卢伟 步万岗

1.山东警察学院 山东省济南市 250014 2.聊城市看守所 山东省聊城市 252000

在公共安全领域，远距离、非接触视频监控已经成为预防和惩治犯罪、处理冲突发生恶性事件、保障公共安全和国家安全的重要高科技防控手段。激光主动探测成像技术是一种主动成像技术，具有作用距离远、分辨率高、具备一定的穿透能力、可以在低照度背景复杂条件下获取目标的图像信息等优点，是近几年安全防范行业新出现的创新技术。由于激光主动探测成像在军用及特殊民用领域有着强烈需求，世界各国对激光主动成像系统十分重视，纷纷投入巨资进行研制开发，目前经过十多年的发展，激光主动成像系统已经逐渐被各个行业领域所应用，并且在目标观测、精密跟踪、目标识别等领域具有广阔的应用前景。

利用激光单色性好、方向性好的特点向目标发射激光，可显著提高目标与背景的对比度。由于激光器的功率高，配备激光成像相机的灵敏度高，激光成像系统可增强观测系统探测伪装目标的能力和提高低透过率镀膜车窗玻璃的穿透观测能力。利用激光整形技术，将光束汇聚后提高目标照射光强，然后配合高帧率相机，可以实现目标瞬间图像采集，在这段时间内平台的振动几乎可以忽略不计，因此激光成像系统对安装平台的稳定性要求可以降低提高适应性，可以减小体积、重量，降低系统成本。采用窄带激光器源，配合窄带成像光学系统，可以对昼视环境光进行有效抑制，可以提高低透过率阻隔镀膜玻璃后目标的光照度，得到足以满足成像要求的图像，这样就可以实现人眼无法实现的镀膜玻璃透视效果。

1 可疑车辆车窗透过系统原理

1.1 距离选通透玻璃原理

距离选通系统采用脉冲激光做光源，进行补光照明，同时采用精确时间控制的高速外触发摄像机对图像采集，高速摄像机将图像采集输出，从而得到连续图像，该图像与普通监控视频图像一致，从而实现精确距离选择通过成像。

其主要原理如图1所示：在t时发射一束脉冲激光（此时摄像机快门是关闭的）；在t时该激光束被物体反射；在t时（被反射激光束回到摄像机）高速摄像机根据设定的观测景深持续开通相应的时间Δ。这样，t至t时间内激光脉冲所产生的后向散射光不会进入到摄像机，控制外触发高速摄像机仅在目标的反射光到达时打开选通门，因此有效降低后向散射光影响，极大地降低强散射光和水汽、雾、雪（这些物体能够反射激光）等干扰，提高信噪比，降低目标周围环境光影响。

图1 方案原理图

目标的距离L与时间t和t遵循以下关系：

L=C(t-t）/2

其中C为光速。t-t是光脉冲从发射到反射回来的渡跃时间。这段时间内，光脉冲传播距离为2L。

由于光速为3×108米/秒，对于1公里的目标，光脉冲的渡跃时间仅为6.67×10-6秒，而对于100米的目标，光脉冲的渡跃时间只有600ns。因此要求同步控制电路时间控制精度要在10ns(光脉冲宽度3米)以下量级，当控制电路精度达到1ns时，而选择通过的起始位置精度可以达到0.3米以下。脉冲激光配合高速外触发成像摄像机可以很好地将成像范围选择控制在玻璃后面因此可以有效实现对玻璃后面景物的成像，避免玻璃反光对玻璃后面成像的影响。因为采用大功率脉冲激光，因此距离可达到数公里，但是所用的大功率激光器及电源、远距离成像镜头，配合目标方位搜索的变焦摄像机组成的整个系统尺寸体积较大，因此要配合高精度云台进行目标方位搜索和对准，对于固定安装、车载固定安装的形式是比较适用的。

1.2 连续激光透玻璃原理

激光具有良好的单色性和直线性，配合窄带滤波成像摄像机可以实现对环境光的过滤成像，同时采用同步变焦激光控制可以实现大视野目标方位搜索和小视场目标细节放大观察。

连续激光透玻璃原理如下图（图2）所示。

图2 连续激光透玻璃原理

连续激光透过系统由近红外人眼不可见近红外半导体激光器做光源，通过光束整形变焦激光镜头对光束进行整形和束散角的控制。当激光透过玻璃照射到目标上并返回后，通过与激光光源相对应的窄带滤光片进行带通选择通过，可以有效避免环境光对成像的影响，同时控制系统配合成像和照明同步变焦控制有效提高激光光束能量，让目标与背景的对比度更高从而实现透玻璃成像。该方法结构形式简单，体积尺寸较小，性价比较高，是便携设备的首选。

2 可以车辆车窗透过系统主要技术难点

2.1 激光透车窗图像复原技术

众所周知，针对玻璃后面的目标成像，尤其是针对汽车贴膜玻璃后的目标成像，会面临着图像亮度下降，对比度下降等难点。由于车顶和车膜的影响，在白天的户外汽车贴膜玻璃后面的目标图像会比周围环境的图像亮度低至少两个数量级。造成膜后目标成像漆黑一片，不能被有效识别。利用激光雷达主动成像原理的激光主动透膜成像技术，解决了车内目标成像亮度低的难题，实现了车内目标的清晰成像。激光雷达最基本的工作原理与普通雷达类似，即由发射系统发送一个信号，与目标作用产生的返回信号被接收系统收集并处理，以获得所需信息。不同的是激光雷达的发射信号为激光束，与普通无线电雷达发送的毫米波相比，波长要短得多，因此成像分辨率高出很多。激光雷达的反射光中，包含了目标的亮度等信息。在激光雷达方程中，这对此应用场景，加入车窗衰减系数进行计算，根据成像器件灵敏度和作用距离，计算出所需激光功率。使用小型化不可见激光，基于激光相干性和方向性，提高车内图像亮度和信噪比，反演复原车内图像。同时，根据车窗的衰减特性，使用反卷积图像复原算法，增强图像效果，提高系统识别能力。此技术对房间窗玻璃后目标以及车窗内夜间成像有更好的成像效果。

2.2 镀膜车玻璃的激光吸收和反射效应研究

确定最佳透视激光和相匹配摄像机。车窗玻璃对环境光和激光的作用主要分为光反射和光吸收，车窗膜层的光衰减（主要是吸收）效应很明显。《机动车运行安全技术条件》（GB7258-2004）中对于汽车贴膜有明确规定：前挡风玻璃及风窗以外玻璃用于驾驶人视区(指驾驶人驾驶时用于观察后视镜的部位)的可见光透光率应大于等于70%，并且所有车窗玻璃不得张贴镜面反光遮阳膜。而侧窗内过滤一般透过率低于40%。针对窗膜层的吸收系数。项目单位前期做了大量的测试工作，取得了不同车窗膜层，不同波长的透过率系数，对后期的波长匹配和摄像机确定，打下了良好的基础。而车窗玻璃的反射也比较强，车窗玻璃表面非常光滑，激光照射到物体表面相当于照射到镜面上，则此时光的传播遵循反射定律，即入射角度等于发射角度。因此当测量时，需要调整一下光学系统的角度，使玻璃反光不能进入探测系统，而探测系统只接收目标漫反射光。照射到物体的激光发生漫反射后的光反射量与物体表面密切相关，物体表面的材料，物体表面的吸收系数，物体表面的反射率都决定了反射光的能量。当目标物体为部分朗伯体时反射情况有所差异，图3表示了几类反射表面的反射情况，图a为镜面反射；图b表示准镜面反射；图c为各向同性的朗伯面；图d为准朗伯表面；图e为复杂表面的反射，图中虚线的长度表示反射辐射的强度。从图中可以看出，车窗玻璃属于b，而车内目标属于d和e。

图3 不同类型的部分朗伯体对光线的反射

2.3 抗阳光干扰技术

远距离窄带图像增强技术，消除阳光干扰。低照度摄像机虽然对红外激光能感应，但其感应光谱是非常宽的，对可见光感应也是相当灵敏的（如图4所示）。环境中的强可见光同时被摄像机所接收，致使摄像机饱和。

图4 低照度摄像机的光谱响应

所以要想获得高清晰的目标图像，除了采用红外激光照明以外，重要的一点是必须采用特殊的强光抑制技术，来抑制太阳光等高强度的可见光干扰。采用的抗环境光干扰技术主要包含：干涉窄带滤光技术和宽动态成像技术。人们经常用隔离可见光透过红外光的红外玻璃作为干扰光隔离滤光片，也能收到一定效果。但是，普通的红外玻璃只是隔离了可见和紫外部分的光，并没有隔离红外光。而在实际的干扰光中，从可见到红外都是存在的，因为太阳光的光谱很宽，并且漫反射或散射的太阳光是主要的干扰源。因此，想得到良好的抗干扰效果，必须采用干涉窄带滤光技术。吸收型的红外玻璃与窄带滤光片在透过率性能上不管是哪种牌号的红外玻璃都只隔离了可见光，对红外光没有任何阻挡效果，而窄带滤光片对信号光谱范围之外的所有干扰光的隔离都是很有效的。

理论上讲，在截止范围内的透过率越低越好，但考虑到制作成本和实际需要，截止深度要选择在合理的数值。需要达到的截至深度为OD4，宽动态技术是在非常强烈的对比下让摄像机看到影像的特色而运用的一种技术。当在强光源（日光、灯具或反光等）照射下的高亮度区域及阴影、逆光等相对亮度较低的区域在图像中同时存在时，摄像机输出的图像会出现明亮区域因曝光过度成为白色，而黑暗区域因曝光不足成为黑色，严重影响图像质量。系统使用DSP图像处理技术，可以通过其超强的宽动态功能来获得高质量的图片。宽动态功能划时代地提升了一幅图像中亮和暗区域的影像拍摄效果，可以达到比CCD更真实、更清晰的图像。

3 典型案例应用实测

3.1 阴凉下车窗透过测试

在昼视阳光较强的中午时分，车辆放置于楼下阴凉非直射环境下（如图5所示），玻璃透过系统距离车辆50米，玻璃透过系统与车辆侧车窗成30°～60°夹角，侧车窗为有色贴膜玻璃，1米以上距离肉眼无法观测车内，贴膜玻璃透过率≥20%。

图5 楼下阴凉车窗透过测试

3.2 逆光下测试

在昼视阳光较强的中午时分，车辆放置于阳光直射环境下，玻璃透过系统距离车辆200米，玻璃透过系统与车辆侧车窗成3°～5°夹角，侧车窗为有色贴膜玻璃（如图6所示），1米以上距离肉眼无法观测车内，贴膜玻璃透过率≥20%。

图6 昼视逆光透玻示意图

通过设备透玻模式对车辆进行观测（如图7所示），可以对车内靠窗一侧人员进行成像，大体区分人员样貌特征，例如性别、脸型、发型、胡须、眼镜等细节进行分辨。

图7 逆光车窗透过测试

3.3 顺光测试

在昼视阳光较强的上午或下午时分，车辆放置于阳光直射环境下（如图8所示），玻璃透过系统距离车辆200米，玻璃透过系统与车辆侧车窗成3°～10°夹角，太阳与玻璃透过系统分别位于车辆的两侧，即玻璃透过系统逆光观测车辆侧车窗，侧车窗为有色贴膜玻璃，1米以上距离肉眼无法观测车内，贴膜玻璃透过率≥20%。

图8 逆光透玻示意图

通过设备透玻模式对车辆进行观测（如图9所示）可以对车内靠窗侧人员进行成像，大体区分人员样貌特征，例如性别、脸型、发型、胡须、眼镜等细节进行分辨。

图9 顺光车窗透过测试

4 结语

全天候透玻璃侦查技术与装备采用窄带近红外激光对目标进行主动探测，结合带通成像系统，通过嵌入式视频图像处理技术对视频数据进行分析和优化处理，能够实现昼夜数百米距离的透镀膜玻璃视频观测，并具有良好的透雾功能。近红外透玻璃系统，专门为案件刑事侦查、事件预防的目标人员跟踪、车辆跟踪、车内人员状况侦查取证提供有力的技术手段，提升了民警排查风险、化解矛盾、打击犯罪、应急处置、安全防范等业务能力。