一種距離選通水下激光成像系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究

呂文磊,張 旭,劉 可

(中國人民解放軍91550部隊43分隊， 遼寧 大連 116023)

目前使用較多的水下成像方式是水下自然光照射下高靈敏度高幀頻數(shù)字相機拍攝與錄像，這種方式雖然工程應(yīng)用成熟，但成像距離受水質(zhì)影響嚴重，故此種成像方式獲得的視頻圖像大部分對比度、清晰度不夠，細節(jié)分辨能力較差，不能完全滿足水下工程作業(yè)實況觀測的需求，故研究一種成像距離較遠、成像更清晰、細節(jié)分辨能力更好的水下成像方式很有意義。1963年人們在研究水對光波的透射性時發(fā)現(xiàn)波段在470～580 nm之間的藍綠激光在水中傳輸時衰減較其他波段小很多，很適合于水下應(yīng)用。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，具有高強度、高準直性和高單色性的激光光源被研制出來，于是基于藍綠激光透射窗口的水下激光成像系統(tǒng)設(shè)計與研究慢慢興起[1-2]。加拿大1990年開始了這方面的研究，至2009年共設(shè)計了三代產(chǎn)品：LUCIE1、LUCIE2和LUCIE3，其中第三代系列產(chǎn)品可在7.35倍衰減長度距離對豎條紋靶成像分辨[3-4]。美國的SPARTA公司在1994年研制的See-Ray距離選通成像系統(tǒng)能探測到6.4倍衰減長度的目標[5]。另外，丹麥、瑞典、新加波等國在這方面也分別取得了一些突破，成功研制了一些水下激光成像系統(tǒng)[6-8]。

鑒于國外技術(shù)封鎖，國內(nèi)應(yīng)用需求較少，且研究成本較大，故國內(nèi)關(guān)于水下藍綠激光成像系統(tǒng)的研究進展緩慢，鮮有工程應(yīng)用的產(chǎn)品與實例。本文借鑒國外設(shè)計思想，設(shè)計了一種距離選通水下激光成像系統(tǒng)，介紹了其工作原理、系統(tǒng)組成及功能模塊，分析了其工作流程，最后對其水下成像效果進行了實驗研究，實驗結(jié)果顯示此距離選通水下激光成像系統(tǒng)較常規(guī)自然光被動成像系統(tǒng)成像距離遠很多，能達到約6倍衰減長度，且細節(jié)分辨能力較好，對水下工程作業(yè)高清晰度實況觀測具有很好的參考意義。

1 工作原理

水下光電成像探測的兩個主要障礙是海水對光線的強烈吸收及嚴重的后向散射，前者降低系統(tǒng)的探測距離，后者降低圖像的對比度進而也降低探測距離。水下激光成像是一種主動光電成像技術(shù)，它利用了海水具有藍綠光學(xué)窗口的特性，采用透過率高的藍綠激光作為水下照明光源，同時采用距離選通技術(shù)抑制后向散射，其成像距離明顯提高，顯著優(yōu)于普通水下電視。另外，激光光源應(yīng)為較高脈沖重復(fù)頻率藍綠脈沖激光器，成像探測器采用高靈敏度門控選通型ICCD攝像機，其選通時間和幀頻可調(diào)，增加了后續(xù)圖像處理的靈活性。

距離選通技術(shù)是利用脈沖激光器和選通攝像機，以時間的先后分開不同距離上的散射光和目標的反射光，使由被觀察目標反射回來的輻射脈沖剛好在攝像機選通工作的時間內(nèi)到達攝像機并成像。

水下距離選通成像系統(tǒng)的工作原理[9-10]如下：

如圖1(a)所示，激光器產(chǎn)生脈寬極短的激光脈沖通過一定長度的水體后射向目標，在行進過程中，激光脈沖受到水分子和水中懸浮雜質(zhì)等的散射，一部分散射光會沿反方向返回攝像機，這些散射光屬非成像光線，會降低圖像的對比度，因此在此期間，攝像機快門一直處于關(guān)閉狀態(tài)，以阻止后向散射進入攝像機。如圖1(b)所示，當激光脈沖到達目標被反射時，反射光線仍為等寬度的脈沖光，在目標反射光線返回攝像機的途中，攝像機快門仍然保持關(guān)閉，因為這期間后向散射仍然在陸續(xù)到達攝像機快門，僅當目標返回脈沖前沿到達攝像機的一剎那，攝像機快門打開，并保持一段時間(稱為選通時間)，讓返回脈沖進入快門，進行曝光成像，然后關(guān)閉，曝光時間大體上與激光脈沖的脈寬相比擬或者稍寬。這樣就保證了只有極少的后向散射可以進入攝像機，激光脈沖的脈寬越窄，后向散射的影響越小，通常用于深海光電成像的激光脈沖的脈寬應(yīng)為納秒量級。從激光器發(fā)出激光脈沖到攝像機快門打開之間有時間延遲2T，該延遲量決定了系統(tǒng)可以對距離cT處的目標成像，而激光脈沖的脈寬τ及攝像機的快門開啟時間η決定了系統(tǒng)的選通深度。

圖1 水下激光距離選通成像系統(tǒng)工作原理

距離選通成像系統(tǒng)的一個重要特點是觀察景深可調(diào)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對大范圍場景目標進行觀察，需要對系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定。系統(tǒng)觀察區(qū)域的設(shè)定方法如圖2所示。

圖2 距離選通系統(tǒng)可視區(qū)域圖示

根據(jù)距離選通成像原理，對于處于系統(tǒng)視場范圍內(nèi)的目標不一定可見，而只有當目標既處于系統(tǒng)視場范圍內(nèi)，且處于系統(tǒng)的選通深度(DOG)內(nèi)時才可見，區(qū)域1和區(qū)域2不可見。通過調(diào)節(jié)選通延遲時間可以改變觀察距離L，選通延遲時間越大，目標觀察距離L越遠，二者成比例關(guān)系；選通深度可以通過改變ICCD攝像機的曝光時間長短來調(diào)節(jié)，曝光時間越長，選通深度越大，二者成線性關(guān)系。

距離選通成像系統(tǒng)要求成像設(shè)備能夠在水下微光條件下使用，并且具有外部控制和選通功能，這就要求成像設(shè)備具有高靈敏度、高分辨率、高速觸發(fā)、低背景噪聲和足夠的增益動態(tài)范圍等。

系統(tǒng)采用像增強型CCD(Image Intensifier CCD,ICCD)作為成像設(shè)備。它以光纖光錐為中繼元件，把微通道板式圖像增強器與CCD耦合起來組成微光成像器件[11]。入射光經(jīng)變焦物鏡成像在像增強器的光電陰極上，當光電陰極與微通道板之間加載負電壓時，像增強器處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時陰極發(fā)射的電子順利進入MCP通道內(nèi)，電子在MCP內(nèi)實現(xiàn)倍增，從MCP輸出端射出的電子在高壓場作用下加速轟擊熒光屏并投射到CCD上，從而實現(xiàn)微光放大；當光電陰極與微通道板之間加載正電壓時，像增強器處于關(guān)閉狀態(tài)，由光電陰極發(fā)射的電子在反向電壓作用下返回光電陰極，無法到達微通道板。因此，快速改變施加電壓的正負即可實現(xiàn)像增強器的開啟與關(guān)閉，以此來實現(xiàn)系統(tǒng)納秒級時間內(nèi)選通曝光成像[12]。這樣，像增強器的開啟關(guān)閉起到了攝像機“快門”的作用。

同步控制技術(shù)是距離選通成像系統(tǒng)的核心技術(shù)，若是不能實現(xiàn)激光器與選通成像攝像機的良好同步，可能將無法得到目標圖像。距離選通同步控制技術(shù)主要是使激光器和ICCD同步，根據(jù)激光器與目標景物的距離、景深確定延時時間及頻率，以此來設(shè)計同步時序。同步控制主要控制像增強器的開啟時間與激光器發(fā)射脈沖同步，定時時間由激光脈沖從激光器發(fā)射開始傳輸?shù)侥繕松?，再由目標反射到成像攝像機所需要的時間決定，脈沖寬度取決于目標景深。針對不同的成像距離決定相應(yīng)的光程時間，得到不同距離所需的延時時間，當需要改變成像距離時，只需改變相應(yīng)的選通脈沖延時時間。

2 設(shè)備組成

距離選通水下激光成像系統(tǒng)物理上由艙內(nèi)的主控臺、水下耐壓殼體及二者相連的水密電纜組成。從功能上看，系統(tǒng)主要由激光照明分系統(tǒng)、ICCD成像分系統(tǒng)、距離選通同步控制分系統(tǒng)和顯控分系統(tǒng)組成，功能組成結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 距離選通水下激光成像系統(tǒng)功能組成框圖

主控臺布置在艙室內(nèi)，用于對水下裝置進行控制以及對采集到的狀態(tài)及圖像數(shù)據(jù)進行處理、存儲和顯示等，其余部分將用耐壓密封殼體封裝，布置在水下，兩者之間通過水密電纜連接，水密電纜內(nèi)含RS232接口、RS485接口、RS422接口、同軸電纜、電源線等，用來傳輸電源、圖像數(shù)據(jù)、控制指令和狀態(tài)信息等。

系統(tǒng)采用藍綠脈沖激光器作為主動照明器，為適應(yīng)水下不同環(huán)境，照明鏡頭通過調(diào)焦可對激光器出射的激光束發(fā)散角進行調(diào)節(jié)，以滿足不同距離的照明需求。系統(tǒng)采用門控選通型ICCD攝像機作為成像器，該攝像機具有快門延遲、光圈(快門選通控制信號的占空比)、幀頻、MCP增益等的調(diào)節(jié)功能，成像鏡頭是變焦鏡頭，其成像視場與照明視場相匹配，通過同步控制裝置協(xié)調(diào)藍綠脈沖激光器和門控選通型ICCD攝像機的工作同步，包括激光脈寬、快門延遲時間、選通(積分)時間、光圈(陰極選通脈沖占空比)、幀頻(CCD外觸發(fā)頻率)、MCP增益等參數(shù)的設(shè)置，以及激光照明和成像視場的匹配。門控選通型ICCD攝像機的像增強器陰極可進行高頻率曝光，通過攝像機本身進行幀積分累加平均操作(多次曝光累積能量)或者專門設(shè)計的視頻采集卡進行采集和幀疊加平均，同時根據(jù)水體的點擴散函數(shù)對圖像進行反卷積變換去圖像退化以降低圖像噪聲，提高圖像質(zhì)量，并輸出標準模擬視頻信號，然后通過水密電纜傳輸給主控計算機，主控計算機上的標準視頻采集卡對視頻信號進行采集，由計算機作進一步的處理，例如圖像增強、存儲和顯示。同步控制裝置是水下部分的控制中心，對以上所有部件進行集中控制，使之協(xié)調(diào)工作,它包括距離選通控制模塊、調(diào)焦控制模塊和激光主波采樣模塊。ICCD輸出的視頻信號通過水密同軸電纜傳輸至艙內(nèi)控制臺進行后續(xù)處理。

3 工作流程

水下激光距離選通成像系統(tǒng)可用于水下目標搜索成像，并適合于觀察水下運動目標，由于成像原理的限制，選通區(qū)域的寬度很窄，系統(tǒng)在某一時刻只能觀察到一薄層海水中的目標，并且該薄層離系統(tǒng)的距離由攝像機快門延遲時間決定，為了能探測到較大距離范圍內(nèi)的目標，還必須用軟件的方法來連續(xù)調(diào)整系統(tǒng)的某些參數(shù)，如選通延遲時間、照明和攝像機視場等，確保能由近及遠地搜索到目標，基于此，可將系統(tǒng)的工作模式簡單地分為兩種：定距觀測模式及搜索模式。定距觀測時，選通延遲時間事先設(shè)定不再更改，系統(tǒng)固定探測某一薄層海水中的目標。系統(tǒng)工作在搜索模式時，選通延遲時間由同步控制裝置進行連續(xù)調(diào)整，由近及遠地搜索目標，搜索模式的工作流程圖如圖4所示。

4 實驗研究

實驗在實驗室水池中進行，水池如圖5所示，實驗樣機和實驗?zāi)繕说鯍旃潭ㄓ谒幸欢ㄉ疃?，實驗?zāi)繕巳鐖D6所示，采用間隔距離相等、粗細不同的若干白色塑料圓管構(gòu)成，白色圓管中心間隔距離約8 cm。

實驗時實驗樣機固定不動，實驗?zāi)繕丝汕昂笠苿右钥疾觳煌嚯x處距離選通水下激光成像系統(tǒng)成像效果。實驗過程中測得當時實驗條件下水池中光波的衰減長度約7 m。

從圖7、圖8可以看出：在距離10 m處，距離選通成像具有干凈的背景，成像清晰，而被動成像則混入了較多的噪聲，成像質(zhì)量差。

圖4 水下激光距離選通成像系統(tǒng)工作流程框圖

圖5 試驗水池

圖6 試驗?zāi)繕?/p>

圖7 距離選通10 m水下圖像

圖8 常規(guī)成像10 m水下圖像

圖9中目標下部較暗，是因為激光束主要照明視場中心，且發(fā)散角未設(shè)置太大造成的，通過調(diào)節(jié)照明視場與成像視場的大小可以使整個成像視場內(nèi)照度均勻。

在15 m處，常規(guī)成像時已很難分辨目標，達到了成像極限，而距離選通圖像還十分清晰，輪廓分明，如圖9、圖10所示。

圖9 距離選通15 m水下圖像

圖10 常規(guī)成像15 m水下圖像

在15 m之外，常規(guī)成像不能捕獲到目標，距離選通成像則可以繼續(xù)獲得質(zhì)量較好的圖像，如圖11、圖12所示。 30 m處圖像比25 m處亮度更高是由于此處加大了MCP電壓，提高了ICCD的增益。

圖11 距離選通25 m水下圖像

圖12 距離選通30 m水下圖像

如圖13、圖14所示，直至35 m處距離選通水下激光成像系統(tǒng)仍可以分辨目標，40 m處可探測到目標，但至45 m處只有一些稍亮的噪聲點，不能探測到目標。

圖13 距離選通35 m水下圖像

圖14 距離選通40 m水下圖像

5 結(jié)論

設(shè)計了一套距離選通水下激光成像系統(tǒng)，闡述了其系統(tǒng)組成、功能模塊及工作流程，最后進行了實驗室條件下的水下成像實驗，并與常規(guī)自然光被動成像效果進行對比。實驗結(jié)果顯示系統(tǒng)成像距離達40 m，約6倍衰減長度。

利用距離選通技術(shù)有效抑制了光波在水中傳輸時較大的后向散射，獲得了較自然光成像對比度增加、細節(jié)分辨能力增強的圖像信息。