一種遠(yuǎn)距離水下光電成像的方法

張 平，邱衛(wèi)根，劉效東，張補生，孫建華

（江蘇北方湖光光電有限公司，江蘇 無錫214035）

引言

水下探測在勘探、漁業(yè)、軍事等領(lǐng)域是長期的課題，通常而言采用聲納系統(tǒng)可以獲取較遠(yuǎn)的探測距離，但其分辨率較低，無法用于目標(biāo)識別。近年隨著合成孔徑聲納系統(tǒng)［1-2］的發(fā)展，聲納用于高分辨率成像也成為了可能。但聲納系統(tǒng)采用了聲波作為探測手段，并不能對所有的水下目標(biāo)均獲得較好的探測效果，且近場存在一定盲區(qū)。因而，采用光學(xué)方法在水下色散環(huán)境獲取圖像是水下成像探測的另一個途徑，近年來國內(nèi)外在該領(lǐng)域進行了較多的理論、系統(tǒng)及實驗研究工作［3-5］。光波在水中傳輸時受到了介質(zhì)阻撓而產(chǎn)生指數(shù)型衰減，因而光在水下傳播距離較近。在水下光電成像技術(shù)手段中［3-6］，距離選通［7-9］是一種有效獲取遠(yuǎn)探測距離與高分辨率圖像的技術(shù)手段。

增大探測距離是水下光電成像的努力方向，但隨著距離的增大，目標(biāo)回波能量急劇下降，圖像特征無法在系統(tǒng)噪聲水平下凸顯，這是遠(yuǎn)距離探測的問題所在。為了獲取更大的探測距離，可采用增大照明能量、增加接收口徑、采用低噪聲光錐耦合等技術(shù)手段。但這些都會付出價格昂貴或體積增大的代價，尤其是高峰值功率激光器，這些改進措施盡管可以提升系統(tǒng)探測距離，但不適合產(chǎn)品成本下降與推廣。相比較而言，高頻低峰值功率的激光器在系統(tǒng)成本及穩(wěn)定性上更具優(yōu)勢，但一般會引起探測距離的下降。從光能量角度來看，探測距離的增大在于光能量的有效利用，高頻低峰值功率激光器可以在單位時間內(nèi)獲取更高的平均功率輸出，在適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)控制條件下，系統(tǒng)能夠增大探測距離。

本文以水下探測的距離選通系統(tǒng)為出發(fā)點，分析了探測距離增大的可能性，根據(jù)水下目標(biāo)特性，提出采用高頻低峰值功率激光器提升系統(tǒng)整體運行頻率的技術(shù)路線，通過多脈沖累計獲取目標(biāo)圖像。

1 多脈沖累計

距離選通技術(shù)所獲取的圖像是激光在某時域段內(nèi)積分圖像，利用時域移動可進行不同時域內(nèi)圖像信息的獲取。激光照明時，水體的后向散射極其強烈，尤其是在近場區(qū)。通過時域移動可有效避開這些區(qū)域的強散射光，提高接收時域段內(nèi)的目標(biāo)回波信號與水體散射的對比度。

激光照射水體所產(chǎn)生的散射光在理論上呈現(xiàn)出粒子散射特性［10-11］。由于水體密度較高，這些散射光需要經(jīng)過多次散射才能夠到達探測器。在這個復(fù)雜的光傳播過程中，原先具有良好特性的光波變成了雜亂無章的漫射光，圖像中表現(xiàn)為背景，且夾雜著探測系統(tǒng)自身噪聲，形成了距離選通的背景噪聲，更多表現(xiàn)出“噪聲”特性。

目標(biāo)回波在返回路途中同樣要經(jīng)歷這些散射的過程，與水體散射不同之處在于回波帶有目標(biāo)反射特性，其表征為某種有序與相關(guān)。

利用水體散射、目標(biāo)回波的不同特性，通過多脈沖累計可增強目標(biāo)回波的信號、平滑水體散射信號，在圖像上可表現(xiàn)為圖像信噪比增強，探測距離增大。

利用上述原理，圖1給出了距離選通系統(tǒng)通過降低激光峰值功率、提高運行頻率而增大探測距離的示意。圖1（a）為單脈沖距離選通成像示意圖，發(fā)出的單脈沖能量較大，獲取到的目標(biāo)回波信號較強，同時伴隨系統(tǒng)噪聲；圖1（b）為多脈沖距離選通成像示意圖，發(fā)出的是多個單脈沖能量較低激光束，獲取到的目標(biāo)回波單個信號較低。如果將這些較低的信號在強度與時間上歸一化至圖1（a）情況，可以得到更高的單脈沖發(fā)射能量，帶來更強的目標(biāo)回波和噪聲水平。由于噪聲表現(xiàn)為隨機性，在多脈沖累計后呈現(xiàn)為平均特性，而目標(biāo)回波則為規(guī)律性累計，使得探測距離增大。

圖1 多脈沖累計示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of multiple-pulse accumulation

可見該方法需要在時域上進行多次的發(fā)射與接收，在犧牲系統(tǒng)的時間分辨率后獲取更高的能量，從而得到更遠(yuǎn)的探測距離。

2 系統(tǒng)設(shè)計

距離選通系統(tǒng)框圖如圖2所示，包括激光照明器、ICCD探測器、系統(tǒng)控制器、圖像采集器、顯控終端等。系統(tǒng)采用的激光器為半導(dǎo)體泵浦Nd:YAG激光器，通過二倍頻獲取的激光波長為532nm，脈寬為6ns（峰值半寬），激光束散角約1°。ICCD探測器由接收物鏡、超二代像增強器及耦合CCD組成。接收物鏡中插有光學(xué)窄帶濾光片，中心波長為532nm，帶寬為10nm；像增強器采用超二代近貼管，后端通過光學(xué)耦合進行CCD耦合成像獲取熒光屏圖像。ICCD的選通方法為像增強器陰極選通，電壓為＋50V～-200V，脈寬為5ns～1s可調(diào)。系統(tǒng)控制器用于控制激光器與ICCD之間的有序工作和增益控制，采用FPGA結(jié)合模擬延長線實現(xiàn)激光器與ICCD之間的信號同步。圖像采集卡用于高速圖像采集，顯控終端用于探測圖像的顯示與系統(tǒng)綜合控制。系統(tǒng)工作時，由控制器控制激光器發(fā)射出光脈沖，且像增強器、CCD、采集卡都按照系統(tǒng)時序運行，當(dāng)目標(biāo)回波到達ICCD接收器時打開電子快門，在顯控終端上實現(xiàn)圖像顯示。

圖2 距離選通系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of range-gated system

通常半導(dǎo)體泵浦激光器的單脈沖能量在100mJ時頻率約為25Hz，若進一步提高系統(tǒng)能量會使激光器研制難度及代價較大；若進一步提高系統(tǒng)頻率，則需要加上散熱裝置，這限制了系統(tǒng)的應(yīng)用靈活性，且成本過大。若將單脈沖激光能量下降，則頻率可以大幅提升，激光器系統(tǒng)穩(wěn)定性得以增加，可以獲取更多的平均光功率輸出。ICCD的幀速率主要由像增強器及CCD決定，對于像增強器其陰極選通頻率可達到上萬赫茲，瓶頸在于熒光屏的余暉時間，將常用的P22熒光粉更改為P43熒光粉，余輝時間縮短一個量級，像增強器選通圖像幀頻由原來的50Hz提高為500Hz；將CCD的曝光時間更改為長時間積分，獲取多激光脈沖產(chǎn)生的目標(biāo)圖像信號累計。通過CCD的長曝光更改，可以利用CCD自身的曝光特性進行噪聲和目標(biāo)回波的累計，避免了原系統(tǒng)方式下的圖像頻率提高而產(chǎn)生的大圖像數(shù)據(jù)流傳輸及后端處理要求的提高，降低了系統(tǒng)硬件要求，更有利于系統(tǒng)集成與成本控制。

通過系統(tǒng)更改，原距離選通系統(tǒng)由單光脈沖成像系統(tǒng)變?yōu)橐粋€高頻運行、幀累計系統(tǒng)。高頻運行可有效增大激光器的平均光功率，從能量角度來看可實現(xiàn)更遠(yuǎn)的探測距離、更高的圖像信噪比。

3 結(jié)果與分析

實驗在國營第五五九廠水下光電成像實驗室進行，激光器與ICCD探測器采用分窗口水平放置，朝前方水域內(nèi)目標(biāo)進行照明與探測，探測目標(biāo)為鏤空鋁質(zhì)靶板。

實驗時，首先將激光能量設(shè)定為100mJ，ICCD選通門寬設(shè)定為20ns，進行單脈沖距離選通成像。通過調(diào)整激光器與探測器之間的光軸及選通參量獲取目標(biāo)圖像信號，實現(xiàn)發(fā)射與接收光軸的“一致”。隨即，將水下目標(biāo)距離增大而系統(tǒng)參量保持不變，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)無法獲取到此距離的目標(biāo)圖像，在增大系統(tǒng)增益后，可以獲取到微弱的目標(biāo)信號。靶板實物如圖3所示。此時的信號過于微弱，無法用于圖像識別，此即為系統(tǒng)最大探測距離約為24m，如圖4所示。

圖3 靶板形狀Fig.3 Target shape

圖4 24米處的微弱目標(biāo)信號Fig.4 Weak objective signal of 24 m far away

按照設(shè)計，降低系統(tǒng)單脈沖能量，利用多頻方式獲取遠(yuǎn)距離的圖像。將單脈沖能量降低至15mJ，其他參量均保持不變，并將靶板移至29m。在單脈沖成像情況下，系統(tǒng)無法獲取目標(biāo)信號，更多表現(xiàn)為隨機噪聲?？刂萍す馄髦粮哳l工作狀態(tài)，形成時序上多脈沖輸出；且此時ICCD的選通門寬依舊保持為20ns，對多脈沖分別開門逐個接收；同時增大ICCD內(nèi)的CCD曝光時間至相應(yīng)多脈沖時間。此時由于開門時間只有20ns，激光器高頻工作的脈沖時間間隔為毫秒量級，因此脈沖相互間不會發(fā)生混疊干擾。通過此更改，實現(xiàn)了多脈沖累計成像，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可有效獲取目標(biāo)圖像，且圖像信號隨著激光頻率而顯示不同特征。

圖5為不同脈沖累計條件下的圖像特點，圖5（a）10次累計，圖5（b）15次，圖5（c）20次，圖5（d）30次。發(fā)現(xiàn)，隨著激光脈沖數(shù)量的增加，目標(biāo)信號強度在增大，同時噪聲也在增大。從圖像特征來看，由于此時是系統(tǒng)的極限探測能力，像增強器的噪聲表現(xiàn)較為明顯，且CCD的噪聲表現(xiàn)也極為明顯。目標(biāo)圖像的絕對信號強度隨脈沖數(shù)量的增大而增大，當(dāng)強度超過一定程度后，目標(biāo)圖像出現(xiàn)了過飽和現(xiàn)象，而在噪聲累計達到一定程度后，系統(tǒng)的圖像質(zhì)量開始下降，表現(xiàn)為目標(biāo)-背景對比度下降，甚至無法界定目標(biāo)-背景界限。

圖5 多脈沖累計實驗圖Fig.5 Experimental pictures of multiple-pulse accumulattion

從圖像中的噪聲與目標(biāo)特性角度分析，可以發(fā)現(xiàn)噪聲更多的顯示為一種非相關(guān)累加，因而整體背景亮度得以增大，但卻無法體現(xiàn)某種相關(guān)性。水體的后向散射在理論上應(yīng)當(dāng)符合一定的散射定律，因而在散射中可獲取某種相關(guān)性增強。但實驗中發(fā)現(xiàn)，噪聲更多地體現(xiàn)了隨機性?？梢妼嶋H過程中散射表現(xiàn)得非常復(fù)雜，回波已表現(xiàn)為隨機噪聲特性。因此，若考慮消除背景噪聲，提高系統(tǒng)最遠(yuǎn)探測距離的難度較大。

目標(biāo)圖像更多的表現(xiàn)為某種相關(guān)特性，在多次脈沖照射后，目標(biāo)強度在增強，形狀清晰，可見目標(biāo)回波在這類偏振激光照明下表現(xiàn)出更為穩(wěn)定的固有反射特性。

通過實驗與分析可以發(fā)現(xiàn)圖像對比度的增強效果與累計的激光脈沖數(shù)量有關(guān)，實驗發(fā)現(xiàn)10次脈沖的圖像質(zhì)量更高，脈沖數(shù)量的進一步增大反而使得圖像的對比度下降不利于識別。實際應(yīng)用中，利用這一特性進行脈沖數(shù)確定，并實時調(diào)整系統(tǒng)增益，使系統(tǒng)參量最優(yōu)化。

可見，通過增大系統(tǒng)運行頻率，利用水體散射與目標(biāo)反射的相關(guān)特性差異，可在高頻率、低脈沖能量情況下獲取距離更遠(yuǎn)、質(zhì)量更高的圖像。增大距離數(shù)值受到影響的因素較多，這主要取決于CCD積分時間內(nèi)的激光發(fā)射次數(shù)，若能量足夠大，則探測距離可大幅增加。但該方法采用了累計方式，一定程度上減弱了系統(tǒng)的實時性，實際工程中不可能做CCD極長時間積分，因而增大的探測距離數(shù)值也隨系統(tǒng)設(shè)計而異。需要指出的是，本方法以犧牲時間分辨率為代價，因而無法適用于高速運動物體，更適合一些相對“靜止”或低速運動目標(biāo)的觀察。

4 結(jié)論

本文從水下距離選通系統(tǒng)的實際工程應(yīng)用背景出發(fā)，分析了目前系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離探測上的手段和問題，根據(jù)系統(tǒng)特性，提出了基于背景、目標(biāo)不同反射特性的多脈沖累計方法。通過降低激光單脈沖能量，提高系統(tǒng)運行頻率，保持CCD長時間積分的方式進行了系統(tǒng)改進，并進行了實驗。實驗發(fā)現(xiàn)，水體后向散射更多表現(xiàn)為一種隨機噪聲，而目標(biāo)信號表現(xiàn)為相關(guān)特性，在進行一定累計后，系統(tǒng)可提高圖像質(zhì)量與探測距離。該方法可應(yīng)用于勘探、軍事中的一些實時要求不高場合，尤其適用于一些靜止或準(zhǔn)靜止的物體探測。該方法可大幅降低距離選通系統(tǒng)的研制難度和價格，帶來更遠(yuǎn)的探測距離，有利于水下光電成像產(chǎn)品的商業(yè)化發(fā)展。

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