CN110018494A - 一种提升浑浊水下激光成像分辨率的系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提升浑浊水下激光成像分辨率的系统及方法，包括：激光入射模块，所述激光入射模块包括蓝绿脉冲激光器和发射光学单元，所述蓝绿脉冲激光器的输出端与所述发射光学单元的输入端相连，所述发射光学单元的输出端朝向目标物；及激光成像模块，接收目标物反射的成像信号，所述激光成像模块包括依次连接的接收光学单元、距离选通单元、非线性光折变晶体、成像透镜、光电探测器以及连接所述距离选通单元的数字信号延时器和连接所述非线性光折变晶体的外加电压源。滤除后向散射噪声并提高图像对比度；再控制含噪图像光束非线性自聚焦效应的强度，实现前向散射噪声向图像信号聚集，从而提升浑浊水下目标物激光成像的分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种提升浑浊水下激光成像分辨率的系统及方法。
背景技术
激光水下目标探测和成像技术具有广阔的应用前景和重要的军事战略意义。目前激光水下目标成像技术虽然取得了较大进展，但由于海水(近海岸海水、海湾、浅海等)浑浊度较高，其在海洋领域的应用仍存在诸多技术难点，例如激光在水下能量衰减较大，导致水下目标的反射信号很弱；以及水中悬浮物对蓝绿激光和目标图像信号的方向和强度存在随机散射的干扰而引入了前向散射噪声和后向散射噪声，这将导致水下目标成像的严重退化，图像对比度和图像分辨率大大降低，图像变得模糊不清。
现有技术中，已经发展了几种较为成熟的消除后向散射光的水下成像技术，包括：距离选通成像技术、条纹管水下三维成像技术、同步扫描技术、偏振光水下成像技术。①距离选通技术采用具有选通功能的接收器，只有当反射光脉冲到达接收器时选通门才处于打开状态，其它时间选通门处于关闭状态，从而抑制了大部分水体后向散射光，极大改善了系统信噪比。但是由于距离选通技术采用全视场接收，在选通门打开时非目标区域的散射光、背景光也进入了接收器而导致一定的额外噪声，限制了系统信噪比的进一步提高。②条纹管水下三维成像技术具有提供完善的三维信息能力的特点，但是成像结果受条纹管本身噪声影响较大，需要条纹管接收器性能并改进图像处理方法。③同步扫描技术基于水的后向散射光强相对于激光中心轴迅速减小的原理，利用空间差异减小进入接收器的后向散射光强度，然后通过同步扫描，以像素点为单位进行探测，最终实现提高成像对比度和探测距离。但高精度探测的保证条件为精密的扫描系统结构设计和精确地同步控制系统，从而导致水下扫描成像系统的高成本和大体积，难以满足灵活性和便携性要求较高的应用需求。④偏振成像技术是根据目标反射光和水体后向散射光偏振特性不一样的原理来改善成像质量的，然而目标反射光通过偏振片时的能量衰减较大。
综上，尽管上述几种技术在抑制后向散射噪声方面发挥了积极的作用，但仍存在许多难以克服的困难限制了浑浊水下目标物成像水平的进一步提高。同时，对于前向散射噪声，由于信号和噪声同频且到达成像探测器的时间一致，目前还未发现较为成熟的方法来消除前向散射噪声。
因此，探索发展能够同时处理前向散射噪声和后向散射噪声的新型水下成像技术对于实现浑浊水下目标高分辨成像意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提升浑浊水下激光成像分辨率的系统及方法，以解决浑浊水下目标物成像存在能量衰减较大以及前向散射噪声和后向散射噪声导致的图像对比度和分辨率降低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种提升浑浊水下激光成像分辨率的系统，包括：
激光入射模块，所述激光入射模块包括蓝绿脉冲激光器和发射光学单元，所述蓝绿脉冲激光器的输出端与所述发射光学单元的输入端相连，所述发射光学单元的输出端朝向目标物；及
激光成像模块，接收目标物反射的成像信号，所述激光成像模块包括依次连接的接收光学单元、距离选通单元、非线性光折变晶体、成像透镜、光电探测器以及连接所述距离选通单元的数字信号延时器和连接所述非线性光折变晶体的外加电压源；
其中，所述蓝绿脉冲激光器用于发射脉冲激光束；
所述发射光学单元用于将所述脉冲激光束进行扩束及准直；
所述接收光学单元用于对含噪图像信号进行收集、聚焦、准直及调节相干长度；
所述距离选通单元能够通过调节数字信号延时器滤除后向散射噪声；
所述非线性光折变晶体通过调节外加电场强度控制含噪图像光束非线性自聚焦效应的强度；
所述成像透镜用于对目标脉冲图像成像；
所述光电探测器用于采集记录成像信息。
进一步地，在所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统中，所述非线性光折变晶体为Sr0.61Ba0.25Nb2O3，晶体掺杂为CeO2，掺杂浓度为0.005％。
进一步地，在所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统中，所述非线性光折变晶体为长方体状，且所述非线性光折变晶体的尺寸为4.5×4.5×9.5mm3～5.5×5.5×10.5mm3。
进一步地，在所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统中，所述非线性光折变晶体沿晶轴方向镀电极用于接外加电压，所述外加电压为850V～950V。
进一步地，在所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统中，所述激光成像模块还包括衰减片，所述衰减片的输入端能够接收目标物反射的含噪图像信号，且输出端连接所述接收光学单元。
进一步地，在所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统中，所述发射光学单元为目镜可变焦的倒置伽利略望远系统，所述伽利略系统包括：一负透镜和一正透镜，所述负透镜能够对光束进行扩束，所述正透镜能够对扩束后的光束进行准直。
进一步地，在所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统中，所述接收光学单元为卡塞格林双反射望远系统，所述双反射望远系统包括：依次排列的第一反射镜、第二反射镜以及准直透镜，所述第一反射镜呈抛物面，用于收集光束；所述第二反射镜呈双曲面，用于对收集的成像光束进行聚焦；所述准直透镜用于对成像光束进行准直，并通过调节所述准直透镜位置以调节相干长度。
进一步地，在所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统中，所述蓝绿脉冲激光器输出的脉冲激光束的波长为532nm，脉宽9.5ns～10.5ns，重复频率0.9kHz～1.1kHz。
本发明还提供一种提升浑浊水下激光成像分辨率的方法，包括：
S1：发射脉冲激光束；
S2：对将所述脉冲激光束进行扩束、准直，并朝向浑浊水下的目标物入射；
S3：对目标物反射的含噪图像信号进行收集、聚焦、准直及调节相干长度；
S4：调节数字信号延时器使所述距离选通单元快门时间与含噪图像信号同步，以滤除后向散射噪声；
S5：滤除后向散射噪声后的图像信号输入到所述非线性光折变晶体中，调节所述非线性光折变晶体的外加电场强度，以控制含噪图像光束非线性自聚焦效应的强度；
S6：对目标脉冲图像成像，并采集记录成像信息。
进一步地，在所述提升浑浊水下激光成像分辨率的方法中，步骤S3：对目标物反射的含噪图像信号进行收集、聚焦、准直及调节相干长度包括：
S31：对目标物反射的含噪图像信号进行衰减；
S32：对衰减后的含噪图像信号进行收集、聚焦、准直及调节相干长度。
在本发明提供的一种提升浑浊水下激光成像分辨率的系统及方法中，通过距离选通单元与数字延迟器使得快门时间与含噪图像信号同步，滤除后向散射噪声并提高图像对比度；再将图像信号输入到非线性光折变晶体中，调节非线性光折变晶体的外加电场强度，以控制含噪图像光束非线性自聚焦效应的强度，实现前向散射噪声向图像信号聚集，从而提升浑浊水下目标物激光成像的分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例提升浑浊水下激光成像分辨率系统的示意图；
图2为本发明实施例提升浑浊水下激光成像分辨率方法的流程示意图；
图3为清水下目标物成像的效果图；
图4为浑浊水下目标物成像的效果图；
图5为本发明实施例中浑浊水下目标物成像的效果图；
其中，
1-蓝绿脉冲激光器；2-发射光学单元；3-接收光学单元；4-距离选通单元；5-数字信号延时器；6-非线性光折变晶体；7-外加电压源；8-成像透镜；9-光电探测器；10-衰减片；11-目标物，12-玻璃水槽。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种提升浑浊水下激光成像分辨率的系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分；再次，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
首先，请参阅图1，本发明提供一种浑浊水下的目标物11成像分辨率的水下激光成像系统，本实施中采用玻璃水槽12盛放该浑浊水，所述目标物11位于浑浊水中，水体的散射系数约为4/m，所述水下激光成像系统包括：激光入射模块，所述激光入射模块包括蓝绿脉冲激光器1和发射光学单元2，所述蓝绿脉冲激光器1的输出端与所述发射光学单元2的输入端相连，所述发射光学单元2的输出端朝向目标物；及
激光成像模块，接收目标物反射的成像信号，所述激光成像模块包括依次连接的接收光学单元3、距离选通单元4、非线性光折变晶体6、成像透镜8、光电探测器9以及连接所述距离选通单元4的数字信号延时器5和连接所述非线性光折变晶体6的外加电压源7；
其中，所述蓝绿脉冲激光器1用于发射脉冲激光束，优选的，所述蓝绿脉冲激光器为LD泵浦的调Q全固态激光器，其输出的脉冲激光束的波长为532nm，脉宽9.5ns～10.5ns，重复频率0.9kHz～1.1kHz，本实施例选取输出脉冲激光束的脉宽10ns，重复频率1kHz；
所述发射光学单元2用于将所述脉冲激光束进行扩束及准直，入射至浑浊水下的目标物11以对其成像；
所述接收光学单元3用于对含噪图像信号进行收集、聚焦、准直及调节相干长度，优选的，将含噪图像信号相干长度调节为85μm～95μm，本实施例选取90μm；
所述距离选通单元4能够通过调节数字信号延时器5滤除后向散射噪声；
所述非线性光折变晶体6通过调节外加电压源7产生的电场强度控制含噪图像光束非线性自聚焦效应的强度，优选的，所述非线性光折变晶体6为Sr0.61Ba0.25Nb2O3，晶体掺杂为CeO2，掺杂浓度0.005％；所述非线性光折变晶体6为长方体状，且其尺寸为4.5×4.5×9.5mm3～5.5×5.5×10.5mm3；所述非线性光折变晶体6沿晶轴方向镀电极用于接外加电压，所述外加电压为850V～950V，本实施例中选取所述非线性光折变晶体6的尺寸为5×5×10mm3，所述外加电压为900V，其输出图像质量最佳；
所述成像透镜8用于对目标脉冲图像成像；所述光电探测器9用于采集记录成像信息。
由此，通过距离选通单元4与数字延迟器5使得快门时间与含噪图像信号同步，滤除后向散射噪声并提高图像对比度；再将图像信号输入到非线性光折变晶体6中，调节非线性光折变晶体6的外加电场强度，以控制含噪图像光束非线性自聚焦效应的强度，通过信号光和噪声光在非线性光折变晶体6中的耦合作用，实现在信号光诱导下噪声能量向信号方向聚集，实现前向散射噪声向图像信号聚集，从而提升浑浊水下目标物激光成像的分辨率，具有成本低、系统简单、操作方便、兼容性好等优点。如图5所示，在本实施例中目标脉冲图像成像的分辨率约为28.51lp/mm。
优选的，所述激光成像模块还包括衰减片10，所述衰减片10的输入端能够接收目标物反射的含噪图像信号，且输出端连接所述接收光学单元3，优选的，衰减后的含噪图像信号光强为4.5W/m2～5.5W/m2，本实施例衰减后的含噪图像信号光强为5W/m2。
优选的，所述发射光学单元2可采用目镜可变焦的倒置伽利略望远系统，其包括：一负透镜和一正透镜，所述负透镜能够对光束进行扩束，所述正透镜能够对扩束后的光束进行准直。通过调谐所述负透镜的位置获得可变光束发散角的准直激光，以满足光发射系统的不同性能要求。这种连续变倍的倒置伽利略望远系统具有变倍比高、尺寸小、结构简单等优点。
优选的，所述接收光学单元3可采用卡塞格林双反射望远系统，其包括：依次排列的第一反射镜、第二反射镜以及准直透镜，所述第一反射镜呈抛物面，用于收集光束；所述第二反射镜呈双曲面，用于对收集的成像光束进行聚焦；所述准直透镜用于对成像光束进行准直，并通过调节所述准直透镜位置以调节相干长度。请参考图2，本发明还提供一种用于浑浊水下的目标物11成像的水下激光成像方法，包括：
步骤S1：发射脉冲激光束，具体的，所述蓝绿脉冲激光器1发射波长532nm、重复频率1kHz、脉宽10ns的脉冲激光束。
步骤S2：对将所述脉冲激光束进行扩束、准直，并朝向位于所述玻璃水槽3浑浊水下的目标物11入射，具体的，所述发射光学单元2入射的脉冲激光束在到达目标物11前将引入后向散射噪声，被目标反射回的含噪脉冲图像信号在浑浊水下传输过程中将引入前向散射噪声，使图像对比度和分辨率下降，如图3、图4所示，清水下与浑浊水下目标物11成像的区别。
步骤S3：对目标物11反射的含噪图像信号进行收集、聚焦、准直及调节相干长度，较佳的，所述接收光学单元3调节后的相干长度约为90μm。
步骤S4：调节数字信号延时器使所述距离选通单元4快门时间与含噪图像信号同步，以滤除大部分后向散射噪声，提升图像对比度。具体的，所述数字信号延时器5控制所述距离选通单元4的快门打开时间，确保只有在激光脉冲成像后返回到所述距离选通单元4时快门打开，因此，快门的打开时间对于激光脉冲的发射时间是延迟的。通过成像距离，计算激光脉冲成像的往返时间，所述数字信号延迟器5发生ps精度的延迟信号来控制所述距离选通单元4的快门打开时间。当成像脉冲未达到时，快门关闭，后向散射噪声无法通过所述距离选通单元4。当成像脉冲到达时，快门打开，成像信号通过并进行传递。
步骤S5：滤除后向散射噪声后的图像信号输入到所述非线性光折变晶体6中，调节所述非线性光折变晶体6的外加电源7产生的电场强度，以控制含噪图像光束非线性自聚焦效应的强度，具体的，所述非线性光折变晶体6的尺寸为5×5×10mm3，所述外加电压为900V，其输出图像质量最佳。
步骤S6：所述成像透镜8对目标脉冲图像成像，并由所述光电探测器9采集记录成像信息。
由此，通过上述步骤S1-S6，通过距离选通单元4与数字延迟器5使得快门时间与含噪图像信号同步，滤除后向散射噪声并提高图像对比度；再将图像信号输入到非线性光折变晶体6中，调节非线性光折变晶体6的外加电场强度，以控制含噪图像光束非线性自聚焦效应的强度，实现前向散射噪声向图像信号聚集，从而提升浑浊水下目标物激光成像的分辨率。
优选的，步骤S3：对目标物反射的含噪图像信号进行收集、聚焦、准直及调节相干长度具体包括：
S31：对目标物反射的含噪图像信号进行衰减，较佳的，衰减后的含噪图像信号光强为4.5W/m2～5.5W/m2；
S32：对衰减后的含噪图像信号进行收集、聚焦、准直及调节相干长度，较佳的，将含噪图像信号相干长度调节为85μm～95μm。
综上所述，在本发明提供的一种提升浑浊水下激光成像分辨率的系统及方法中，具有如下优点：
通过非线性光折变晶体及其外加电源，调节光折变晶体中的自聚焦效应，实现前向散射噪声向图像信号聚集，从而提升浑浊水下目标物激光成像的分辨率，解决了浑浊水下目标物成像前向散射噪声和后向散射噪声导致的图像对比度和分辨率降低的问题。
进一步地，非线性自聚焦效应实现前向散射噪声空间再分布，能够实现被水下散射噪声完全湮没的弱光图像重构，可进行高对比度、高分辨率水下激光成像，解决了传统技术无法有效探测被噪声完全湮没的弱光信号的技术难题。
更进一步，通过距离选通单元与数字延迟器使得快门时间与含噪图像信号同步，滤除后向散射噪声并提高图像对比度，与传统水下成像系统结合，在传统水下成像系统接收端增加非线性光学处理模块，具有成本低、系统简单、操作方便、兼容性好等优点。
最后所应说明的是，上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种提升浑浊水下激光成像分辨率的系统，其特征在于，包括：
激光入射模块，所述激光入射模块包括蓝绿脉冲激光器(1)和发射光学单元(2)，所述蓝绿脉冲激光器(1)的输出端与所述发射光学单元(2)的输入端相连，所述发射光学单元(2)的输出端朝向目标物；及
激光成像模块，接收目标物反射的成像信号，所述激光成像模块包括依次连接的接收光学单元(3)、距离选通单元(4)、非线性光折变晶体(6)、成像透镜(8)、光电探测器(9)以及连接所述距离选通单元(4)的数字信号延时器(5)和连接所述非线性光折变晶体(6)的外加电压源(7)；
其中，所述蓝绿脉冲激光器(1)用于发射脉冲激光束；
所述发射光学单元(2)用于将所述脉冲激光束进行扩束及准直；
所述接收光学单元(3)用于对含噪图像信号进行收集、聚焦、准直及调节相干长度；
所述距离选通单元(4)能够通过调节数字信号延时器(5)滤除后向散射噪声；
所述非线性光折变晶体(6)通过调节外加电场强度控制含噪图像光束非线性自聚焦效应的强度；
所述成像透镜(8)用于对目标脉冲图像成像；
所述光电探测器(9)用于采集记录成像信息。
2.如权利要求1所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统水下激光成像系统，其特征在于，所述非线性光折变晶体(6)为Sr0.61Ba0.25Nb2O3，晶体掺杂为CeO2，掺杂浓度为0.005％。
3.如权利要求1所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统，其特征在于，所述非线性光折变晶体(6)为长方体状，且所述非线性光折变晶体(6)的尺寸为4.5×4.5×9.5mm3～5.5×5.5×10.5mm3。
4.如权利要求1所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统，其特征在于，所述非线性光折变晶体(6)沿晶轴方向镀电极用于接外加电压，所述外加电压为850V～950V。
5.如权利要求1所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统，其特征在于，所述激光成像模块还包括衰减片(10)，所述衰减片(10)的输入端能够接收目标物反射的含噪图像信号，且输出端连接所述接收光学单元(3)。
6.如权利要求1所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统，其特征在于，所述发射光学单元(2)为目镜可变焦的倒置伽利略望远系统，所述伽利略系统包括：一负透镜和一正透镜，所述负透镜能够对光束进行扩束，所述正透镜能够对扩束后的光束进行准直。
7.如权利要求1所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统，其特征在于，所述接收光学单元(3)为卡塞格林双反射望远系统，所述双反射望远系统包括：依次排列的第一反射镜、第二反射镜以及准直透镜，所述第一反射镜呈抛物面，用于收集光束；所述第二反射镜呈双曲面，用于对收集的成像光束进行聚焦；所述准直透镜用于对成像光束进行准直，并通过调节所述准直透镜位置以调节相干长度。
8.如权利要求1所述提升浑浊水下激光成像分辨率的系统，其特征在于，所述蓝绿脉冲激光器(1)输出的脉冲激光束的波长为532nm，脉宽9.5ns～10.5ns，重复频率0.9kHz～1.1kHz。
9.一种提升浑浊水下激光成像分辨率的方法，其特征在于，包括：
S1：发射脉冲激光束；
S2：对将所述脉冲激光束进行扩束、准直，并朝向浑浊水下的目标物入射；
S3：对目标物反射的含噪图像信号进行收集、聚焦、准直及调节相干长度；
S4：调节数字信号延时器(5)使所述距离选通单元(4)快门时间与含噪图像信号同步，以滤除后向散射噪声；
S5：滤除后向散射噪声后的图像信号输入到所述非线性光折变晶体(6)中，调节所述非线性光折变晶体(6)的外加电场强度，以控制含噪图像光束非线性自聚焦效应的强度；
S6：对目标脉冲图像成像，并采集记录成像信息。
10.如权利要求9所述提升浑浊水下激光成像分辨率的方法，其特征在于，步骤S3：对目标物反射的含噪图像信号进行收集、聚焦、准直及调节相干长度包括：
S31：对目标物反射的含噪图像信号进行衰减；
S32：对衰减后的含噪图像信号进行收集、聚焦、准直及调节相干长度。
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