CN112526542A - 水下成像与非成像复合的激光雷达 - Google Patents

水下成像与非成像复合的激光雷达 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种水下成像与非成像复合的激光雷达，包括激光发射单元、光电成像单元、激光测距单元、信号/图像处理单元和监视器；其中激光发射单元根据信号/图像处理单元输出的控制信号发射激光脉冲以照明目标，激光发射单元还用于接收激光脉冲并形成相应的电脉冲信号输出至信号/图像处理单元；光电成像单元用于接收目标反射光并形成相应的电子图像，将电子图像输出至信号/图像处理单元；激光测距单元用于接收目标反射光将其放大后输入信号/图像处理单元；信号/图像处理单元根据电脉冲信号和目标反射光信号控制光电成像单元的选通切片；信号/图像处理单元优化电子图像后将其输出至监视器。本发明具备成像距离远、图像清晰的特点。

Description

水下成像与非成像复合的激光雷达
技术领域
本发明涉及水下光电成像探测技术领域，具体涉及一种水下成像与非成像复合的激光雷达。
背景技术
随着激光器件、光电材料的发展，水下成像激光雷达成为水下探测不可或缺的手段。水下成像激光雷达是利用蓝绿脉冲激光照射目标，通过距离选通原理成像的一种水下成像系统。它以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的发射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像。如果激光脉冲宽度和选通脉冲宽度都很窄，使得只有目标附近的反射光才能到达摄像机，即只接收目标附近的反射光，则能消除大部分后向散射光的影响，明显提高成像距离和成像质量。
水下成像激光雷达要想达到较好的成像效果，需要精确设定延迟时间，即预先设定目标距离，这限制了它的实际使用。目前解决的方法主要有三种。
第一种方式是人工手动控制，这种方式调整费时、工作效率低，难以适应水下工作环境。
第二种方式是基于高重频激光器的全选通工作方式，即按照时序控制策略，将一帧图像积分时间内的累积脉冲数分配到连续的选通切片中，实现探测区域的通视成像效果。但这种方式把有限的能量分配到连续的选通切片中，有很多的选通切片没有目标，导致激光能量的浪费，其输出图像中各目标的对比度信噪比比较低，影响了成像效果。
第三种方式是通过设备测得目标距离后再设定延迟时间。目前，这种方式中主要采用的是声呐探测系统进行测距。但是，由于海洋介质的不均匀性和多变性导致声速分布规律非常复杂，因此利用声纳在进行水下探测时会产生较大的定位和方向偏差。采用声呐探测系统进行测距还会增加额外的收发通道，增大系统的体积和功耗，不利于应用到水下工作环境。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种水下成像与非成像复合的激光雷达，具备成像距离远、图像清晰的特点。
本发明提供了一种水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于包括激光发射单元、光电成像单元、激光测距单元、信号/图像处理单元和监视器；其中激光发射单元根据信号/图像处理单元输出的控制信号发射激光脉冲以照明目标，激光发射单元还用于接收激光脉冲并形成相应的电脉冲信号输出至信号/图像处理单元；光电成像单元用于接收目标反射光并形成相应的电子图像，将电子图像输出至信号/图像处理单元；激光测距单元用于接收目标反射光将其放大后输入信号/图像处理单元；信号/图像处理单元根据电脉冲信号和目标反射光信号控制光电成像单元的选通切片；信号/图像处理单元优化电子图像后将其输出至监视器。
上述技术方案中，所述信号/图像处理单元基于激光发射单元发射激光脉冲的时间生成基准时刻；信号/图像处理单元对通过激光测距单元接收到的目标反射光进行预处理，采用背景差分法或者背景建模法去除水体后向散射噪声影响，然后提取目标回波信号，按照基准时刻计算延迟时间并生成触发信号，将触发信号发送至光电成像单元；信号/图像处理单元接收光电成像单元输出的图像数据，对输入图像进行去噪、增强处理后生成电子图像发送至监视器显示。
上述技术方案中，所述激光发射单元包括脉冲激光器、扩束镜、分光板和PIN管；信号/图像处理单元通过驱动电路与脉冲激光器连接，控制脉冲激光器输出功率；脉冲激光器发射激光脉冲，经扩束镜扩束后照明目标；发射的激光脉冲经分光镜分光后的一小部分被PIN管接收并转化为电脉冲信号并发送至信号/图像处理单元；所述分光板和PIN管分别设置于扩束镜输出端口的两侧。
上述技术方案中，所述光电成像单元包括门控电路和增强电荷耦合器件，增强电荷耦合器件用于接收目标反射光并形成相应的电子图像，将电子图像输出至信号/图像处理单元；门控电路用于接收来自信号/图像处理单元的触发信号；门控电路将触发信号与内部参考时钟相比较，并输出经过调整后的脉冲信号，控制增强电荷耦合器件的开门及关门时间和选通切片的功率分配。
上述技术方案中，所述激光测距单元包括PMT管和前置放大电路；PMT管用于将接收到目标反射光并经前置放大电路放大后发送至信号/图像处理单元。
上述技术方案中，所述信号/图像处理单元中设定的基准时刻是指激光发射出去的时间，根据激光测距单元反馈的目标反射光的接收时间计算延迟时间，并根据延迟时间按照公式换算得到目标距离；所述信号/图像处理单元根据延迟时间生成触发信号控制增强电荷耦合器件的开门，然后按照设定的选通切片宽度控制增强电荷耦合器件的关门；信号/图像处理单元根据目标回波宽度设定选通切片宽度。
上述技术方案中，在目标反射光到达增强电荷耦合器件时，增强电荷耦合器件的快门打开接收信号，其余时间增强电荷耦合器件的快门关闭抵制水体后向散射噪声；增强电荷耦合器件的快门的打开与关闭由门控电路生成控制信号进行控制；控制信号包含两个信息，分别为开门时刻跟开门的持续时间；其中，开门时刻由测量的目标回波信号的前沿与基准时刻相减得到，持续时间为目标回波信号的前沿后沿差。
上述技术方案中，脉冲激光器发射激光脉冲后，其中一小部分脉冲激光通过分光板反射由PIN管接收，经过光电转换后该信号输入数据信号/图像处理单元的第一通道，该信号为飞行时间测量开始信号，并触发数据信号/图像处理单元的第二通道进行数据采集；剩余激光透过发射窗口进入水中射向目标，经距离R到达目标后被反射，目标回波信号和水体散射信号被PMT管接收并进行光电转换和放大，输入数据信号/图像处理单元的第二通道；数据信号/图像处理单元提取出的目标回波脉冲信号作为计时结束信号；数据信号/图像处理单元计算开始信号和计时结束信号的时间间隔，并根据该时间间隔T计算得出目标距离R，该计算公式表示为：
Figure BDA0002800103030000051
其中，c是光速，cw是水中光速，nw是水体折射率，t0和tT分别是计时开始时刻和停止时刻。
本发明由脉冲激光器和选通型成像器件依据距离选通原理成像，同时结合激光测距获得目标距离，设定延迟时间，自动调整ICCD开门时间及关门时间。由于添加了测距功能，使得激光功率分配更加优化，因此，本发明具备成像距离远、图像清晰的特点。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图2为本发明实施例的门控电路示意图；
图3为本发明激光脉冲数分配的示意图；
图4为具体实施例中光电和模数转换电路；
图5为具体实施例中目标信号波形图；
图6为具体实施例中门控信号波形图；
图7为具体实施例中粗调模块示意图；
图8为具体实施例中精调模块示意图；
图9为具体实施例的应用示意图。
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详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于包括激光发射单元、光电成像单元、激光测距单元、信号/图像处理单元和监视器；其中激光发射单元根据信号/图像处理单元输出的控制信号发射激光脉冲以照明目标，激光发射单元还用于接收激光脉冲并形成相应的电脉冲信号输出至信号/图像处理单元；光电成像单元用于接收目标反射光并形成相应的电子图像，将电子图像输出至信号/图像处理单元；激光测距单元用于接收目标反射光将其放大后输入信号/图像处理单元；信号/图像处理单元根据电脉冲信号和目标反射光信号控制光电成像单元的选通切片；信号/图像处理单元优化电子图像后将其输出至监视器。
上述技术方案，所述信号/图像处理单元基于电脉冲信号生成基准时刻；信号/图像处理单元对目标反射光进行预处理，采用背景差分法或者背景建模法去除水体后向散射噪声影响，然后提取目标回波信号，按照基准时刻计算延迟时间并生成触发信号，将触发信号发送至光电成像单元；信号/图像处理单元接收光电成像单元输出的图像数据，对输入图像进行去噪、增强处理后发送至监视器显示。本发明采用多选通的方式进行控制，即利用激光测距得到纵向方向上不完全互相遮挡的多个目标的距离，然后控制ICCD在这些目标的反射光到达ICCD时开门。激光器发射短激光脉冲，经分光后，一小部分光被PIN管接收并转化为电脉冲信号，作为参考基准。PMT管接收到目标信号后，进行前置放大；信号处理单元对PMT管接收到的信号进行预处理，采用背景差分法或者背景建模法去除水体后向散射噪声影响，然后提取目标回波信号，在此基础上计算延迟时间，并生成触发信号送门控电路。图像处理单元接收ICCD输出的视频信号，并对每帧图像进行处理，送监视器显示。信号处理单元还与激光器连接，控制激光器的发射功率等。
上述技术方案，所述激光发射单元包括脉冲激光器、扩束镜、分光板和PIN管；信号/图像处理单元通过驱动电路与脉冲激光器连接，控制脉冲激光器输出功率；脉冲激光器发射激光脉冲，经扩束镜扩束后照明目标；发射的激光脉冲经分光镜分光后的一小部分被PIN管接收并转化为电脉冲信号并发送至信号/图像处理单元；所述分光板和PIN管分别设置于扩束镜输出端口的两侧。扩束镜为电动可变倍扩束镜；脉冲激光器采用氙灯泵浦的掺钕钇铝石榴石Nd：YAG脉冲激光器，其输出功率可调。脉冲激光器和电动可变倍扩束镜的光轴重合。信号/图像处理单元以FPGA为控制核心，通过驱动电路与激光器连接，控制脉冲激光器输出功率；接收前置放大电路信号，进行预处理，采用背景差分法或者背景建模法去除水体后向散射噪声影响，然后提取目标回波信号，在此基础上计算延迟时间，并生成触发信号，通过门控电路控制ICCD开门时间及开门时长。脉冲激光器：脉冲激光器应具有较高的峰值功率，且输出波长符合水体的光学窗口(480nm-550nm)。由于氙灯泵浦的Nd：YAG脉冲激光器技术比较成熟，成本较低，输出激光波长为1.06μm，经倍频后可以得到532nm的蓝绿激光，且可通过激光调Q技术压缩激光的脉冲宽度到ns量级，使单脉冲能量为几百毫焦的激光器输出峰值功率为几十兆瓦激光，因此本发明实施例特选其作为水下激光成像系统光源。
光电二极管(PIN管)把脉冲光强信号转换成脉冲电流信号。信号/图像处理单元具有光电和模数转换电路，把这个电信号转为数字信号。光电和模数转换电路见图4。电流流经负载电阻(R113)，在其两端形成脉冲电压信号，通过电容(C150)的滤波接入比较器(MAX963)，与预先设定的基准电压(VINA－)比较生成3.3V-TTL数字脉冲信号，为了避免由于脉冲宽度过窄而造成信号无法识别的情况，在比较器之后利用单稳态多谐振荡器(74HC123DB)对数字脉冲信号进行了展宽，生成能够识别的数字脉冲信号，此时，即为基准时刻。
上述技术方案，所述光电成像单元包括门控电路和增强电荷耦合器件(ICCD)，增强电荷耦合器件用于接收目标反射光并形成相应的电子图像，将电子图像输出至信号/图像处理单元；门控电路用于接收来自信号/图像处理单元的触发信号，门控电路触发信号与内部参考时钟相比较，并输出经过调整后的脉冲信号，控制增强电荷耦合器件的开门及关门时间和选通切片的功率分配。由光纤连接CCD摄像机和微通道板式像增强器而组成的ICCD不仅具有纳秒级的选通能力，而且增益动态范围大，灵敏度高。此外，三代像增强器的GaAsP阴极工作于532nm波长，量子效率接近50％。基于上述优点，本发明实施例采用ICCD作为接收器。门控电路如图2所示。它把输入的触发信号与一个参考时钟相比较，并输出经过调整后的脉冲信号，控制ICCD开门。为了尽量较少固有延迟对系统最短工作距离的影响，门控电路设计时应选用高速器件。在目标反射激光脉冲到达ICCD时，快门打开接收信号，其余时间快门关闭抵制水体后向散射噪声。ICCD快门的打开与关闭由门控电路生成控制信号进行控制。控制信号包含两个信息，开门时刻跟开门的持续时间。开门时刻由测量的目标回波信号的前沿与基准时刻相减，持续时间由目标回波信号的前沿后沿差得到。
如图6所示，三个不同目标距离的门控信号，前沿时刻由延迟时间定，后沿时刻由目标回波宽度定。
门控信号发生器是控制器的核心部分，由粗调模块和精调模块两个部分组成，如图7、图8所示。粗调模块利用FPGA内部高速时钟计数实现数字脉冲信号时域参数粗调。参考时钟就是内部时钟150MHz。精调模块输出门控信号。
上述技术方案，所述激光测距单元包括PMT管和前置放大电路；PMT管用于将接收到目标反射光并经前置放大电路放大后发送至信号/图像处理单元。所述延迟时间指目标回波到达PMT管的时刻与基准时刻的差。光电倍增管(PMT管)把脉冲光强信号转换成脉冲电流信号。前置放大电路把该电信号进行放大。信号/图像处理单元具有电信号处理电路，具有背景差分功能。如图5所示，将无目标回波信号和带目标回波信号直接相减所得处理后的目标信号。
如图3所示，沿着光轴方向有三个目标①、③、⑤，且三个目标没有完全互相遮挡。L1、L2、L3、L4、L5为选通切片，选通宽度为Δ。通过激光测距，可以得到它们的回波相对于基准时刻的延迟分别为tdelay-1、tdelay-3、tdelay-5。因此设置ICCD的延迟分别为tdelay-1、tdelay-3、tdelay-5，且开门宽度为2Δ/vwater(vwater是水中的光速)。将一帧图像积分时间内的激光脉冲分别分配到L1、L3、L5处选通切片中。由于目标①、③、⑤恰好位于这3个选通切片中，系统能够对它们成清晰像，同时不会把激光功率分配到没有目标的L2、L4切片中。
采用多选通成像模式，系统每输出一帧图像就可实现对多个选通切片的探测，同时获取多个目标的图像，显然其纵向成像范围大于单选通成像模式。而且激光功率的分配按照目标所在切片进行分配，目标成像更清晰。
本发明通过测量探测到目标回波脉冲信号的时刻与发射脉冲时刻的时间间隔，计算得出目标与探测系统之间的距离值，系统框图如图9所示。
激光器发射激光脉冲后，其中一小部分脉冲激光通过分束镜反射由光电探测器1(PIN管)接收，经过光电转换后该信号输入数据采集模块的通道1，该信号为飞行时间测量开始信号，并触发通道2数据采集；剩余激光透过发射窗口进入水中射向目标，经距离R到达目标后被反射，目标回波信号和水体散射信号被光电探测器2(PMT管)接收并进行光电转换和放大，然后经数据采集模块通道2进入信号处理模块，提取出的目标回波脉冲信号作为计时结束信号，终止时间间隔测量，根据所测得的时间间隔T计算得出目标距离R，该计算公式表示为：
Figure BDA0002800103030000111
其中，cw是水中光速，nw是水体折射率，t0和tT分别是计时开始时刻和停止时刻。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于包括激光发射单元、光电成像单元、激光测距单元、信号/图像处理单元和监视器；其中激光发射单元根据信号/图像处理单元输出的控制信号发射激光脉冲以照明目标，激光发射单元还用于接收激光脉冲并形成相应的电脉冲信号输出至信号/图像处理单元；光电成像单元用于接收目标反射光并形成相应的电子图像，将电子图像输出至信号/图像处理单元；激光测距单元用于接收目标反射光将其放大后输入信号/图像处理单元；信号/图像处理单元根据电脉冲信号和目标反射光信号控制光电成像单元的选通切片；信号/图像处理单元优化电子图像后将其输出至监视器。
2.根据权利要求1所述的水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于所述信号/图像处理单元基于激光发射单元发射激光脉冲的时间生成基准时刻；信号/图像处理单元对通过激光测距单元接收到的目标反射光进行预处理，采用背景差分法或者背景建模法去除水体后向散射噪声影响，然后提取目标回波信号，按照基准时刻计算延迟时间并生成触发信号，将触发信号发送至光电成像单元；信号/图像处理单元接收光电成像单元输出的图像数据，对输入图像进行去噪、增强处理后生成电子图像发送至监视器显示。
3.根据权利要求2所述的水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于所述激光发射单元包括脉冲激光器、扩束镜、分光板和PIN管；信号/图像处理单元通过驱动电路与脉冲激光器连接，控制脉冲激光器输出功率；脉冲激光器发射激光脉冲，经扩束镜扩束后照明目标；发射的激光脉冲经分光镜分光后的一小部分被PIN管接收并转化为电脉冲信号并发送至信号/图像处理单元；所述分光板和PIN管分别设置于扩束镜输出端口的两侧。
4.根据权利要求3所述的水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于所述光电成像单元包括门控电路和增强电荷耦合器件，增强电荷耦合器件用于接收目标反射光并形成相应的电子图像，将电子图像输出至信号/图像处理单元；门控电路用于接收来自信号/图像处理单元的触发信号；门控电路将触发信号与内部参考时钟相比较，并输出经过调整后的脉冲信号，控制增强电荷耦合器件的开门及关门时间和选通切片的功率分配。
5.根据权利要求4所述的水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于所述激光测距单元包括PMT管和前置放大电路；PMT管用于将接收到目标反射光并经前置放大电路放大后发送至信号/图像处理单元。
6.根据权利要求5所述的水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于所述信号/图像处理单元中设定的基准时刻是指激光发射出去的时间，根据激光测距单元反馈的目标反射光的接收时间计算延迟时间，并根据延迟时间按照公式换算得到目标距离；所述信号/图像处理单元根据延迟时间生成触发信号控制增强电荷耦合器件的开门，然后按照设定的选通切片宽度控制增强电荷耦合器件的关门；信号/图像处理单元根据目标回波宽度设定选通切片宽度。
7.根据权利要求6所述的水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于在目标反射光到达增强电荷耦合器件时，增强电荷耦合器件的快门打开接收信号，其余时间增强电荷耦合器件的快门关闭抵制水体后向散射噪声；增强电荷耦合器件的快门的打开与关闭由门控电路生成控制信号进行控制；控制信号包含两个信息，分别为开门时刻跟开门的持续时间；其中，开门时刻由测量的目标回波信号的前沿与基准时刻相减得到，持续时间为目标回波信号的前沿后沿差。
8.根据权利要求7所述的水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于：
脉冲激光器发射激光脉冲后，其中一小部分脉冲激光通过分光板反射由PIN管接收，经过光电转换后该信号输入数据信号/图像处理单元的第一通道，该信号为飞行时间测量开始信号，并触发数据信号/图像处理单元的第二通道进行数据采集；剩余激光透过发射窗口进入水中射向目标，经距离R到达目标后被反射，目标回波信号和水体散射信号被PMT管接收并进行光电转换和放大，输入数据信号/图像处理单元的第二通道；数据信号/图像处理单元提取出的目标回波脉冲信号作为计时结束信号；数据信号/图像处理单元计算开始信号和计时结束信号的时间间隔，并根据该时间间隔T计算得出目标距离R，该计算公式表示为：
Figure FDA0002800103020000041
其中，c是光速，cw是水中光速，nw是水体折射率，t0和tT分别是计时开始时刻和停止时刻。
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