激光主动成像系统探测距离的计算与仿真

　　0　引言

　　激光主动成像系统是利用系统自带的激光照明光源,通过调节发射激光束的聚焦状态(发散角),将目标全部或目标的关键特征部位照亮,满足接收系统探测要求,实现对目标的成像和识别的目的。在这一成像过程中,作为照明光源的激光束需要经过大气—目标反射—大气—光学接收系统等传输路径,最终在成像传感器上成像。因此,形成的图像就会受到来自该路径的多种因素的干扰而影响系统的探测能力。

　　为了正确而有效地计算激光主动成像系统的探测距离,本文将通过分析目标与背景的辐射特性、大气对激光能量的吸收特性,激光发射器和接收器的性能,然后综合考虑系统整体工作情况,建立激光主动成像系统的信噪比模型,利用成像系统探测器信噪比阈值,进行探测距离的运算。

　　1　激光主动成像系统工作原理

　　激光主动成像系统的工作原理与激光雷达基本相同。系统采用激光器作为照明光源,辐射脉冲照亮目标,利用接收系统来接收探测目标反射回的光辐射并最后成像。主动成像的工作方式克服了被动成像系统易受环境光源影响的缺点,但是激光光束和回波信号在大气路径传输的过程中,由于大气的衰减、目标的反射、背景辐射、大气悬浮微粒的后向散射等,都会影响系统的成像性能,从而减小系统的探测距离和对目标的识别能力[1-4]。

　　为得到远距离目标的高分辨率图像,根据脉冲式激光雷达的特点,利用目标回波信号与背景噪声存在时序和光谱的差异,采用距离选通技术可以克服以上因素(特别是后向散射)对成像质量的影响。因此人们结合脉冲激光器和选通增强型CCD摄像机(ICCD)研制了距离选通主动成像系统。距离选通激光成像技术以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标反射光,使由被观察目标反射回来的辐射脉冲在摄像机选通工作时间内到达摄像机并成像,可以克服传统被动成像和连续主动成像的许多缺点,具有成像清晰、对比度高等优点[5-7]。

　　2　激光距离选通成像系统信噪比模型

　　为了准确计算系统的探测距离,根据激光主动成像系统的工作过程,建立了系统的激光照明模型[8-9],具体如图1所示。

　　图中,激光光源发射的激光脉冲功率为Pt,激光脉冲的时间宽度为tp。激光束的发散角为θ,目标距离为R。目标反射的回波信号在光学系统的焦平面成像。假设漫反射目标在π立体角内部反射能量,照明光束为高斯分布,激光强度分布均匀,T_atm为激光波段的大气透过率,(T_atm=exp(-2σ_extR),σext为大气消光系数)。在距离R处,激光的照射面积为S(R),则目标辐射照度I_target(单位:W/m²),由式(1)给出(因为激光束的发散角较小,因此没有考虑发光面与受光面的法线与距离方向的夹角)。