CN112578397B - 一种基于Tail-Gating技术提高成像分辨率的距离选通成像系统 - Google Patents

一种基于Tail-Gating技术提高成像分辨率的距离选通成像系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于Tail‑Gating技术提高成像分辨率的距离选通成像系统，包括：发射光源模组；测距接收模组，采集和滤波水下目标反射的回波光信号，将回波光信号转换成电信号并转发至控制与处理模组；成像接收模组，接收水下目标反射回来的包含目标图像信息的光信号并转发至控制与处理模组；控制处理模组，用于设定发射光源模组参数，设定所述测距接收模组参数并控制其同步采集水下目标反射的回波信号，根据回波信号计算水下目标距离，并根据水下目标距离基于Tail‑Gating技术设定成像接收模组参数。本发明基于Tail‑Gating技术，将选通门开启时间相对目标距离换算时间略微延迟，有效减少散射噪声进入微通道板，提高信噪比，从而提高系统在水下浑浊情况下的成像分辨率。

Description

一种基于Tail-Gating技术提高成像分辨率的距离选通成像系统
技术领域
本发明涉及基于微弱光探测的水下激光主动成像技术领域，更具体地，涉及一种融合水下激光测距的改进的新型距离选通成像系统。
背景技术
海洋作为人类发展的资源宝库，富含生物，矿产，海水化学等资源。水下成像技术作为一种有效的水下信息获取手段是水下资源勘探，水下战争胜利的关键。常见的水下声呐成像系统在实际应用中，水声信号干扰大、损耗高，成像分辨率低，因而对针对较小目标成像效果不佳。相比之下水下光学成像技术具有成像分辨率高、速度快、操作简便、成本低的优点，是一种良好的水下探测手段。
当前水下光学探测与成像技术迅速发展，但在实际使用中，仍然存在着较多的技术难点。受水体自身特性影响，自然光线在水体中只能传播非常有限的距离，进而导致水下成像图像质量下降，如对比度低、图像整体亮度暗、图像模糊、分辨率低等。影响成像结果的水体自身特性主要包括水体对光线的吸收和散射作用。
现有技术中，距离选通成像技术对水下的散射噪声抑制提升成像分辨率上有着显著的效果，但是随着浑浊程度的提升，传统距离选通系统的成像质量提升效果有限。因此在距离选通成像系统的基础上，如何进一步提升系统在浑浊场景中的成像质量具有着重要的意义。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种基于Tail-Gating技术提高成像分辨率的距离选通成像系统，针对水下目标进行距离选通成像，旨在解决传统距离选通成像系统在进行水下目标成像过程中，随着水介质浑浊程度的提升导致成像效果剧烈退化，从而导致水下目标成像分辨率低，以及水下目标距离未知的情况下，需要遍历法调整选通门打开时间适配目标距离而导致的成像速度慢的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种基于Tail-Gating技术提高成像分辨率的距离选通成像系统，包括：
发射光源模组，用于发射激光脉冲；
测距接收模组，用于采集和滤波水下目标反射的回波光信号，用于将所述回波光信号转换成电信号并转发至控制与处理模组；
成像接收模组，用于接收水下目标反射回来的包含目标图像信息的光信号并转发至控制与处理模组；
控制处理模组，用于设定所述发射光源模组参数，用于设定所述测距接收模组参数并控制其同步采集水下目标反射的回波信号，用于根据所述回波信号计算水下目标距离，并根据水下目标距离基于Tail-Gating技术设定所述成像接收模组参数。
进一步的，所述发射光源模组包括：脉冲激光器、准直系统，所述脉冲激光器与所述控制处理模组电连接，并根据所述控制处理模组所设定的参数发射激光脉冲，并所述准直系统进行光束准直与整形后照射到水下待测目标上。
进一步的，所述测距接收模组包括：接收光学系统、光电倍增管、数字示波器，
所述接收光学系统由望远镜单元和滤光单元组成，分别用于对回波光信号进行收束和滤除背景噪声；
所述光电倍增管设置在所述接收光学系统的出光位置，用于将所述接收光学系统收集和滤波处理后的回波光信号转化成电信号；
所述数字示波器分别与所述控制处理模组和所述光电倍增管电连接；由所述控制处理模组设置所述数字示波器对光学倍增管采集回波电信号的采集参数；所述数字示波器将采集的回波电信号转发给所述控制处理模组。
进一步的，所述滤光单元包含带通滤光片和窄带滤光片，经过望远镜单元收束的回波光信号依次通过带通滤光片和窄带滤光片。
进一步的，所述光电倍增管的辐射灵敏度不小于130mA/W，暗电流小于10nA。
进一步的，所述成像接收模组包括：成像镜头、微通道板、耦合镜头、CCD相机、CamLink采集卡；
所述成像镜头用于接收目标反射回来包含目标图像信息的光信号，并将光信号聚焦到微通道板的靶面上，将光信号转换成图像信号；
所述微通道板与控制处理模组电连接，根据所述控制处理模组发送的门控配置信号按时开启指定时长的选通门；所述指定时长由所述控制处理模组根据水下目标距离并基于Tail-Gating技术设定；
所述耦合镜头将图像信号耦合到所述CCD相机并由所述CCD相机转换成电信号，再由CamLink采集卡转换成指定格式的图像或视频信号；
所述CamLink采集卡与所述控制处理模组电连接，用于接收控制处理模组发送的配置参数，并用于上传转换后的图像或视频信号。
进一步的，所述选通门的开启时间由下式计算：
T＝2Rm/v+t0/2
式中，Rm为测得的水下目标的距离，v为光在介质中的传播速度，t0为激光脉冲宽度。
进一步的，所述微通道板的选通门最小开门时长为2ns，门控时间精度为1ns。
进一步的，发射光源模组，测距接收模组和成像接收模组的光轴为平行设置。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，一方面融合了水下激光测距系统，可以快速定位待测目标与成像系统的间距，并通过换算提供合适的选通门开启时间；另一方面基于Tail-Gating技术，将选通门开启时间相对目标距离换算时间略微延迟，有效减少散射噪声进入微通道板，提高信噪比，从而提高系统在水下浑浊情况下的成像分辨率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的水下距离选通成像系统框图；
图2为传统距离选通成像结果；
图3为通过本发明实施例提供的距离选通成像系统的成像结果。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、脉冲激光器，2、准直系统，3、接收光学系统，4、光电倍增管，5、数字示波器，6、成像镜头，7、微通道板，8、耦合镜头，9、CCD相机，10、CamLink采集卡，11、控制处理模组。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明主要有四个部分组成，包括：发射光源模组，测距接收模组，成像接收模组，控制处理模组。系统结构示意图如图1所示，主要包含的器件有：脉冲激光器1，准直系统2，接收光学系统3，光电倍增管4，数字示波器5，成像镜头6，微通道板7，耦合镜头8，CCD相机9，CamLink采集卡10，控制处理模组11。
其中，在本发明实施例中，控制处理模组11在硬件实现上可以由计算机等终端设备实现。
其中，各个部件的连接关系及作用分别如下：脉冲激光器1与控制处理模组11电连接，用以给脉冲激光器1设定参数使脉冲激光器1按照预设参数发射激光脉冲，所述控制处理模组11发送出光指示电脉冲到脉冲激光器1，脉冲激光器1即发射激光脉冲。脉冲激光器1发接收射的532nm的激光脉冲光束经过准直系统2进行光束准直与整形后照射到水下待测目标上。水下目标反射的回来的回波信号同时被测距接收模组和成像接收模组接收。测距接收模组中，接收光学系统3用于收集和滤波处理水下目标反射回来的回波光信号。所述的接收光学系统3由望远镜单元和滤光单元组成，分别用以对回波光信号进行收束和滤除其他波段的背景噪声。光电倍增管4设置在接收光学系统3的出光位置，用于将接收光学系统3收集和滤波处理后的回波光信号转化成电信号。数字示波器5与光电倍增管4电连接。所述数字示波器5用于采集光电倍增管4输出的回波电信号。所述数字示波器5与控制处理模组11电连接。所述控制处理模组11发送指令配置数字示波器5的参数，并发送与脉冲激光器1触发信号同步的信号触发数字示波器5开始一个周期的采集。成像接收模组中，成像镜头6用于接收目标反射回来包含目标图像信息的光信号，并将光信号聚焦到微通道板7的靶面上。所述微通道板7与控制处理模组11电连接，控制处理模组11发送门控配置信号到微通道板7，微通道板7根据门控配置信号按时开启指定时长的选通门。在选通门开启时间段到达靶面的光信号被微通道板7转换成电信号并经过放大后打在微通道板7后端的荧光屏上转换成图像信号。转换后的图像信号通过耦合镜头8耦合到成像CCD 9的成像靶面上。所述成像CCD 9将靶面上的光信号转换成电信号。所述成像CCD 9与CamLink采集卡10电连接，CamLink采集卡10将成像CCD 9采集的图像信号转换到指定格式的图像或视频信号。控制处理模组11与CamLink采集卡10电连接，用于配置CamLink采集卡的参数并接收存储CamLink采集卡采集的图像或视频信号。
在本发明实施例中，新型距离选通成像系统中发射光源模组可以采用532nm的脉冲激光器作为光源，并经过准直系统进行光束准直之后照亮成像目标，目标反射回来的回波光信号分别被测距接收系统和成像接收系统接收。测距接收系统中通过接收光学系统收光和滤波后通过光电倍增管转换成电信号后由数字示波器采集后交由控制处理模组处理获得目标距离信息。而成像接收系统中，控制处理模组控制微通道板选通门开门时刻与开门时长，仅让目标反射的信号光由成像镜头收集后通过微通道板进行光电转换后放大，然后通过耦合透镜后由成像CCD与CamLink采集卡采集后上传到控制处理模组处理与存储，完成整个成像过程。
在本发明实施例中，使用的532nm脉冲激光器的发射脉冲宽度约为10ns。
在本发明实施例中，使用的接收光学系统由开普勒望远镜系统和滤光片组组成。其中滤光片组包含带通滤光片和窄带滤光片，经过开普勒望远镜系统收束的回波信号光依次通过带通滤光片和窄带滤光片。
在本发明实施例中，光电倍增管在532nm波段的辐射灵敏度不小于130mA/W，暗电流小于10nA。
在本发明实施例中，所使用的微通道板的选通门最小开门时长为2ns，门控时间精度为1ns。
在本发明实施例中，发射光源模组，测距接收模组和成像接收模组的光轴为平行设置，保证测距接收模组和成像接收模组基本不存在光程差。
本发明的新型距离选通成像系统的距离工作过程如下：
在进行一次水下目标成像的过程中，首先控制处理模组初始化整套系统，即设置数字示波器5，微通道板7和CamLink采集卡10的初始化参数。完成系统初始化之后，控制处理模组11发送出光脉冲序列到脉冲激光器1，同时发送同样的脉冲序列到数字示波器5触发采集。脉冲激光器1每接收到一个出光脉冲即发射10ns激光脉冲一个，所发射的激光脉冲经过准直系统2进行光束扩束整形后照亮待成像目标。目标反射的回波光信号分别被接收光学系统3和成像镜头6接收。测距接收模组的接收光学系统3接收到回波光信号后，进行收束与滤除背景光噪声后耦合到光电倍增管4的光敏面上转换成回波电信号。然后回波电信号经过数字示波器5采集后上传到控制处理模组11中。控制处理模组根据数字示波器5上传的回波信号，计算出激光脉冲从发射到达目标再返回的飞行时间间隔，并根据该时间间隔设定微通道板7的选通门开启时刻。每个周期中微通道板7选通门按照设定时间开启设定的时长，在选通门开启的时间段内，由成像镜头6收集的回波光信号进入微通道板7靶面上进行光电转换并放大，放大后的电信号投射到微通道板7末端的荧光屏上重新转换成图像信号。该图像信号经过耦合镜头8耦合到成像CCD9的靶面上，经过成像CCD9的光电转换和CamLink采集卡10的图像数据采集后，上传成像结果到控制处理模组11中，完成一次成像过程。
本发明在传统距离选通系统的基础上融合水下激光测距系统，并根据测距系统输出的结果有效确定合适的选通门开启时间，并从光子在水介质中的传播出发，分析弹道光子、散射光子和噪声光子在路径上传播的差异性，提供一种基于Tail-Gating技术的水下距离选通成像方案提升系统在浑浊环境中的成像分辨率。
相对于传统的距离选通成像系统，本发明所构思的新型距离选通成像系统融合了水下激光测距系统，可以快速的测量待测目标与系统之间的距离，并通过该测量结果为选通门设定合适的开启时间，避免了传统距离选通成像系统进行时间切片寻找目标的过程，提高了成像速度。此外，本系统通过使用Tail-Gating技术，合理的调整选通门开启时间，减少散射噪声进入微通道板，提高信噪比，从而有效提高系统在水下浑浊情况下的成像分辨率。
Tail-Gating技术提高信噪比的原理如下：
距离选通水下成像系统中成像接收系统与光源配准，反射图像的时域曲线(RITP)是由目标反射信号和后向散射噪声信号在时域上的叠加。假设无限长的激光脉冲入射到散射介质中，接收端收到的后向散射能量可通过时域点扩散函数模拟计算获得。RITP则是由照明脉冲产生的近似高斯型的脉冲与时域点扩散函数卷积获得。假设光子之间不产生相互作用，接收能量可以建模为独立光子经过自身事件后的叠加。这些独立光子在不同时刻的叠加情况将导致信噪比的不同。通常可以将这些独立光子分成几类，包括弹道光子，单次前向散射光子，多次散射光子和后向散射光子。依据这种分类原则，RITP可以表示为：
P(t)＝PBSN(t)+PS(t)+PSMM(t)                   (1)
PBSN(t)包含了介质产生单次和多次后向散射噪声，但其中不包括目标反射的光子。PS(t)包含了进入接收视场的弹道光子和目标反射的单次前向散射光子(距离选通系统想要接收的信号)。PSMM(t)是目标反射光子经过多次散射后进入视场的光子，这部分光子在经过多次散射后丢失了目标信息。
后向散射噪声PBSN(t)从进入介质后开始衰减，因能量衰减和光学振铃效应产生一个拖尾。目标信号PS(t)和信号噪声PSMM(t)包含由目标反射的光子，在返回接收系统的过程中与后向散射噪声相叠加。为了进一步量化信噪比，这些光子根据其传输过程中发生的事件被进一步分类为18个组：
PBSN(t)＝PDBD(t)+PGBD(t)+PDBG(t)+PGBG(t)+PDBM(t)+            (2)
PGBM(t)+PMBD(t)+PMBG(t)+PMBM(t)
PS(t)＝PDTD(t)+PDTG(t)+PGTD(t)+PGTG(t)+PMTG(t)+PMTD(t)           (3)
PSMM(t)＝PDTM(t)+PGTM(t)+PMTM(t)                  (4)
其中，下标D表示弹道光子(未发生散射)，B介质后向散射，G为前向小角度散射，T为目标反射，M为多次散射。PMTG(t)表示光子到达目标前经过多次散射后由目标反射回来时发生前向小角度散射。
通常，PBSN(t)和PSMM(t)成比例增加，PS(t)随散射强度增加而减少。为了区分RITP中包含的目标信号和其他时域信号，定义包含PS(t)的时间间隔为实际RITP。
为了研究后向散射噪声跟随RITP的变化情况，将公式(2)写成：
Figure BDA0002812100910000091
对于半无限介质，任意时间切片的后向散射噪声都可表示为后向散射时域体散射函数与发射激光脉冲的单程距离的卷积。在不考虑前向散射和几何效应的前提下，后向散射噪声可以写为：
Figure BDA0002812100910000092
激光器发射脉冲的能量廓线分别起止于t＝0和t0。Si(r)为时域点扩散函数，v为光在介质中的传播速度。公式(6)表明，在水下浑浊介质中激光脉冲发射到目标的过程中，假设光子在介质中传播速度为常数且为直线传播，则目标的距离与传播时间的关系为r＝vt/2。返回脉冲的宽度会因为介质中的多次散射效应而展宽，假设平均展宽时间为τ。如果发射激光脉冲的时域廓线为P0(t)，发射到一个距离为r0的不透明目标上，假设所有的能量都被目标吸收或反射，则后向散射的卷积过程会在目标处终止。所以我们可以以此为公式(6)设置一个积分区域：
t≤(2r0/v+t0+τ)                    (7)
假设在浑浊水介质中目标距离较近的情况下脉冲的展宽可以忽略不计，τ≈0，且当t＞(2r0/v+t0)时Pi(t)＝0。这表明后向散射噪声表现形式为介质的时域点扩散函数，输出的脉冲轮廓宽度为t0时长为t。这个函数与输出能量P0(t)和Si(r)成正比。然而，函数也受到在t＞(2r0/v+t0)时刻的最大限制。假设v(t-t0)/2趋近于2r0/v+t0，PBSN(t)减小。基于上式，RITP尾部的后向散射噪声比实际RITP前的后向散射噪声要小。
根据以上原理，在本系统发射激光脉冲宽度为10ns的情况下，假设测距系统测得水下目标的距离为Rm，则控制处理模组11设定成像接收系统中微通道板7的选通门开启时间为2Rm/v+5ns，选通门宽度为10ns。在该参数设定下的成像效果如图3所示，采用本发明所设计的策略成像分辨率优于传统方案图2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于Tail-Gating技术提高成像分辨率的距离选通成像系统，其特征在于，包括：
发射光源模组，用于发射激光脉冲；
测距接收模组，用于采集和滤波水下目标反射的回波光信号，用于将所述回波光信号转换成电信号并转发至控制与处理模组；
成像接收模组，用于接收水下目标反射回来的包含目标图像信息的光信号并转发至控制与处理模组；
控制处理模组，用于设定所述发射光源模组参数，用于设定所述测距接收模组参数并控制其同步采集水下目标反射的回波信号，用于根据所述回波信号计算水下目标距离，并根据水下目标距离基于Tail-Gating技术设定所述成像接收模组参数；
所述成像接收模组包括：成像镜头、微通道板、耦合镜头、CCD相机、CamLink采集卡；
所述成像镜头用于接收目标反射回来包含目标图像信息的光信号，并将光信号聚焦到微通道板的靶面上，将光信号转换成图像信号；
所述微通道板与控制处理模组电连接，根据所述控制处理模组发送的门控配置信号按时开启指定时长的选通门；所述指定时长由所述控制处理模组根据水下目标距离并基于Tail-Gating技术设定；
所述耦合镜头将图像信号耦合到所述CCD相机并由所述CCD相机转换成电信号，再由CamLink采集卡转换成指定格式的图像或视频信号；
所述CamLink采集卡与所述控制处理模组电连接，用于接收控制处理模组发送的配置参数，并用于上传转换后的图像或视频信号；
所述选通门的开启时间由下式计算：
T＝2Rm/v+t0/2
式中，Rm为测得的水下目标的距离，v为光在介质中的传播速度，t0为激光脉冲宽度。
2.根据权利要求1所述的距离选通成像系统，其特征在于，所述发射光源模组包括：脉冲激光器、准直系统，所述脉冲激光器与所述控制处理模组电连接，并根据所述控制处理模组所设定的参数发射激光脉冲，并所述准直系统进行光束准直与整形后照射到水下待测目标上。
3.根据权利要求1所述的距离选通成像系统，其特征在于，所述测距接收模组包括：接收光学系统、光电倍增管、数字示波器，
所述接收光学系统由望远镜单元和滤光单元组成，分别用于对回波光信号进行收束和滤除背景噪声；
所述光电倍增管设置在所述接收光学系统的出光位置，用于将所述接收光学系统收集和滤波处理后的回波光信号转化成电信号；
所述数字示波器分别与所述控制处理模组和所述光电倍增管电连接；由所述控制处理模组设置所述数字示波器对光学倍增管采集回波电信号的采集参数；所述数字示波器将采集的回波电信号转发给所述控制处理模组。
4.根据权利要求3所述的距离选通成像系统，其特征在于，所述滤光单元包含带通滤光片和窄带滤光片，经过望远镜单元收束的回波光信号依次通过带通滤光片和窄带滤光片。
5.根据权利要求3所述的距离选通成像系统，其特征在于，所述光电倍增管的辐射灵敏度不小于130mA/W，暗电流小于10nA。
6.根据权利要求1所述的距离选通成像系统，其特征在于，所述微通道板的选通门最小开门时长为2ns，门控时间精度为1ns。
7.根据权利要求1所述的距离选通成像系统，其特征在于，发射光源模组，测距接收模组和成像接收模组的光轴为平行设置。
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