脉冲调制激光雷达水下成像系统.docx资源-CSDN文库

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0. 引　言

水下成像技术是水下探测的一项重要技术，在目标探测、海洋地理工程等诸多领域有

着重要的应用。普通光源受限于水体环境的特点，作用距离有限且图像噪声很大，而蓝绿

激光在水中具有高透过率，可直接探测水下目标，其中 532 nm 波长的激光是最常使用的水

下探测激光

[1-2]

。

载波调制激光雷达在水下探测方面具有很大的优势，这是由于杂散使回波信号在多次

散射之后会丢失高频部分，而目标回波可以保留高频部分，因此在频域有着显著的区别，

配合滤波技术可以有效抑制后向散射。而条纹管激光雷达具有高精度三维成像的优点，因

此，结合二者的优势，笔者所在团队以高频调制激光器为探测源、条纹相机为接收器设计

了一套高分辨水下成像激光雷达系统。

载波调制激光雷达的研究最早源于 20 世纪 90 年代的美国 Drexel 大学的 Mullen 等人

[3-4]

，他们以 3 GHz 的微波源作为副载波，采用锁模方法将其调制到激光载波上，并进行了

水下目标探测，结果表明：相对于传统激光雷达，载波调制的激光雷达可使图像对比度改

善 17 dB 以上。随后，Mullen 等人又进行了多次实验和仿真，包括在大西洋进行了实地探

测实验，得出了该技术对后向散射的抑制可达到 20 dB 以上的结论。2002 年，Pellen 等人

进行了载波调制的激光雷达系统的水槽实验

[5]

，对激光脉冲进行了 1.5 GHz 的载波调制，

利用添加黏土粉末的方法改变水质，进一步验证了该方法具有显著的后向散射抑制作用。

常规的水下成像技术包括激光扫描水下成像、距离选通激光水下成像

[6]

，前者通过激

光器发出激光束，探测器接收激光束中心，通过二者的同步机械扫描成像；后者基于不同

距离的物体反射回来的激光到达探测器的时间不同这一原理，通过控制接收器的快门选通

来减少后向散射进入探测器，但是二者都无法提供完善的三维信息。条纹管水下激光三维

成像技术的核心部分是条纹管探测器

[7]

，它将接收的光信号在条纹管光电阴极上成像，再

经过信号转换、偏转与增强得到初始图像，最后再经过传统的电荷耦合器件（Charge

Coupled Device，CCD）技术采集，在信息处理机进行解调、去噪、图像反演、存储显示，

从而生成高精度的三维图像

[8]

。

目前载波调制激光雷达研究大多采用高频微波调制激光脉冲的方案，核心是获得高频

脉冲激光，笔者团队采用调 Q 技术和法布里-珀罗谐振腔（Fabry–Pérot cavity，F-P 腔）对

激光源实现高频调制设计激光器作为探测源，优点是可以获得更高能量的激光脉冲，提高

探测性能，并搭建 20 m 水槽对样机的性能参数进行了实验，实验结果表明该原理样机具有

良好的水下三维成像性能。

1. 系统设计原理

由光电阴极转换为电子像，随后时间序列上不同位置的电子经过扫描电场，被扫向与条纹

方向垂直的空间位置，完成时间信息到空间信息的转换，将狭缝提取的一维图像变为二维

图像，再经过倍增轰击荧光屏，完成电信号到光信号的转换，最后由 CCD 记录。其中核

心部分是条纹变像管，其像元数越多，成像精度越高。同时，其可见光波段光谱灵敏度越

高，信噪比越高，探测能力越强。

信号采集处理系统的核心是滤波处理，分为三部分：第一部分是针对条纹相机自身背

景噪声的预处理，通过三种方法对比得到均值滤波+邻域平均法滤波有更好的效果；第二

部分是针对回波信号，利用带通滤波滤除低频噪声，同时利用匹配滤波进一步增加信噪

比；第三部分是通过分析强度图得出剩余噪声基本集中于低强度段，利用阈值滤波对回波

信号做最后的处理。

1.2 高频调制激光器设计原理

海水的后向散射主要存在于低频区域，使用载波调制方法抑制后向散射时，调制频率

需要远大于后向散射信号的截止频率，一般选取 10

8

~10

10

Hz 的频率区间。对于载波调制激

光雷达系统，杂波由于多次散射后对发射脉冲在时域内有展宽效应，在频域内导致高频信

息丢失。而直接返回的目标回波则会完全保留高频部分，因此后向散射和目标回波在频域

特性上有着显著的不同，配合相应的滤波处理就可以有效地抑制后向散射。

高频调制激光器由西北工业大学研制，采用“振荡器+放大器”（Master Oscillator

Power-Amplifier，MOPA）结构，种子激光器为半导体泵浦的短腔亚纳秒脉冲激光器，波

长 1 064 nm，输出脉冲能量 300 μJ，脉冲宽度 770 ps，重复频率 1~100 Hz 可调，针对实际

需求，重复频率设置在 10 Hz。放大器采用半导体侧泵模块双通两级放大结构，经过两级

放大之后能量达到 170 mJ，并且脉冲宽度没有发生明显改变。 1 064 nm 基频光经过 KTP

倍频晶体获得 532 nm 的绿光输出，脉冲能量可达 80 mJ。磷酸钛氧钾（KTiOPO4，KTP）

晶体置于 F-P 腔内，应用 F-P 腔往返部分输出特性，获得脉冲间隔约为 2.1 ns，即载波频率

约为 478.5 MHz 的 532 nm 激光脉冲，图 2 为示波器采集的激光器输出波形。实际实验中

采用的激光器关键参数如表 1 所示。

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