半導(dǎo)體激光主動(dòng)成像圖像處理技術(shù)研究

半導(dǎo)體激光主動(dòng)成像圖像處理技術(shù)研究

0半主動(dòng)尋導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)方案激光具有良好的空間相位和時(shí)間相位干性。自激光出現(xiàn)以來(lái)，它就被進(jìn)行了軍事應(yīng)用。人們研究了激光命令的生產(chǎn)、激光控制的生產(chǎn)以及激光搜索的生產(chǎn)。其,中激光尋的制導(dǎo)又可分為主動(dòng)式和半主動(dòng)式兩種。目前,各軍裝備的激光制導(dǎo)空地導(dǎo)彈有20余種,但是多采用半主動(dòng)尋的制導(dǎo)方式,如美國(guó)的“海爾法”和AGM-65激光制導(dǎo)“小?！睂?dǎo)彈等。真正具備發(fā)射后不管,全天候作戰(zhàn)功能的激光主動(dòng)制導(dǎo)導(dǎo)彈,由于受到技術(shù)、體積和作用距離等條件限制,發(fā)展比較緩慢。目前,采用激光主動(dòng)尋的導(dǎo)引頭的導(dǎo)彈主要有美國(guó)陸軍正在研制的“網(wǎng)火”武器系統(tǒng)中的巡飛攻擊導(dǎo)彈(LAM)等。提出了一種主動(dòng)式激光成像圖像尋的導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)方案,并分析了關(guān)鍵部分的性能指標(biāo)。此方案能夠在雨、雪、霧等較惡劣天氣環(huán)境中和絕對(duì)黑暗環(huán)境中使用,是一種真正意義上的發(fā)射后不管,全天候作戰(zhàn)的導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)方案。1目標(biāo)成像后從文學(xué)界的配置特點(diǎn)激光主動(dòng)成像尋的導(dǎo)引頭由激光器主動(dòng)發(fā)射激光照射目標(biāo),CCD通過接收光學(xué)系統(tǒng)接收目標(biāo)反射光成像。彈載計(jì)算機(jī)處理目標(biāo)圖像,提取目標(biāo)形心位置發(fā)送給DSP控制器調(diào)節(jié)伺服平臺(tái)使目標(biāo)始終保持在圖像中心附近;同時(shí)彈載計(jì)算機(jī)結(jié)合距離信息、伺服平臺(tái)和彈體夾角等信息形成制導(dǎo)指令,將導(dǎo)彈導(dǎo)向目標(biāo)。1.1距離選通成像目前,激光主動(dòng)成像最常用的方式為連續(xù)激光主動(dòng)成像,但是大氣分子和大氣懸浮物等對(duì)激光的后向散射嚴(yán)重影響著主動(dòng)成像的效果,減小了激光主動(dòng)成像的成像距離,降低了圖像質(zhì)量。抑制后向散射,提高主動(dòng)激光成像距離和圖像質(zhì)量的有效方法是采用距離選通技術(shù)。圖1為距離選通技術(shù)原理圖。脈沖激光和選通攝像機(jī)通過控制同步。t0時(shí)刻,激光光源發(fā)射脈沖激光,選通攝像機(jī)關(guān)閉。在激光脈沖傳輸?shù)竭_(dá)目標(biāo)并反射回選通攝像機(jī)所處位置(t2時(shí)刻)之前,選通攝像機(jī)保持關(guān)閉。當(dāng)反射脈沖激光到達(dá)選通攝像機(jī)所處位置(t2時(shí)刻)時(shí),選通攝像機(jī)打開,接收返回的脈沖激光并成像。這樣形成的目標(biāo)圖像主要與距離選通時(shí)間內(nèi)的目標(biāo)反射光有關(guān)。如果選通門開啟時(shí)間長(zhǎng)度和激光脈寬都很窄,使成像系統(tǒng)只接收目標(biāo)附近的反射光信號(hào),可以消除大部分的后向散射光,提高系統(tǒng)的成像對(duì)比度。距離選通成像方式可以選擇成像距離并控制成像景深,可以抑制后向散射,能夠在薄霧、雨、雪等惡劣天氣條件下成像。但是當(dāng)距離較近時(shí),距離選通成像對(duì)激光脈沖頻率、選通攝像機(jī)門控頻率要求很高,實(shí)現(xiàn)難度大。綜上所述,激光主動(dòng)成像尋的導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)方案中采用距離選通成像和連續(xù)激光主動(dòng)成像切換方式。設(shè)定切換距離為R0,當(dāng)成像距離R>R0時(shí),采用距離選通成像方式;當(dāng)R≤R0時(shí),采用連續(xù)激光主動(dòng)成像方式。這樣既保證了導(dǎo)引頭能夠較遠(yuǎn)距離清晰成像,又適當(dāng)降低了對(duì)器材的要求和設(shè)計(jì)難度。1.2固體激光器類型目前,實(shí)用的激光器主要有氣體激光器,固體激光器和半導(dǎo)體激光器。氣體激光器光束質(zhì)量好,功率大,但是一般體積龐大,不能小型化。固體激光器主要分為閃光燈泵浦和半導(dǎo)體激光器泵浦,其中半導(dǎo)體泵浦激光器體積小、泵浦效率高,能夠應(yīng)用在激光導(dǎo)引頭上。半導(dǎo)體激光器,特別是大功率半導(dǎo)體激光器隨著量子阱技術(shù)的進(jìn)步發(fā)展得很快,體積小、價(jià)格低,且直接采用電壓驅(qū)動(dòng),控制簡(jiǎn)單,很適合用于導(dǎo)引頭中。所以,設(shè)計(jì)方案中采用半導(dǎo)體激光器作為彈載激光器。1.3激光脈沖成像控制方案采用連續(xù)大功率半導(dǎo)體激光器,選用基于DSP的距離選通成像方式。方案框圖如圖2所示?？驁D包括兩個(gè)處理單元,即DSP和彈載計(jì)算機(jī)。其中,DSP單元主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)距離選通激光主動(dòng)成像和伺服平臺(tái)控制。彈載計(jì)算機(jī)主要用來(lái)處理圖像、提取目標(biāo)。DSP產(chǎn)生脈沖信號(hào)控制激光驅(qū)動(dòng)器,電壓調(diào)制大功率連續(xù)半導(dǎo)體激光器生成合適的激光脈沖。激光脈沖大部分經(jīng)過發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整擴(kuò)束照亮目標(biāo),小部分被分光系統(tǒng)引入感光元件轉(zhuǎn)化為電脈沖輸入DSP平臺(tái)。DSP平臺(tái)根據(jù)預(yù)估目標(biāo)距離適當(dāng)延時(shí)電脈沖信號(hào),經(jīng)過同步電路控制接收CCD快門完成距離選通成像。彈載計(jì)算機(jī)采集CCD所成的距離選通圖像,進(jìn)行預(yù)處理,而后采用合適的方法提取目標(biāo),計(jì)算目標(biāo)形心位置,并把該位置傳送給DSP平臺(tái),該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)伺服平臺(tái)控制,使得目標(biāo)始終與接收光學(xué)系統(tǒng)光學(xué)軸心一致。同時(shí),彈載計(jì)算機(jī)結(jié)合伺服平臺(tái)和彈體軸心夾角、目標(biāo)相對(duì)距離、相對(duì)速度信息等形成制導(dǎo)指令,將導(dǎo)彈導(dǎo)向目標(biāo)。激光主動(dòng)照明成像方式使導(dǎo)引頭能夠白天、黑夜工作;距離選通技術(shù)使其能夠在雨、雪、霧等較惡劣天氣環(huán)境中使用;圖像尋的制導(dǎo)使導(dǎo)引頭能夠完全自主的導(dǎo)向目標(biāo),實(shí)現(xiàn)“發(fā)射后不管”。2激光自動(dòng)成像的導(dǎo)導(dǎo)器性能要求2.1fpga成像控制激光器中心波長(zhǎng)和CCD光電陰極感光效率,激光器峰值功率和CCD平均照度靈敏閾值是兩對(duì)關(guān)聯(lián)量,需要綜合考慮。CCD門控時(shí)間和距離選通成像方式、脈沖激光頻率等相關(guān),文中不做詳細(xì)討論。導(dǎo)引頭主動(dòng)發(fā)射激光照射目標(biāo),從安全和隱蔽性出發(fā),激光中心波長(zhǎng)要在人眼可見范圍外。紫外激光很少見,且傳輸距離不遠(yuǎn),所以,一般采用紅外激光。圖3給出了常見光電陰極的感光效率?？梢钥吹?λ>900nm時(shí),光電陰極感光效率極低,一般低于10%,不可采用。故綜合考慮,激光中心波長(zhǎng)760nm<λ<900nm,接收CCD采用SuperS25或S25GENⅡ像增強(qiáng)器。方案采用電壓調(diào)制半導(dǎo)體激光器發(fā)射脈沖激光,CCD接收目標(biāo)反射的脈沖光成像。則經(jīng)過修正的主動(dòng)成像激光功率閾值Pc表達(dá)式如下:式中:R為成像距離;Ed為CCD光電陰極平均照度靈敏閾值;Sg為光電陰極面積;K為光源的光視效能;ρ為目標(biāo)漫反射率;ε、τ為發(fā)射系統(tǒng)/接收系統(tǒng)光學(xué)透過率;θ、Ω分別為發(fā)射角和接收角;D為接收望遠(yuǎn)鏡直徑;μ為大氣消光系數(shù);a為激光脈沖占空比;η為電源調(diào)制效率。公式(1)表明,激光峰值功率和CCD光電陰極平均照度靈敏閾值成正比,即CCD光電陰極平均照度靈敏閾值越小,相同成像距離所需要的激光功率越小。取公式(1)中相關(guān)參數(shù):Sg=30.72×10-6m2(1/2″CCD),K=20,ρ=0.1,τ=0.8,ε=0.8,D=0.1m,μ=0.00005,a=0.2。假設(shè)光學(xué)發(fā)射和接收部分均可變焦,考慮視場(chǎng)為遠(yuǎn)方的一輛汽車,無(wú)論成像距離如何變化,保持視場(chǎng)66m2不變,則接收角Ω=6/R;激光照亮區(qū)域略大于視場(chǎng),取發(fā)射角θ=7/R。計(jì)算不同成像距離R和光電陰極平均照度靈敏閾值Ed所需的激光功率閾值Pc如表1所示。目前,大功率激光二極管的功率在10W量級(jí)。表1表明,要達(dá)到4000m成像距離,光電陰極平均照度靈敏閾值Ed需要達(dá)到10-6lx量級(jí)。普通紅外攝像機(jī)CCD光電陰極平均照度靈敏閾值大于10-4lx,同時(shí)考慮到接收CCD需要高速門控功能,所以,采用ICCD,即在普通CCD前端耦合適當(dāng)?shù)南裨鰪?qiáng)器。綜上所述,激光器的主要性能要求為:760nm<λ<900nm中心波長(zhǎng),10W量級(jí)的峰值功率。接收CCD性能要求為:ICCD,前端耦合像增強(qiáng)器為SuperS25或S25GENⅡ,高速門控功能。2.2接收光學(xué)望遠(yuǎn)鏡直徑和距離的確定為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)包括激光壓縮光學(xué)和發(fā)射角調(diào)理光學(xué)部分。激光二極管發(fā)射的激光質(zhì)量不高,水平和豎直方向的發(fā)射角偏差很大,激光近似橢圓形。激光壓縮光學(xué)部分根據(jù)激光特性壓縮激光,使得最終出光為近似圓形。發(fā)射角調(diào)理光學(xué)部分主要是擴(kuò)束,使激光在不同距離都能照亮目標(biāo)區(qū)域。激光壓縮和發(fā)射角調(diào)理部分可以一體化實(shí)現(xiàn),前端采用柱形棱鏡技術(shù)壓縮,后端擴(kuò)束棱鏡調(diào)整發(fā)射角。假設(shè)激光發(fā)射角為θ,成像距離為R,照亮區(qū)域直徑為d;取視場(chǎng)大小為h×w,則。發(fā)射角θ滿足:接收光學(xué)系統(tǒng)收集目標(biāo)區(qū)域反射的激光供CCD成像。它需要和發(fā)射角調(diào)理光學(xué)部分同步,以保證系統(tǒng)在不同的距離上獲得合適的視場(chǎng),其接收角同樣需要滿足公式(2)。當(dāng)成像距離為4000m,視場(chǎng)為6m×8m時(shí),發(fā)射角/接收角θ=0.072°。激光主動(dòng)成像尋的導(dǎo)引頭需要在不同距離下成像,故接收光學(xué)望遠(yuǎn)鏡必須為變焦望遠(yuǎn)鏡。假設(shè)CCD的寬為Wccd、高為Hccd、成像距離為R,視場(chǎng)寬度為Wview、視場(chǎng)高度為Hview,則配套鏡頭焦距為:公式(3)和(4)分別計(jì)算寬度焦距和高度焦距,取兩者之間的較小值作為鏡頭焦距。當(dāng)成像距離為4000m,視場(chǎng)為6m×8m時(shí),焦距f=4262mm。公式(1)中,激光功率閾值和接收望遠(yuǎn)鏡直徑D的平方成反比。取CCD光電陰極平均照度靈敏閾值Ed=10-6lx,CCD面積Sg=30.72×10-6m2(1/2″),其他參數(shù)如3.1節(jié)中參數(shù)設(shè)置,接收望遠(yuǎn)鏡直徑D在不同成像距離R下需要的最小功率如圖4所示。圖中,由上至下的曲線R分別為4000、3000、2000、1000、500m時(shí),激光閾值功率和接收望遠(yuǎn)鏡直徑的關(guān)系曲線;下方虛直線為Pc=10W。Pc=10W直線和R=4000m曲線的交點(diǎn)為Dj=0.073m。計(jì)算中,參數(shù)的選取非常保守,特別是電源調(diào)制效率η和光學(xué)系統(tǒng)透過率ε、τ。在保持ε、τ不變的情況下,η提高到50%,Dj=0.057m;η仍取30%,ε、τ均提高到0.95時(shí),Dj=0.0605m。對(duì)于實(shí)際系統(tǒng),當(dāng)D≥0.06m時(shí),系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以接受。即使ε、τ、η均保持圖4中參數(shù)不變,當(dāng)D=0.06m時(shí),Pc=14.4W,半導(dǎo)體激光二極管仍能滿足該功率要求。所以,確定接收光學(xué)系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡的直徑D≥0.06m。綜上所述,發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)性能要求為:激光壓縮后擴(kuò)束,擴(kuò)束范圍最小到達(dá)0.07°。接收光學(xué)系統(tǒng)性能要求為:大變焦望遠(yuǎn)鏡頭,焦距高達(dá)4300mm;直徑D≥0.06m。3半導(dǎo)體激光主動(dòng)成像圖像的特點(diǎn)圖像處理單元主要包括圖像預(yù)處理和目標(biāo)提取兩部分。它們可以借鑒紅外圖像、微波圖像等處理方法,但是半導(dǎo)體激光主動(dòng)成像圖像具有自身特點(diǎn),特別是在圖像預(yù)處理部分。圖5是一幅半導(dǎo)體激光主動(dòng)成像系統(tǒng)獲取的圖像。它具有3個(gè)典型特點(diǎn):(1)圖像照度不均。因?yàn)榘雽?dǎo)體激光照度不均勻,能量帶狀分布。(2)因?yàn)楦哽`敏度CCD、大變焦鏡頭以及激光傳輸過程中大氣等的影響,圖像噪音大。(3)圖像對(duì)比度小。圖像處理單元需要針對(duì)激光主動(dòng)成像圖像的特點(diǎn)展開專門研究。同時(shí),激光主動(dòng)成像尋的導(dǎo)引頭要求圖像處理算法快速、目標(biāo)提取準(zhǔn)確,也對(duì)圖像處理單元提出了更高的要求。4新一代激光主動(dòng)成像導(dǎo)引頭的應(yīng)用提出了一種基于距離選通技術(shù)的激光主動(dòng)成像尋的導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)方案,并分析了設(shè)計(jì)方案關(guān)鍵部分的性能指標(biāo)。該方案能夠在較惡劣天氣中使用,是一種發(fā)射后