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基于距离选通原理, 深入分析了水下脉冲传输和探测器选通接收间的时序关系, 建立了较为完善的距离选通时序模型; 基于搭建的水下脉冲激光距离选通实验平台, 设计了专门的模型验证实验。实验与仿真结果的一致性表明:模型能较好地描述水下距离选通成像过程, 预测成像对比度随延迟时间的变化, 可用于实际选通系统的性能预测和优化设计。此外, 还借助模型讨论了各参量对成像对比度的影响, 并介绍了利用距离选通技术直接测量水下脉冲时间展宽的方法。
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书书书
第
30
卷
第
11
期
光
学
学
报
Vol.30
,
No.11
2010
年
11
月
犃犆犜犃犗犘犜犐犆犃犛犐犖犐犆犃
犖狅狏犲犿犫犲狉
,
2010
文章编号:
02532239
(
2010
)
11317707
水下激光距离选通成像与脉冲展宽的时序模型
黄有为
王
霞
金伟其
丁
琨
李海兰
刘
敬
(北京理工大学光电学院 光电成像技术与系统教育部重点实验室,北京
100081
)
摘要
基于距离选通原理,深入分析了水下脉冲传输和 探测 器 选通 接收 间 的时 序关 系,建 立了 较为 完 善的 距离 选
通时序模型;基于搭建的水下脉冲激光距离选通实 验 平台,设 计 了专 门的 模 型验 证实 验。实 验与 仿 真结 果的 一 致
性表明:模型能较好地描述水下距离选通成像过程,预测成像对比度随延迟时间 的变 化,可 用于实 际选 通系统 的性
能预测和优化设计。此外,还借助模型讨论了各参量 对成 像对 比 度的 影响,并介 绍 了利 用距 离 选通 技术 直 接测 量
水下脉冲时间展宽的方法
。
关键词
光电子学;水下成像;激光成像;距离选通;脉冲时间展宽
中图分类号
TN249
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犃犗犛20103011.3177
犜犲犿
狆
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(
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,
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,
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犼
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犳
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犼
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犆犺犻狀犪
)
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,
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狆
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狆
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犵
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,
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狋狅犲犾犲犮狋狉狅狀犻犮狊
;
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犵
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狉犪狀
犵
犲
犵
犪狋犲犱
;
狆
狌犾狊犲狋犲犿
狆
狅狉犪犾狊狋狉犲狋犮犺犻狀
犵
收稿日期:
20091223
;收到修改稿日期:
20100326
基金项目:国家
863
计划(
2006AA09Z207
)资助课题。
作者简介:黄有为(
1983
—),男,博士研究生,主要从事水下激光成像及其图像处理技术等方面的研究。
Email
:
fronter
@
bit.edu.cn
导师简介:金伟其(
1961
—),男,教授,博士生导师,主要从事微光 与红外 技术、光 电图 像 处理、光 电检 测 技术 等方 面 的研
究。
Email
:
j
inw
q
@
bit.edu.cn
通信联系人。
Email
:
an
g
leniuniu
@
bit.edu.cn
1
引
言
光电成像探测技术作为当前迅速发展的水下成像
探测手段之一,具有成像分辨力高、图像自然直观以及
与人眼视觉一致等特点。由于水体对光辐射的强烈衰
减,使得一定深度的水下世界处于黑暗之中。因此,基
于主动照明的水下光电成像技术成为深水
(海)光电成
像探测的主要模式。在以吸收为主的清澈海水中,通
过提高照明光功率或选用更灵敏的探测器
,能有效提
升探测距离。但当水质变得浑浊,由微粒散射引起的
后向和前向散射光进入探测器,将迅速降低成像对比
度和分辨力。距离选通成像技术
[
1
]
利用照射路径上水
体散射光与目标反射光到达探测器的时刻差异,有选
择地接收目标反射光,而滤除水体后向散射光,可提升
浑浊水质条件下的探测距离和成像对比度
。目前,水
光
学
学
报
30
卷
下激光距离选通成像装置已在国外深海载人运载器、
水下遥控运载器和自治机器人等设备中获得有效应
用,而如何提高水下光电成像系统性能(作用距离和细
节分 辨 能 力 等)一 直 是 国 内 外 学 者 研 究 的 重 要 课
题
[
2
~
8
]
。国内有张毅等
[
9
]
研究了利用循环步进式选通
延时控制实现水下三维成像
;柏连发等
[
10
]
研究了距离
选通成像过程中选通控制器与选通像增强器直接电连
接时的干扰问题;孙健等
[
11
]
研究了选通门控信号对水
下成像质量的影响。然而,在激光脉冲时空展宽、探测
器选通门宽及延时控制如何影响选通范围和接收光功
率方面,国内外研究得还较少。本文将基于距离选通
成像原理,通过分析脉冲宽度、选通门宽和延迟时间的
关系,研究不同时间内接收回波所对应的散射区域及
其有效散射功率,并通过实验对模型进行验证。
图
1
距离选通成像技术原理图
Fi
g
.1 Dia
g
ramofran
g
e
g
atedima
g
in
g
technolo
gy
2
距离选通时序模型
典型距离选通成像系统的基本组成包括脉冲激
光器、选通探测器 和时序控 制 器。图
1
为距离选 通
成像技术的原理 图
。通常 为 缩小系统 总 体尺寸,往
往将激光器和选通探测器置于同侧且 贴得很近。激
光器在
犜
0
=
0
时刻向外发射一束脉冲,在
犜
1
时刻
照射到目标。设目标距离足够远,包含目标信息的反
射光将在
犜
2
时刻返回选通探测器,且有
犜
2
≈
2
犜
1
。
在传输过程中,部分 脉 冲光受介 质 散射偏离 原 来传
输方向,其中前 向 或后向散 射 光直接影 响 成像。控
制器在目标反射光返回之前始终让选通探测器保持
关闭状态,从而可滤除绝大部分水体后向散射光,提
高成像对比度。研究距离选通成像过程需要深入分
析脉冲激光传输和 探测器选 通 接收间的 关 系,确 定
选通接收的水体范围和散射光强度。
如图
2
所示,设脉冲激光初始脉宽为
犜
p
(
0
),全
部脉冲经水下
狋
= 0
至
狋
=
犜
2
时刻往返传输后,回
波脉宽展宽为
犜
p
(
犜
2
)。设选通探测器相对激光出光
时刻延迟
犜
d
时间后打开,而 后又持续开 启了
犜
g
时
间。
犜
d
和
犜
g
分别称为距离选通系统的延迟时间和
选通门宽。图中粗实线表示激光脉冲,带箭头的虚线
表示光束传输路径。
图
2
激光脉冲传输示意图
Fi
g
.2 Dia
g
ramoflaser
p
ulse
p
ro
p
a
g
ation
在给定
犜
p
(
0
)、
犜
d
和
犜
g
情况下,首先计算系统选
通接收的散射水体范围。图
3
(其中带箭头的点划线
为时间轴,时间起点定义在激光出光时刻)给出了选
通接收的两种极限情况,其中
2
狋
down
和
2
狋
u
p
分别表示激
光脉冲前沿经
狏
w
狋
down
和
狏
w
狋
u
p
(
狏
w
为水中光速)距离处
单位水体截面散射后返回探测器的时刻。当脉冲前
沿在
2
狋
u
p
时刻返回时,若探测器刚好经 历了
犜
d
延迟
和
犜
g
开启而重新返回关闭状态,即
2
狋
u
p
=
犜
d
+
犜
g
,则
探测器刚好无法接收到来自
狏
w
狋
u
p
处单位水体截面的
后向散射光;同样,当脉冲后沿在
2
狋
down
+
犜
p
(
2
狋
down
)
时刻返回时,若探测器刚好经历过
犜
d
延迟而正将由
关闭变为开启状态,即
2
狋
down
+
犜
p
(
2
狋
down
)
=
犜
d
,则探
测器也刚好无法接收到来自
狏
w
狋
down
处单位水体截面
的后向散射光。因此,后向散射光能被探测器接收的
散射水体范围
狕
应满足不等式
狏
w
狋
down
=
狏
w
犜
d
-
犜
p
(
2
狋
down
)
2
≤
狕
=
狏
w
狋
≤
狏
w
犜
d
+
犜
g
2
=
狏
w
狋
u
p
, (
1
)
图
3
脉冲传输和选通接收的时序关系
Fi
g
.3 Tem
p
oralrelationbetween
p
ulse
p
ro
p
a
g
ation
and
g
atedrece
p
tion
式中
狋
u
p
和
狋
down
分 别 为 以 传 输 时 刻 度 量 的 散 射 水 体
范围的上下限。对 于不透明 目 标面,一般假设 其 反
射光强度远大于其 后水体散 射 光的累积 强 度
,可 忽
略目标面之后水 体 散射光影 响。 于是,有效散射 水
体范围
狕
可再加入一个限制条件,
狕
≤
狏
w
犜
1
。
8713
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