激光反射層析成像(Laser Reflection Tomography Imaging, LRTI)是一項(xiàng)在計(jì)算機(jī)層析成像(Computed Tomography, CT)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的新型成像探測(cè)技術(shù)。CT主要是透射光信號(hào)探測(cè)， LRTI是激光反射回波探測(cè)。

　　LRTI技術(shù)最早由美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室的Parker等人于1988年提出，其重建圖像的空間分辨率只與探測(cè)器帶寬、激光脈沖寬度和噪聲有關(guān)，而與作用距離、光學(xué)接收孔徑無(wú)關(guān)，是目前遠(yuǎn)距離空間目標(biāo)探測(cè)的潛力手段。

　　圍繞激光反射層析成像技術(shù)的空間遠(yuǎn)距離高分辨探測(cè)應(yīng)用，美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室、空軍實(shí)驗(yàn)室、Areté公司、瑞典防務(wù)研究局、上海光機(jī)所、國(guó)防科技大學(xué)和航天工程大學(xué)等單位均對(duì)其成像基礎(chǔ)理論問(wèn)題、投影數(shù)據(jù)處理方法、圖像重建算法、探測(cè)成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等方面開(kāi)展了系統(tǒng)性研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

　　國(guó)防科技大學(xué)胡以華教授從激光反射層析成像的基礎(chǔ)理論、探測(cè)成像實(shí)驗(yàn)出發(fā)，總結(jié)和對(duì)比了國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展，探討了需要重點(diǎn)解決的問(wèn)題，并展望了激光反射層析成像技術(shù)未來(lái)的研究方向。

　　二、激光反射層析成像原理

　　所謂層析成像，即獲取目標(biāo)一層一層的信息，然后通過(guò)處理、重構(gòu)出目標(biāo)層次特征。計(jì)算機(jī)層析成像，是指X光等信號(hào)從不同角度遍歷穿過(guò)目標(biāo)體，然后各個(gè)方向、各個(gè)位置的信號(hào)被接收、融合處理，以得到目標(biāo)體內(nèi)部的信號(hào)衰減特征，從而構(gòu)建內(nèi)部層析影像。

　　由于遠(yuǎn)距離非合作目標(biāo)探測(cè)無(wú)法像計(jì)算機(jī)層析成像一樣采取激光透射的方式獲取目標(biāo)信息，所以研究人員利用大功率激光的反射回波，基于計(jì)算成像的原理來(lái)重構(gòu)目標(biāo)圖像。

　　激光反射層析成像，就是將單個(gè)或者多個(gè)激光束從各個(gè)角度射向目標(biāo)，激光信號(hào)是一定形狀的脈沖，目標(biāo)表面縱深分布和不同反射率會(huì)對(duì)其散射的激光脈沖進(jìn)行調(diào)制。從不同方向照射的激光信號(hào)，經(jīng)目標(biāo)調(diào)制后其回波波形中蘊(yùn)含著目標(biāo)表面結(jié)構(gòu)的層次信息，因此不同角度接收的回波脈沖波形也存在差異。通過(guò)激光對(duì)目標(biāo)環(huán)繞多角度的探測(cè)，可以獲取一系列回波脈沖信號(hào)，通過(guò)離散采樣可得到激光回波離散投影數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理即可重建出目標(biāo)物體橫截面的二維輪廓像。

　　圖1 激光反射層析成像原理示意圖

　　在實(shí)際成像過(guò)程中，由投影數(shù)據(jù)到目標(biāo)圖像的實(shí)現(xiàn)需要經(jīng)過(guò)投影數(shù)據(jù)預(yù)處理、投影數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、目標(biāo)圖像重構(gòu)和重構(gòu)圖像處理等環(huán)節(jié)。為獲取投影數(shù)據(jù)，需要保證足夠多的投影采樣點(diǎn)，以保證經(jīng)過(guò)頻域變換所得到的目標(biāo)圖像完整、精準(zhǔn)。

　　激光反射層析成像既可在相干探測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，也可在非相干探測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，其重建圖像分辨率僅取決于激光脈沖長(zhǎng)度、探測(cè)器帶寬和噪聲。信噪比大小決定著圖像質(zhì)量高低。

　　三、激光反射層析成像實(shí)驗(yàn)

　　國(guó)外的美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室、空軍實(shí)驗(yàn)室、Areté associates公司、瑞典**研究局以及國(guó)內(nèi)的上海光機(jī)所、國(guó)防科技大學(xué)等單位相繼開(kāi)展激光反射層析成像外場(chǎng)短距離試驗(yàn)、真實(shí)衛(wèi)星目標(biāo)遠(yuǎn)距離試驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)室內(nèi)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

　　1988年，美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室Jeffrey K.Parker和F.K.Knight等人把醫(yī)學(xué)中CT常用的X射線透射投影切片成像的一些原理和技術(shù)引入到激光反射成像中。他們進(jìn)行了基于激光反射層析成像的距離分辨實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)十米以外的圓錐目標(biāo)橫截面的圖像重建。

　　圖2 錐形目標(biāo)的濾波反投影重建結(jié)果

　　美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室相繼開(kāi)展了基于相干激光探測(cè)系統(tǒng)的直接或相干探測(cè)距離分辨激光反射層析成像有效性試驗(yàn)驗(yàn)證。利用HI-CLASS相干探測(cè)激光雷達(dá)系統(tǒng)，在夏威夷蘇伊島的空間敏感目標(biāo)監(jiān)測(cè)站，實(shí)現(xiàn)了對(duì)514 km處在軌衛(wèi)星LACE上間隔6 m的兩個(gè)反射鏡目標(biāo)的圖像重建(圖3)，最終成像分辨率0.2 m。

　　圖3 鏡面目標(biāo)反射試驗(yàn)中LACE衛(wèi)星鍺角反射鏡重建圖像。(a)原始圖像;(b)閾值化處理后圖像

　　2010年，美國(guó)Longmont光學(xué)系統(tǒng)研發(fā)中心的Murray等人利用脈沖編碼孔徑激光雷達(dá)技術(shù)，將距離壓縮和激光反射層析成像技術(shù)相結(jié)合，成功完成了對(duì)距離22.4 km處大小為1 m的非合作目標(biāo)的圖像重建(圖4)，將成像精度提高到0.15 m。

　　圖4 Longmont探測(cè)目標(biāo)與實(shí)際場(chǎng)景示意圖

　　瑞典**研究局Henriksson等進(jìn)行了基于單光子時(shí)間相關(guān)探測(cè)的窄脈沖距離分辨激光反射層析成像實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)距離為53 m時(shí)對(duì)小船模型的成像效果如圖5所示。由于激光脈寬很窄，且采用單光子探測(cè)體制，因此重建圖像具有更高的分辨率，非常清晰。雖然單光子探測(cè)體制成像分辨率較高，但其需要在信噪比情況下進(jìn)行。

　　圖5 小船目標(biāo)模型及其除偽影后重建圖像

　　上海光機(jī)所金曉峰等開(kāi)展了多普勒分辨激光反射層析成像的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，對(duì)距離8.9 m處旋轉(zhuǎn)角速度為6/5 π s-1的三棱柱進(jìn)行成像，利用濾波反投影成像算法對(duì)采樣角度間隔0.5°的角度-多普勒投影數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像重建，重建圖像像素間隔與亮邊所對(duì)應(yīng)的像素個(gè)數(shù)相乘所得的目標(biāo)重建截面尺寸與實(shí)際目標(biāo)尺寸相匹配(圖6)。

　　圖6 調(diào)整后角度-多普勒投影圖及重建的目標(biāo)圖像

　　考慮到激光反射層析成像的工程應(yīng)用實(shí)際情況，國(guó)防科技大學(xué)胡以華課題組進(jìn)行了基于6.5 ns激光脈沖的距離分辨激光反射層析成像實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)距離為40 m時(shí)，對(duì)衛(wèi)星航天器模型進(jìn)行重構(gòu)成像[圖7(a)]，投影角度間隔為1°，重建結(jié)果如圖7(b)所示。

　　由于激光脈沖寬度較大，重建圖像分辨率不高，對(duì)其進(jìn)行投影數(shù)據(jù)配準(zhǔn)和解卷積處理，得到重建圖像[圖7(c)]，解卷積處理后的重建圖像與未解卷積處理的重建圖像相比分辨率改善4.6 dB。

　　圖7 衛(wèi)星模型及其重建圖像。(a)衛(wèi)星模型;(b)投影數(shù)據(jù)套準(zhǔn)前重建圖像;(c)投影數(shù)據(jù)套準(zhǔn)和解卷積處理后重建圖像

　　綜上所述，利用納秒級(jí)和皮秒級(jí)激光脈沖并基于地基相干探測(cè)系統(tǒng)或者搭建實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，已成功開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)短距離和外場(chǎng)短距離的水平照射成像，并進(jìn)行了數(shù)百公里級(jí)對(duì)空間衛(wèi)星目標(biāo)成像等系列實(shí)驗(yàn)，充分驗(yàn)證了距離分辨激光反射層析成像的遠(yuǎn)距離成像具有良好的潛在應(yīng)用價(jià)值。

　　四、總結(jié)與展望

　　激光反射層析成像技術(shù)在遠(yuǎn)距離空間目標(biāo)激光探測(cè)乃至天基對(duì)天基激光成像探測(cè)方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。但是，面向未來(lái)應(yīng)用場(chǎng)景，該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域還需要在以下方面做進(jìn)一步研究。

　　參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

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