封面|胡以华：激光反射层析成像技术，更细致地感知远方
本文为中国激光第2104篇。
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编者按
《中国激光》联合国防科技大学，组织策划“中国激光·国防科技大学”专辑，以此打造特色“院校”专辑，集中展示国防科技大学激光领域最新科研进展，鼓励学科交叉融合。本专辑于2021年2月正式出版，请多关注。
本文为该专辑的内封面文章，国防科技大学胡以华教授从激光反射层析成像的基础理论、探测成像实验出发，总结和对比了国内外的研究进展，探讨了需要重点解决的问题，并展望了激光反射层析成像技术未来的研究方向。
内封面文章|胡以华,张鑫源,徐世龙,赵楠翔,石亮. 激光反射层析成像技术的研究进展[J]. 中国激光, 2021, 48(4): 0401002
封面解读：
本封面体现了激光反射层析成像的基本原理。激光反射层析成像技术是一种利用单探测器获得目标图像的远距离成像技术手段，极具远距离空间目标探测潜力。载有激光反射层析成像系统的卫星环绕目标卫星飞行，从不同方向利用脉冲激光照射目标，通过获取不同角度下的激光回波波形，重构得到目标横截面的二维轮廓图像。
撰稿人：胡以华 徐世龙 张鑫源 石亮
背景介绍
在军事、航天、地理、科研等诸多领域，为实现包括地基、空基和天基等平台在内的远距离目标侦察探测任务，需要探测器在远距离探测下，具备高分辨率成像能力。采用光学透镜的传统成像技术普遍存在着受光学系统本身衍射孔径限制的问题，不能胜任远距离探测任务。
激光反射层析成像（Laser Reflection Tomography Imaging, LRTI）是一项在计算机层析成像（Computed Tomography, CT）基础上发展而来的新型成像探测技术。CT主要是透射光信号探测， LRTI是激光反射回波探测。
LRTI技术最早由美国林肯实验室的Parker等人于1988年提出，其重建图像的空间分辨率只与探测器带宽、激光脉冲宽度和噪声有关，而与作用距离、光学接收孔径无关，是目前远距离空间目标探测的最具潜力手段。
围绕激光反射层析成像技术的空间远距离高分辨探测应用，美国林肯实验室、空军实验室、Areté公司、瑞典防务研究局、上海光机所、国防科技大学和航天工程大学等单位均对其成像基础理论问题、投影数据处理方法、图像重建算法、探测成像实验系统等方面开展了系统性研究和实验验证。
激光反射层析成像原理
所谓层析成像，即获取目标一层一层的信息，然后通过处理、重构出目标层次特征。计算机层析成像，是指X光等信号从不同角度遍历穿过目标体，然后各个方向、各个位置的信号被接收、融合处理，以得到目标体内部的信号衰减特征，从而构建内部层析影像。
由于远距离非合作目标探测无法像计算机层析成像一样采取激光透射的方式获取目标信息，所以研究人员利用大功率激光的反射回波，基于计算成像的原理来重构目标图像。
激光反射层析成像，就是将单个或者多个激光束从各个角度射向目标，激光信号是一定形状的脉冲，目标表面纵深分布和不同反射率会对其散射的激光脉冲进行调制。从不同方向照射的激光信号，经目标调制后其回波波形中蕴含着目标表面结构的层次信息，因此不同角度接收的回波脉冲波形也存在差异。通过激光对目标环绕多角度的探测，可以获取一系列回波脉冲信号，通过离散采样可得到激光回波离散投影数据，经过处理即可重建出目标物体横截面的二维轮廓像。
在实际成像过程中，由投影数据到目标图像的实现需要经过投影数据预处理、投影数据配准、目标图像重构和重构图像处理等环节。为获取完全投影数据，需要保证足够多的投影采样点，以保证经过频域变换所得到的目标图像完整、精准。
激光反射层析成像既可在相干探测系统实现，也可在非相干探测系统中实现，其重建图像分辨率仅取决于激光脉冲长度、探测器带宽和噪声。信噪比大小决定着图像质量高低。
激光反射层析成像实验
国外的美国林肯实验室、空军实验室、Areté associates公司、瑞典国防研究局以及国内的上海光机所、国防科技大学等单位相继开展激光反射层析成像外场短距离试验、真实卫星目标远距离试验以及实验室内验证实验。
1988年，美国MIT林肯实验室Jeffrey K.Parker和F.K.Knight等人把医学中CT常用的X射线透射投影切片成像的一些原理和技术引入到激光反射成像中。他们进行了基于激光反射层析成像的距离分辨实验，实现了对十米以外的圆锥目标横截面的图像重建。
美国空军实验室相继开展了基于相干激光探测系统的直接或相干探测距离分辨激光反射层析成像有效性试验验证。利用HI-CLASS相干探测激光雷达系统，在夏威夷苏伊岛的空间敏感目标监测站，实现了对514 km处在轨卫星LACE上间隔6 m的两个反射镜目标的图像重建（图3），最终成像分辨率0.2 m。
2010年，美国Areté公司的Murray等人利用脉冲编码孔径激光雷达技术，将距离压缩和激光反射层析成像技术相结合，成功完成了对距离22.4 km处大小为1 m的非合作目标的图像重建（图4），将成像精度提高到0.15 m。
瑞典国防研究局Henriksson等进行了基于单光子时间相关探测的窄脉冲距离分辨激光反射层析成像实验，在实验距离为53 m时对小船模型的成像效果如图5所示。由于激光脉宽很窄，且采用单光子探测体制，因此重建图像具有更高的分辨率，非常清晰。虽然单光子探测体制成像分辨率较高，但其需要在极高信噪比情况下进行。
上海光机所金晓峰等开展了多普勒分辨激光反射层析成像的实验室内实验，对距离8.9 m处旋转角速度为6/5 π s-1的三棱柱进行成像，利用滤波反投影成像算法对采样角度间隔0.5°的角度-多普勒投影数据进行图像重建，重建图像像素间隔与亮边所对应的像素个数相乘所得的目标重建截面尺寸与实际目标尺寸相匹配（图6）。
考虑到激光反射层析成像的工程应用实际情况，国防科技大学胡以华课题组进行了基于6.5 ns激光脉冲的距离分辨激光反射层析成像实验，在实验距离为40 m时，对卫星航天器模型进行重构成像[图7(a)]，投影角度间隔为1°，重建结果如图7(b)所示。
由于激光脉冲宽度较大，重建图像分辨率不高，对其进行投影数据配准和解卷积处理，得到重建图像[图7(c)]，解卷积处理后的重建图像与未解卷积处理的重建图像相比分辨率改善4.6 dB。
综上所述，利用纳秒级和皮秒级激光脉冲并基于地基相干探测系统或者搭建实验室系统，已成功开展了实验室内短距离和外场短距离的水平照射成像，并进行了数百公里级对空间卫星目标成像等系列实验，充分验证了距离分辨激光反射层析成像的远距离成像具有良好的潜在应用价值。
总结与展望
激光反射层析成像技术在远距离空间目标激光探测乃至天基对天基激光成像探测方面具有潜在应用价值。但是，面向未来应用场景，该项技术领域还需要在以下方面做进一步研究：
（1）为实现对远距离非合作目标成像，激光反射层析成像需要进一步解决投影数据配准问题，重点是研究出从投影数据本身提取确定旋转中心，简单易行、兼顾配准速度和精度的投影数据配准算法；
（2）激光反射层析成像主要获取断层图像，目前还不能面阵或者立体成像，所以实际应用时还需要结合其他成像手段，提高激光反射层析重建图像应用价值；
（3）在系统设计基础上，激光发射层析成像最关键的研究还是精确重构算法，其重构处理精度、效率、复杂性、实现性等是核心要求，所以还需要加强面向应用的处理算法研究；
（4）目前，对高速旋转目标进行成像探测主要采用多普勒分辨激光反射层析成像技术。未来需要在近距离多普勒分辨激光反射层析成像研究基础上，围绕制约远距离成像的关键因素，重点突破解多普勒模糊、远距离微弱回波高灵敏度接收以及投影数据变换处理等核心技术。
课题组介绍
国防科技大学电子对抗学院胡以华教授科研团队长期致力于激光精确信息获取理论与应用研究，围绕目标的激光三维成像、激光反射层析成像、大气扰动激光探测、相干探测、光子探测以及量子纠缠探测方法，取得了一系列研究成果，为空天弱暗目标远距离探测、高精度定位和多维信息获取提供新型技术手段。获国家技术发明二等奖2项，安徽省重大科技成就奖，军队/省部级科技一等奖6项。
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