突破视界：中智科仪逐光IsCMOS像增强相机实现10公里激光距离选通成像
大气后向散射对激光主动照明成像有着显著的影响。激光主动照明成像系统依赖于向目标照射激光并接收从目标反射回来的光信号来生成图像。然而，大气中的气溶胶、尘埃、雾、烟、雨滴等颗粒物会引起光的散射和吸收，其中后向散射会将一部分激光光子散射回接收器，从而增加背景噪声，导致信噪比(SNR)降低，影响成像质量。
研究背景
基于门控相机的距离选通成像技术，采用激光主动照明方式，照明激光脉冲在传输过程中，当部分激光能量被散射介质散射和中间场景反射回来时，接收器的选通门处于关闭状态，从而拒绝了介质后向散射及背景杂波。当目标区域反射回来的激光信号到达接收器时，接收器选通门打开，对目标区域进行成像，之后选通门重新关闭。距离选通技术是通过精准控制门控探测器(常见如ICCD、ICMOS)的开门时刻和选通宽度，使目标回波信号恰好在探测器开启的时刻到达探测器，从而排除绝大多数后向散射和环境光干扰，实现时间/距离分辨的目标探测。
图1 激光距离选通成像原理
本次测试采用中智科仪自主研发的逐光IsCMOS像增强相机搭配高重复频率、高功率的脉冲激光器，利用相机的高增益和门控功能，实现了10km级远距离选通成像。
实验方案
一、实验设备：
中智科仪逐光IsCMOS像增强相机(TRC411-S-GS-F);
一体机系统由多个功能模块组成，包括脉冲激光器、门控相机(图2)、望远镜、摄像机和激光测距系统等。激光器的工作频率为10 kHz，脉宽1~10 μs，波长808 nm，当以5 μs脉宽发射脉冲时，平均功率约25 W。接收望远镜的口径为280 mm，焦距2800 mm。激光测距系统可用于测量远场目标距离。
图2 一体机系统
二、实验流程：
1.打开摄像机，实时观察视场内的各种目标，调整系统指向，寻找合适的目标区域。打开808 nm选通激光器，获取当前激光的照射位置。再次调整系统指向，使选通激光照射到可以成像的大概目标物。
2.打开激光测距仪，测量当前目标物与一体机系统的距离，系统会根据当前距离计算出来激光从发射到返回的时间T。
3.打开选通系统，在T0时刻，一体机系统发送信号触发选通激光器以10kHz频率发射脉冲，相机设置外触发高频模式，在T0+T时刻，系统输出5V信号触发相机，使相机接收返回的光信号，门宽与脉宽(1~10 μs)一致。
4.根据拍摄的目标物清晰度情况，调整相机增益、burst和望远镜的焦距，使成像效果。
图3 激光距离选通成像系统工作时序
图4 在高处开阔视野中寻找远距离目标物
三、成像结果：
远距离选通成像参数设置如下表所示，拍摄结果如图5所示：
表1 远距离选通成像拍摄参数设置
图5 (a)在建高楼的绞手架(b)小区居民楼
(c)远处山上的小房子(d)远处的房子
(e)远处的房子，累加10帧(f)远处的房子，累加30帧
实验结论
实验进一步证明了逐光IsCMOS像增强相机在距离选通成像中的应用优势，中智科仪自主研发的逐光IsCMOS像增强相机可以提供短至3ns的门控宽度、红外/近红外波段高探测效率和高增益，高精度延时调节可以精准控制相机的延时和门宽，而且支持最高达500kHz的电子快门，可以配合高重频高功率脉冲激光器进行距离选通成像，快速采集目标信号。在距离较远的时候，通过多帧累加的方式可以提高信噪比，使图像清晰。
解决方案
中智科仪自主研发生产的逐光IsCMOS像增强相机采用高量子效率低噪声的2代Hi-QE以及第3代GaAs像增强器，光学门宽短至500皮秒;全分辨率帧速高达98幅/秒;内置皮秒精度的多通道同步时序控制器，由SmartCapture软件进行可视化时序设置，完全适合时间分辨快速等离子现象。
01、500皮秒光学快门
以皮秒精度捕捉瞬态现象，并大幅降低背景噪声;
02、超高采样频率
逐光IsCMOS相机目前全分辨率下可达98帧，提供高速数据采集速率，同时可提供实验效率。此外设置使用其中16行的区域下，可以达到1300帧以上。
03、精准的时序控制
逐光IsCMOS像增强相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10皮秒，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。
04、创新“零噪声”技术
得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。
