CN108226954A - 一种水下扫描激光雷达成像方法 - Google Patents

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张延超
田兆硕
孙兰君
崔子浩
付石友
王玲
张珊珊
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Weihai Vocational College
Harbin Institute of Technology Weihai
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Weihai Vocational College
Harbin Institute of Technology Weihai
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Abstract

本发明提出一种水下扫描激光雷达成像方法，包括以下步骤：S1、利用时序控制器控制窄脉冲激光器以设定的重复频率发射激光脉冲，经扫描器后照射水下目标的起始部位，同时或采用距离选通技术开启选通成像器，以获取扫描器所对应的水下目标位置的回波图像，该回波图像是一个或多个激光脉冲时间积分后的图像；S2、控制扫描器进行线性扫描和步进扫描，重复S1，获取扫描器运动后所对应的水下目标位置处的回波图像；S3、重复S2，以获取水下目标各位置处的回波图像；S4、对一个扫描周期内选通成像器获取的图像在空间上进行积分，获得一帧水下目标的雷达图像；S5、重复S1‑S4，以获取下一帧水下目标的雷达图像。上述方法有效增强了水下激光成像距离和成像质量。

Description

一种水下扫描激光雷达成像方法
技术领域
本发明涉及激光雷达成像技术领域，特别是涉及一种水下扫描激光雷达成像方法。
背景技术
水下成像在深海资源开发、海洋科研以及水下工程作业、考古和救援等工程中具有广泛而重要的应用价值，正受到各国研究者的日益重视。目前水下成像探测技术中光电成像是最重要的方法之一，具有高分辨率的优点。
由于激光在海水中传输，水分子及其它杂质会对光产生强烈的散射作用，非目标探测距离处散射光信号严重干扰激光雷达水下成像质量。为提高探测信号比，要求将光电探测设备探测信号选通。相比传统单点式光电探测器，选通成像器(如ICCD相机、EMCCD相机)为面阵微光检测设备，可获取二维目标信息并成像，近年来被广泛的使用于水下激光成像。它通过控制选通门实现对非目标距离处海水散射信号的抑制，大大增加了探测信噪比。传统激光雷达水下成像采用大功率激光器，一般是Nd:YAG固体脉冲激光器作为照射光源，将发射激光扩束后照射目标，然后由ICCD相机或条纹管相机选通成像，获取水下目标激光图像。但是由于激光在水中传输时轴上激光能量衰减很大，将激光扩束后激光能量大幅衰减，这使得激光雷达水下成像距离受到了很大的限制。另外激光扩束后导致的光斑能量不均匀也会影响水下激光成像的质量。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种水下扫描激光雷达成像方法，以便解决水下激光成像距离短、成像质量差的问题。
为了实现上述目的，本发明提出了一种水下扫描激光雷达成像方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、利用时序控制器控制窄脉冲激光器以设定的重复频率发射激光脉冲，经扫描器后照射水下目标的起始部位，同时或采用距离选通技术开启选通成像器，以获取扫描器所对应的水下目标位置的回波图像，该回波图像是一个或多个激光脉冲时间积分后的图像；
步骤2、控制扫描器进行线性扫描和步进扫描，重复步骤1，获取扫描器运动后所对应的水下目标位置处的回波图像；
步骤3、重复步骤2，以获取水下目标各位置处的回波图像；
步骤4、对一个扫描周期内选通成像器获取的图像在空间上进行积分，获得一帧水下目标的雷达图像；
步骤5、重复步骤1-4，以获取下一帧水下目标的雷达图像。
优选的是，所述选通成像器采用ICCD相机。
优选的是，所述扫描器采用一维或二维扫描镜。
本发明的该方案的有益效果在于上述水下扫描激光雷达成像方法，通过配合扫描器发射高重频激光脉冲，采用ICCD相机选通曝光采集水下目标回波信号，实现水下目标成像，所述方法充分利用了ICCD相机的选通曝光连续采集能力和多道并行分析能力，有效增强了水下激光成像灵敏度和信噪比。对照现有水下激光成像技术，本发明所涉及的水下扫描激光雷达成像方法通过扫描方式获取目标全景扫描图像，避免了激光光斑因扩束产生的光能分布不匀、激光能量密度低、探测距离近的缺点，有效的提高成像质量，同等激光发射能量时，水下成像距离更大。
附图说明
图1示出了本发明所涉及的水下扫描激光雷达成像方法的流程图。
图2示出了本发明所涉及的水下扫描激光雷达成像系统的扫描轨迹示意图。
图3示出了采用本发明所涉及的水下扫描激光雷达成像方法所获得的水下目标的二维成像图，其中图3(a)为水下目标各位置处的回波图像，图3(b)为对一个扫描周期内选通成像器获取的图像在空间上进行积分，获得的一帧水下目标的雷达图像。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
本发明所涉及的水下扫描激光雷达成像系统采用窄脉冲激光器作为照明光源，采用扫描器实现对水下目标的扫描，采用选通成像器对目标回波信号进行采集。
如图1所示，本发明所涉及的水下扫描激光雷达成像方法包括以下步骤：
步骤1、利用时序控制器控制窄脉冲激光器以设定的重复频率发射激光脉冲，经扫描器后照射水下目标的起始部位，同时或采用距离选通技术开启选通成像器，以获取扫描器所对应的水下目标位置的回波图像，该回波图像是一个或多个激光脉冲时间积分后的图像。
步骤2、控制扫描器进行线性扫描和步进扫描，重复步骤1，获取扫描器运动后所对应的水下目标位置处的回波图像。
步骤3、重复步骤2，以获取水下目标各位置处的回波图像。
步骤4、对一个扫描周期内选通成像器获取的图像在空间上进行积分，获得一帧水下目标的雷达图像。
步骤5、重复步骤1-4，以获取下一帧水下目标的雷达图像。
在本实施例中，所述选通成像器采用ICCD相机，利用本发明所涉及的水下扫描激光雷达成像方法获取水下目标的二维成像图，所述扫描器采用二维扫描镜以进行扫描成像。如图2所示，二维扫描镜分别进行线性扫描和步进扫描，线性扫描为从西至东、从东至西的复式扫描，步进扫描是从北至南步进扫描。扫描器运动过程中，窄脉冲激光器以一定重复频率发射激光脉冲，以此实现对水下目标的全景激光扫描。本发明所涉及的ICCD相机选通脉冲可以与激光脉冲严格同步，也可以根据目标距离延时选通。
本发明所涉及的ICCD相机含M×N个像元，其中M是面阵ICCD像元行数，N是面阵ICCD像元列数。ICCD相机每个像元为一个探测单元，每个像元对应扫描器运动的不同位置，即水下目标不同位置。扫描器连续或步进的每一个位置可能对应发射了K个激光脉冲。本发明充分利用了ICCD相机对光信号的积分能力，ICCD相机每个像元探测为多个激光回波信号累加的结果。ICCD相机每个像元探测的信号强度记为I(i,j)：
其中k为正整数，Ek为ICCD相机获取第k个激光脉冲回波图像的强度。
如图3所示，ICCD相机第1行第1列像元接收的是扫描器运动的第1个位置处的目标回波信号，此时ICCD相机接收强度I可用如下矩阵表示：
式中除了第1行第1列ICCD相机探测像元有强度值为I1,1，其它探测像元探测的强度值均为0。
ICCD相机第M行第N列接收的是扫描器运动后所对应的水下目标位置处的回波信号，此时ICCD相机接收强度I变为：
式中除了第M行第N列ICCD相机探测像元有强度值为IM，N，其它探测像元探测的强度值均为0。
对一个扫描周期内ICCD相机获取的图像在空间上进行积分，此时ICCD相机接收强度I变为：
式中ICCD相机每个探测像元均为强度值，第i行第j列像元探测强度值I(i,j)为K个激光脉冲回波累加值。
扫描器扫描的一个周期内，ICCD相机不断曝光，扫描器完成水下目标的一次扫描，即ICCD相机所有像元全部采集完毕时，获取一帧水下目标雷达图像。
本发明所涉及的水下扫描激光雷达成像方法，通过配合扫描器发射高重频激光脉冲，采用ICCD相机选通曝光采集水下目标回波信号，实现水下目标成像，所述方法充分利用了ICCD相机的选通曝光连续采集能力和多道并行分析能力，有效增强了水下激光成像灵敏度和信噪比。对照现有水下激光成像技术，本发明所涉及的水下扫描激光雷达成像方法通过扫描方式获取目标全景扫描图像，避免了激光光斑因扩束产生的光能分布不匀、激光能量密度低、探测距离近的缺点，有效的提高成像质量，同等激光发射能量时，水下成像距离更大。

Claims (3)

1.一种水下扫描激光雷达成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤1、利用时序控制器控制窄脉冲激光器以设定的重复频率发射激光脉冲，经扫描器后照射水下目标的起始部位，同时或采用距离选通技术开启选通成像器，以获取扫描器所对应的水下目标位置的回波图像，该回波图像是一个或多个激光脉冲时间积分后的图像；
步骤2、控制扫描器进行线性扫描和步进扫描，重复步骤1，获取扫描器运动后所对应的水下目标位置处的回波图像；
步骤3、重复步骤2，以获取水下目标各位置处的回波图像；
步骤4、对一个扫描周期内选通成像器获取的图像在空间上进行积分，获得一帧水下目标的雷达图像；
步骤5、重复步骤1-4，以获取下一帧水下目标的雷达图像。
2.根据权利要求1所述的水下扫描激光雷达成像方法，其特征在于：所述选通成像器采用ICCD相机。
3.根据权利要求1所述的水下扫描激光雷达成像方法，其特征在于：所述扫描器采用一维或二维扫描镜。
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