(c)的实验中，激光器的单脉冲能量不变，与图4(b)实验中的激光器单脉冲能量相同，很显然，采用激光频闪主动夜视技术的激光频闪主动夜视系统可发现并识别桥梁；对于图4(d)的实验，成像器件的增益和接收的激光器的等效能量与图4(c)实验中的相等，但是，由于连续激光夜视技术未采用距离选通的工作方式，在成像器件很高的增益下，自然光下的背景也被成像，且大气的后向散射及湍流产生的噪声对成像质量影响较大，图像局部已出现饱和，桥梁几乎淹没在背景噪声中，很明显，在目标与背景对比度不大时，连续激光夜视很难从背景中辨识出目标。需注意的是获取图4(c)的实验中激光器的平均输出功率仅为为0.45mW，属于1类激光，对人眼安全。因此，不难发现激光频闪主动夜视技术可利用小功率激光照明实现夜间远距离目标的有效观察，并且提高了系统的激光安全性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于远距离夜间监控的激光频闪主动夜视方法，其特征在于，该方法采用一帧多脉多门的工作方式，在成像器件一帧的曝光时间里，脉冲激光器发射激光脉冲序列，选通门按照预定的选通脉冲序列工作，成像器件接收来自目标的多个目标回波信号，达到光积累进而增强信号的目的。

2.根据权利要求1所述的用于远距离夜间监控的激光频闪主动夜视方法，其特征在于，所述激光脉冲序列和选通脉冲序列之间存在特定的匹配关系，选通门的选通脉冲和激光器的激光脉冲按照一定的编码方式工作：每个激光脉冲对应一个选通脉冲，形成一个脉冲对，在一个脉冲对里，激光脉冲和选通脉冲之间存在一定的延时，通过延时可实现对不同距离感兴趣观察区的观察，延时τ大小为其中，R为感兴趣观察区到激光频闪主动夜视系统之间的距离，c为光速。

3.根据权利要求2所述的用于远距离夜间监控的激光频闪主动夜视方法，其特征在于，所述感兴趣观察区是指激光频闪主动夜视系统工作时的成像区间，当激光脉宽远小于选通门宽时，感兴趣观察区的景深d由选通门的门宽t_w决定，具体为

4.根据权利要求1所述的用于远距离夜间监控的激光频闪主动夜视方法，其特征在于，在成像器件一帧的曝光时间里，照明激光脉冲照射目标形成的多个目标回波信号都可被成像器件接收进而累积成像，成像器件一帧对应的曝光时间t_i和信号累积数量N分别由以下公式给出

t_i＝1/FPS-t_r                     (1)

N＝t_i·RF                        (2)

公式(1)和(2)中，t_r为成像器件一个工作周期内信号转移及读取时间，FPS为成像器件帧频，RF为脉冲激光器的重复频率，当感兴趣观察区到激光频闪主动夜视系统之间的距离为R时，脉冲激光器重复频率应满足以下关系式

$\mathrm{RF}<\frac{1}{2(R+d)/c+t_L}---\left(3\right)$

公式(3)中，t_L为脉冲激光器的脉冲宽度。

5.根据权利要求4所述的用于远距离夜间监控的激光频闪主动夜视方法，其特征在于，在成像器件一帧的曝光时间里，脉冲激光器的有效照明能量与信号累积数量N成正比，其大小为N·E_p，其中，E_p为激光器单脉冲能量。

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