CN111722248B - 基于波长可调谐脉冲激光源的水下距离选通高光谱成像系统 - Google Patents

基于波长可调谐脉冲激光源的水下距离选通高光谱成像系统 Download PDF

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Abstract

一种基于波长可调谐脉冲激光源的水下距离选通高光谱成像系统，采用角度可调的光学参量振荡器(OPO)产生波长可调谐的脉冲激光，用于对被探测的水下区域进行照明。在增强型电荷耦合器件(ICCD)拍摄期间，连续快速改变光学参量振荡器的角度来达到快速改变激光输出波长，从而实现波段扫描式高光谱成像。本发明可以通过选通时间的控制获得三维高光谱图像，对应单波长的照明光功率较高，可实现更远距离的探测。水下环境无背景光，通过激光波长调谐实现光谱成像，光谱分辨率不受光学滤光片限制。本发明将光学参量振荡器技术、波段扫描式高光谱成像技术和距离选通成像技术结合在一起，对于水下的资源勘探和目标识别具有重要的应用价值。

Description

基于波长可调谐脉冲激光源的水下距离选通高光谱成像系统
技术领域
本发明涉及到一种基于波长可调谐脉冲激光源的水下距离选通高光谱成像系统，主要应用于水下的资源勘探和目标识别，属于高光谱成像领域。
背景技术
高光谱成像技术在水下探测领域有着广阔的应用前景，其中的波段扫描式高光谱成像技术更是因其独特的优势而受到了人们的热切关注。波段扫描式高光谱成像系统单次曝光即可获取单波段的完整光谱图像，无需图像拼接，因而不易受到水体扰动的影响，对系统稳定性的要求比空间扫描式系统低得多。但在应用了波段扫描式高光谱成像技术的专利CN 103278861A中，光学滤光片被用来切换每次曝光的光谱波段，光谱分辨率因此而受到限制。此滤色过程还损失了宽带照明光中的大部分功率，从而限制了该系统的水下探测距离和成像信噪比。且该系统只能实现目标的二维成像，而无法实现三维成像。此外，该系统还会受到水体杂散光的强烈影响，极大地降低了成像的清晰度。
发明内容
为了克服波段扫描式高光谱成像技术的上述局限性，本发明将该技术与光学参量振荡器技术和距离选通成像技术结合起来，提供了一种高效实用的水下距离选通高光谱三维成像系统的设计方案。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于波长可调谐脉冲激光源的水下距离选通高光谱成像系统，包括脉冲激光照明装置、距离选通控制器、增强型电荷耦合器件、数据处理器。
所述的脉冲激光照明装置，用于对被探测的水下区域进行照明，其输出的脉冲激光波长可在水体光谱能量衰减较小的400-600nm可见光波段内进行连续快速调谐，并将脉冲出光时刻信息传输给距离选通控制器。
所述的距离选通控制器，用于接收来自不同距离的反射或散射光，通过控制增强型电荷耦合器件的触发曝光时刻相对于脉冲激光照明装置的脉冲出光时刻的延时，使得增强型电荷耦合器件对相应距离的反射或散射光成像。一方面滤除掉其它距离传输回来的水体杂散光干扰，提升成像清晰度；一方面通过改变延时获取目标的不同距离像，实现目标三维成像。
所述的增强型电荷耦合器件，用于对水下区域的同一目标进行多次曝光，每次曝光都把来自距离选通控制器的分别属于不同光谱波段或距离的返回光记录下来，并将每次曝光所拍摄的距离选通目标图像传输给数据处理器。
所述的数据处理器，用于将增强型电荷耦合器件所拍摄到的不同光谱波段和距离的目标图像匹配起来，从而实现波段扫描式高光谱三维成像。
所述的脉冲激光照明装置，包括泵浦激光源、光学参量振荡器、分束器；所述的泵浦激光源，用于为光学参量振荡器提供354.8nm或其他短波长的泵浦脉冲激光；所述的光学参量振荡器，用于进行非线性频率变换，可通过连续快速地改变决定输出信号光波长的相位匹配角来进行波长调谐，从而产生波长可在400-600nm波段内连续快速调谐的信号脉冲激光；所述的分束器，用于把信号激光和残余的泵浦激光分离开来，将信号激光作为波长可调谐的照明激光输出，并用残余的泵浦激光来确定脉冲出光时刻信息。
所述的光学参量振荡器，包括平面腔镜、参量晶体、输出耦合镜、转台、电机；所述的平面腔镜，镀有对400-600nm信号光波长的高反射膜和对泵浦光及空闲光波长的高透射膜，泵浦脉冲激光经过它注入光学参量振荡器；所述的参量晶体，放置于一个转台上，泵浦激光束对于参量晶体的入射角度随着转台(124)的快速旋转而变化，进而也改变了决定输出信号光波长的相位匹配角，由此实现了连续快速的波长调谐；所述的输出耦合镜，镀有对400-600nm信号光波长的部分反射膜和对泵浦光及空闲光波长的高透射膜，信号脉冲激光经过它输出光学参量振荡器，并与平面腔镜一同保证了只有信号激光能够在光学参量振荡器中振荡起来；所述的转台，用于放置参量晶体，并能快速旋转；所述的电机，用于驱动转台进行快速旋转。
本发明在保留了波段扫描式高光谱成像技术的一般优势的前提下，还具有下述优势：
1.照明光源提供的是光谱线宽很窄的高峰值功率脉冲激光，具有更好的水体穿透能力，可实现更远距离的探测，并提高水下成像的信噪比；
2.水下环境无背景光，通过激光波长调谐实现光谱成像，光谱分辨率不受光学滤光片限制；
3.脉冲激光良好的方向性也可以提高水下成像质量；
4.滤除掉了其它距离传输回来的水体杂散光干扰，提升成像清晰度；
5.通过选通时间的控制，获取目标的不同距离像，实现三维高光谱成像。
附图说明
图1是本发明所涉及的一种基于波长可调谐脉冲激光源的水下距离选通高光谱成像系统的结构示意图。
图1中：1-脉冲激光照明装置，2-距离选通控制器，3-增强型电荷耦合器件，4-数据处理器，11-泵浦激光源，12-光学参量振荡器，13-分束器，121-平面腔镜，122-参量晶体，123-输出耦合镜，124-转台，125-电机。
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。
请参阅图1，图1是本发明所涉及的一种基于波长可调谐脉冲激光源的水下距离选通高光谱成像系统的结构示意图，如图所示，一种基于波长可调谐脉冲激光源的水下距离选通高光谱成像系统，包括脉冲激光照明装置1、距离选通控制器2、增强型电荷耦合器件3、数据处理器4。具体实施的工作流程如下：
1.预先在距离选通控制器2中编写延时程序，按要求改变脉冲激光发射时刻和距离选通控制器2打开时刻之间的延时，从而控制距离选通控制器2针对不同距离进行选通。
2.脉冲激光照明装置1启动，用泵浦激光源11向光学参量振荡器12中注入泵浦脉冲激光。在光学参量振荡器12中，用电机125驱动放置有参量晶体122的转台124进行快速旋转，通过改变决定输出信号光波长的相位匹配角来实现连续快速的波长调谐。并用分束器13把信号激光和残余的泵浦激光分离开来，将信号激光作为波长可调谐的照明激光输出，且用残余的泵浦激光来确定传递给距离选通控制器2的脉冲出光时刻信息。
3.距离选通控制器2接收到来自不同距离的反射或散射光，通过控制增强型电荷耦合器件3的触发曝光时刻相对于脉冲激光照明装置1的脉冲出光时刻的延时，使得只有特定距离的反射或散射光能够到达后续的增强型电荷耦合器件3，而其他距离的返回光都被滤除掉了。
4.增强型电荷耦合器件3将对水下区域的同一目标进行多次曝光，每次曝光都把来自距离选通控制器2的分别属于不同光谱波段或距离的返回光记录下来，并将每次曝光所拍摄的距离选通目标图像传输给数据处理器4。
5.数据处理器4能够将增强型电荷耦合器件3所拍摄到的不同光谱波段和距离的目标图像匹配起来，从而实现波段扫描式高光谱三维成像。

Claims (3)

1.一种基于波长可调谐脉冲激光源的水下距离选通高光谱成像系统，其特征在于：包括脉冲激光照明装置(1)、距离选通控制器(2)、增强型电荷耦合器件(3)、数据处理器(4)；
所述的脉冲激光照明装置(1)，用于对被探测的水下区域进行照明，其输出的脉冲激光波长可在水体光谱能量衰减较小的400-600nm可见光波段内进行连续快速调谐，并将脉冲出光时刻信息传输给距离选通控制器(2)；
所述的距离选通控制器(2)，用于接收来自不同距离的反射或散射光，通过控制增强型电荷耦合器件(3)的触发曝光时刻相对于脉冲激光照明装置(1)的脉冲出光时刻的延时，使得增强型电荷耦合器件(3)对相应距离的反射或散射光成像；
所述的增强型电荷耦合器件(3)，用于对水下区域的同一目标进行多次曝光，每次曝光都把来自距离选通控制器(2)的分别属于不同光谱波段或距离的返回光记录下来，并将每次曝光所拍摄的距离选通目标图像传输给数据处理器(4)；
所述的数据处理器(4)，用于将增强型电荷耦合器件(3)所拍摄到的不同光谱波段和距离的目标图像匹配起来，从而实现波段扫描式高光谱三维成像。
2.根据权利要求1所述的一种基于波长可调谐脉冲激光源的水下距离选通高光谱成像系统，其特征在于：所述的脉冲激光照明装置(1)，包括泵浦激光源(11)、光学参量振荡器(12)、分束器(13)；
所述的泵浦激光源(11)，为光学参量振荡器(12)提供354.8nm或其他短波长的泵浦脉冲激光；
所述的光学参量振荡器(12)，用于进行非线性频率变换，通过连续快速地改变决定输出信号光波长的相位匹配角来进行波长调谐，从而产生波长可在400-600nm波段内连续快速调谐的信号脉冲激光；
所述的分束器(13)，用于把信号激光和残余的泵浦激光分离开来，将信号激光作为波长可调谐的照明激光输出，并用残余的泵浦激光来确定脉冲出光时刻信息。
3.根据权利要求2所述的一种基于波长可调谐脉冲激光源的水下距离选通高光谱成像系统，其特征在于：所述的光学参量振荡器(12)，包括平面腔镜(121)、参量晶体(122)、输出耦合镜(123)、转台(124)、电机(125)；
所述的平面腔镜(121)，镀有对400-600nm信号光波长的高反射膜和对泵浦光及空闲光波长的高透射膜，泵浦脉冲激光经过它注入光学参量振荡器(12)；
所述的参量晶体(122)，放置在所述的转台(124)上，泵浦激光束对于参量晶体(122)的入射角度随着转台(124)的快速旋转而变化，进而改变决定输出信号光波长的相位匹配角，实现连续快速的波长调谐；
所述的输出耦合镜(123)，镀有对400-600nm信号光波长的部分反射膜和对泵浦光及空闲光波长的高透射膜，信号脉冲激光经过它输出光学参量振荡器(12)，并与平面腔镜(121)共同确保只有信号激光能够在光学参量振荡器(12)中振荡起来；
所述的转台(124)，用于放置参量晶体(122)，并能快速旋转；
所述的电机(125)，用于驱动转台(124)进行快速旋转。
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