CN111736161A - 一种基于相干激光雷达的静态隐身目标揭示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于对相干激光雷达对静态目标区域进行照射，通过对激光回波中的相位信息进行统计分析，利用统计分析结果进行隐身目标揭示的方法，其技术方案包括提取地面扩展目标等静态目标的相位特征，以及基于相位统计分析来揭示隐身目标。本发明中的目标相位特征提取包括两种方式，其一是使用变发散角探测模式下的单元探测器鉴相，其二是利用相干全息成像获得相位信息。本发明利用隐身涂料和伪装材料与自然目标在粗糙度等方面的差异，通过相位统计方差来判定是伪装目标还是自然背景，实现对地面伪装和隐身目标的揭示发现。

Description

一种基于相干激光雷达的静态隐身目标揭示方法

技术领域

本发明属于激光目标探测技术领域，特别涉及一种基于相干激光雷达的静态隐身目标揭示方法。

背景技术

近年来，随着隐身技术的发展，特别是加装有伪装涂层的各类坦克、装甲等地面目标，使得传统的检测手段很难有效检测除目标信息。尤其在地面复杂背景下，如何有效提高复杂背景下的隐身目标检测能力，减小隐身目标威胁是一个具有重要科学意义和军事应用价值的问题。目标隐身的原理主要有两种，一是以隐身飞机的隐身原理为代表，即降低目标表面的电磁散射使得探测系统接收到的目标回波能量减弱，使目标回波淹没在背景噪声之中；二是降低目标与周围环境的辐射特征差异。进行隐身目标检测需要解决上述两个问题，即需要在低信噪比条件下进行目标信号的检测，同时需要将目标与背景进行区分。所述的静态目标一般以地面静止目标为主，当单脉冲进行目标探测时相脉冲时间内探测系统与目标之间相对静止也可以视作为静态目标。

从目前的地面隐身目标识别技术来看，主要有可见光、红外、窄带多光谱、偏振光检测等。利用可见光成像检测目标时，其图像清晰能够提供所在场景的细节信息，但是由于被多种伪装技术直接针对，可见光检测采用隐身技术的目标直接识别能力较差，难以突出背景与目标的差异。利用红外图像通过检测目标与背景温度和反射率差异，对不同温度目标识别能力较强，但是红外成像器件造价较高，空间分辨率较低。多光谱探测在可见光和近红外波段对入射光进行窄带单色滤波，形成多组单色图像。通过对景物的光谱特征进行区分判别实现目标检测，这是目前研究最为集中的隐身目标侦察方式如图1所示，但其依赖于外界光源对目标的照射（一般为太阳光）。随着伪装技术和隐身材料的发展，伪装材料和涂层的光谱特征与地物背景的相似度越来越高，当隐身目标与背景近似“同色同谱”时就无法从地面复杂背景下有效地检测出隐身目标，并且多光谱检测隐身目标数据处理量大，无法做到实时输出结果。偏振光成像技术测量的是在某个偏振方向上目标与背景的偏振信息，而不同的物体具有不同的偏振信息，因此采用偏振光可以检测出隐身目标，但其检测准确度受目标与背景的表面粗糙度、探测波段、探测角度和天气等因素影响较大。

采用高光谱相机进行地物目标识别时，使用白光为激光雷达光源照射目标区域，并对目标区域回波进行窄带单色滤波，形成多组单色图像。对于同一空间位置目标，以波长为横轴，回波强度为纵轴可以绘制其光谱特征曲线。通过区分不同地物的光谱特征曲线，可以实现对地物目标的区分鉴别，这是目前研究较多的隐身目标检测方法。

相干激光雷达回波中携带了丰富的目标特征，这些信息调制在回波的强度、波形、光谱、偏振、相位等信息中。已有的文献和研究中隐身目标的揭示方法集中于利用强度、光谱、偏振等信息，目前还没有利用相位信息进行隐身揭示的方法。事实上对于地面通过伪装材料或伪装涂料进行伪装的目标与自然环境的相似度在于光谱反射率相似、偏振特性相似等，但其表面粗糙度等引起回波相位的调制的特征仍然差别较大。

发明内容

本申请所述的相干激光雷达静态隐身目标揭示方法，是利用激光回波中包含的相位信息反映目标表面的粗糙程度等细微特征，用来区分隐身目标与自然目标。总体思路为首先进行静态扩展目标的相位特征提取，可以通过单元探测器相位检测或全息成像的方式获取相位信息。利用相位信息进行目标揭示，主要通过两种途径实现：一是对回波相位进行统计分析，利用目标和背景之间相位统计分析结果的差异进行目标鉴别；二是直接对全息图像进行图像处理分析，利用全息图像的差别进行目标鉴别。由于相干探测本身对微弱信号的探测优势，以及回波相位对目标表面粗糙度等细微特征的敏感性，该方法可以有效提高激光雷达对隐身目标的揭示能力。

本发明提供一种基于相干激光雷达的静态隐身目标揭示方法，所述目标揭示方法利用相干激光对地面扩展目标等静态目标进行相位特征提取，并通过对相位信息的处理分析对隐身目标进行揭示；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：使用预定的初始发散角度的相干激光照射目标区域，接收激光回波；其包括以下子步骤

步骤1.1、利用激光光源产生窄线宽激光，经过分束器形成信号光和本振光两路；

步骤1.2、信号光经过光学放大器进入收发同轴光学系统对目标区域进行照射，并接收目标区域回波；

步骤二：对所照射区域地面扩展目标的激光回波进行回波相位特征提取；所述的提取步骤包括以下子步骤：

步骤2.1、对所接收的激光回波进行单元探测并进行回波相位检测，获得目标与参考镜回波的一组相位差值 ；

步骤2.2、连续调整光学系统参数，使激光发散角连续变化，角度间隔递增；

步骤2.3、同时持续进行相位检测，记录不同发散角条件下所检测得到的回波相位差值，以所述的回波相位差值序列作为相位变量；

步骤2.4、对所述的相位变量进行统计特征分析，计算其均值、方差、高阶矩；

步骤2.5、对计算得到的统计特征进行判别，若为统计方差大于阈值则判别回波为纯背景回波，若小于阈值则判别为目前所照射区域存在隐身目标；

步骤三： 对所照射区域地面扩展目标进行相干激光全息图像提取，其包括以下子步骤：

步骤3.1、将回波经过透镜变换与本振光在CCD表面进行外差干涉形成全息图像

步骤3.2、利用CCD探测全息图像并记录探测结果，对所获取的目标区域全息图像进行图像处理与图像特征分析，计算信息熵、均值、方差，将统计特征值输入目标鉴别模块；

步骤3.3、目标鉴别模块通过对输入的图像特征，判别目前所照射区域是否存在隐身目标。

优选的，静态目标指地面静止目标。

进一步的，当单脉冲进行目标探测时相脉冲时间内探测系统与目标之间相对静止，则判定目标为静态目标。

进一步的，所述的步骤二还包括：利用相干激光变发散角发射，利用单元探测器接收不同发散角回波并进行相位统计，使用统计结果进行隐身目标揭示；

所述的步骤三还包括：利用相干激光对目标区域进行全息成像，利用全息图像进行相位统计，利用统计结果进行隐身目标揭示；

所述的步骤二或步骤三两种识别方式能够分别执行或同时执行来完成所述的静态隐身目标的揭示。

进一步的，步骤1.1还包括：

步骤1.11、信号光经过光学放大器进入发散角可调的收发同轴光学系统向自由空间辐射，在信号光路径上设置一个距离已知的参考镜，当利用信号光对目标区域进行照射时，进入光学系统视场的激光回波就包含目标区域物体以及参考镜的两个激光回波脉冲。

进一步的，步骤2.1还包括：

步骤2.11、本振光经过声光移频器后与回波信号光进入2*2的光纤耦合器进行混频；

步骤2.12、光纤耦合器输出的两路光信号经过平衡探测器提高信噪比后，进入模数转换数据采集系统；

步骤2.13、所采集的数字信号经过数字滤波，傅里叶变换等数字处理提取回波信号中参考镜回波以及目标区域回波的一组相位值，并求得其相位差值。

本申请所述的静态隐身目标揭示技术，由于采用相干激光的探测方式，可以增加微弱信号的接受能力，其中方案一采用单元探测无需成像达到节约成本； 方案二采用成像的方式，能够一次性获得更多的相位信息，加快目标信息获取能力，处理速度更快。这种利用激光回波相位进行目标鉴别的方法，是一种隐身目标揭示的全新思路。

附图说明

图1激光雷达对隐身目标的揭示原理；

图2为本发明的基于相干激光雷达的静态隐身目标揭示流程图；

图3为单元探测器变发散角回波相位统计分析的系统示意图；

图4为相干激光全息图像分析的系统示意图；

图5 为单元探测器变发散角回波相位统计分析隐身目标揭示流程图。

具体实施方式

针对静态隐身目标探测中，高光谱激光雷达作用距离不远、数据处理量大，实时性不高等问题，本申请从隐身目标检测的实际应用需求出发，提出一种相干激光雷达隐身目标揭示方案，利用相干激光对地面扩展目标等静态目标进行相位特征提取，并通过相位统计分析的方法或相位全息成像的方法对隐身目标进行揭示。该方法能够快速利用目标三维信息揭示目标伪装，回避目前行之有效各类光谱伪装技术，能够有效提高对隐身目标的判决能力。

相干激光雷达回波中携带了丰富的目标特征，这些信息调制在回波的强度、波形、光谱、偏振、相位等信息中。已有的文献和研究中隐身目标的揭示方法集中于利用强度、光谱、偏振等信息，目前还没有利用相位信息进行隐身揭示的方法。事实上对于地面通过伪装材料或伪装涂料进行伪装的目标与自然环境的相似度在于光谱反射率相似、偏振特性相似等，但其表面粗糙度等引起回波相位的调制的特征仍然差别较大，据此本发明提出了一种基于相干激光雷达回波相位统计分析的地面隐身目标揭示方法，比较对激光回波相位的统计分析结果，根据相位变化的程度来判定所照射区域是否存在隐身伪装目标存在。

以下结合附图1-4对本发明的具体实施方式作出详细说明。

附图1是激光雷达对隐身目标的观测原理图，附图2是揭示步骤流程。

基于相干激光雷达的静态隐身目标揭示方法特征在于所述方法包括以下两个步骤：

步骤一：利用相干激光照射目标区域，对所照射区域静态目标的激光回波进行回波相位特征提取；

步骤二：对激光回波相位信息分析，利用目标与背景之间的统计特征差异进行隐身目标揭示。

对于上述过程具体可以采取以下两种途径实现

实施例一，如附图3所示，采用单元探测器变发散角回波相位统计分析隐身目标揭示，具体步骤如下：

1) 激光光源产生窄线宽激光，经过分束器形成信号光和本振光两路；

2) 信号光经过光学放大器进入发散角可调的收发同轴光学系统向自由空间辐射，在信号光路径上设置一个距离已知的参考镜，当利用信号光对目标区域进行照射时，进入光学系统视场的激光回波就包含目标区域物体以及参考镜的两个激光回波脉冲；

3) 本振光经过声光移频器后与回波信号光进入2*2的光纤耦合器进行混频；

4) 光纤耦合器输出的两路光信号经过平衡探测器提高信噪比后，进入模数转换数据采集系统；

5) 所采集的数字信号经过数字滤波，傅里叶变换等数字处理提取回波信号中参考镜回波以及目标区域回波的一组相位值，并求得其相位差值；

6) 规律性改变光学系统输出的激光发散角，使得照射目标区域的光斑大小产生规律性变化，将光束变化过程中激光回波中目标区域回波相位与参考镜回波相位的差值视作随机变量，对其进行统计分析（均值、方差、高阶矩等），将统计特征值输入目标鉴别模块；

7) 目标鉴别模块通过对输入的相位统计特征，判别目前所照射区域是否存在隐身目标。

利用相位统计信息进行目标揭示时，由于认为涂料目标比自然背景目标的粗糙度和复杂度小很多，因此相位统计结果方差小于阈值判别为伪装目标，方差大于阈值判别为自然背景。

实施例二，如附图4图所示相干激光全息图像分析隐身目标揭示，具体步骤如下：

1) 激光光源产生窄线宽激光，经过分束器形成信号光和本振光两路；

2) 信号光经过光学放大器进入收发同轴光学系统对目标区域进行照射，并接收目标区域回波；

3) 将回波经过透镜变换与本振光在CCD表面进行外差干涉形成全息图像

4) 利用CCD探测全息图像并记录，对所获取的目标区域全息图像进行图像处理与图像特征分析（包括信息熵、均值、方差等），将统计特征值输入目标鉴别模块；

5) 目标鉴别模块通过对输入的图像特征，判别目前所照射区域是否存在隐身目标。

本实施例给出了两种实施途径中利用单元探测器变发散角方式下对地面隐身装甲目标的揭示方法，附图5是工作流程。所述判定方法包含以下步骤：

１）以初始激光发散角

照射可能存在装甲车的区域获取激光回波；

２）对所接收的激光回波进行单元探测并进行回波相位检测获得目标与参考镜回波的 初始相位差值

；

３）连续调整光学系统参数，使激光发散角连续变化，角度递增间隔为

；

４）持续进行相位检测，记录不同发散角条件下所检测得到的回波相位差值，得到随机 变量

；

５）对相位变量

进行统计特征分析，计算其均值、方差、高阶矩；

６）对计算得到的统计特征进行判别，若为统计方差大于阈值则判别回波为纯背景回波，若小于阈值则判别为装甲车目标。

最后应说明的是，以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种基于相干激光雷达的静态隐身目标揭示方法，所述目标揭示方法利用相干激光对地面扩展目标等静态目标进行相位特征提取，并通过对相位信息的处理分析对隐身目标进行揭示；其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤一：使用预定的初始发散角度的相干激光照射目标区域，接收激光回波；其包括以下子步骤

步骤1.1、利用激光光源产生窄线宽激光，经过分束器形成信号光和本振光两路；

步骤1.2、信号光经过光学放大器进入收发同轴光学系统对目标区域进行照射，并接收目标区域回波；

步骤二：对所照射区域地面扩展目标的激光回波进行回波相位特征提取；所述的提取步骤包括以下子步骤：

步骤2.1、对所接收的激光回波进行单元探测并进行回波相位检测，获得目标与参考镜回波的一组相位差值 ；

步骤2.2、连续调整光学系统参数，使激光发散角连续变化，角度间隔递增；

步骤2.3、同时持续进行相位检测，记录不同发散角条件下所检测得到的回波相位差值，以所述的回波相位差值序列作为相位变量；

步骤2.4、对所述的相位变量进行统计特征分析，计算其均值、方差、高阶矩；

步骤2.5、对计算得到的统计特征进行判别，若为统计方差大于阈值则判别回波为纯背景回波，若小于阈值则判别为目前所照射区域存在隐身目标；

步骤三： 对所照射区域地面扩展目标进行相干激光全息图像提取，其包括以下子步骤：

步骤3.1、将回波经过透镜变换与本振光在CCD表面进行外差干涉形成全息图像

步骤3.2、利用CCD探测全息图像并记录探测结果，对所获取的目标区域全息图像进行图像处理与图像特征分析，计算信息熵、均值、方差，将统计特征值输入目标鉴别模块；

步骤3.3、目标鉴别模块通过对输入的图像特征，判别目前所照射区域是否存在隐身目标。

2.如权利要求1所述的静态隐身目标揭示方法，其特征在于：静态目标指地面静止目标。

3.如权利要求2所述的静态隐身目标揭示方法，其特征在于：当单脉冲进行目标探测时相脉冲时间内探测系统与目标之间相对静止，则判定目标为静态目标。

4.如权利要求1所述的静态隐身目标揭示方法，其特征在于：所述的步骤二还包括：利用相干激光变发散角发射，利用单元探测器接收不同发散角回波并进行相位统计，使用统计结果进行隐身目标揭示；

所述的步骤三还包括：利用相干激光对目标区域进行全息成像，利用全息图像进行相位统计，利用统计结果进行隐身目标揭示；

所述的步骤二或步骤三两种识别方式能够分别执行或同时执行来完成所述的静态隐身目标的揭示。

5.如权利要求1所述的静态隐身目标揭示方法，其特征在于：步骤1.1还包括：

步骤1.11、信号光经过光学放大器进入发散角可调的收发同轴光学系统向自由空间辐射，在信号光路径上设置一个距离已知的参考镜，当利用信号光对目标区域进行照射时，进入光学系统视场的激光回波就包含目标区域物体以及参考镜的两个激光回波脉冲。

6.权利要求1所述的静态隐身目标揭示方法，其特征在于：步骤2.1还包括：

步骤2.11、本振光经过声光移频器后与回波信号光进入2*2的光纤耦合器进行混频；

步骤2.12、光纤耦合器输出的两路光信号经过平衡探测器提高信噪比后，进入模数转换数据采集系统；

步骤2.13、所采集的数字信号经过数字滤波，傅里叶变换等数字处理提取回波信号中参考镜回波以及目标区域回波的一组相位值，并求得其相位差值。

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