激光反射層析成像技術，更細致地感知遠方

更新時間：2025-06-25

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　　激光反射層析成像(Laser Reflection Tomography Imaging, LRTI)是一項在計算機層析成像(Computed Tomography, CT)基礎上發展而來的新型成像探測技術。CT主要是透射光信號探測， LRTI是激光反射回波探測。

　　LRTI技術最早由美國林肯實驗室的Parker等人于1988年提出，其重建圖像的空間分辨率只與探測器帶寬、激光脈沖寬度和噪聲有關，而與作用距離、光學接收孔徑無關，是目前遠距離空間目標探測的潛力手段。

　　圍繞激光反射層析成像技術的空間遠距離高分辨探測應用，美國林肯實驗室、空軍實驗室、Areté公司、瑞典防務研究局、上海光機所、國防科技大學和航天工程大學等單位均對其成像基礎理論問題、投影數據處理方法、圖像重建算法、探測成像實驗系統等方面開展了系統性研究和實驗驗證。

　　國防科技大學胡以華教授從激光反射層析成像的基礎理論、探測成像實驗出發，總結和對比了國內外的研究進展，探討了需要重點解決的問題，并展望了激光反射層析成像技術未來的研究方向。

　　二、激光反射層析成像原理

　　所謂層析成像，即獲取目標一層一層的信息，然后通過處理、重構出目標層次特征。計算機層析成像，是指X光等信號從不同角度遍歷穿過目標體，然后各個方向、各個位置的信號被接收、融合處理，以得到目標體內部的信號衰減特征，從而構建內部層析影像。

　　由于遠距離非合作目標探測無法像計算機層析成像一樣采取激光透射的方式獲取目標信息，所以研究人員利用大功率激光的反射回波，基于計算成像的原理來重構目標圖像。

　　激光反射層析成像，就是將單個或者多個激光束從各個角度射向目標，激光信號是一定形狀的脈沖，目標表面縱深分布和不同反射率會對其散射的激光脈沖進行調制。從不同方向照射的激光信號，經目標調制后其回波波形中蘊含著目標表面結構的層次信息，因此不同角度接收的回波脈沖波形也存在差異。通過激光對目標環繞多角度的探測，可以獲取一系列回波脈沖信號，通過離散采樣可得到激光回波離散投影數據，經過處理即可重建出目標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

　　在實際成像過程中，由投影數據到目標圖像的實現需要經過投影數據預處理、投影數據配準、目標圖像重構和重構圖像處理等環節。為獲取投影數據，需要保證足夠多的投影采樣點，以保證經過頻域變換所得到的目標圖像完整、精準。

　　激光反射層析成像既可在相干探測系統實現，也可在非相干探測系統中實現，其重建圖像分辨率僅取決于激光脈沖長度、探測器帶寬和噪聲。信噪比大小決定著圖像質量高低。

　　三、激光反射層析成像實驗

　　國外的美國林肯實驗室、空軍實驗室、Areté associates公司、瑞典**研究局以及國內的上海光機所、國防科技大學等單位相繼開展激光反射層析成像外場短距離試驗、真實衛星目標遠距離試驗以及實驗室內驗證實驗。

　　1988年，美國MIT林肯實驗室Jeffrey K.Parker和F.K.Knight等人把醫學中CT常用的X射線透射投影切片成像的一些原理和技術引入到激光反射成像中。他們進行了基于激光反射層析成像的距離分辨實驗，實現了對十米以外的圓錐目標橫截面的圖像重建。

　　圖2 錐形目標的濾波反投影重建結果

　　美國空軍實驗室相繼開展了基于相干激光探測系統的直接或相干探測距離分辨激光反射層析成像有效性試驗驗證。利用HI-CLASS相干探測激光雷達系統，在夏威夷蘇伊島的空間敏感目標監測站，實現了對514 km處在軌衛星LACE上間隔6 m的兩個反射鏡目標的圖像重建(圖3)，最終成像分辨率0.2 m。

　　圖3 鏡面目標反射試驗中LACE衛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Longmont光學系統研發中心的Murray等人利用脈沖編碼孔徑激光雷達技術，將距離壓縮和激光反射層析成像技術相結合，成功完成了對距離22.4 km處大小為1 m的非合作目標的圖像重建(圖4)，將成像精度提高到0.15 m。

　　圖4 Longmont探測目標與實際場景示意圖

　　瑞典**研究局Henriksson等進行了基于單光子時間相關探測的窄脈沖距離分辨激光反射層析成像實驗，在實驗距離為53 m時對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。雖然單光子探測體制成像分辨率較高，但其需要在信噪比情況下進行。

　　圖5 小船目標模型及其除偽影后重建圖像

　　上海光機所金曉峰等開展了多普勒分辨激光反射層析成像的實驗室內實驗，對距離8.9 m處旋轉角速度為6/5 π s-1的三棱柱進行成像，利用濾波反投影成像算法對采樣角度間隔0.5°的角度-多普勒投影數據進行圖像重建，重建圖像像素間隔與亮邊所對應的像素個數相乘所得的目標重建截面尺寸與實際目標尺寸相匹配(圖6)。

　　圖6 調整后角度-多普勒投影圖及重建的目標圖像

　　考慮到激光反射層析成像的工程應用實際情況，國防科技大學胡以華課題組進行了基于6.5 ns激光脈沖的距離分辨激光反射層析成像實驗，在實驗距離為40 m時，對衛星航天器模型進行重構成像[圖7(a)]，投影角度間隔為1°，重建結果如圖7(b)所示。

　　由于激光脈沖寬度較大，重建圖像分辨率不高，對其進行投影數據配準和解卷積處理，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 衛星模型及其重建圖像。(a)衛星模型;(b)投影數據套準前重建圖像;(c)投影數據套準和解卷積處理后重建圖像

　　綜上所述，利用納秒級和皮秒級激光脈沖并基于地基相干探測系統或者搭建實驗室系統，已成功開展了實驗室內短距離和外場短距離的水平照射成像，并進行了數百公里級對空間衛星目標成像等系列實驗，充分驗證了距離分辨激光反射層析成像的遠距離成像具有良好的潛在應用價值。

　　四、總結與展望

　　激光反射層析成像技術在遠距離空間目標激光探測乃至天基對天基激光成像探測方面具有潛在應用價值。但是，面向未來應用場景，該項技術領域還需要在以下方面做進一步研究。

　　參考文獻：中國光學期刊網

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