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1. 引 言
激光主动成像系统[1]源于20世纪60年代，随着激光器的发明而产生的，由最初的激光测距和目标指示系统逐渐演变而来，采用激光对目标进行主动照明以获取目标的距离信息[2]，其可视为微波雷达的光学版本，即采用激光器作为辐射源，光学望远镜作为天线，接收器件采用光电探测器。激光主动成像系统有其自身优势：能够提供较高的角度、距离和速度分辨率；测速范围宽；能够提供目标的角-角-距-灰度-速度信息；具备“四抗”能力(抗电子战、反辐射导弹、抗低空突防及隐身目标)；体积、质量小。但相比于微波雷达，其技术难度大。在军事领域，激光主动成像系统主要应用于红外与激光多模制导、水下探测、直升机防撞[3]、自动着陆、空间交会对接、战场侦察及隐藏目标识别[4,5,6]等；在民用领域的应用主要有高速公路维护和设施管理、电力巡线、植被分布、生化探测、城市及大气精细建模。
从20世纪70年代，欧美发达国家争先开展激光主动成像系统的研究，研制出了多种激光主动成像系统。随着激光器、探测器[7]和数据处理与存储等关键技术的发展，激光主动成像系统向着大面阵、小型化方向发展，且性能也有大幅提升。本文在介绍激光主动成像系统工作原理的基础上，将详细分析国外几个典型直接测距型激光主动成像系统实现方案，并分析各方法的优缺点，为系统设计提供技术参考。
2. 激光主动成像系统工作原理
激光主动成像系统成像方式包括直接成像和相干成像。
直接成像方式是由脉冲激光器发射一束窄脉冲激光照射目标，采用光电探测器分别感应发射激光脉冲和被目标反射回来的激光脉冲，通过光电效应转化为电压或电流信号，通过测量发射脉冲和回波脉冲之间的时间间隔确定脉冲飞行时间，最后得到目标距离。光电探测器输出电信号幅值与入射光功率成正比，在光电转换中失去了光频率和相位信息。
相干成像是通过分光片，将发射激光分为信号光和本振光，信号光经发射光学系统准直后输出，而本振光进入接收系统。接收光学系统同时接收从目标反射回来的激光脉冲，该激光脉冲与发射光学系统分光片产生的本振光进行合成，由光电探测器进行接收并转换为电流或电压信号，通过获取两者的差频信息来确定目标距离。
相干成像方式能够获得很高的测距精度，但在成像距离、技术成熟度、适装性及成像速度等方面，直接成像方式更具优势。
3. 国外研究发展现状与趋势
3.1 基于单点探测器扫描的激光主动成像系统
直升机在盲视环境下起降对于飞行员来说是一极大挑战，而激光主动成像系统是解决这一问题的有效手段之一。德国EADS自从1992年开始研究障碍物告警系统[8,9](Obstacle Warning System,OWS)，其工作原理示意图如图 1所示。
下载: 探测器采用单点APD(Avalanche Photodiodes)，激光器发射激光经发射楔形镜反射，进入出射光纤照射目标。回波激光经入射光纤后照射接收楔形镜，经反射后进入光电探测器。激光出射光纤位置与回波接收光纤位置一一对应。电机带动两个楔形镜同时转动。随着楔形镜角度不同，脉冲从不同发射光纤射出，通过这种光纤扫描，以单点探测器实现等效线阵列。垂直方向采用振镜扫描，其在Hellas直升机和NH90直升机上进行了飞行试验，帧频分别达到3 frame/s@200×95和4 frame/s@200×128。在大气能见度大于5 km条件下，对于大型障碍物和直径为10 mm电缆，探测距离分别大于1 000和500 m。OWS系统在Hellas直升机上安装图片及获取的目标图像分别如图 2、图 3所示。
美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory,AFRL)研究机载激光主动成像系统长达二十余年，其成功研制了3D-LZ (Three- Dimensional Landing Zone)系统[10]。该系统主要应用于盲视环境下直升机起降。成像模式为单点APD配合多边形扫描，在方位方向能视区域达到60°，扫描速率为150 lines/s；俯仰方向上达到30°，扫描速率为150 mrad/s；最大作用距离达609.6 m，测距精度为1 cm。根据任务需要，有多种工作模式可供选择：伪彩色、真彩色、混合彩色、主动FLIR。3D-LZ系统在各种模式下获取的图像如图 4所示。
美国军队工程师军团(United States Army Corps of Engineers,USACE)从1996年开始开展海岸线探测激光主动成像系统的研究，成功研制出海防测绘和激光成像系统(Coastal Zone Mapping and Imaging Lidar,CZMIL)[11,12,13]。CZMIL系统包含LIDAR、成像光谱仪、数字摄影机，其设计工作高度为400 m，探测器包含有光电倍增管(PMT)、
APD及PIN光电二极管。其中PIN光电二极管用于探测激光输出信号，作为后续计时起始信号；APD用于大气环境监测；PMT用于探测目标回波信号。CZMIL系统工作原理示意图如图 5所示。
CZMIL系统采用圆形菲涅耳透镜进行扫描，设计加工的扫描镜实物如图 6所示。CZMIL系统获取的地物图像如图 7所示。
为满足机器人自助导航应用需求，韩国工业技术研究所和三星机电有限公司联合研制了KIDAR- B25紧凑型激光主动成像系统[14]，其主要目的是高速获取目标高精度距离信息。系统选取波长为905 nm的脉冲激光器，脉冲宽度为10 ns、重复频率为20 kHz、峰值功率为20 W，探测器选取硅基APD，通过水平及垂直扫描机构实现对周边区域的成像。KIDAR- B25系统装置如图 8所示。
经测试，垂直扫描速率最高可达20 Hz，对应扫描范围为±10°，角分辨率为0.25°；水平扫描速率最高可达40 Hz，实现360°扫描，对应角分辨率为0.125°。KIDAR- B25系统具有两种工作模式：在精确控制模式下，目标图像每5～10 s更新一次；在实时控制模式下，系统成像帧频可达5 Hz。
KIDAR-B25系统在水平轴扫描速率为20 Hz、垂直轴扫描速率为0.2 Hz条件下，工作于精确控制模式时获取的室外测试图像如图 9所示。
KIDAR- B25系统在水平轴扫描速率为40 Hz、垂直轴扫描速率为5 Hz条件下，工作于实时控制模式时获取的室外测试图像如图 10所示。
3.2 基于小面阵探测器扫描的激光主动成像系统
美国麻省理工学院林肯实验室很早就致力于激光主动成像技术的研究，最早的产品为大型地基高功率、长距离Firepond(火池)激光探测成像系统：应用于太空目标监视和弹道导弹防御等战略军事领域。林肯实验室从1975年开始研究机载激光主动成像系统，早期代表成果为红外机载雷达系统(Infrared Airborne Radar System,IRAR)[15]。IRAR系统测距精度最高可达15 cm。实验结果同时显示出激光主动成像系统所获取的目标距离图像可多视角显示，且具备很好的隐藏目标识别能力。
为发展低功耗、轻小型激光主动成像系统，林肯实验室研制了具有片上计时电路的盖革模式APD阵列，并基于此研发了第一代激光主动成像系统Gen-I[16]。Gen-I系统采用的探测器为4×4盖革模式APD阵列，并采用两个单轴扫描镜进行扫描，以扩大系统的覆盖面积(4.5 frame/s@32×32或0.6 frame/s@128×128)。Gen-I系统光路示意图及所获取的目标图像分别如图 11、图 12所示。
林肯实验室对Gen-Ⅰ系统进行了改进，形成第二代产品Gen-Ⅱ。其改进之处主要体现在探测器规模扩大为32×32，同时，为了提高探测器接收回波能量，在探测器前集成安装了32×32微透镜阵列，而其扫描系统改为两轴扫描镜。
在发展Gen-Ⅰ和Gen-Ⅱ系统的同时，林肯实验室还集成了加强版及Gen-Ⅲ[17]激光主动成像系统，其与Gen-Ⅱ系统的区别在于为减小激光器输出功率，去除了探测器前的微透镜阵列，取而代之的是采用分束照明方式，将激光器输出光束分为32×32细束，以达到与探测器匹配的目的。Gen-Ⅲ系统光路示意图与目标照明及距离图像分别如图 13、图 14所示。
美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)曾研发一项用于发现高隐藏目标的小型无人机载激光主动成像系统(JIGSAW)[18]，其目标是在飞行高度200 m处能够覆盖直径大于37 m的目标区域。根据目标要求，需要256×256探测器阵列，限于当时只有32×32探测器阵列，其采用双光楔镜对目标区域进行扫描，发射光束同样采用分束照明方法照射目标。JIGSAW系统工作样机及获取的高隐藏目标图像分别如图 15、图 16所示。
Gen-Ⅰ、Gen-Ⅲ和JIGSAW系统指标参数如表 1所示。
| Gen-Ⅰ | Gen-Ⅲ | JIGSAW | |
| Laser | Passively Q-Switched Nd∶YAG Micro-chip Laser | ||
| Laser wavelength | 532 nm | ||
| Repeated frequency/kHz | 1 | 5～10 | 16 |
| Energy per pulse/μJ | 30 | 33 | 4 |
| Pulse length(FWHM)/ps | 380 | 700 | 300 |
| Detector | 4×4 GM APD | 32×32 GM APD | |
| Pixel pitch | 100 μm | ||
| Receive aperture diameter/cm | 5 | 7.5 | |
| Focal length | / | 30.0 cm | |
| Illuminated way | / | 32×32 diffraction beam splitter | |
| Range resolution/cm | / | 15 | 40 |
| Scanning mirror | Two single axis | Two axis | Risley prism |
| Weight | / | 6 kg | / |
为在探测器受限条件下获取更大区域目标图像，日本防御部科技研究院研制了光纤扫描激光主动成像系统[19]，其工作原理示意图如图 17所示。
光纤扫描激光主动成像系统工作原理如下：在焦平面一端，光纤阵列横剖面由35×35光纤阵列组成，并将光纤阵列划分为7×7的区域，将每个区域同一位置的光纤组成一个光纤簇，即每一光纤簇由49根光纤组成，共分为25个光纤簇。系统采用25个探测器，每个光纤簇连接一个探测器。在光纤阵列前端放置一个允许露出5×5光纤剖面区域的可移动窗口用于控制受光区域，确保探测器接收回波脉冲激光束时无串扰影响，通过窗口的移动实现扫描成像，其实质为接收系统前端扫描，优点是稳定性高、成像准确，缺点是激光器功率要求高、视场大。该系统测试时作用距离为27 m，测距分辨率优于15 cm，测距精度达10 cm，但其成像速度慢，每帧耗时34.6 s。
3.3 Flash LADAR
美国Advanced Scientific Concepts(ASC)自从1987开始研究Flash(闪光) LADAR[20,21,22,23,24,25,26]，其采用ASC专利技术发明了Flash探测器，工作原理示意图如图 18所示。
该探测器像元数为128×128，采用切片成像方式，每个像元具备20个切片成像能力，每个时间切片对应ns级门宽。激光器向目标发出一束激光，在设定距离门限内，开启探测器，若第一个时间切片对应的门宽内，探测器有信号输出，说明该门限对应距离处存在目标。之后探测器进行复位，以判断下一时间切片对应门宽内是否有回波信号。以此类推，直至完成20个切片门限范围内回波信号有无的判断。同时探测器具有片上读出电路，简化系统设计，测距精度达到cm级别，成像帧频为30 Hz。
ASC公司已研制出一系列Flash LADAR：分立式(1998年)、便携式(2005年)、TigerEye(2009年)、DragonEye(2009年)及GoldenEye(2013年)等。其中，TigerEye Flash LADAR尺寸仅为11 cm×11.3 cm×10.7 cm，质量为10.7 cm。ASC公司Flash LADAR对1 km以外目标所成图像如图 19所示。
同时，ASC公司Flash LADAR对浓烟背后目标也具有极好的“透视”能力，测试结果如图 20所示。
从图 20上图可见光图像可以看出，由于烟雾过浓，背后目标无法显现，而Flash LADAR通过时间切片技术可以清楚显示浓雾背后人物图像(见图 22)。 ASC公司未来设计探测器像元规模达到256×256，成像帧频达到60 Hz，作用距离达5 km。
利用ASC公司的Flash探测器，美国Ball宇航科技公司(Ball Aerospace & Technologies Corporation)耗时6年于2011年研制出其第5代Flash LADAR[27,28,29]，其同时集成有可见光相机，以对目标同时获取可见图像和距离图像，并进行后续图像融合，其探测器规模为128×128，成像帧频为30 Hz。Ball公司第5代Flash LADAR实物图如图 21所示。
采用大面阵Flash探测器进行成像时的一个突出问题是：随着作用距离的增大，要求激光器输出功率越大，这必将造成系统体积、功耗过大。为解决该问题，Ball公司和科罗拉多州立大学等研究机构提出电子扫描Flash LADAR(ESFL： Electronically Steerable Flash LIDAR)[30,31]的概念，其采用声光调制器(Acousto-Optic Beam Deflector,AOBD)对输出激光束进行调制，工作原理示意图如图 22所示。
图 22中，调制信号数目决定了输出光束数，各输出光束偏转角与其对应调制信号频率相关，而各输出光束能量由调制信号幅值决定。ESFL应用方法主要是随着目标距离不同改变调制信号特性，示意图如图 23所示。
图 23中下图曲线横坐标为目标距离，纵坐标为照射探测器像元数。当目标距离较远时，通过控制调制信号，将激光光束照射在探测器阵列中的部分像元甚至是其中单个像元上，以提高像元接收到的回波功率，提高系统作用距离；当目标距离较近时，激光光束照射整个探测器阵列，以获取目标高空间分辨率图像。
4. 成像方式对比分析
综上所述，直接测距型激光主动成像系统成像方法主要集中在采用单点探测器或小面阵探测器配合光机扫描，或者采用Flash探测器。各实现方法各有优缺点，分述如下：
(1)在单点探测器配合光机扫描方法中，因只有一个探测器，相比于其他方法，在测试条件相同的情况下，探测器接收到的目标回波功率最大。因此，该方法能够实现较远的作用距离。但由于每发送一次脉冲激光，仅能获取目标单点距离信息，因此要求激光器具有较高重复频率。同时，需要对获取的各点信息进行几何较准，后续处理难度大；鉴于光机扫描效率的限制，该方法能够实现的成像帧频不高；
(2)小面阵探测器配合光机扫描方法中，每发送一次激光脉冲，能够获取目标多点信息，且各点信息空间相关性很强，无需进行几何校准，但不同脉冲情况下获取的图像之间仍需进行几何校准。相比于单点探测器配合光机扫描方法，该方法要求激光器输出功率较大，通过分束照明方法可有效减轻对激光器输出功率的要求。同样，限于光机扫描效率，该方法能够实现的成像帧频依然不高；
(3)采用Flash探测器可以在发送一束脉冲激光的条件下获取目标整个图像，无需光机扫描机构，从而大大减小了系统尺寸、体积和功耗。同时，获取目标各点距离信息相关性很强，大大简化了后续数据处理，便于实现系统小型化。同时，该方法可在激光器低重复频率条件下输出目标视频图像。但该方法要求输出激光束照射整个目标区域，要求激光输出功率大，作用距离受限；
(4)采用Flash探测器配合电子扫描，可根据目标距离不同自适应改变照射目标区域像素数，在远距离工作时，以空间分辨率换取作用距离，减轻了对激光器输出功率的要求。
5. 结束语
直接测距型激光主动成像系统可通过单点探测器或小面阵探测器配合光机扫描实现，或者采用Flash探测器。各方法有各自优缺点，需根据系统实际应用需求，综合考虑系统体积、质量、功耗、激光器输出功率及脉冲重复频率、所能获取的探测器类型、后续数据处理能力等多种因素折中选取。在作用距离较远，但对成像帧频要求不高，且系统体积、质量、尺寸允许的条件下，可采用单点探测器配合光机扫描方案；在作用距离较近，且需目标实时视频信息，而系统体积、重量要求严格情况下，可采用Flash探测器配合电子扫描来实现。而小面阵探测器配合光机扫描方案在实现难度、性能等方面则介于上述两种方案之间。
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