距离选通激光水下成像系统研究

　　1　引言

　　探测距离和图像分辨率是水下探测成像系统的主要性能参数。为了在监视和障碍物回避应用中获得足够的响应时间,在搜索和测量应用中进行大范围的探测,要求水下成像系统有足够的探测距离;而为了识别和测定目标,又要求水下成像系统具有足够高的图像分辨率。传统的水下目标探测方法主要是声成像和普通光成像。但声成像存在着一个最根本的缺陷,那就是图像分辨率较低,这是由声波工作频率低所决定的,所以不能发现或识别距离较近处的水雷、鱼网等较小目标;普通光成像虽然可以获得较高的分辨率,但由于海水对光存在较大衰减作用,加上水体后向散射光噪声的影响,其探测距离太小,不能满足远距离水下成像系统的要求。距离选通激光水下成像系统是一种减小水的后向散射的有效方法。利用水对可见光光谱的可选择性消光效应,采用455~577nm波长的脉冲激光器提供主动照明,可在提高目标场景的照度的同时,减小后向散射的影响,实现了水下长距离的选通成像探测,具有成像清晰、对比度高、不受环境光源的影响等优点。

　　2　原理

　　距离选通激光水下成像系统主要由高功率短脉冲激光器、同步控制系统和选通成像接收器组成。激光器发射高功率的短脉冲蓝绿激光对目标进行照射,由目标发射的激光返回到接收器。当激光脉冲处于往返途中时,接收器选通门(或光闸)关闭,这样就挡住了水分子以及水中悬浮微粒所引起的后向散射光。当反射光到达接收器时,选通门开启,让来自目标的反射光(信号光)进入选通接收器。选通门开启持续时间与激光脉冲一致,这样形成的目标图像组合要与距离选通时间内的反射光有关[1]。显然,选通宽度或激光脉冲宽度越窄,接收器获得的目标场景的景深越小,附加在场景图像上的散射噪声越小,图像信噪比越高。但选通宽度的减小,可能会使光电接收器的入射信号过小,难以满足光电转换灵敏度的要求;若单纯提高激光脉冲能量来增强信号,又有可能会使光电接收器中的感光元件产生饱和,甚至造成接收器损坏。因此,如果选用距离选通技术来进行水下远距离成像,需要注意两点问题:第一,如何使反射光脉冲到达时间和接收器选通门开启时间做到精确同步;第二,如何实时调整成像增益,使在一定成像距离范围内既能满足探测器光电转换灵敏度的要求,又避免探测器饱和现象的发生。

　　3　系统组成

　　3.1　激光器

　　光是横波,水体对其中传输的光能量的衰减非常严重,从激光雷达方程出发,可以推出接收器像面上的光照度是与激光发射功率成正比的,因此,要使距离选通激光水下成像系统具有较远的成像距离,必须使其激光光源系统中的激光器具有较高的峰值功率。水体的光学窗口在480~550nm附近,而在这一波段可输出较大激光峰值功率且具有较为成熟的技术的激光器只有Nd:YAG固体激光器,特别是YAG固体激光器可通过激光调Q技术压缩激光的脉冲宽度到ns量级,可使单脉冲能量为几百毫焦的激光器输出峰值功率为几十兆瓦激光。