基于激光距離選通技術(shù)的水下湍流檢測方法研究

畢瑩，徐熙平

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

目前水下成像技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于海洋探測、漁業(yè)和海洋研究。根據(jù)空氣中的成像研究經(jīng)驗(yàn)，大氣湍流成為限制遠(yuǎn)場成像光學(xué)系統(tǒng)分辨率的重要因素。對于水下光傳輸，水溫、密度和水分?jǐn)_動都會改變水的折射率。這導(dǎo)致光的最小角度散射、波前失真以及系統(tǒng)分辨率的降低。一般情況下，光束在水中傳播1m的效果相當(dāng)于在空中傳輸800～1000m［1］。因此水中湍流效應(yīng)是影響水下成像系統(tǒng)分辨率的重要制約因素，直接影響到水下應(yīng)用的質(zhì)量。

近幾年在分析了現(xiàn)有水下成像與湍流檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了將成像自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于水下的想法。對水中的湍流對激光束傳輸?shù)挠绊戇M(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套基于波前檢測的實(shí)驗(yàn)裝置，使用夏克-哈特曼波前傳感器測量了水中的湍流對激光束的波前相位和光束內(nèi)強(qiáng)度分布的影響。但自適應(yīng)光學(xué)矯正畸變需要復(fù)雜的處理系統(tǒng)，不具有適用性。國內(nèi)對水下湍流檢測的技術(shù)研究仍處于不斷深入的階段，具有很好的發(fā)展前景。

水下激光成像技術(shù)可分為激光同步掃描和距離選通成像技術(shù)［2］。激光掃描成像技術(shù)使用窄的連續(xù)光束激光來掃描觀察區(qū)域并使用窄視場接收器接收反射信號。通過同步掃描和接收過程來檢測和重建圖像信息［3］。另一方面，激光距離選通成像技術(shù)利用脈沖激光器和門控照相機(jī)來達(dá)到檢測效果。通過控制照相機(jī)的快門開門時(shí)間來分離不同距離處的散射光和目標(biāo)反射光以獲取圖像［4］。洛克希德研究的水下電視系統(tǒng)是激光距離選通成像技術(shù)的典型應(yīng)用［5］。系統(tǒng)安裝在無人水下車輛在深海工作。

在研究中，通過控制水流的速度來模擬水下湍流，并使用激光距離選通成像技術(shù)來檢測不同距離下的水下湍流。本文介紹了門控相機(jī)的特點(diǎn)和原理。利用所提出的門控波前傳感系統(tǒng)得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并分析了湍流對水下成像的影響。

1 門控波前傳感系統(tǒng)

傳統(tǒng)的波前傳感器主要由微透鏡陣列和位于微透鏡焦距處的CCD相機(jī)組成，通過微透鏡陣列來聚焦入射波前并將參考焦點(diǎn)和焦點(diǎn)質(zhì)心位置相比較得出相應(yīng)的偏移量。每個(gè)質(zhì)心位置反映了波前的斜率和曲率，通過相應(yīng)的斜率矩陣來重建曲面。波前傳感技術(shù)具有很多的優(yōu)點(diǎn)，例如配置簡單，可實(shí)時(shí)處理和高動態(tài)的測量范圍［6，7］。然而，傳統(tǒng)的波前傳感技術(shù)不能有效地檢測水下湍流?；诩す饩嚯x選通技術(shù)的門控相機(jī)是一種常用的方法，它可以提高圖像質(zhì)量，消除激光在水中傳播時(shí)的后散射效應(yīng)，適用于水下湍流檢測實(shí)驗(yàn)［8，9］。

1.1 門控波前傳感系統(tǒng)的原理

門控波前傳感系統(tǒng)由一個(gè)脈沖激光系統(tǒng)，一個(gè)同步控制系統(tǒng)和一個(gè)高速門控照相機(jī)組成。

利用目標(biāo)反射光與水體后向散射光到達(dá)探測器的時(shí)間差、通過門控信號控制門控相機(jī)選通門開啟和持續(xù)時(shí)間而將目標(biāo)的反射光信號與水體的后向散射光噪聲區(qū)分開來。所以結(jié)合波前傳感技術(shù)和距離選通原理，設(shè)計(jì)了一種門控波前傳感系統(tǒng)，用于檢測水下成像中的湍流效應(yīng)。結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由激光器，光電檢測器，分光棱鏡（BS1），準(zhǔn)直器，分光棱鏡（BS2），門控波前傳感系統(tǒng)（由微透鏡陣列和門控相機(jī)組成）以及用于系統(tǒng)觸發(fā)和同步的延遲發(fā)生器（同步控制系統(tǒng)）組成。

圖1 門控波前傳感系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

在實(shí)驗(yàn)中，從激光器到分光棱鏡（BS2）的距離等于從分光棱鏡（BS2）到距離門控相機(jī)的距離。每個(gè)激光脈沖將攜帶不同距離的水下湍流的波前信息，所以一個(gè)激光脈沖經(jīng)過光學(xué)元件到達(dá)湍流池并攜帶著波前信息反射到門控相機(jī)的飛行距離是：

其中，t是脈沖長度，v0是工作狀態(tài)下的光速。

1.2 同步控制

在所提出的門控波前傳感系統(tǒng)中，激光脈沖和相機(jī)之間的同步控制特別重要。距離選通同步控制系統(tǒng)主要是使激光器和選通接收器同步，并且提供選通脈沖寬度（門寬）和延遲時(shí)間的選擇，以便得到更完整的波前信息。

在保持同步的觸發(fā)方式上有兩種選擇，即內(nèi)觸發(fā)與外觸發(fā)。

（1）內(nèi)觸發(fā)：觸發(fā)信號由延遲發(fā)生器產(chǎn)生，延遲發(fā)生器分別從兩個(gè)延遲通道將觸發(fā)信號輸入到脈沖激光器與門控相機(jī)。通過分別控制這兩個(gè)延遲通道的延遲時(shí)間可以達(dá)到同步脈沖激光器與門控相機(jī)的目的，通過改變延遲脈沖發(fā)生器輸出脈沖的占空比，控制門控相機(jī)的選通門寬，從而達(dá)到控制門控相機(jī)的選通門開啟持續(xù)時(shí)間。

（2）外觸發(fā)：脈沖激光器輸出激光的同時(shí)，分出一小部分光，經(jīng)光電二極管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號作為源觸發(fā)信號，輸入到延遲脈沖信號寬度，控制門控相機(jī)的選通門。根據(jù)目標(biāo)距離設(shè)定延遲時(shí)間，根據(jù)所需觀察到景深設(shè)定輸出脈沖寬度。

在本文中，使用外觸發(fā)的方式保持同步控制，由延遲發(fā)生器1控制激光脈沖的重復(fù)頻率，當(dāng)一個(gè)激光脈沖被光電檢測器檢測到時(shí)，延遲發(fā)生器2控制門控相機(jī)的快門開門時(shí)間，從而達(dá)到同步目的。門控波前同步控制系統(tǒng)關(guān)系如圖2所示。

圖2 門控波前同步控制系統(tǒng)

1.3 波前重構(gòu)

在門控波前傳感系統(tǒng)中，使用微透鏡陣列將入射波前聚焦到門控相機(jī)上。將焦點(diǎn)的質(zhì)心位置與參考焦點(diǎn)進(jìn)行比較。每個(gè)質(zhì)心位置的位移反映了波前斜率。若入射波是平面波，則門控相機(jī)的質(zhì)心與微透鏡陣列的質(zhì)心具有相同的分布。但如果入射波發(fā)生了畸變，則質(zhì)心也會發(fā)生相應(yīng)的變化，偏離理想的入射波的位置。點(diǎn)的質(zhì)心的計(jì)算公式是：

式中，N表示一個(gè)像點(diǎn)所占的像素的數(shù)目；（xij，yij）表示像素的坐標(biāo)；Iij表示每個(gè)像素上接收到的光強(qiáng)。由此得到各點(diǎn)質(zhì)心相對于理想位置的偏移量為：

其中，(x0,y0)是理想質(zhì)心的位置，由偏移量可以計(jì)算每個(gè)子透鏡上接收到的波前的平均傾斜的斜率：

式中，Δx在X方向上的子孔徑直徑上的平均斜率；Δy是Y方向上子孔徑直徑的平均斜率，f是微透鏡的焦距，子透鏡上的波前傾斜斜率與相應(yīng)像點(diǎn)的質(zhì)心偏移成正比。門控相機(jī)接收到像點(diǎn)點(diǎn)陣后，利用質(zhì)心算法得到質(zhì)心偏移，通過波前斜率數(shù)據(jù)得到重構(gòu)系數(shù)，重構(gòu)整個(gè)波前。

通過合適的迭代方法獲得用于進(jìn)一步構(gòu)造的斜率矩陣或曲率矩陣以生成表面。在這項(xiàng)研究中使用Zernike算法。Zernike多項(xiàng)式由無限多項(xiàng)式組成，通常在極坐標(biāo)中。它由兩部分組成，一部分是徑向坐標(biāo)ρ的函數(shù)，另一部分是角度坐標(biāo)θ的函數(shù)。在單位圓內(nèi)的連續(xù)區(qū)域內(nèi)，該函數(shù)通常是正交的。

其中，n是多項(xiàng)式的階數(shù)，l是與n相關(guān)的頻率，與n相同，0≤m≤n，l=n-2m。

基于上述原理，重構(gòu)是通過Matlab實(shí)現(xiàn)的。在確定了輸入?yún)⒖假|(zhì)心數(shù)據(jù)和偏差質(zhì)心數(shù)據(jù)之后，獲得重建的反射波前。

2 實(shí)驗(yàn)平臺的搭建

本文提出的方法是利用波前傳感技術(shù)檢測水下湍流，實(shí)驗(yàn)平臺的搭建如圖3所示。使用WEDGE HB 532作為激光光源，9450系列門控增強(qiáng)型CCD相機(jī)系統(tǒng)結(jié)合微透鏡作為門控波前傳感系統(tǒng)。水箱在離激光源4m的距離處產(chǎn)生湍流。當(dāng)激光脈沖通過準(zhǔn)直系統(tǒng)時(shí)，撞擊湍流并攜帶波前信息反射回到門控波前傳感系統(tǒng)，相機(jī)捕獲圖像。在當(dāng)前的設(shè)置中有兩個(gè)延遲發(fā)生器。第一個(gè)延遲發(fā)生器用于觸發(fā)激光脈沖。當(dāng)檢測到激光脈沖被發(fā)射時(shí)，第二延遲發(fā)生器由光電檢測器觸發(fā)，然后第二延遲發(fā)生器控制范圍選通快門時(shí)間。激光脈沖和相機(jī)門控之間的延遲對應(yīng)于到目標(biāo)的飛行時(shí)間。實(shí)驗(yàn)在湍流模擬池中進(jìn)行。機(jī)器通過控制距離激光源4m處的水流速度來制造湍流，水流速度為40L/min。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在實(shí)驗(yàn)中，湍流池在距離激光器4m處模擬湍流環(huán)境，越靠近激光器湍流程度越不明顯。通過測量不同距離下的湍流波前信息來檢測湍流。將水流速度設(shè)為0L/min獲得的焦點(diǎn)圖像作為波前重構(gòu)的參考面，將水流速率設(shè)置為40L/min來模擬湍流環(huán)境。激光脈沖攜帶波前信息反射到門控波前傳感系統(tǒng)，圖4為不同距離處水流為40L/min湍流環(huán)境下得到在1m，2m，3m，4m處的焦點(diǎn)圖像。

圖4 不同距離處水流為40L/min湍流環(huán)境下的焦點(diǎn)圖像

如圖4所示，不同距離下由微透鏡陣列得到的焦點(diǎn)圖像具有不同程度的偏移與明暗差距，但很難用人眼分辨，所以為了更有效地觀測使用上述的波前重構(gòu)算法Zernike算法進(jìn)行波前重構(gòu)，不同距離處水流為40L/min湍流環(huán)境下的波前重構(gòu)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同距離處水流為40L/min湍流環(huán)境下的波前重構(gòu)

在圖5中，通過將水流速度設(shè)置為40L/min來模擬湍流環(huán)境并且得到不同距離下的焦點(diǎn)圖像和波前重構(gòu)表面，從圖5重構(gòu)的波前表面可以看出，4m處的波前重構(gòu)表面波動起伏最大，隨著距離的減小，湍流趨于平緩。由此可以證實(shí)，水下湍流可以通過基于激光距離選通的門控波前傳感系統(tǒng)檢測到。同時(shí)通過對重構(gòu)面型的多次擬合，使得測量的均方根誤差達(dá)到了0.2657mm。

4 結(jié)論

在本文中，提出了一種基于激光距離選通技術(shù)的門控波前傳感系統(tǒng)來檢測水下湍流的新方法。通過控制激光器和門控相機(jī)的同步來檢測到水下湍流波前信息。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，所提出的方法被證實(shí)，該方法能夠檢測不同距離處的水下湍流狀況以及不同程度的湍流，能夠?yàn)樗绿綔y技術(shù)與海洋勘探等領(lǐng)域提供重要的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)?；谠摲椒ǖ挠行?，使其具有很好的應(yīng)用前景。

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