CN107942341A - 一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统及方法，属于光电成像目标探测技术领域。本发明公开的一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统，包括全波形激光雷达系统、选通成像系统、主控电路、光源驱动、激光光源、第一分光镜和第二分光镜。本发明还公开基于所述系统实现的一种遮蔽目标光电成像探测方法。本发明采用全波形激光雷达系统与选通成像系统结合的方式，在预估遮蔽目标的纵深距离之后进行选通成像，能够大幅缩短盲选通成像时间，同时减少非目标散射回波的影响，从而快速得到遮蔽目标的高分辨率图像；相比较传统回波探测方法，本发明能够实现对遮蔽目标的快速、高分辨探测，并具备较高的测距精度和系统信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统及方法，属于光电成像目标探测技术领域。
背景技术
随着光电成像技术的发展，激光雷达因低空探测性能优越、分辨率高、隐蔽性好、体积小、重量轻等优点得到了越来越广泛的应用。在军事侦察领域中，利用激光雷达对天然植被(比如：叶簇)遮蔽下的目标进行成像探测的方法也逐渐受到关注。目前，针对遮蔽目标的光电成像方法多采用激光全波形雷达，利用激光回波数据建立回波模型，结合多种空间滤波算法提取目标回波分量，进而寻找目标区域。这种方法能够将不同种类的目标区分出来，但存在抗干扰能力差、成像速度慢等缺点，难以对遮蔽目标进行快速、高分辨探测。另一方面，相对于传统的回波探测方法，选通成像法根据不同距离下目标的激光脉冲飞行时间，选择不同的曝光时刻，具有以下优点：(1)分辨率高。通过设定适当的选通延时时间，逐次接收不同距离的目标回波脉冲，实现高分辨成像；(2)抗干扰能力强。利用选通技术可以将目标回波与大气因素引起的散射回波分离开，降低环境干扰对成像质量的影响。
从以上可以看出，激光全波形雷达与选通成像各有优势与弊端，因此，提出一种高速全波形激光雷达与高分辨选通成像相结合的遮蔽目标探测方法。全波形激光雷达能够对目标与遮蔽物做快速大视场扫描，获取全波形信息，以此获得目标的纵深距离和运动状态，为选通成像提供初始信息，从而大幅缩短盲选通时间。高速全波形激光雷达与高分辨选通成像相结合的方法，能很好地满足遮蔽目标探测所需的快速、高分辨、抗干扰性能好的成像要求。
发明内容
本发明公开的一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统及方法，目的是实现对遮蔽目标的快速、高分辨探测，并减少环境因素的干扰，提高成像精度和系统信噪比。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统，包括全波形激光雷达系统、选通成像系统、主控电路、光源驱动、激光光源、第一分光镜和第二分光镜。所述的全波形激光雷达系统包括含扫描机构的收发一体化光机、面阵APD、高速并行采集电路和回波处理电路。所述的选通成像系统包括PIN光电二极管、选通型像增强器和光学系统；其中所述的选通型像增强器包括选通电源、微通道板MCP和成像器，所述的光学系统包括发射系统和接收系统。所述的主控电路包括扫描模块、全波形接收模块、凝视模块、选通成像接收模块和控制台。
所述的全波形激光雷达系统用于对探测视场快速扫描，获得全波形回波信号。全波形激光雷达系统由主控电路的扫描模块控制光源驱动，驱动激光光源发射脉冲，激光光束经第一分光镜透射后，通过收发一体化光机对探测视场进行大范围扫描，由面阵APD接收纵深方向上所有目标反射和散射的回波，高速并行采集电路获取全波形信息，经回波处理电路预处理后由全波形接收模块接收全波形回波信号。通过对全波形回波信号进行高速采样和波形分解，获得发射脉冲与目标回波的时间间隔t，从而估计遮蔽目标的纵深距离R；通过快速获取两次全波形信息，判断目标运动状态，从而为选通成像系统提供距离与运动状态的初始信息。
所述的对探测视场进行大范围扫描的视场角为±5°。所述的纵深距离R计算公式为：
公式(1)中，c为光速，t为发射脉冲与目标回波的时间间隔。
所述的选通成像系统用于选通接收回波脉冲，获得精确的目标距离信息。选通成像系统根据全波形激光雷达系统估计的目标位置，由主控电路中的控制台调整光学系统对准目标；主控电路中的凝视模块控制光源驱动，驱动激光光源发射脉冲，激光光束经第一分光镜反射后，到达第二分光镜并分为两路：反射光束经发射系统后照射目标区域，被目标反射和散射的回波脉冲经接收系统到达选通型像增强器；透射光束传播至PIN光电二极管，经预定的延迟时间t'后接通选通电源，使回波脉冲进入选通型像增强器进行选通成像，之后由选通成像接收模块接收选通图像，通过对选通图像进行分析计算得到精确的目标距离z。采用基于激光图像局部统计信息的图像融合算法得到目标的三维图像，实现对遮蔽目标的快速、高分辨探测。
所述的预定的延迟时间t'应小于发射脉冲与目标回波的时间间隔t，以保证目标回波完全进入选通型像增强器。所述的选通成像是指对静止目标采用步进式选通，对运动目标采用调制式选通。
步进式选通是指利用选通技术依次接收不同距离下目标的回波信号，获得一系列辐照度不同的选通图像，根据选通图像的辐照量计算出目标的质心量Z，表达式为：
公式(2)中E(i·Δt,z)为第i次选通时选通成像接收模块接收的辐照量，pi(τ-2*z/c)为第i次选通期间选通成像接收模块接收的辐照度，Δt为选通延迟时间的调整量，i为调整次数，z为目标距离，T为选通门宽。所述的调整次数i由实际测量中目标的距离范围[L1,L2]和所要求的距离精度l0确定，计算公式为：
因而，在选通门宽T、选通延迟时间的调整量Δt以及调整次数i确定的条件下，能够通过公式(2)和目标的质心量Z，获取目标的精确距离值z。
调制式选通是指对同一目标位置进行两次探测成像，通过调制微通道板MCP的增益，获得线性递增增益调制图像和恒定增益调制图像，得到两幅增益调制图像的辐照量比值f(z)，表达式为：
公式(4)中z为目标距离，k为线性增益的递增系数，G0为线性增益的初始值，Gm为恒定增益值，ξ为选通电源两次接通的时间间隔，T0为发射的激光脉冲信号周期。根据公式(4)中的比值f(z)与目标距离z之间的线性对应关系，能够得到目标的精确距离值z。
所述的主控电路用于控制和协调双模成像的探测工作。所述的扫描模块控制全波形激光雷达系统中激光脉冲的发射，凝视模块控制选通成像系统中激光脉冲的发射，全波形接收模块用于接收全波形信号，选通成像接收模块用于接收目标选通图像，控制台用于调整选通成像系统中的光学系统实现目标的对准。
基于本发明的一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统实现的一种遮蔽目标光电成像探测方法，包括如下步骤：
步骤一、全波形激光雷达系统获取全波形回波信号。
首先，由主控电路中的扫描模块控制光源驱动，驱动激光光源发射脉冲，激光光束经第一分光镜透射后，通过收发一体化光机对物方视场进行大范围扫描，由面阵APD接收目标及叶簇反射和散射的回波；之后用高速并行采集电路对纵深方向的所有目标进行全波形采集，经回波处理电路做预处理和放大处理，由全波形接收模块接收全波形回波信号。
激光发射光束是高斯光束，传播路径上存在N个目标，所述的目标包括如树冠、树梢、树叶、和低矮草丛等遮蔽目标，全波形信号是对不同距离的单个目标反射和散射回波的叠加，根据激光光束的传输特性得到全波形回波信号Pr(t)的表达式：
公式(1)中Pt(t-2*Ri/c)为激光光束传播至第i个目标表面时的能量，Ri为第i个目标到激光雷达发射系统的距离，c为光速，Dr为接收系统光学口径，βt为激光光束发散角，ηsys为系统传输效率，ηatm为大气传输因子，σi为目标的后散射系数。
步骤二、在全波形激光雷达系统中根据全波形信息计算目标的纵深距离，并判断目标的运动状态。
通过对全波形回波信号Pr(t)的高速采样和高精度的波形分解获得发射脉冲与遮蔽目标回波的时间间隔t，从而估计遮蔽目标的纵深距离R；通过快速获取两次全波形信息，判断目标运动状态，从而为选通成像系统提供距离与运动状态的初始信息。
所述的纵深距离R计算公式为：
公式(2)中，c为光速，t为发射脉冲与目标回波的时间间隔。
步骤三、高分辨选通成像系统通过选通控制回波脉冲进入选通型像增强器。
根据步骤二计算的目标纵深距离R，由主控电路中的控制台调整光学系统对准目标；由凝视模块控制光源驱动，驱动激光光源发射脉冲，激光光束经第一分光镜反射后，到达第二分光镜并分为两路：反射光束经发射系统后照射目标区域，被目标反射和散射的回波脉冲经接收系统到达选通型像增强器；透射光束传播至PIN光电二极管，经预定的延迟时间t'后接通选通电源，使回波脉冲进入选通型像增强器。
所述的预定的延迟时间t'应小于步骤二中获得的发射脉冲与目标回波的时间间隔t，以保证目标回波完全进入选通型像增强器。
步骤四、根据目标运动状态选择选通成像方式，并获取目标三维图像，即实现对遮蔽目标快速、高分辨的探测。
根据目标运动状态选择选通成像方式是指对静止目标采用步进式选通成像，对运动目标采用调制式选通成像。
步进式选通成像，利用选通成像接收模块调整选通时间，为选通电源供电，使不同距离的光信号依次进入选通型像增强器，获得一系列辐照度不同的选通图像并由选通成像接收模块接收，根据选通图像的辐照量计算出目标的质心量Z，，表达式为：
公式(3)中E(i·Δt,z)为第i次选通期间选通成像接收模块接收的辐照量，pi(τ-2*z/c)为第i次选通期间选通成像接收模块接收的辐照度，Δt为选通延迟时间的调整量，i为调整次数，z为目标距离，T为选通门宽。所述的调整次数i由实际测量中目标的距离范围[L1,L2]和所要求的距离精度l0确定，计算公式为：
因而，在选通门宽T、选通延迟时间的调整量Δt以及调整次数i确定的条件下，能够通过公式(3)和目标的质心量Z，获取目标的精确距离值z。
调制式选通成像，利用选通成像接收模块设定延时，对同一目标位置进行两次探测成像，在选通电源两次接通期间控制微通道板MCP的增益，对接收系统输出的光信号分别进行线性递增增益调制和恒定增益调制，由成像器获得两幅增益调制图像，由选通成像接收模块接收并计算两幅图像的辐照量比值，表达式为：
公式(5)中z为目标距离，k为线性增益的递增系数，G0为线性增益的初始值，Gm为恒定增益值，ξ为选通电源两次接通的时间间隔，T0为发射的激光脉冲信号周期。根据公式(5)中的比值f(z)与目标距离z之间的线性对应关系，能够得到目标的精确距离值z。
采用基于激光图像局部统计信息的图像融合算法重构目标三维图像，实现对遮蔽目标的快速、高分辨的探测。
有益效果：
对于遮蔽目标的光电成像探测，现有的激光全波形雷达成像速度慢、抗干扰能力差，现有的选通成像技术存在较长的盲选通时间，两种方法都不能满足遮蔽目标的快速高分辨且抗干扰的探测要求。本发明公开的一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统及方法，采用全波形激光雷达系统与选通成像系统结合的方式，在预估遮蔽目标的纵深距离之后进行选通成像，能够大幅缩短盲选通成像时间，同时减少非目标散射回波的影响，从而快速得到遮蔽目标的高分辨率图像。相比较传统回波探测方法，本发明能够实现对遮蔽目标的快速、高分辨探测，并具备较高的测距精度和系统信噪比。
附图说明
图1为本发明公开的一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统原理图；
图2为本发明公开的一种用于遮蔽目标的光电成像探测方法流程图；
图3为仿真探测视场；
图4为仿真全波形回波信号曲线图；
图5为仿真成像效果图。
其中：1—全波形激光雷达系统，1.1—收发一体化光机，1.2—面阵APD，1.3—高速并行采集电路，1.4—回波处理电路；2—选通成像系统，2.1—PIN光电二极管，2.2—选通型像增强器，2.2.1—选通电源，2.2.2—微通道板MCP，2.2.3—成像器，2.3—光学系统，2.3.1—发射系统，2.3.2—接收系统；3—主控电路，3.1—扫描模块，3.2—全波形接收模块，3.3—凝视模块，3.4—选通成像接收模块，3.5—控制台；4—光源驱动，5—激光光源，6-第一分光镜，7—第二分光镜，8—探测视场。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开的一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统，探测系统原理图如图1所示，包括全波形激光雷达系统1、选通成像系统2、主控电路3、光源驱动4、激光光源5和第一分光镜6、第二分光镜7。所述的全波形激光雷达系统1包括收发一体化光机1.1、面阵APD1.2、高速并行采集电路1.3和回波处理电路1.4。所述的选通成像系统2包括PIN光电二极管2.1、选通型像增强器2.2和光学系统2.3；其中，选通型像增强器2.2包括选通电源2.2.1、微通道板MCP2.2.2和成像器2.2.3，光学系统2.3包括发射系统2.3.1和接收系统2.3.2。所述的主控电路3包括扫描模块3.1、全波形接收模块3.2、凝视模块3.3、选通成像接收模块3.4和控制台3.5。
所述的全波形激光雷达系统1用于对探测视场8快速大范围扫描，获得全波形回波信号。工作过程为：由主控电路3的扫描模块3.1控制光源驱动4，驱动激光光源5发射脉冲，激光光束经第一分光镜6透射后，通过收发一体化光机1.1对探测视场8进行大范围扫描；由面阵APD1.2接收目标及叶簇反射和散射的回波，用高速并行采集电路1.3对纵深方向的所有目标进行全波形采集，经回波处理电路1.4传至主控电路3的全波形接收模块3.2。通过对全波形回波信号进行高速采样和波形分解，获得发射脉冲与目标回波的时间间隔t，从而估计遮蔽目标的纵深距离R；通过快速获取两次全波形信息，判断目标运动状态，从而为选通成像系统2提供距离与运动状态的初始信息。
所述的对探测视场8进行大范围扫描的视场角为±5°。所述的纵深距离R计算公式为：
公式(1)中，c为光速，t为发射脉冲与目标回波的时间间隔。
所述的选通成像系统2，用于选通接收回波脉冲，获得精确的目标距离信息，实现选通成像。工作过程为：根据全波形激光雷达系统1得到的目标纵深距离，由主控电路3中的控制台3.5调整光学系统2.3对准目标；主控电路3中的凝视模块3.3控制光源驱动4，驱动激光光源5发射脉冲，激光光束经第一分光镜6反射后，到达第二分光镜7并分为两路：反射光束经发射系统2.3.1后照射目标区域，被目标反射和散射的回波脉冲经接收系统2.3.2到达选通型像增强器2.2；透射光束传播至PIN光电二极管2.1，经预定的延迟时间t'后接通选通电源2.2.1，使回波脉冲进入选通型像增强器2.2进行选通成像，由选通成像接收模块3.4接收选通图像，通过对选通图像进行分析计算得到精确的目标距离z，之后采用基于激光图像局部统计信息的图像融合算法得到目标的三维图像，实现对遮蔽目标的快速、高分辨探测。
所述的预定的延迟时间t'应小于发射脉冲与目标回波的时间间隔t，以保证目标回波完全进入选通型像增强器2.2。所述的选通成像是指对静止目标采用步进式选通，对运动目标采用调制式选通。
步进式选通是指利用选通技术依次接收不同距离下目标的回波信号，获得一系列辐照度不同的选通图像，根据选通图像的辐照量计算出目标的质心量Z，表达式为：
公式(2)中E(i·Δt,z)为第i次选通期间选通成像接收模块3.4接收的辐照量，pi(τ-2*z/c)为第i次选通期间选通成像接收模块3.4接收的辐照度，Δt为选通延迟时间的调整量，i为调整次数，z为目标距离，T为选通门宽。所述的调整次数i由实际测量中目标的距离范围[L1,L2]和所要求的距离精度l0确定，计算公式为：
因而，在选通门宽T、选通延迟时间的调整量Δt以及调整次数i确定的条件下，能够通过公式(2)和目标的质心量Z，获取目标的精确距离值z。
调制式选通是指对同一目标位置进行两次探测成像，通过调制微通道板MCP2.2.2的增益，获得线性递增增益调制图像和恒定增益调制图像，得到两幅增益调制图像的辐照量比值f(z)，表达式为：
公式(4)中z为目标距离，k为线性增益的递增系数，G0为线性增益的初始值，Gm为恒定增益值，ξ为选通电源2.2.1两次接通的时间间隔，T0为发射的激光脉冲信号周期。根据公式(4)中的比值f(z)与目标距离z之间的线性对应关系，能够得到目标的精确距离值z。
所述的主控电路3用于控制和协调双模成像的探测工作，扫描模块3.1和凝视模块3.3分别控制全波形激光雷达系统1和选通成像系统2中激光脉冲的发射；全波形接收模块3.2用于接收全波形信号；选通成像接收模块3.4用于接收目标选通图像；控制台3.5通过调整光学系统2.3实现目标的对准。
实施例2：
本实施例公开的一种用于遮蔽目标的光电成像探测方法，探测流程图如图2所示，具体实现步骤如下：
步骤一、全波形激光雷达系统1获取全波形回波信号。
首先，由主控电路3中的扫描模块3.1控制光源驱动4，驱动激光光源5发射脉冲，激光光束经第一分光镜6透射后，通过收发一体化光机1.1对探测视场8进行大范围扫描，由面阵APD1.2接收目标及叶簇反射和散射的回波；之后用高速并行采集电路1.3对纵深方向的所有目标进行全波形采集，经回波处理电路1.4做预处理和放大处理，由全波形接收模块3.2接收全波形回波信号。
激光发射光束是高斯光束，仿真探测视场如图3所示，激光光束的传播路径上存在N个目标，所述的目标包括如树冠、树梢、树叶和低矮草丛，全波形信号是对不同距离的单个目标反射和散射回波的叠加，根据激光光束的传输特性得到全波形回波信号Pr(t)的表达式：
公式(1)中Pt(t-2*Ri/c)为激光光束传播至第i个目标表面时的能量，Ri为第i个目标到收发一体化光机1.1的距离，c为光速，Dr为收发一体化光机1.1的光学口径，βt为激光光束发散角，ηsys为系统传输效率，ηatm为大气传输因子，σi为目标的后散射系数。
步骤二、在全波形激光雷达系统1中根据全波形信息计算目标的纵深距离，并判断目标的运动状态。
仿真全波形回波信号曲线图如图4所示，通过对全波形回波信号进行高速采样和高精度的波形分解得到五条回波曲线，分别对应图3中的树冠、树梢、树叶、遮蔽目标和低矮草丛的子回波。根据不同目标的空间分布特性进行匹配，从而获得发射脉冲与遮蔽目标回波的时间间隔t，从而估计遮蔽目标的纵深距离R；通过快速获取两次全波形信息，判断目标运动状态，从而为选通成像系统2提供距离与运动状态的初始信息。
所述的纵深距离R计算公式为：
公式(2)中，c为光速，t为发射脉冲与目标回波的时间间隔。
步骤三、选通成像系统2通过选通控制回波脉冲进入选通型像增强器2.2。
根据步骤二计算的目标纵深距离R，由主控电路3中的控制台3.5调整光学系统2.3对准目标；由凝视模块3.3控制光源驱动4，驱动激光光源5发射脉冲，激光光束经第一分光镜6反射后，到达第二分光镜7并分为两路：反射光束经发射系统2.3.1后照射目标区域，被目标反射和散射的回波脉冲经接收系统2.3.2到达选通型像增强器2.2；透射光束传播至PIN光电二极管2.1，经预定的延迟时间t'后接通选通电源2.2.1，使回波脉冲进入选通型像增强器2.2。
所述的预定的延迟时间t'应小于步骤二中获得的发射脉冲与目标回波的时间间隔t，以保证目标回波完全进入选通型像增强器2.2。
步骤四、根据目标运动状态选择选通成像方式，并获取目标三维图像，即实现对遮蔽目标快速、高分辨的探测。
根据目标运动状态选择选通成像方式是指对静止目标采用步进式选通成像，对运动目标采用调制式选通成像。
步进式选通成像，利用选通成像接收模块3.4调整选通时间，为选通电源2.2.1供电，使不同距离的光信号依次进入选通型像增强器2.2，获得一系列辐照度不同的选通图像并由选通成像接收模块3.4接收，根据选通图像的辐照量计算出目标的质心量Z，表达式为：
公式(3)中E(i·Δt,z)为第i次选通期间选通成像接收模块3.4接收的辐照量，pi(τ-2*z/c)为第i次选通期间选通成像接收模块3.4接收的辐照度，Δt为选通延迟时间的调整量，i为调整次数，z为目标距离，T为选通门宽。所述的调整次数i由实际测量中目标的距离范围[L1,L2]和所要求的距离精度l0确定，计算公式为：
因而，在选通门宽T、选通延迟时间的调整量Δt以及调整次数i确定的条件下，能够通过公式(3)计算目标的质心量Z获取目标的精确距离值z。
调制式选通成像，利用选通成像接收模块3.4设定延时，对同一目标位置进行两次探测成像，在选通电源2.2.1两次接通期间控制微通道板MCP2.2.2的增益，对接收系统2.3.2输出的光信号分别进行线性递增增益调制和恒定增益调制，由成像器2.2.3获得两幅增益调制图像，由选通成像接收模块3.4接收并计算两幅图像的辐照量比值f(z)，表达式为：
公式(5)中z为目标距离，k为线性增益的递增系数，G0为线性增益的初始值，Gm为恒定增益值，ξ为选通电源2.2.1两次接通的时间间隔，T0为发射的激光脉冲信号周期。根据公式(5)中的比值f(z)与目标距离z之间的线性对应关系，能够得到目标的精确距离值z。
采用基于激光图像局部统计信息的图像融合算法重构目标三维图像，仿真成像效果图如图5所示，最终能够完成对遮蔽目标的快速高分辨探测。
以上所述的具体描述，对发明的目的、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，并不用于限定本发明的保护范围，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 (6)
1.一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统，其特征在于：包括全波形激光雷达系统(1)、选通成像系统(2)、主控电路(3)、光源驱动(4)、激光光源(5)、第一分光镜(6)和第二分光镜(7)；所述的全波形激光雷达系统(1)包括含扫描机构的收发一体化光机(1.1)、面阵APD(1.2)、高速并行采集电路(1.3)和回波处理电路(1.4)；所述的选通成像系统(2)包括PIN光电二极管(2.1)、选通型像增强器(2.2)和光学系统(2.3)，其中所述的选通型像增强器(2.2)包括选通电源(2.2.1)、微通道板MCP(2.2.2)和成像器(2.2.3)，所述的光学系统(2.3)包括发射系统(2.3.1)和接收系统(2.3.2)；所述的主控电路(3)包括扫描模块(3.1)、全波形接收模块(3.2)、凝视模块(3.3)、选通成像接收模块(3.4)和控制台(3.5)。
所述的全波形激光雷达系统(1)用于对探测视场(8)快速大范围扫描，获得全波形回波信号；全波形激光雷达系统(1)由主控电路(3)的扫描模块(3.1)控制光源驱动(4)，驱动激光光源(5)发射脉冲，激光光束经第一分光镜(6)透射后，通过收发一体化光机(1.1)对探测视场(8)进行大范围扫描，由面阵APD(1.2)接收纵深方向上所有目标反射和散射的回波，高速并行采集电路(1.3)获取全波形信息，经回波处理电路(1.4)预处理后由全波形接收模块(3.2)接收全波形回波信号；通过对全波形回波信号进行高速采样和波形分解，获得发射脉冲与目标回波的时间间隔t，从而估计遮蔽目标的纵深距离R；通过快速获取两次全波形信息，判断目标运动状态，从而为选通成像系统(2)提供距离与运动状态的初始信息；
所述的选通成像系统(2)用于选通接收回波脉冲，获得精确的目标距离信息；选通成像系统(2)根据全波形激光雷达系统(1)估计的目标位置，由主控电路(3)中的控制台(3.5)调整光学系统(2.3)对准目标；主控电路(3)中的凝视模块(3.3)控制光源驱动(4)，驱动激光光源(5)发射脉冲，激光光束经第一分光镜(6)反射后，到达第二分光镜(7)并分为两路：反射光束经发射系统(2.3.1)后照射目标区域，被目标反射和散射的回波脉冲经接收系统(2.3.2)到达选通型像增强器(2.2)；透射光束传播至PIN光电二极管(2.1)，经预定的延迟时间t'后接通选通电源(2.2.1)，使回波脉冲进入选通型像增强器(2.2)进行选通成像，之后由选通成像接收模块(3.4)接收选通图像，通过对选通图像进行分析计算得到精确的目标距离z；采用基于激光图像局部统计信息的图像融合算法得到目标的三维图像，实现对遮蔽目标的快速、高分辨探测；
所述的主控电路(3)用于控制和协调双模成像的探测工作；所述的扫描模块(3.1)控制全波形激光雷达系统(1)中激光脉冲的发射，凝视模块(3.3)控制选通成像系统(2)中激光脉冲的发射，全波形接收模块(3.2)用于接收全波形信号，选通成像接收模块(3.4)用于接收目标选通图像，控制台(3.5)用于调整选通成像系统(2)中的光学系统(2.3)实现目标的对准。
2.如权利要求1所述的一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统，其特征在于：所述的对探测视场(8)进行大范围扫描的视场角为±5°；所述的纵深距离R计算公式为：
<mrow>
<mi>R</mi>
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<mn>1</mn>
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</mrow>
</mrow>
公式(1)中，c为光速，t为发射脉冲与目标回波的时间间隔；
所述的预定的延迟时间t'应小于发射脉冲与目标回波的时间间隔t，以保证目标回波完全进入选通型像增强器(2.2)；所述的选通成像方式是指对静止目标采用步进式选通，对运动目标采用调制式选通；
步进式选通是指利用选通技术依次接收不同距离下目标的回波信号，获得一系列辐照度不同的选通图像，根据选通图像的辐照量计算出目标的质心量Z，表达式为：
<mrow>
<mi>Z</mi>
<mo>=</mo>
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</mrow>
公式(2)中E(i·Δt,z)为第i次选通期间选通成像接收模块(3.4)接收的辐照量，pi(τ-2*z/c)为第i次选通期间选通成像接收模块(3.4)接收的辐照度，Δt为选通延迟时间的调整量，i为调整次数，z为目标距离，T为选通门宽；所述的调整次数i由实际测量中目标的距离范围[L1,L2]和所要求的距离精度l0确定，计算公式为：
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
因而，在选通门宽T、选通延迟时间的调整量Δt以及调整次数i确定的条件下，能够根据公式(2)和目标的质心量Z，获取目标的精确距离值z；
调制式选通是指对同一目标位置进行两次探测成像，通过调制微通道板MCP(2.2.2)的增益，获得线性递增增益调制图像和恒定增益调制图像，得到两幅增益调制图像的辐照量比值f(z)，表达式为：
<mrow>
<mi>f</mi>
<mrow>
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</mrow>
公式(4)中z为目标距离，k为线性增益的递增系数，G0为线性增益的初始值，Gm为恒定增益值，ξ为选通电源(2.2.1)两次接通的时间间隔，T0为发射的激光脉冲信号周期；根据公式(4)中的比值f(z)与目标距离z之间的线性对应关系，能够得到目标的精确距离值z。
3.基于如权利要求1和2所述的一种用于遮蔽目标的光电成像探测系统实现的一种遮蔽目标光电成像探测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一、全波形激光雷达系统(1)获取全波形回波信号；
首先，由主控电路(3)中的扫描模块(3.1)控制光源驱动(4)，驱动激光光源(5)发射脉冲，激光光束经第一分光镜(6)透射后，通过收发一体化光机(1.1)对探测视场(8)进行大范围扫描，由面阵APD(1.2)接收目标及叶簇反射和散射的回波；之后用高速并行采集电路(1.3)对纵深方向的所有目标进行全波形采集，经回波处理电路(1.4)做预处理和放大处理，由全波形接收模块(3.2)接收全波形回波信号；
激光发射光束是高斯光束，传播路径上存在N个目标，所述的目标包括如树冠、树梢、树叶、和低矮草丛等遮蔽目标，全波形信号是对不同距离的单个目标反射和散射回波的叠加，根据激光光束的传输特性得到全波形回波信号Pr(t)的表达式：
<mrow>
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</mrow>
公式(1)中Pt(t-2*Ri/c)为激光光束传播至第i个目标表面时的能量，Ri为第i个目标到收发一体化光机(1.1)的距离，c为光速，Dr为收发一体化光机(1.1)的光学口径，βt为激光光束发散角，ηsys为系统传输效率，ηatm为大气传输因子，σi为目标的后散射系数；
步骤二、在全波形激光雷达系统(1)中根据全波形信息计算目标的纵深距离，并判断目标的运动状态；
通过对全波形回波信号Pr(t)的高速采样和高精度的波形分解获得发射脉冲与遮蔽目标回波的时间间隔t，从而估计遮蔽目标的纵深距离R；通过快速获取两次全波形信息，判断目标运动状态，从而为选通成像系统(2)提供距离与运动状态的初始信息；
所述的纵深距离R计算公式为：
<mrow>
<mi>R</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mi>c</mi>
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<mi>t</mi>
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<mo>(</mo>
<mn>2</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
公式(2)中，c为光速，t为发射脉冲与目标回波的时间间隔；
步骤三、选通成像系统(2)通过选通控制回波脉冲进入选通型像增强器(2.2)；
根据步骤二计算的目标纵深距离R，由主控电路(3)中的控制台(3.5)调整光学系统(2.3)对准目标；由凝视模块(3.3)控制光源驱动(4)，驱动激光光源(5)发射脉冲，激光光束经第一分光镜(6)反射后，到达第二分光镜(7)并分为两路：反射光束经发射系统(2.3.1)后照射目标区域，被目标反射和散射的回波脉冲经接收系统(2.3.2)到达选通型像增强器(2.2)；透射光束传播至PIN光电二极管(2.1)，经预定的延迟时间t'后接通选通电源(2.2.1)，使回波脉冲进入选通型像增强器(2.2)。
步骤四、根据目标运动状态选择选通成像方式，并获取目标三维图像，即实现对遮蔽目标快速、高分辨的探测；
根据目标运动状态选择选通成像方式是指对静止目标采用步进式选通成像，对运动目标采用调制式选通成像；
步进式选通成像，利用选通成像接收模块(3.4)调整选通时间，为选通电源(2.2.1)供电，使不同距离的光信号依次进入选通型像增强器(2.2)，获得一系列辐照度不同的选通图像并由选通成像接收模块(3.4)接收，根据选通图像的辐照量计算出目标的质心量Z，表达式为：
<mrow>
<mi>Z</mi>
<mo>=</mo>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>3</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
公式(3)中E(i·Δt,z)为第i次选通时选通成像接收模块(3.4)接收的辐照量，pi(τ-2*z/c)为第i次选通期间选通成像接收模块(3.4)接收的辐照度，Δt为选通延迟时间的调整量，i为调整次数，z为目标距离，T为选通门宽；所述的调整次数i由实际测量中目标的距离范围[L1,L2]和所要求的距离精度l0确定，计算公式为：
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<msub>
<mi>L</mi>
<mn>2</mn>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
因而，在选通门宽T、选通延迟时间的调整量Δt以及调整次数i确定的条件下，能够根据公式(2)和目标的质心量Z，获取目标的精确距离值z；
调制式选通成像，利用选通成像接收模块(3.4)设定延时，对同一目标位置进行两次探测成像，在选通电源(2.2.1)两次接通期间控制微通道板MCP(2.2.2)的增益，对接收系统(2.3.2)输出的光信号分别进行线性递增增益调制和恒定增益调制，由成像器(2.2.3)获得两幅增益调制图像，由选通成像接收模块(3.4)接收并计算两幅图像的辐照量比值f(z)，表达式为：
<mrow>
<mi>f</mi>
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<mo>(</mo>
<mi>z</mi>
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<mi>m</mi>
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<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
公式(5)中z为目标距离，k为线性增益的递增系数，G0为线性增益的初始值，Gm为恒定增益值，ξ为选通电源(2.2.1)两次接通的时间间隔，T0为发射的激光脉冲信号周期；根据公式(5)中的比值f(z)与目标距离z之间的线性对应关系，能够得到目标的精确距离值z。
4.如权利要求3所述的一种遮蔽目标光电成像探测方法，其特征在于：所述的对探测视场(8)进行大范围扫描的视场角为±5°。
5.如权利要求3所述的一种遮蔽目标光电成像探测方法，其特征在于：步骤三所述的预定的延迟时间t'应小于步骤二中获得的发射脉冲与目标回波的时间间隔t，以保证目标回波完全进入选通型像增强器(2.2)。
6.如权利要求3所述的一种遮蔽目标光电成像探测方法，其特征在于：步骤四中采用基于激光图像局部统计信息的图像融合算法重构目标三维图像，实现对遮蔽目标的快速、高分辨的探测。
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Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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