CN101915925B - 一种基于电子快门的水下距离选通成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电子快门的水下距离选通成像方法，属于光电成像领域；包括水上控制终端、脉冲照明装置、选通控制器以及选通成像探测器，其中选通控制器由中控电路模块、延时电路模块以及电子快门模块组成。中控电路模块接收设置指令进行相应的处理，延时电路模块控制选通成像探测器的延迟时间，电子快门模块控制选通成像探测器的开启时间；选通成像探测器开启时接收目标的反射光生成图像信号来完成对目标的成像，实现水下探测。本发明采用电子快门来控制选通成像探测器的工作门限宽度，所控制的门限宽度较宽，使得相比传统方法其成像景深更宽，同时简化了延时电路设计和延时精度控制，降低了硬件设计的复杂度和设计成本。

Description

一种基于电子快门的水下距离选通成像方法

技术领域

本发明涉及一种基于电子快门的水下距离选通成像方法，属于光电成像领域。

背景技术

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、图像自然直观的特点。但是由于水体对光辐射的强烈衰减，使得一定深度的水下环境光照度极低。因此，基于主动照明的水下光电成像技术成为深水(或深海)光电成像探测的主要模式。由于水体及其中杂质对照明光束的吸收和散射，传输路径的水体后向和前向散射光进入探测器后，会迅速降低系统的成像对比度和分辨力，限制系统的成像探测距离。距离选通成像技术则利用脉冲光束照明时，传输路径上绝大部分水体杂散光与目标反射光在不同时间内到达成像探测器的特点，通过有选择地接收目标反射光，而滤除水体杂散光，从而有效提升了水下光电成像系统的探测距离和成像质量。目前，水下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，在国内也已开始形成装备。

水下距离选通成像系统的典型结构包括以下三部分：大功率脉冲照明装置(脉宽在纳秒量级)、选通成像探测器以及选通控制器。传统水下距离选通成像技术认为成像探测器的选通门宽应与照明光束脉宽保持一致，以尽可能多地滤除传输路径上的水体杂散光，实现最远的成像距离和最佳的成像质量。由于照明光束的脉宽和探测器的选通门宽均在纳秒量级，因此选通成像探测器仅能对目标附近很窄区域成像，从而限制了系统的成像景深。以5纳秒脉宽为例，其水中成像景深仅约为0.06米。因此，传统距离选通技术的层析或切片式成像模式不适于在水下大纵深距离上进行快速搜索式成像。

发明内容

经研究发现，在水下主动式光电成像中，影响探测距离和成像质量的主要因素是近程的水体后向散射光。因此，在有效滤除近程水体后向散射光的同时，可适当增大选通门宽，以获得较大的成像景深。基于上述思想，本发明提出一种基于电子快门的水下距离选通成像方法，能解决传统水下距离选通成像技术中景深窄的问题。

本发明的具体技术如下：

一种基于电子快门的水下距离选通成像方法，包括水上控制终端和水下成像探测系统，水下成像探测系统包括脉冲照明装置、选通控制器以及选通成像探测器；其中，选通控制器包括中控电路模块、延时电路模块和电子快门模块；

步骤一，水上控制终端向中控电路模块发送包括脉冲照明装置设置指令、延时电路设置指令以及电子快门设置指令的设置指令；

步骤二，中控电路模块根据水上控制终端传输过来的脉冲照明装置设置指令控制脉冲照明装置的开启/关闭时间以及脉冲光束的产生；同时将接收的延时电路设置指令传输给延时电路模块；将接收的电子快门设置指令传输给电子快门模块；

步骤三，延时电路模块根据接收到的延时电路设置指令选通成像探测器的延迟时间和延迟时间上限；同时，电子快门模块根据接收到的电子快门设置指令设置选通成像探测器的开关频率和选通门宽；

步骤四，在延迟时间内，选通成像探测器不响应输入光信号，输出图像为探测器的噪声图像；当延迟时间结束，电子快门打开时，选通成像探测器进入开启状态，接收入射光信号，生成图像信号；当电子快门关闭后，选通图像探测器将生成的图像信号传输给中控电路模块，延时电路模块将当前的延迟时间信息传输给中控电路模块，中控电路模块将接收到的图像信号和延迟时间信息传输给水上控制终端；

步骤五，水上控制终端对接收到的图像信号做出判断，若图像信号中未包含任何目标信息，则水上控制终端向中控电路模块发出动态工作模式指令，中控电路模块根据接收到的动态工作模式指令生成延时递增指令并传输给延时电路模块，延时电路模块根据接收到的延时递增指令进行控制延时时间的增加，实现更远距离的搜索；若图像信号中包含了目标信息，则水上控制终端向中控电路模块发出静态工作模式指令，中控电路模块根据接收到的静态工作模式指令生成延时固定指令并传输给延时电路模块，延时电路模块根据接收到的延时固定指令，将延迟时间固定为当前值，实现对当前距离上的目标进行持续观测；

步骤六，延时电路模块实时判断当前的延迟时间是否大于预先设定的延时时间上限，当步骤五中递增后的延迟时间大于或等于预设的延迟时间上限时，中控电路模块控制选通成像探测器以当前光路为基准将探测的方向顺时针旋转一个设定的角度，并将延迟时间进行重新设定；

步骤七，在断电之前重复步骤四至步骤六。

有益效果

本发明采用电子快门来控制选通成像探测器的选通门宽，所控制的门限宽度较宽，使得相比传统方法其成像景深更宽；

而且，用电子快门代替传统的选通控制器，简化了延时电路设计和延时精度控制，降低了硬件设计的复杂度和设计成本；

同时，本发明提出了动态搜索和静态观测两种工作模式，使该技术更加符合水下成像的实际应用特点。此外，通过严格控制时间延迟，还能获得探测目标的距离信息。

附图说明

图1方法的主体结构图；

图2方法具体实施的工作流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

一种基于电子快门的水下距离选通成像方法，包括水上控制终端(例如，中控计算机)和水下成像探测系统，二者通过光缆进行数据传输。水下成像探测系统包括脉冲照明装置(例如，脉冲激光器)、选通控制器及选通成像探测器(例如，选通增强型电荷耦合器件)。其中，选通控制器包括中控电路模块、延时电路模块和电子快门模块。其主体结构如图1所示。

水上控制终端与位于水下的中控电路模块之间通过串行接口(例如，RS232、RS485等)进行数据通信；而上下串行接口间的远程数据交互传输依靠光缆实现；中控电路模块再经由导线与脉冲照明装置的控制信号输入端、延时电路模块以及电子快门模块相连。系统初始工作状态为动态工作模式，其具体工作流程如图2所示。

步骤一：操作者通过控制程序界面将脉冲照明装置设置指令(以调Q激光器为例，可包括开/关信号、泵浦信号及调Q信号)、包括延迟时间设置指令和延迟时间上限设置指令的延时电路设置指令以及包括电子快门的触发频率设置指令、电子快门宽度值设置指令的电子快门设置指令输入到水上控制终端；水上控制终端再将上述设置指令经由串行接口发送至地面的光电转换器(例如，光端机)；光电转换器将上述电信号转化为调制光信号，并经由光缆传输至水下与光缆另一端相连的另一台光电转换器；该光电转换器再将接收的调制光信号解调为原来的电信号，并传输给中控电路模块。

步骤二：中控电路模块将接收到得脉冲照明装置设置指令传输至脉冲照明装置的控制信号输入端，脉冲照明装置根据接收的设置指令控制脉冲光束的出射频率；同时，将延时电路设置指令传输给延时电路模块，将电子快门设置指令传输给电子快门模块。

步骤三：延时电路模块根据接收的延时电路设置指令对选通成像探测器的开启时刻作相应时长的延迟处理，并设定相应的延迟时间上限值；当前的延时结束后，电子快门模块根据接收到的电子快门设置指令控制选通成像探测器的开关频率以及单次的选通门宽(即持续开启时间)。

步骤四：在脉冲照明器的光束出射的同时，选通成像探测器便在延时电路模块的控制下进入延迟开启状态，且延迟起点时刻可由中控电路模块或脉冲照明装置得出光信号确定。此时，选通成像探测器对入射光无响应，输出图像为探测器的噪声图像。该状态一直持续到延迟时间结束为止，而后选通成像探测器在电子快门模块的触发下迅速打开，并持续开启电子快门宽度所指定的时间。此时，选通成像探测器持续响应入射光信号，并生成图像信号；当电子快门关闭后，中控电路模块便将由选通成像探测器传输过来的图像信号和延时电路模块传输过来的当前的延迟时间信息依次经由视频和串行接口(中控电路模块端)、光电转换器(将电信号变为调制光信号)、光缆、光电转换器(将调制光信号解调为电信号)、视频和串行接口(水上控制终端处)传输到水上控制终端；水上控制终端同时将图像信号和延迟时间值显示于控制程序界面中，以便操作者查看。

步骤五：水上控制终端根据图像特征对其中所包含的信息做出判断，若判断结果为图像中未包含任何有用目标信息，则水上控制终端经由光缆向中控电路模块发出动态工作模式指令；中控电路模块根据接收到的动态工作模式指令生成动态控制指令传输给延时电路模块，延时电路控制模块控制延迟时间值递增，以便对更远距离的区域进行搜索式成像；若判断结果为图像中包含了有用的目标信息，则水上控制终端经由光缆向中控电路模块发出静态工作模式指令；中控电路模块根据接收到的静态工作模式指令生成静态控制指令传输给延时电路模块，延时电路模块控制当前延时时间保持不变，以便对当前距离的目标进行持续成像观测。

步骤六：延时电路模块实时判断当前的延迟时间是否大于预定设置延迟时间上限，当步骤五中递增后的延迟时间大于或等于预先设定的延迟时间上限时，中控电路模块向控制选通成像探测器以当前成像光路为基准将搜索方向旋转一个设定角度(例如，旋转10度)，并将延迟时间重新设置。

步骤七，再断电之前重复步骤四至步骤六。

Claims (1)

1.一种基于电子快门的水下距离选通成像方法，包括水上控制终端和水下成像探测系统，水下成像探测系统包括脉冲照明装置、选通控制器以及选通成像探测器；其中，选通控制器包括中控电路模块、延时电路模块和电子快门模块；

步骤一，水上控制终端向中控电路模块发送包括脉冲照明装置设置指令、延时电路设置指令以及电子快门设置指令的设置指令；

步骤二，中控电路模块根据水上控制终端传输过来的脉冲照明装置设置指令控制脉冲照明装置的开启/关闭时间以及脉冲光束的产生；同时将接收的延时电路设置指令传输给延时电路模块；将接收的电子快门设置指令传输给电子快门模块；

步骤三，延时电路模块根据接收到的延时电路设置指令选通成像探测器的延迟时间和延迟时间上限；同时，电子快门模块根据接收到的电子快门设置指令设置选通成像探测器的开关频率和选通门宽；

步骤四，在延迟时间内，选通成像探测器不响应输入光信号，输出图像为探测器的噪声图像；当延迟时间结束，电子快门打开时，选通成像探测器进入开启状态，接收入射光信号，生成图像信号；当电子快门关闭后，选通图像探测器将生成的图像信号传输给中控电路模块，延时电路模块将当前的延迟时间信息传输给中控电路模块，中控电路模块将接收到的图像信号和延迟时间信息传输给水上控制终端；

步骤五，水上控制终端对接收到的图像信号做出判断，若图像信号中未包含任何目标信息，则水上控制终端向中控电路模块发出动态工作模式指令，中控电路模块根据接收到的动态工作模式指令生成延时递增指令并传输给延时电路模块，延时电路模块根据接收到的延时递增指令进行控制延时时间的增加，实现更远距离的搜索；若图像信号中包含了目标信息，则水上控制终端向中控电路模块发出静态工作模式指令，中控电路模块根据接收到的静态工作模式指令生成延时固定指令并传输给延时电路模块，延时电路模块根据接收到的延时固定指令，将延迟时间固定为当前值，实现对当前距离上的目标进行持续观测；

步骤六，延时电路模块实时判断当前的延迟时间是否大于预先设定的延时时间上限，当步骤五中递增后的延迟时间大于或等于预设的延迟时间上限时，中控电路模块控制选通成像探测器以当前光路为基准将探测的方向顺时针旋转一个设定的角度，并将延迟时间进行重新设定；

步骤七，断电之前重复步骤四至步骤六。

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