线阵激光雷达成像数据恢复与实验研究+Matlab程序(2)
1.1.3 直接探测激光雷达成像方法 目前对于直接探测方式激光雷达的成像方法主要分为三种[1]：（1）采用单元探测器，即每次只探测一个像素点。大多数的成像激光雷达均采取这种技术，原因是激光器技术和探测器技术均比较成熟。激光器发射一个脉宽为纳秒量级的激光脉冲，由激光扫描器决定激光脉冲的指向，其回波的强度可以反映目标的反射率特征，激光来回的时间可以反映目标的距离。激光扫描器按照最初指定的扫描路径来控制激光光束的指向，通过多次测量就可以获得目标的角度-角度-距离图像（三维）和角度-角度-强度图像。（2）采用阵列探测器，即每次可以探测多个像素。每次发射 N 束激光，使目标上的 N 个点同时被扫描。从各点反射的回波信号通过光学系统接收到分别对应的 N 个探测器上，通过处理便可得到 N 个像素点的距离和强度信息。通过激光扫描器的扫描，可以获得目标的距离图像和强度图像。（3）采用面阵探测器，即每次探测所有像素。通过控制发射激光，从而使发射光可以同时覆盖整个目标，然后通过二维阵列探测器接受回波信号。 以上三种方法各有优劣，从成像速率的角度上来说，单元探测器的成像速度最快，每次只处理一个像素点的信息；从成像分辨率的角度来讲，面阵探测器由于采集的像素点很多，成像速率虽然无法保证，但是可以保证成像目标的整体轮廓和大致信息的完整。可以看出，成像激光雷达存在着高成像速率与高成像分辨率很难同时实现的矛盾。折中起见，采用阵列探测器可以说是一个不错的选择。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 成像激光雷达研究现状 应用激光雷达成像是激光雷达探测的一项主要应用，其中应用了激光雷达的测角、测距、测速等多种功能，从成像激光雷达的发展可以了解激光雷达对目标探测的研究现状。 1967年，美国麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）研发了第一台相干CO2激光雷达，并于1972年开始投入研究陆基10.6微米波长的激光多普勒雷达，代号“Fire Pond"，该雷达使用了CO2激光器和四象限HgCdTe探测器。在之后的研究过程中，给该型雷达先后加装了髙功率激光雷达功率放大系统(LRPA)、5种功能不同的光电传感器、可编程宽带波形发生器、宽带激光接收器、模拟拉伸处理器等新设备。于1990年，该雷达首次获得距离为800-1000km的在轨海洋卫星的距离-多普勒图像。在同年的Firefly实验中，该雷达成功识别了800km外的模拟导弹弹头。1992年，又获得了距离1500km的在轨卫星图像。 1997年，美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）提出一种发射波长为10.6微米的成像激光雷达[2]，其利用一个30x30的二维HgCdTe探测阵列实现相干成像。 2002年，美国海军研究实验室（United States Naval Research Laboratory）的报告指出，成功实现了基于1550纳米波长的光纤激光器的二维合成孔径成像激光雷达的演示实验[3]。 2003年美国雷神公司（Raytheon Company）提出一种对人眼安全的单脉冲三维Flash激光雷达[4]。该公司研制了一种以HgCdTe为材料的APD阵列探测器，维数为10x10和64x48，同时为了方便对每个像元的数据进行读取，开发了相应读出电子学芯片，釆样时间只需3纳秒。这种激光雷达可实现对1.5km远的电缆和4km远的卡车进行成像。 2004年，瑞典国防研宄局(Swedish Defence Research Agency)公布了他们所研制的一系列的空基成像激光雷达[5]，取得了较好的成像效果。该设备使用重复频率为7kHz的二极管泵浦固体Nd:YAG激光器，发射波长为1060nm，距离分辨为10cm，空间分辨为25cm。 2005年，美国麻省理工学院林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）研制了一款高分辨率的三维成像激光雷达[6]。该款激光雷达使用被动调Q的倍频固体Nd:YAG激光器，所发射激光的脉冲宽度为300ps，重复频率高达16KHZ，波长为532nm。探测器采用维数为32x32，工作于盖革模式下的APD阵列，同时在每个像元上均配置一个500MHz的数字时钟寄存器，用于记录脉冲飞行时间。 2006年，在美国国防部先进研究项目局（Defense Advanced Research Projects Agency）的资助下，美国雷神公司（Raytheon Company）采用了1550nm的光纤激光、诺斯洛普· 格鲁门公司（Northrop Grumman）采用了10600nm波段的CO2激光，分别研发了高分辨率的机载合成孔径激光雷达成像[7]。 2007年，美国雷神公司（Raytheon Company）提出一种更髙性能的，基于分子束外延技术(Molecular Beam Epitaxy)的HgCdTeAPD阵列探测器[8]，像元数量为2x128，应用该探测器的激光雷达具有很好的空间分辨率。美国马里兰大学(University of Maryland)的YANHUA SHI小组在实验室中实现了双子光子关联成像[9]。 2012年，中国科学院上海光机所的韩申生小组完成了基于稀疏限制的关联成像激光雷达实验[10]，该实验的完成实现了对距离1km左右的目标实现高分辨成像。