CN110018492A - 双波段交会式主动照明距离选通成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双波段交会式主动照明距离选通成像系统及成像方法，解决现有成像系统探测距离不足、距离分辨率与测距精度不足以及难以获取全谱段激光响应的目标特性的问题。该系统包括第一经纬仪单元、第二经纬仪单元、第一激光器、第二激光器和地面交互管理系统；第一经纬仪单元包括第一探测器和第一经纬仪；第一经纬仪搭载第一激光器和第一探测器，第二经纬仪单元包括第二探测器和第二经纬仪，第二经纬仪搭载第二激光器和第二探测器；第一激光器和第二激光器的波长不同，第一探测器接收第二激光器照射到目标形成的漫反射光，第二探测器接收第一激光器照射到目标形成的漫反射光；第一经纬仪单元和第二经纬仪单元通过地面交互管理系统进行通讯。
Description
技术领域
本发明涉及成像系统，具体涉及一种双波段交会式主动照明距离选通成像系统及成像方法。
背景技术
光电经纬仪是靶场建设中不可替代的终端测量设备，通过判读光测设备拍摄的图像可以得到飞行目标的弹道及姿态等参数，此类参数是武器试验鉴定及故障分析的重要依据，而得到此类参数的前提是获取高质量的目标图像。在经纬仪远距离跟踪暗弱目标时，或在云、雾、烟尘、低照度等环境下，如何有效提高光电经纬仪的作用距离并提高靶场图像质量成为提升靶场光电经纬仪系统性能的关键问题。
主动式距离选通成像技术(即采用脉冲探测体制的距离选通成像系统)具有作用距离远、成像清晰、能显示目标细节、图像信噪比高、对比度高、不受光源影响、可在雨雪雾等恶劣天气环境下工作的特点。其中，距离选通激光三维成像可直观获取丰富的目标外形或基本结构，抑制背景干扰，可用于识别目标及目标特征部位。若将激光距离选通成像技术与高灵敏度探测器集成组合到同一平台下，可大大提升系统的极限探测能力，可解决远距离、暗弱、小目标的跟踪成像难题，可使主动成像与被动成像的优势互补。低照度类光电传感器(单光子成像)、热成像系统、激光雷达、激光测距机等光学设备都可结合距离选通技术对相关特征目标成像，根据作用距离、目标特征、照度等因素具体设计光学系统达到满意的探测效果。
假设被探测目标为某弹体，探测器为EBCCD(电子轰击型电荷耦合器件)，主动式距离选通成像系统原理示意如图1所示。通过调节发射激光束的发散角及跟踪区域，使激光光斑覆盖整个目标或将目标的关键特征部位照亮。采用距离选通技术克服大气背景辐射、透过率、散射和吸收以及湍流等因素对成像质量产生的影响。距离选通成像系统的组成与原理：激光器发射强短脉冲，脉冲激光照射至弹体，由目标反射的激光返回到EBCCD。当激光脉冲处于往返途中时，选通门关闭；当反射光到达EBCCD时，选通门开启，令反射光经过分光系统后到达探测器，选通门开启持续时间与激光脉冲匹配。
距离选通成像技术根据脉冲激光的相关参数(脉宽、重频、功率等)和目标的作用距离来确定匹配探测器的接收时间，就能将目标从复杂的背景噪声中剥离，削减大气后向散射效果，成像原理如图2所示。距离选通成像系统主要分为以下几部分：脉冲激光器、控制系统和成像系统。为了提升成像作用距离，通常应用激光调Q技术实现高峰值功率、窄脉宽等需求，成像系统具有外触发控制功能。脉冲激光器对成像物体发射出激光脉冲，根据目标的反射光和散射光到达成像系统的时间先后不同来确定选通成像器的打开和关闭的时间。
现有技术中，激光主动成像系统已被广泛应用，但是大多数系统都是针对静止目标，而且目前采用连续辐照式激光器作为照明光源较多，采用脉冲激光照明的距离选通成像技术发展依然存在瓶颈，在实际应用中由于运动目标飞行速度快，距离信息难以精确测量，导致由实时距离计算生成的选通门开关时间不准确，从而难以全面去除后向散射对成像造成的影响，导致图像信噪比降低，图像质量下降。同时，现有技术多采用单波段激光进行照明，目标表面的材料、结构对不同的激光波段响应不同；不同激光波段在不同的大气湍流环境下传输特性不同；探测器对不同波段激光的响应特性也不同。所以在应对不同的使用环境、目标性质、探测器性能时，从单一激光响应角度出发难以全方面、多层次获取目标信息。
在靶场使用环境中，1996年美军就开展了采用GVS(距离选通激光主动成像系统)进行靶场导弹跟踪成像测量的研究，将高能激光武器配备的“海石”光束定向器加以改造，加装激光器、主动跟踪摄像机和视频处理器后用于主动跟踪助推段黑雁导弹。使用波长为755nm的绿宝石激光器，单脉冲能量为0.4J，脉冲宽度为100μs，重复频率为60Hz；该系统选用的探测器为第二代ICCD，选通门宽为7μs，最远成像距离达49km。美军在2000年左右设计研发了采用EBCCD作为成像器件、1.5μm波长激光作为照明光源的短波红外距离选通激光主动成像系统，美国夜视与电子传感器管理局对其性能评价方法进行了深入研究，建立了考虑激光散斑、光束闪烁等多种因素影响的激光主动成像系统目标识别性能模型。但是该技术采用单台经纬仪、单波段进行测量，测量质量受到探测角度、测距精度等客观因素制约，成像过程中只削弱了部分大气后向散射，导致夜间该系统在对远距离目标跟踪成像时，任务执行时间有限，获取的目标信息有限，目标图像的信噪比也受到了极大的影响，不能满足现代化靶场的要求。
国内现有主动照明距离选通成像系统仅是实验室桌面系统形式，虽然以各种方法与手段模拟大气环流，但实际的大气环境变化剧烈，受多种条件影响制约，难以真实逼近，而且在实验室中无法验证距离选通工作模式，所以实验室搭建的成像系统只具备指导意义，不具备实际应用价值。
综上所述，现有的激光主动照明系统存在的问题是：探测距离不足(难以满足靶场应用环境中的远距离探测)；距离选通系统中的距离分辨率与测距精度不足(导致成像信噪比下降)；激光波段单一导致难以获取全谱段激光响应的目标特性；理论研究较多暂没有原理样机与成熟产品。
发明内容
本发明的目的是解决现有成像系统探测距离不足、距离分辨率与测距精度不足以及难以获取全谱段激光响应的目标特性的问题，提供一种双波段交会式主动照明距离选通成像系统及成像方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种双波段交会式主动照明距离选通成像系统，包括第一经纬仪单元、第二经纬仪单元、第一激光器、第二激光器和地面交互管理系统；所述第一经纬仪单元包括第一探测器和第一经纬仪；所述第一经纬仪搭载第一激光器和第一探测器，所述第二经纬仪单元包括第二探测器和第二经纬仪，所述第二经纬仪搭载第二激光器和第二探测器；所述第一激光器和第二激光器的波长不同，对目标进行交互式照明，所述第一探测器接收第二激光器照射到目标形成的漫反射光，所述第二探测器接收第一激光器照射到目标形成的漫反射光；所述第一经纬仪单元和第二经纬仪单元通过地面交互管理系统进行信号通讯，实现选通门的打开与关闭。
进一步地，所述第一激光器和第一探测器的光路上、第二激光器和第二探测器的光路上均设置有双视场收发一体光学组件，所述双视场收发一体光学组件包括前置扩束系统、收发隔离装置和长短焦成像物镜组；所述前置扩束系统包括共焦抛物面的主反射镜和次反射镜；激光光源的发射激光经收发隔离装置反射至次反射镜，所述次反射镜将光路汇聚反射至主反射镜，由主反射镜将照明光束发出；目标散射光经主反射镜反射至次反射镜后，由次反射镜反射并透射收发隔离装置后，经过长短焦成像物镜组后进入第一探测器或第二探测器。
进一步地，所述第一探测器、第二探测器为为光电传感器、热成像器、激光雷达、激光测距机或偏振相机。
进一步地，所述第一探测器、第二探测器为EBCCD。
进一步地，所述第一激光器、第二激光器为激光器或连续激光器。
本发明还提供一种基于上述双波段交会式主动照明距离选通成像系统的成像方法，包括以下步骤：
1)第一激光器发出激光射向预成像目标，同时第一经纬仪单元通过地面交互管理系统向第二经纬仪单元发出一个控制信号，使得第二经纬仪单元的选通门关闭，在经过延迟时间τ后，第一经纬仪单元再次通过地面交互管理系统给第二经纬仪单元发出一个触发信号，使得第二经纬仪单元的选通门打开一段时间，允许第一激光器的发射激光照射到目标形成的漫反射光进入第二经纬仪单元的第二探测器，使第二经纬仪单元获得目标二维强度像；
2)第二激光器发出激光射向预成像目标，同时第二经纬仪单元通过地面交互管理系统向第一经纬仪单元发出一个控制信号，使得第一经纬仪单元的选通门关闭，在经过延迟时间τ后，第二经纬仪单元再次通过地面交互管理系统给第一经纬仪单元发出一个触发信号，使得第一经纬仪单元的选通门打开一段时间，允许第二激光器的发射激光照射到目标形成的漫反射光进入第一经纬仪单元的第一探测器，使第一经纬仪单元获得目标二维强度像。
此外，本发明还提供一种基于上述双波段交会式主动照明距离选通成像系统的激光指向方法，包括以下步骤：
1)获取被测目标包含经度、纬度、高度的地理位置点(λp,Lp,hp)，同时获取经纬仪包含经度、纬度、高度的地理位置点(λT，LT，hT)，将上述两个地理位置点转换到空间坐标系下，得到经纬仪的空间坐标位置为(xp,yp,zp)、待测目标的空间坐标位置为(xT,yT,zT)；
2)在空间坐标系下求取经纬仪单位视线矢量D；
其中，为待测目标与经纬仪的绝对距离；
3)将经纬仪单位视线矢量D表示到导航坐标系下得到DN，将导航坐标系下的指向矢量DN转换到车体坐标系下；
其中，θ、P、R分别为经纬仪载车的方位角、俯仰角、横滚角；
4)计算在车体坐标系中的视线矢量；
其中，N0为初始视线矢量；
5)令DP＝N，可反解出经纬仪的方位角A、俯仰角E，即可得到激光器的指向。
本发明与现有技术相比，有益效果是：
1.本发明采用双站式经纬仪布站方案，利用脉冲激光对目标进行交互式照明，根据第一经纬仪单元、第二经纬仪单元与目标的实时距离设计距离选通时序，对目标表面的漫反射光进行交互式接收，最大限度的去除了后向散射的影响，可极大提高探测距离，尤其是针对低照度环境下的暗、弱目标实时成像。
2.本发明采用双波段脉冲激光对目标进行照射，不同波段的激光与目标作用后可获取目标的不同光谱响应图像，更有利于目标特性分析。
3.本发明在不落地测量应用模式下，详细推导了脉冲激光束指向算法，大大提高了靶场中激光指向精度。
4.本发明提供的双视场收发一体光学组件，设计简单，易于实现，特别适用于主动式距离选通照明系统。
5.本发明双波段交会式主动照明距离选通成像系统获取目标相同时刻下目标不同的光谱响应特征，更有利于目标特性分析。
附图说明
图1为现有主动式距离选通成像系统原理示意图；
图2为现有距离选通成像技术原理示意图；
图3为本发明双波段交会式主动照明距离选通成像系统工作原理图；
图4为本发明中第一经纬仪组成框图；
图5为本发明中双视场收发一体光学组件示意图。
附图标记：1-第一激光器，2-第二激光器，3-地面交互管理系统，4-第一探测器，5-第一经纬仪，6-第二探测器，7-第二经纬仪，8-双视场收发一体光学组件，81-收发隔离装置，82-长短焦成像物镜组，83-主反射镜，84-次反射镜。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：
为了提高靶场光电设备对远距离暗弱目标的探测能力，加快主动式距离选通成像技术在靶场的工程应用进程，本发明提供一种双波段交会式主动照明距离选通成像系统及成像方法。双波段交会式主动照明距离选通成像系统采用两台经纬仪布站方案，第一经纬仪单元、第二经纬仪单元分别采用532nm与1064nm的脉冲激光对远距离飞行目标进行照明。接收端采用距离选通体制，探测器为不同量子效率的EBCCD(根据激光波段选型)。本发明在考虑激光链路传输基础上，提出了在探测器端基于灵敏度、对比度、信噪比三方面指标反算脉冲激光器指标；在靶场不落地测量模式下推导了脉冲激光指向算法，最后设计了双视场收发一体的光学组件。
双波段交会式主动照明距离选通成像系统如图3所示，包括第一经纬仪单元、第二经纬仪单元、第一激光器1、第二激光器2和地面交互管理系统3；第一经纬仪单元包括第一探测器4和第一经纬仪5；第一经纬仪5搭载第一激光器1和第一探测器4，第二经纬仪单元包括第二探测器6和第二经纬仪7，第二经纬仪7搭载第二激光器2和第二探测器6；第一激光器1和第二激光器2的波长不同，对目标进行交互式照明，第一探测器4接收第二激光器2照射到目标形成的漫反射光，第二探测器6接收第一激光器1照射到目标形成的漫反射光；第一经纬仪单元和第二经纬仪单元通过地面交互管理系统3进行信号通讯，实现选通门的打开与关闭。
在本实施例中，第一经纬仪单元搭载的第一脉冲激光器发出532nm的激光脉冲，其中一部分射向预成像目标，同时第一脉冲激光器通过地面交互管理系统3向第二经纬仪单元发出一个Q信号(通过激光调Q技术实现高峰值功率、窄脉宽等需求)。此时第二经纬仪单元的选通门关闭，没有信号进入第二经纬仪单元的探测器，在经过一定的延迟时间τ后，第一经纬仪单元通过地面交互管理系统3给第二经纬仪单元的选通门一个触发信号，第二经纬仪单元的选通门打开一段时间，允许第一经纬仪单元发射的532nm激光照射到目标形成的漫反射光进入第二经纬仪单元的探测器，使第二经纬仪单元获得目标二维强度像。当激光脉冲在空中传输的时候，第二经纬仪单元的选通门关闭，散射光无法进入探测器形成噪声，从而提高信噪比，延迟时间τ根据第一经纬仪单元、第二经纬仪单元与目标的实时距离计算。
同理，第二经纬仪单元搭载的第二脉冲激光器发出1064nm的激光脉冲，其中一部分射向预成像目标，同时第二经纬仪单元通过地面交互管理系统3向第一经纬仪单元发出一个Q信号，此时第一经纬仪单元的选通门关闭，没有信号进入第一经纬仪单元的探测器，在经过一定的延迟时间τ后，第二经纬仪单元通过地面交互管理系统3给第一经纬仪单元的选通门一个触发信号，第一经纬仪单元的选通门打开一段时间，允许第二经纬仪单元发射的1064nm激光照射到目标形成的漫反射光进入第一经纬仪单元的探测器，使第一经纬仪单元获得目标二维强度像。
本发明采用532nm与1064nm波段的脉冲激光综合考虑了应用环境和目标特性，根据使用情况的不同，激光波段可按照其它需求选择，例如：450nm、808nm、1.54μm、10.6μm等。本发明采用的探测器为EBCCD，也可置换为ICCD、BCCD等低照度类光电传感器、热成像系统、激光雷达、激光测距机、偏振相机等光学设备。
本发明双波段交会式主动照明距离选通成像系统讨论的是双经纬仪布站，同理，该方法也可应用与吊舱等光电设备的交汇测量。本发明研究的双波段脉冲激光照明也可扩展为多波段脉冲激光照明，可获取更多的目标光谱响应特性。本发明提出的主动式距离选通成像方法也可更改为连续辐照模式，即置换为连续激光器。
本发明的第一经纬仪5、第二经纬仪7均采用现有装置，且为结构相同的装置。第一经纬仪5搭载532nm脉冲激光器，第二经纬仪7搭载1064nm脉冲激光器。第一经纬仪5、第二经纬仪7均主要由跟踪架、伺服控制分系统、操作控制分系统、图像判读分系统、图像记录分系统、一体化载车、时统终端、通信接口、辅助设备等组成，系统基本组成框图如图4所示。各分系统组成及功能如下：跟踪架包括精密轴系、力矩电机、编码器、不落座测量机构等，用于承载各探测器，完成测角，执行跟踪。伺服控制分系统完成跟踪架的随动控制。操作控制分系统包括操作控制台、管理计算机、数据交互计算机、各探测器图像监视器、UPS电源等硬件及相应控制软件，主要完成设备的操作控制、图像显示及对外信息交换。图像判读分系统用于完成图像的判读、图像分析和计算，提供测量数据。图像记录分系统包括数字图像记录部分、硬盘录像机及光盘刻录机等，数字图像记录部分实时无损记录各探测器的数字图像，硬盘录像机记录多个探测器的模拟视频图像；光盘刻录机将图像数据、测量数据刻录在光盘上，便于保存。GPS+北斗/B码时统终端用于接收GPS/北斗时间、IRIG-B码数据、提供统一时间基准并为其它分系统提供同步信号，一体化载车为设备提供运输和使用平台。
如图5所示，本发明根据使用环境，第一激光器1和第一探测器4的光路上、第二激光器2和第二探测器6的光路上均设置有双视场收发一体光学组件8，双视场收发一体光学组件8包括前置扩束系统、收发隔离装置81和长短焦成像物镜组82。
前置扩束系统主要实现对激光光束的准直，从而实现远距离照明。其采用两个共焦抛物面反射镜组成，结构简单，通过离轴使用，避免了中心遮拦对能量的影响。另外，此结构系统彗差为零，因此具有较大的视场，减小了后成像物镜组的像差校正压力。
收发隔离装置81用于隔离发射激光信号与接收激光信号，通过布儒斯特分束片实现对发射激光信号的反射和接收激光信号的透射。
长短焦成像物镜组82通过切入切出的方法实现系统长短焦的切换，从而实现大视场搜索与小视场高分辨率成像的快速切换。
激光发射光路顺序：激光光源发射激光，经过收发隔离装置81反射至次反射镜84，次反射镜84将光路汇聚反射至主反射镜83，由主反射镜83将照明光束发出。
探测器接收目标光顺序：目标散射光经过主反射镜83后，由次反射镜84反射并透射收发隔离装置81，经过长短焦成像物镜组82(即变倍切换组)后进入EBCCD的探测器。
光学系统参数如下表所示：
表2光学系统参数
| 光学系统参数 | 数值 | 光学系统参数 | 数值 |
| 激光发散角 | 1mrad | 接收系统焦距 | 400/800mm两档变倍 |
| 光斑直径 | 4mm | F数 | 5 |
| 扩束比 | 5× | 探测器参数 | 1280×1024，6.7μm |
长短焦成像系统MTF在空间频率74lp/mm处均≥0.4，成像质量良好，可以满足系统对目标清晰成像的要求。扩束系统采用两个离轴抛物面镜对焦的方式，设计结果达到衍射极限，波像差接近零，可以很好的满足扩束系统的要求。
本发明系统中，根据构建的激光链路传输模型，在考虑激光大气衰减等因素的基础上，在探测器端基于灵敏度、图像对比度、信噪比等多方面重点计算了脉冲激光器的最低指标要求，给出了脉冲激光器功率的选择依据。
在大气能见度不小于10km、相对湿度不大于70％条件下，假设目标为某导弹，对典型弹体(5.0m×1.0m)目标探测距离不大于60km。假设第一经纬仪单元、第二经纬仪单元与目标的距离均为60km。
为保证本系统极限作用距离时依然为面目标探测，可以假定典型弹体目标在探测距离60km时在靶面上占据5×1个像元，那么通过公式可以计算对应的长焦焦距：
y'＝(L/R)×f' (1)
式中：y'—目标像的大小；L—目标尺寸；R—作用距离；
根据选用的探测器及系统技术指标要求，探测器分辨率1280×1024，像元尺寸6.7μm*6.7μm(EBCCD)，计算获得焦距f'＝402mm，取f'＝400mm。
衍射形成的弥散斑直径应与探测器像元大小相匹配，弥散斑直径d：
d＝2.44λF (式1)
式中：d～弥散斑直径；λ～光波长；F～光学系统的F数。
外接圆直径为0.00947mm、λ＝0.00055mm时：
为了保证入射能量，提高系统的探测能力，选用系统相对孔径为F/5.5。
根据以下公式计算等效通光口径D
得出D＝72.7mm，取D＝80mm。
可计算出探测器靶面尺寸为8.576mm×6.86mm；焦距范围为25mm～400mm，根据下面公式可计算出系统视场：
式中，为半视场角，h为像高，f'为系统焦距。系统长焦时对应的视场为1.228°×0.9825°；系统短焦时对应的视场为18.93°×15.34°。
在激光传输链路中，激光源的能量与效率、发射器抖动、探测器的接收方式及效率、激光大气传输效率、大气抖动、光束衍射极限等因素综合影响着系统的指标设计与目标图像质量。
以大小为5.0m×1.0m的面目标为计算对象，目标的反射能量到达探测器端光功率是可知的。从三个方面综合计算脉冲激光器能量。其一，探测器接收到的信号光能量应大于探测器等效噪声能量(探测器灵敏度)，此时整个下行传输链路能量计算的出发点变为探测器对入射光能的最小响应问题上。其二，对于面目标，探测器接收到的目标能量与背景能量必须能满足对比度要求。其三，探测器所转换的信号光量子数应大于天空背景等杂散光所转换的光量子数(信噪比)。
a)满足探测器灵敏度需求
由第一经纬仪单元的激光发射系统发射激光光束传输至距离为R1的目标处，设激光器的发射峰值功率为P0，发射全角为θ，激光束立体角为Ω＝4πsin2(θ/4)，到达目标表面的照度为：
式中，α1为激光束发射方向与目标表面法线的夹角，ηat为单程大气透过率。
到达目标表面处的能量为
式中，Ab为目标被激光照射到的面积，设ρ0为目标表面反射率，则目标的辐射能量为：
Pt＝P1·ρ0 (式7)
可知其发光强度则到达接收系统入瞳处的照度为：
式中，R2为目标距离第二经纬仪单元接收系统的实时距离，α2为目标表面法线与探测器(EBCCD)靶面的夹角，ηatf为返程大气透过率，此处假设为与单程大气透过率相等。到达探测器上的能量为：
式中：As为探测器入瞳面积，τr为探测器的前置光学系统透过率。
若Pr满足光电探测器(EBCCD)最小可探测功率。由式(6)～式(10)可得，在满足探测器灵敏度指标时，所需的最小激光发射功率为：
各项参数即变量选取依据及数值如表1：
表1参数选择及依据
激光光束通过大气传输时，会产生大气衰减效应和湍流效应。大气湍流效应并不直接引起激光能量的衰减，而引起能量衰减的主要因素是激光光束的强度、相位起伏和光束漂移抖动等现象，因此大气的衰减效应是激光能量计算要考虑的主要因素。
由于垂直传输的激光衰减计算十分复杂，在工程应用领域通常将垂直衰减等效成一定水平距离的衰减进行计算。水平大气透过率可以表示为：
其中，kλi为第i种气体分子对该波长的吸收系数，αλ为大气分子对该波长的散射系数，βλ为气溶胶对该波长的散射系数。532nm的激光波长的大气衰减主要是大气气溶胶的散射，其他衰减作用可以忽略。其衰减系数可用能见度来描述，在工程中一般用下式来计算：
式中，V是能见度，单位km，λ为激光波长，单位μm，ξ是经验数，当能见度大于6km时取ξ＝1.3，平均能见度为10～12km，取10km。代入上式可以得到532nm激光水平传输时气溶胶的衰减系数：
激光穿过大气倾斜(或垂直)传输时的情况较为复杂，假定激光倾斜传输角度为θ，大气的透过率通过下式计算：
其中函数f为恰普曼函数，将斜程衰减等效为水平距离衰减，上式可以变为：
Rki为第i个吸收因子的等效水平传输距离，Rα为分子散射的等效水平传输距离，Rβ为气溶胶散射的等效水平传输距离。结合溶胶衰减系数得到该波长激光的大气垂直透过率：
Tθ＝exp(-βλRβ)≈0.4245 (式16)
以上透过率是通过公式与经验计算得到，透过率也可利用Lowtran或者Motran软件计算获得，通过Lowtran软件计算的大气透过率(输入条件:中纬度夏季区域，乡村消光系数Vis＝23km，无云雨，波长范围4nm)。两种方法计算得到的透过率近似相等，取532nm波段的激光单程大气透过率为0.4。
探测器的最小可探测功率(EBCCD的灵敏度)
所选EBCCD灵敏度在3e-/count左右。
ηqe为EBCCD的量子转换效率(波长532nm为50％)。那么由于激光脉冲在14.14km上来回渡越时间是93.3μs，所以选通脉冲应在照明脉冲前沿后延迟93.3μs。(脉冲激光器以能量为参数指标，激光重复频率10kHz)。设EBCCD的选通脉冲宽度为1μs，那么曝光时间也近似选为1μs。满足EBCCD最低探测要求的Pr为
Pr＝E/Ts＝7.466·10-19/(1·10-6)＝7.466·10-13W (式18)
其中，SP为EBCCD象元尺寸。那么，脉冲激光器的发射峰值功率
P0＝5.326·104W (式19)
那么，脉冲激光器的脉宽设为2ns，一次发射能量为
E＝P0·Wp＝5.326·104·2·10-9＝1.06·10-4J (式20)
脉冲激光器的平均功率
Pv＝P0·f＝1.06·10-4·10000＝1.06W (式21)
综上所述，满足探测器灵敏度指标要求时，脉冲激光器的最小功率为1.06W。
b)满足探测器对比度需求
目标与背景到达探测器的照度满足下式关系便可满足成像的对比度最低要求。
夜间图像对比度分析
目标光照度由月光反射、大气散射光、地面反射光与激光反射几部分组成。
式中，Ee为达到探测器表面的有效目标光照度(信号)；ES为月光反射、大气散射光、地面反射光等(统称为自然光)到达探测器表面的照度；Et为激光反射的目标光到达探测器表面的照度。
地表照度的光能来自月光、天穹亮度和大气散射光。目标表面主要是反射月光、大气散射光和地面反射光。目标表面被自然光照射的总亮度为B目，目标被月光照射的表面亮度为B1，目标受大气散射光及地表反射光照射的亮度为B2，则：
式中：ρ0～目标表面漫反射系数；E1～月光照度；E2～地表反射光和大气散射光照度，即对应阴影下的照度。当满月且月球高角为45°时地面照度为0.1lux，E2＝0.01lux，则：
目标反射的自然光在靶面上的照度ES
将计算得到的B目＝1.96·10-6熙提和光学系统等效通光口径，D＝80mm，f′＝400mm，τr＝0.5，ηat＝0.4代入上式：
有月的晴朗夜空取天空背景亮度为1·10-6熙提。天空背景在靶面上的照度
通过对比度最低要求反算激光器能量。夜间在有激光照明前提下，目标与天空形成暗背景条件的亮目标。
由于ES＝1.2308·10-4lux，那么可知Et≥4.177·10-5lux(Et为激光反射的目标光到达探测器表面的照度，根据视明觉函数Vλ(1W＝683lm,λ＝555nm),取Vλ＝260)，可得Et≥1.606·10-7W/m2。反算得脉冲激光器发射的峰值功率
P0＝3.381·105W (式31)
那么，脉冲激光器的脉宽设为2ns，一次发射能量为
E＝P0·Wp＝3.381·105·2·10-9＝6.762·10-4J (式32)
基于对比度的激光器最小激光发射功率
Pv＝P0·f＝6.762·10-4·10000＝6.762W (式33)
白天图像对比度分析
利用相同方法进行计算分析，在白天无需采用激光照明方式，目标与天空形成亮背景条件的暗目标，且满足对比度需求。
本发明中，研究了靶场不落地测量中的脉冲激光束实时指向算法。在靶场中不落地测量时，通常对地面平整度要求较高，而且车体支撑机构的刚性和间隙导致了经纬仪测量时带有垂轴误差，并且该误差随着外界扰动不断变化。为提高经纬仪的环境适应性与测量机动性，采用安装于经纬仪基座上的POS实时测量经纬仪的位姿信息。在目标未进入第一经纬仪单元、第二经纬仪单元的视场时，通常根据引导信息将目标引入视场，根据经纬仪的经纬度、高程信息、姿态信息，被测飞行器的实时轨迹，通过相应的坐标转换，计算经纬仪的方位角、俯仰角给定。具体过程如下：
假设被测飞行器的轨迹包含经度、纬度、高度分别为(λp,Lp,hp)的地理位置点，将POS输出的经纬仪实时经度、纬度、高度(λT，LT，hT)与待测点位置都转换到空间坐标系下(WGS84或场区坐标系)。转换后，经纬仪的空间坐标位置为(xp,yp,zp)，待测点空间坐标位置为(xT,yT,zT)，根据两者坐标求取经纬仪单位视线矢量D。
与为待测目标与经纬仪的绝对距离。
根据经纬仪的实时位置信息(经度、纬度、高度)，将单位指向矢量D表示到导航坐标系下(东北天坐标系)得到DN。根据经纬仪载车的方位角、俯仰角、横滚角将导航坐标系下的指向矢量DN转换到经纬仪载车坐标系下，
其中，θ、P、R分别为经纬仪载车的方位角、俯仰角、横滚角。
由于经纬仪具备方位、俯仰两个运动维度，在经纬仪坐标系中表示视线矢量，当经纬仪的方位角A、俯仰角E均为0时初始视线矢量为N0，那么可由下式计算并获得在经纬仪载车坐标系中的视线矢量。
令DP＝N，可反解出经纬仪的方位角A、俯仰角E，根据计算得到的经纬仪角度实现运动目标的实时高精度指向及照明。
Claims (7)
1.一种双波段交会式主动照明距离选通成像系统，其特征在于：包括第一经纬仪单元、第二经纬仪单元、第一激光器(1)、第二激光器(2)和地面交互管理系统(3)；
所述第一经纬仪单元包括第一探测器(4)和第一经纬仪(5)；所述第一经纬仪(5)搭载第一激光器(1)和第一探测器(4)，所述第二经纬仪单元包括第二探测器(6)和第二经纬仪(7)，所述第二经纬仪(7)搭载第二激光器(2)和第二探测器(6)；所述第一激光器(1)和第二激光器(2)的波长不同，对目标进行交互式照明，所述第一探测器(4)接收第二激光器(2)照射到目标形成的漫反射光，所述第二探测器(6)接收第一激光器(1)照射到目标形成的漫反射光；
所述第一经纬仪单元和第二经纬仪单元通过地面交互管理系统(3)进行信号通讯，实现选通门的打开与关闭。
2.根据权利要求1所述的双波段交会式主动照明距离选通成像系统，其特征在于：所述第一激光器(1)和第一探测器(4)的光路上、第二激光器(2)和第二探测器(6)的光路上均设置有双视场收发一体光学组件(8)，所述双视场收发一体光学组件(8)包括前置扩束系统、收发隔离装置(81)和长短焦成像物镜组(82)；所述前置扩束系统包括共焦抛物面的主反射镜(83)和次反射镜(84)；
发射激光经收发隔离装置(81)反射至次反射镜(84)，所述次反射镜(84)将光路汇聚反射至主反射镜(83)，由主反射镜(83)将照明光束发出；
目标散射光经主反射镜(83)反射至次反射镜(84)后，由次反射镜(84)反射并透射收发隔离装置(81)后射入长短焦成像物镜组(82)，经长短焦成像物镜组(82)后进入第一探测器(4)或第二探测器(6)。
3.根据权利要求2所述的双波段交会式主动照明距离选通成像系统，其特征在于：所述第一探测器(4)、第二探测器(6)为光电传感器、热成像器、激光雷达、激光测距机或偏振相机。
4.根据权利要求3所述的双波段交会式主动照明距离选通成像系统，其特征在于：所述第一探测器(4)、第二探测器(6)为EBCCD。
5.根据权利要求1至4任一所述的双波段交会式主动照明距离选通成像系统，其特征在于：所述第一激光器(1)、第二激光器(2)为脉冲激光器或连续激光器。
6.一种基于权利要求1至5任一所述双波段交会式主动照明距离选通成像系统的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)第一激光器发出激光射向预成像目标，同时第一经纬仪单元通过地面交互管理系统向第二经纬仪单元发出一个控制信号，使得第二经纬仪单元的选通门关闭，在经过延迟时间后，第一经纬仪单元再次通过地面交互管理系统给第二经纬仪单元发出一个触发信号，使得第二经纬仪单元的选通门打开一段时间，允许第一激光器的发射激光照射到目标形成的漫反射光进入第二经纬仪单元的第二探测器，使第二经纬仪单元获得目标二维强度像；
2)第二激光器发出激光射向预成像目标，同时第二经纬仪单元通过地面交互管理系统向第一经纬仪单元发出一个控制信号，使得第一经纬仪单元的选通门关闭，在经过延迟时间后，第二经纬仪单元再次通过地面交互管理系统给第一经纬仪单元发出一个触发信号，使得第一经纬仪单元的选通门打开一段时间，允许第二激光器的发射激光照射到目标形成的漫反射光进入第一经纬仪单元的第一探测器，使第一经纬仪单元获得目标二维强度像。
7.一种基于权利要求1至5任一所述双波段交会式主动照明距离选通成像系统的激光指向方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)获取被测目标包含经度、纬度、高度的地理位置点(λp,Lp,hp)，同时获取经纬仪包含经度、纬度、高度的地理位置点(λT，LT，hT)，将上述两个地理位置点转换到空间坐标系下，得到经纬仪的空间坐标位置为(xp,yp,zp)、待测目标的空间坐标位置为(xT,yT,zT)；
2)在空间坐标系下求取经纬仪单位视线矢量D；
其中，为待测目标与经纬仪的绝对距离；
3)将经纬仪单位视线矢量D表示到导航坐标系下得到DN，将导航坐标系下的指向矢量DN转换到车体坐标系下；
其中，θ、P、R分别为经纬仪载车的方位角、俯仰角、横滚角；
4)计算在车体坐标系中的视线矢量；
其中，N0为初始视线矢量；
5)令DP＝N，可反解出经纬仪的方位角A、俯仰角E，即可得到激光器的指向。
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