机载激光三维强度关联遥感成像试验样机研究

2018-01-08

强度关联成像技术属于一种新型的凝视成像体制，它建立在辐射场的高阶相干性理论基础之上，利用光子的涨落特性和计算重构的方式获取目标的图像信息，具备探测灵敏度高、超分辨以及较好的抗干扰能力等优势特点。该技术首先在光学波段实现了原理验证，目前在太赫兹、微波波段均得到了实验验证，在军事和民用上有着重要的应用前景。在863计划持续近十年的支持下，特别是“十二五”期间863计划地球观测与导航技术领域主题项目“强度关联遥感成像技术研究”的支持下，中国科学院上海光学精密机械研究所承担的课题一“激光三维强度关联成像技术研究”取得了较大研究成果，在2012年度完成地面静态激光三维强度关联遥感成像原理样机研制和自然场景目标演示实验的基础上，于2016年初又成功研制出机载激光三维强度关联遥感成像试验样机，对进一步开展激光三维强度关联成像应用研究具有重要意义。该课题突破了编码预置赝热光源、运动补偿平台、杂散光抑制、快速图像重建平台以及相干探测关联成像等多项关键技术，为开展机载应用演示系统和星载原理样机研制奠定了良好的技术基础。

截止到2016年12月31日，课题发表论文18篇，培养研究生5名；完成了任务书规定的所有研究内容，研制的试验样机于2016年12月在西安成功进行了飞行试验，2017年1月通过了验收测试评审并进行了现场指标测试。机载激光三维强度关联遥感成像试验样机的研制成功，进一步确定了我国在强度关联遥感成像方向的国际地位。

一、试验样机总体设计思路

该项目研制的机载激光三维强度关联遥感成像试验样机，其总体设计参考现有激光雷达和光学遥感相机。该机载试验样机的设计关键在于高精度的相对运动补偿、高速可预置赝热光源以及后向杂散光抑制。

由于激光三维强度关联成像属于一种基于多次测量的凝视成像方法，该课题所研制的机载试验样机采用了“跟瞄快反镜组件+预置赝热光源关联成像”的总体技术方案，其总体结构示意图见图1。试验样机主要包括高速预置赝热光源、收发与跟瞄组件、单像素探测模块以及三维图像重建模块四大部分。首先采用跟瞄组件搜索并对准成像区域，然后在跟瞄组件保证整机系统达到凝视探测的模式下，发射系统将高速预置赝热光源所产生的时空两维随机涨落光场投射到成像区域处，而该成像区域处目标的反射信号通过接收系统耦合进具备纳秒级时间分辨能力的单像素探测模块，最终单像素探测模块采集到的目标回波信息与高速预置赝热光源所产生的光场信息通过三维图像重建模块便可以重建出成像区域的三维图像。

综合考察并对比分析了运5、运12、直升机等机载特性，选定了运12作为激光三维强度关联成像试验样机的搭载平台、德国莱卡公司的PAV80作为试验样机的稳定平台、AV510用于试验样机的姿态测量、与中国科学院西安光机所联合研制的高精度二维跟踪快反镜系统用于试验样机的对准和运动补偿，经过系统优化设计和集成分析，整个系统安装结构的总体方案见图2。

（一）预置赝热光源关联成像

依据系统总体方案和技术指标，机载试验样机采用了“预置赝热光源关联成像系统和高精度二维跟踪快反镜系统分为上下两层、中间通过法兰连接”的总体机械结构方案。第一层的主要功能是实现静态预置赝热光源三维关联成像；中间层的主要功能是连接第一层与第二层，且AV510放置于连接筒内用于测量试验样机姿态信息；第二层的主要功能是成像区域搜索、对准以及跟踪，从而保证光束始终指向成像区域以达到凝视成像的目的。为了实现高速预置赝热光源，采用高精度的旋转伺服电机和直线伺服电机对相位板进行编码控制，使得相位板的位置、状态等参量能够跟随输入指令的变化进行自动控制。按照相位板预先设定的运行轨迹，首先在激光器发射频率较低的条件下采用低帧频的面阵探测器采集并记录每个对应位置处的散斑场强度分布，并存储于三维图像重建模块内；然后在激光器发射频率较高的条件下，利用旋转伺服电机和直线伺服电机控制相位板，按照低速采集时对应的运行轨迹对相位板进行定位寻址，便可以实现赝热光源的高速预置和目标返回信号的高速采集。该项目瞄准10kHz的预置赝热光源的研制，受激光能量和激光重频的影响，机载飞行试验时预置赝热光源的调制速度拟定为2kHz。

（二）跟瞄快反镜组件

在机载飞行试验时，采用了对特定成像区域进行搜索、瞄准到跟踪的方案。首先将试验样机安装在PAV80稳定平台上，以保证试验样机实现下视功能；在飞机过顶成像区域之前（与成像区域中心的观测角约40°），依据试验样机内部AV510提供的姿态和GPS信息、成像区域处的GPS信息以及二维跟踪快反镜系统内部光纤陀螺所测量的速度信息，通过控制二维跟踪快反镜系统的快反镜实现成像区域的搜索和瞄准，然后采用惯导跟踪或者视频跟踪方式实现对目标的闭环跟踪，进而达到凝视成像的目的。根据激光三维强度关联成像所需样本数（拟定1万次）的要求，当系统的采样帧频为2千赫时，需要5秒的采样时间。若飞行高度为1千米、速度为55米/秒，即使保证高精度跟踪的条件下，成像过程中对成像区域的观测角至少变化了16.7°，这意味着高程上最大有7米的偏差。由于系统具有单脉冲测距的功能，高程变化对距离分辨率没有影响，但高程的变化将会导致水平成像分辨率的降低。基于激光强度关联成像物理机理，可以采用对预置散斑场进行放缩处理的方式消除高程变化带来的水平运动模糊问题。因此，影响水平成像分辨率的主要因素取决于二维跟踪快反镜系统的跟踪精度。为了保证系统成像视场角大于3°、水平成像分辨率优于0.5mrad的要求，所研制的二维跟踪快反镜系统的技术指标如下：有效口径为150×100毫米，俯仰角为-12°～+22°（45°为中心位置），横滚角为-10°～+10°，跟踪精度优于100urad@10s（RMS），跟踪带宽为200赫兹。此外，为了抑制二维跟踪快反镜系统反射镜的后向散射对探测系统的影响，发射和接收单元采用了两块独立的反射镜，且两者有一定的深度差，同时对接收反射镜进行了遮光处理，尽可能减少发射单元的反射镜后向散射光进入接收系统。

二、课题完成情况

课题于2016年4月完成了机载激光三维强度关联遥感成像试验样机研制，如图3所示。试验样机头部体积为650mm×562mm×646mm，重69千克，整个试验样机峰值功耗为1.7千瓦。按照测试大纲要求，为了保证机载飞行试验的可靠性，在完成样机的基础上，先后开展了自然场景目标静态三维成像、模拟平台振动三维成像、系留气球平台对地三维成像以及车载三维成像实验，试验样机于2016年12月在陕西西安开展了对地三维成像飞行试验，各项技术指标均达到任务书规定的要求。

三、主要创新点

1．提出并验证了“随机相位板平移一个散斑大小便可实现独立采样”新型运行方案的赝热光源。通过直径为70毫米的相位板和旋转运动便可产生1万帧的独立样本数，在此基础上了实现了10千赫的可预置赝热光源。与随机相位板移动一个激光光斑大小以保证采样独立的常规运行方式相比，该新型运行方案使得随机相位板的旋转速度降低了两个数量级，整个调制模块的体积减小了70%，同时赝热光源的预置速度和精度也得到了大幅度的提升。

2．突破了相对运动目标强度关联成像关键技术，实现了从静止目标、静止平台到动目标、动平台的自然场景成像跨越。采用跟瞄技术保证较高速高比（55mard/s）仍能凝视观测的前提下，基于强度关联成像的物理机理解决了轴向距离变化带来的成像模糊问题，而且可以间接地获取目标的轴向速度信息。

3．提出并验证了基于正交结构约束和稀疏约束的三维关联成像图像重建算法，图像重建质量在样本数相同的条件下至少提高了7dB；同时开发了CPU+GPU的图像重建平台，图像重建速度得到了100×的提升，为实时三维图像重建奠定了良好的基础。

四、技术发展趋势及产业化

激光三维强度关联成像技术在对地观测、远距离目标探测与识别、局部地区连续监视、交通监控、水下目标探测等领域有着重要应用前景。我国从“十一五”期间开始在863计划的支持下进行激光强度关联成像技术研究，实现了实验室的原理验证。经过“十二五”期间的持续投入，突破了多项核心关键技术，先后成功研制出地面静态激光三维强度关联遥感成像原理样机和机载激光三维强度关联遥感成像试验样机，演示了强度关联成像技术与传统光学成像技术相比较而言的若干新成像能力，实现了从静止目标、静止平台到运动目标、运动平台的光学强度关联遥感成像跨越。同时实现了激光三维强度关联成像技术从原理方案验证、关键技术攻关到机载演示试验的全链路自主创新。然而，若要加快激光三维强度关联成像技术的成果转化，需在快速光场调制、实时图像重建等方面进行重点攻关。该技术近期有望在机场跑道异物全天时检测、浑浊介质目标探测等方面进行应用转化。对于远距离探测与识别应用而言，基于单光子探测的激光关联成像技术是重要发展方向，而激光主动照明多光谱关联成像技术和主被动复合关联成像技术是获取目标高维信息、提升成像质量的重要发展趋势。