一种新型水下激光成像系统

　　1　引　言

　　电磁波在水中传输时,由于受到水介质的吸收和散射,传播距离受到严重限制。然而,蓝绿光在水中传输时,具有“透明窗口”效应,因此水下成像系统的最佳光源是蓝绿激光。由于水介质对光波的强烈散射,影响水下激光成像距离的主要因素是后向散射光[1~3],为了尽量减少后向散射光对水下成像的影响,目前主要采用同步扫描和距离选通技术。虽然它们在一定程度上都减少了后向散射光的影响,提高了成像能力,但它们也都存在一些固有的不足。前者使用连续激光扫描和连续接收,由于激光功率低(一般小于5 W),因此目标反射光的能量少,接收器的灵敏度要求高,并且连续接收使得后向散射光及环境背景光等噪声光的累积仍然较大。后者使用全视场接收,使得非目标区域的后向散射光、背景光等也进入了接收器,不但接收了更多的外界光,而且全视场接收,使得计算机在处理图像时,不仅只处理从目标反射回每个脉冲光斑的信号所产生的像素点,而且能处理整个视场范围内的所有像素点,带来了许多额外噪声,降低了信噪比,从而也降低了成像能力。为了更有效地提高成像能力,本文提出一种新型水下激光成像技术,采用超短脉冲激光器作为光源,结合同步扫描技术和距离选通技术两者的优点,既利用准直器压缩光束的发散,提高激光束的能量密度,又利用距离选通技术和窄视场接收减小后向散射光的累积,从而成像距离远,分辨率高,且有同时进行测距与三维成像等的潜在优势。

　　2　工作原理和理论分析

　　2.1　工作原理

　　这种新型水下激光成像系统的构成方框图如图1所示。从超短脉冲激光器发出的脉冲光经准直,由同步子系统控制二维扫描机构,使脉冲光对目标表面逐点扫描照射(如图2所示)。同时,同步子系统也控制光接收器对照射的光点同步跟踪,然后距离选通子系统控制快门的开关,使目标反射光在到达接收器的瞬间打开快门,并使反射光进入成像系统,再经电荷耦合器件(CCD)转换,输出电信号,经采样/量化后送入计算机,这样就得到了重建图像的像素点。因此,实现该系统的主要技术是光源、距离选通和同步控制技术、准直器及光接收器等。超短脉冲蓝绿激光器比较成熟,主动锁模加调Q获得的蓝绿激光功率高,且性能稳定;克尔盒快门的开门时间达皮秒量级;距离选通和同步扫描技术已经达到实用阶段[1,2];使用三个透镜组合的准直器不仅能有效地准直激光,也能有效地消除像差[4];CCD的灵敏度达10-7lx,分辨率达0·08 mrad,并具有皮秒量级开关能力[1,5]。由此可见,该系统的同步扫描范围能达70度[2]。