專利名稱：一種用于遠距離夜間監控的激光頻閃主動夜視方法
技術領域：
本發明涉及激光主動夜視技術領域，尤其涉及一種用于遠距離夜間監控的激光頻
閃主動夜視方法。
背景技術：
遠距離夜視技術在海上資源管理，海上緝毒反走私，海事搜救，邊海防的高空瞭望 監控系統，智能交通監控系統，核電站、石油倉儲基地等重要場所的監控系統，公安及司法 部門的取證監控等方面具有廣泛的應用前景，尤其是惡劣天氣環境下。 目前可用于夜間視頻監控的技術主要有四種LED夜視技術、紅外熱成像技術、連 續激光夜視技術和距離選通激光夜視技術。 LED夜視技術是目前最常采用的一種夜間監控方式，但是由于單管LED的功率很 小，因此，實現50m作用距離所需要的LED大約在1000 3000個左右，這么多的LED依靠 串并聯的方式組裝在一起，這樣不僅僅增加了功耗，增大了體積，而且如果一旦有個別管子 損壞，就會造成整個LED照明光源功率的大幅度下降或壞死，可靠性不高；最重要的是采用 這種方式的夜間照明由于其作用距離非常有限，因此，其工程量很大，最遠30 50米就需 要架設竿子來安裝設備，造成資源和能源的浪費。 紅外熱成像技術主要采用了對長波紅外敏感的熱成像相機，攝像頭直接以探測到 的物體和行人的熱輻射作為影像數據的來源，是一種被動成像技術。雖然該類技術善于探 測熱目標(運動的人和動物等)，但對于冷目標(道路標牌、道路指示路標、墻體等)而言， 圖像對比度卻很差。因此，在目標細節觀察方面存在較大的缺陷，這給事后的公安取證帶來 影響，并且目前用于生產紅外熱成像的核心芯片還主要靠進口 ，因此，造成熱像儀的成本較 高，作用距離為lkm的紅外熱像儀的價格在10萬元以上，不能廣泛的用于視頻監控領域。
連續激光夜視技術主要采用LD激光照明，最遠作用距離可達2km，成像對比度較 高，價格適中，作用距離為lkm的激光夜視系統的價格約在4萬左右，因此，在視頻監控領域 有很強的應用優勢，但是采用連續的半導體激光器作為照明光源，在目標照射過程中由于 受到后向散射的影響，使得有效作用距離和作用效果急劇下降，特別是在霧、雨、雪天氣條 件下，連續激光夜視將會受到很大的影響，大大縮短作用距離。另外，為實現遠距離夜間觀 察，激光器的輸出功率在幾W 幾十W，大大降低了系統的安全性。 距離選通激光夜視技術主要利用大功率的半導體脈沖激光器作為光源，采用具有 選通門控功能的探測器作為成像器件，通過控制選通門和激光脈沖之間的時序，實現對目 標的探測識別。由于該技術具有破霧雨雪特性而逐漸成為國內外監控行業突破的重點。
但是，傳統距離選通激光夜視系統多是采用一幀一脈一門的工作方式，如圖1所 示，即成像器件在一幀的曝光時間里只接收脈沖激光器一個激光脈沖照射目標產生的目標 回波信號，相應的選通門只開啟一次，具體工作過程為激光器發射一激光脈沖5，激光脈 沖傳至目標時產生目標回波信號，當該信號傳至成像器件時，選通門開啟，目標回波信號被 接收，完成信號采集，生成目標圖像。采用這種方法對于遠距離觀測時，要求激光器具有很窄的脈寬和很高的單脈沖能量，而窄脈寬高峰值功率的的激光器技術是目前國內外研究的 熱點和難點，其制作工藝復雜，價格昂貴，對于國內而言主要是進口國外產品，這大大提高 了系統的成本，為此本發明提出了一種激光頻閃主動成像技術，使用小功率脈沖激光器便 可實現遠距離的夜間視頻監控。
發明內容
( — )要解決的技術問題 針對上述現有技術存在的不足之處，本發明的主要目的在于提出一種用于遠距離 夜間監控的激光頻閃主動夜視方法，以達到小功率激光器照明實現遠距離夜間監控目的， 尤其解決惡劣天氣情況下(如霧天)遠距離夜間監控問題，并降低系統對激光器的要求，進 而提高系統的激光安全性。
(二)技術方案 為達到上述目的，本發明提供的技術方案如下 —種用于遠距離夜間監控的激光頻閃主動夜視方法，該方法采用一幀多脈多門的 工作方式，在成像器件一幀的曝光時間里，脈沖激光器發射激光脈沖序列，選通門按照預定 的選通脈沖序列工作，成像器件接收來自目標的多個目標回波信號，達到光積累進而增強 信號的目的。 上述方案中，所述激光脈沖序列和選通脈沖序列之間存在特定的匹配關系，在頻 閃成像中，選通門的選通脈沖和激光器的激光脈沖按照一定的編碼方式工作每個激光脈 沖對應一個選通脈沖，形成一個脈沖對，在一個脈沖對里，激光脈沖和選通脈沖之間存在一
定的延時，通過延時可實現對不同距離感興趣觀察區的觀察，延時t大小為r--，其中，
c
R為感興趣觀察區到激光頻閃主動夜視系統之間的距離，c為光速。 上述方案中，所述感興趣觀察區是指激光頻閃主動夜視系統工作時的成像區間， 當激光脈寬遠小于選通門寬時，感興趣觀察區的景深d由選通門的門寬t w決定，具體為
"^。 2 上述方案中，在成像器件一幀的曝光時間里，照明激光脈沖照射目標形成的多個 目標回波信號都可被成像器件接收進而累積成像，成像器件一幀對應的曝光時間ti和信號 累積數量N分別由以下公式給出
ti = l/FPS-tr (1)
N=ti*RF (2) 公式(1)和(2)中，^為成像器件一個工作周期內信號轉移及讀取時間，FPS為成 像器件幀頻，RF為脈沖激光器的重復頻率，當感興趣觀察區到激光頻閃主動夜視系統之間 的距離為R時，脈沖激光器重復頻率應滿足以下關系式w尸<-^- (3 )
2(i + c/)/c + t 、 乂 公式(3)中，、為脈沖激光器的脈沖寬度。 上述方案中，在成像器件一幀的曝光時間里，脈沖激光器的有效照明能量與信號
4累積數量N成正比，其大小為N Ep，其中，Ep為激光器單脈沖能量。
(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果 1、利用本發明，由于采用頻閃成像技術，使得激光照射目標后可形成多個目標回 波信號，在成像器件一幀的曝光時間里信號多次累積加強，等效于提高了脈沖激光器的單 脈沖能量，所以，使用小功率的脈沖激光器作為照明光源，便可實現遠距離夜視，大大降低 了系統對激光器的要求，也降低了距離選通激光夜視產品的成本，同時提高了系統的激光 安全性，尤其是人眼安全性。 2、利用本發明，由于采用距離選通編碼技術有效抑制了非感興趣觀察區大氣等的 后向散射，提高了激光頻閃主動夜視系統的信噪比，所以，該技術具備傳統距離選通激光夜 視技術的破霧破雪特性，在惡劣天氣環境下(如霧雨雪天氣)仍可實現遠距離夜間的有效 監控。 3、利用本發明，由于頻閃成像與距離選通編碼技術的復合，使得激光頻閃主動成 像技術在形成一幀圖像的過程中，激光多次往返于感興趣觀察區與激光頻閃主動夜視系統 之間，這種多次傳輸的工作方式使得單次傳輸時大氣擾動等引入的影響很微弱，從而整體 上削弱了大氣湍流以及雨雪等因素的影響，所以，與傳統距離選通激光夜視系統相比，在相 同的監控距離下激光頻閃主動夜視系統受天候因素的影響更小，更有利于遠距離惡劣天氣 環境下的觀察。
圖1是傳統距離選通激光夜視技術工作時序； 圖2是激光頻閃主動夜視技術，其中，圖2(a)是工作原理，圖2 (b)是工作時序；
圖3是激光頻閃主動夜視系統； 圖4是激光頻閃主動夜視技術與其他激光夜視技術成像效果比較(a)觀察目標，
(b)傳統距離選通激光夜視技術夜視圖片，(c)激光頻閃主動夜視技術夜視圖片，(d)連續
激光夜視技術夜視圖片。
圖中主要元件符號說明 1成像器件的一幀( 一個工作周期)，2成像器件曝光序列，3傳統距離選通激光 夜視技術激光脈沖序列，4傳統距離選通激光夜視技術選通脈沖序列，5激光脈沖，6選通脈 沖，7激光頻閃主動夜視系統，8照明激光脈沖，9目標回波信號，10霧、雨、雪等天氣及大氣 影響因素，11感興趣觀察區，12目標，13激光頻閃主動夜視技術激光脈沖序列，14激光頻閃 主動夜視技術選通脈沖序列，15脈沖對，16橋梁。
具體實施例方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照
附圖，對本發明進一步詳細說明。在此公開本發明結構實施例和方法的描述。可以了解的
是并不意圖將本發明限制在特定公開的實施例中，而是本發明可以通過使用其它特征，元
件方法和實施例來加以實施。不同實施例中的相似元件通常會標示相似的號碼。 本發明提供的激光頻閃主動夜視方法包含兩項關鍵技術頻閃成像技術和距離選通編碼技術，頻閃成像技術可實現成像器件在一幀的曝光時間里接收脈沖激光照射目標形 成的多個目標回波信號進而實現信號累積成像，進而實現小功率激光照明的遠距離夜視。 距離選通編碼技術是指在頻閃成像過程中，選通門的選通脈沖和激光器的激光脈沖按照一 定的編碼方式工作，每個激光脈沖對應一個選通脈沖，形成一個脈沖對，且在一個脈沖對 里，激光脈沖和選通脈沖之間存在一定的延時，通過控制延時可實現不同距離處感興趣觀 察區的觀察，可降低非感興趣觀察區大氣等環境因素對系統的影響，提高信噪比，增加系統 作用距離。 本發明給出的激光頻閃主動夜視方法采用頻閃成像與距離選通編碼復合的技術， 其工作方式為一幀多脈多門，如圖2(b)所示。該方法下的激光頻閃主動夜視系統7包括成 像器件、選通門、濾光片、脈沖激光器、發射光學系統、接收光學系統、光學系統調整器、時序 驅動器、控制器、顯示器。其中，成像器件可選用CCD，用以接收激光照射目標12產生的目標 回波信號9，生成二維灰度圖像；選通門具有高頻開關和信號增強功能，可選用有選通功能 像增強器來作為選通門，選通門開時成像器件接收信號，關時成像器件不接收信號；濾光片 為帶通濾光片，用以抑制環境背景光，提高信噪比，背景光主要包括自然光源(如月亮、星 星)和人造光源(路燈，家庭照明燈等)；脈沖激光器為系統的照明光源，可產生脈沖激光 序列；發射光學系統用以實現激光發散角和光束整形；接收光學系統用以收集目標12經激 光照射后產生的目標回波信號9 ;光學系統調整器主要是調整發射光學系統和接收光學系 統的參數，以滿足系統不用應用環境下要求；時序驅動器主要是產生激光器的激光脈沖驅 動序列和選通門的選通脈沖驅動序列，并可調整兩個序列間的延時，即調整每個脈沖對15 中兩脈沖間的延時，時序驅動器可基于FPGA實現；控制器用以實現系統的控制和參數的設 置，包括選通門的增益，激光器輸出功率等；顯示器用來作為視頻輸出終端，顯示成像器件 采集到的圖像信息，可選用PC機。工作過程中，在成像器件一幀的曝光時間里，脈沖激光器 發射激光脈沖序列，相應地選通門按照預定的選通脈沖序列13工作，這樣在成像器件一幀 曝光時間里，可接收來自目標12的多個目標回波信號9，從而達到光積累進而增強信號的 目的。為抑制大氣等后向散射進一步增加觀察距離，激光脈沖序列13和選通脈沖序列14 之間存在特定的匹配關系，每個激光脈沖5對應一個選通脈沖6，形成一個脈沖對15，在一 個脈沖對15里，激光脈沖5和選通脈沖6之間存在一定的延時，通過延時可實現不同距離 感興趣觀察區11的觀察。 所述頻閃成像是指在成像器件一幀的曝光時間里，照明激光脈沖8照射目標12形 成的多個目標回波信號9都可被成像器件接收進而累積成像。成像器件一幀對應的曝光時 間ti和信號累積數量N分別由以下公式給出
ti = l/FPS-tr (1)
N = ti RF (2) 公式(1)和(2)中，^為成像器件信號一個工作周期1內信號轉移及讀取時間， FPS為成像器件幀頻，RF為脈沖激光器的重復頻率，當感興趣觀察區11到激光頻閃主動夜 視系統7之間的距離為R時，脈沖激光器重復頻率應滿足以下關系式 ^ p丄丄丄， (3) 公式(3)中，d為感興趣觀察區11的景深，c為光速，、為脈沖激光器的脈沖寬度。
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在成像器件一幀的曝光時間里，脈沖激光器的有效照明能量與信號累積數量N成 正比，其大小為N Ep，其中，Ep為激光器單脈沖能量。 所述距離選通編碼技術是指在頻閃成像過程中，選通門的選通脈沖6和激光器的 激光脈沖5按照一定的編碼方式工作每個激光脈沖5對應一個選通脈沖6，形成一個脈沖 對15，且在一個脈沖對15里，激光脈沖5和選通脈沖6之間存在一定的延時，通過控制延時 可實現不同距離處感興趣觀察區11的觀察，延時t大小為 r = — (4) c 所述感興趣觀察區11是指激光頻閃主動夜視系統7工作時的成像區間，當激光脈 寬遠小于選通門寬時，感興趣觀察區11的景深d由選通門的門寬、決定，具體為
, ，C ^ = ~ ( 5 )
2 整個系統的框架圖如圖3所示，本實施例的具體步驟如下 l)PC機作為顯示器和參數設置平臺，按照系統的要求(感興趣觀察區ll位置及景
深)設置系統參數。參數主要包括激光器的脈寬、重復頻率、單脈沖能量，選通門的工作頻
率、增益、選通門寬，CCD的增益、幀頻，脈沖對中選通門脈沖與激光脈沖之間的延時，以及發
射光學系統和接收光學系統的參數等。參數設定后指令傳給CCD和控制器。 2)控制器按照PC機指令分別產生與時序驅動器、脈沖激光器、選通門和光學系統
調整器相應的控制信號，并將控制信號分發給時序驅動器、脈沖激光器、選通門、光學系統
調整器。 3)光學系統調整器接收控制器的指令對發射光學系統和接收光學系統的參數進 行調整，使兩者按照系統要求工作。 4)時序驅動器接收控制器發出的控制信號，按照該控制信號產生激光器激光脈沖 驅動序列和選通門選通脈沖驅動序列，并調整每個脈沖對15中兩脈沖之間的延時，最后將 產生的驅動信號分別傳輸給激光器和選通門。 5)脈沖激光器按照控制器發出的指令調整工作參數，產生與時序驅動器給出的激 光脈沖驅動序列對應的激光脈沖序列，對感興趣觀察區11進行照明。同時，選通門按照控 制器發出的指令調整增益和選通門寬，并按照時序驅動器給出的選通脈沖驅動序列和預設 的延時開啟關閉，僅讓感興趣觀察區11的信號進入到CCD中。 6)照明激光脈沖8經發射光學系統傳輸至感興趣觀察區ll，對此區域的目標12 進行照明。相應地，目標12被照射后產生各自的目標回波信號9，向接收光學系統方向傳 播。目標12的回波信號經接收光學系統收集，并經濾光片濾除大部分環境背景光噪聲后， 通過選通門被CCD采集。CCD則按照系統預設的參數工作，在完成一幀信號的累積之后，輸 出圖像至PC機。 7)PC機端顯示CCD采集到的圖像，實時監控感興趣觀察區11。 圖4是在本實施例下夜間能見度為6km時，激光頻閃主動夜視系統對lkm處橋梁
16所成圖像，以及與成像器件相同的增益下其他激光夜視技術夜視效果的對比。圖4(a)
為白天目標橋梁的照片；圖4(b)和(c)分別是在同一成像器件相同增益下傳統的距離選
通激光夜視系統和激光頻閃主動夜視系統所成圖像；圖4(d)是連續激光夜視技術所成的
圖像，實驗中的連續激光夜視系統的成像器件的增益以及激光器的等效能量與激光頻閃主動夜視系統均相同。從圖4中可發現在成像器件相同增益下，傳統的距離選通激光夜視 系統由于激光器能量低而無法對lkm處的橋梁實施有效的觀察，在增益和視場不變的情況 下，解決途徑只能是提高激光器的單脈沖能量，而這制約了該技術在遠距離夜間監控應用； 在圖4(c)的實驗中，激光器的單脈沖能量不變，與圖4(b)實驗中的激光器單脈沖能量相 同，很顯然，采用激光頻閃主動夜視技術的激光頻閃主動夜視系統可發現并識別橋梁；對于 圖4(d)的實驗，成像器件的增益和接收的激光器的等效能量與圖4(c)實驗中的相等，但 是，由于連續激光夜視技術未采用距離選通的工作方式，在成像器件很高的增益下，自然光 下的背景也被成像，且大氣的后向散射及湍流產生的噪聲對成像質量影響較大，圖像局部 已出現飽和，橋梁幾乎淹沒在背景噪聲中，很明顯，在目標與背景對比度不大時，連續激光 夜視很難從背景中辨識出目標。需注意的是獲取圖4(c)的實驗中激光器的平均輸出功率 僅為為0. 45mW，屬于1類激光，對人眼安全。因此，不難發現激光頻閃主動夜視技術可利用 小功率激光照明實現夜間遠距離目標的有效觀察，并且提高了系統的激光安全性。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡 在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保 護范圍之內。
權利要求
一種用于遠距離夜間監控的激光頻閃主動夜視方法，其特征在于，該方法采用一幀多脈多門的工作方式，在成像器件一幀的曝光時間里，脈沖激光器發射激光脈沖序列，選通門按照預定的選通脈沖序列工作，成像器件接收來自目標的多個目標回波信號，達到光積累進而增強信號的目的。
2. 根據權利要求1所述的用于遠距離夜間監控的激光頻閃主動夜視方法，其特征在 于，所述激光脈沖序列和選通脈沖序列之間存在特定的匹配關系，選通門的選通脈沖和激 光器的激光脈沖按照一定的編碼方式工作每個激光脈沖對應一個選通脈沖，形成一個脈 沖對，在一個脈沖對里，激光脈沖和選通脈沖之間存在一定的延時，通過延時可實現對不同距離感興趣觀察區的觀察，延時t大小為r--，其中，R為感興趣觀察區到激光頻閃主動夜視系統之間的距離，c為光速。
3. 根據權利要求2所述的用于遠距離夜間監控的激光頻閃主動夜視方法，其特征在 于，所述感興趣觀察區是指激光頻閃主動夜視系統工作時的成像區間，當激光脈寬遠小于選通門寬時，感興趣觀察區的景深d由選通門的門寬、決定，具體為"-^1。
4. 根據權利要求1所述的用于遠距離夜間監控的激光頻閃主動夜視方法，其特征在 于，在成像器件一幀的曝光時間里，照明激光脈沖照射目標形成的多個目標回波信號都可 被成像器件接收進而累積成像，成像器件一幀對應的曝光時間ti和信號累積數量N分別由 以下公式給出<formula>formula see original document page 2</formula> (2)公式(1)和(2)中，^為成像器件一個工作周期內信號轉移及讀取時間，FPS為成像器 件幀頻，RF為脈沖激光器的重復頻率，當感興趣觀察區到激光頻閃主動夜視系統之間的距 離為R時，脈沖激光器重復頻率應滿足以下關系式<formula>formula see original document page 2</formula>公式(3)中，、為脈沖激光器的脈沖寬度。
5.根據權利要求4所述的用于遠距離夜間監控的激光頻閃主動夜視方法，其特征在 于，在成像器件一幀的曝光時間里，脈沖激光器的有效照明能量與信號累積數量N成正比， 其大小為N Ep，其中，Ep為激光器單脈沖能量。
全文摘要
本發明公開了一種用于遠距離夜間監控的激光頻閃主動夜視方法，該方法采用一幀多脈多門的工作方式，在成像器件一幀的曝光時間里，脈沖激光器發射激光脈沖序列，選通門按照預定的選通脈沖序列工作，成像器件接收來自目標的多個目標回波信號，達到光積累進而增強信號的目的。本發明工作環境適應性好，可在能見度低的情況下正常工作，由于利用小功率脈沖激光器便可實現夜間遠距離的目標的觀察，大大降低了系統的成本，并提高了系統的激光安全性，尤其是人眼安全性。
文檔編號H04N5/232GK101794057SQ20101003428
公開日2010年8月4日 申請日期2010年1月20日 優先權日2010年1月20日
發明者劉育梁, 周燕, 王新偉, 范松濤 申請人:中國科學院半導體研究所