CN113514850A - 一种自适应距离选通水下激光成像仪及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应距离选通水下激光成像仪包括：发光单元，包括依次通过光信号连接的激光器、第一比例分束器、发射模块；采光单元，包括依次通过光信号连接的接收模块和第二比例分束器；光电探测器，用于接收所述第一比例分束器发送的光信号并记录该光信号的发送时刻t₀；单光子探测器，用于响应所述第二比例分束器发送的回波信号并记录该回波信号的响应时刻t₁；增强电荷耦合器件；控制模块；其中，所述响应时刻t₁为所述增强电荷耦合器件的门控开启时刻。本发明可以自适应的为增强电荷耦合器件提供精确的门控控制信号，无需预先知道待测目标的距离，提高了成像仪的适应性，无需采用步进式（切片式）的成像方法，提高了成像仪的成像速度。

Description

一种自适应距离选通水下激光成像仪及其成像方法

技术领域

本发明涉及水下激光成像技术领域，特别涉及基于单光子探测器的水下目标测距和ICCD的水下目标距离选通成像组成的自适应距离选通水下激光成像仪。

背景技术

水下激光距离选通技术是当前国内外不断发展且应用有效的水下光电成像技术之一，在海底地貌探测、海底工程建设、海洋环境监测、水下救援、水下考古等领域具有重要的应用价值。水下目标成像与陆地不同，激光在水中传输时会受到水体介质吸收和散射的影响，使得水下图像存在严重的退化现象。其中，水体的吸收会造成激光能量的衰减降低系统的探测距离；而散射作用主要分为前向散射和后向散射，前向散射作用使得激光偏离原来的传播方向从而降低图像的分辨率，而后向散射会将水体中微粒散射的光传输至ICCD(Intensified charge coupled device)引起“帷幔效应”，最终造成图像对比度的下降。水下激光距离选通技术是目前被广泛用来解决水体后向散射影响的技术之一。

传统水下激光距离选通技术需要预先知道目标的距离或通过步进式或者切片的方式不断调整ICCD的门控开启时间；前者当对距离未知的目标成像时效果不佳，存在一定的局限性，而后者需要不断调整ICCD的门控开启时间，直到ICCD的门控开启时间与目标的距离精确匹配时才能达到较好的成像效果，这个调整过程需要耗费一定的时间，成像速度较慢。

综上，现需要设计一种自适应距离选通水下激光成像仪解决传统水下激光距离选通技术需要预先知道目标距离或者通过切片成像法成像速度慢的问题。

发明内容

为解决上述现有技术中问题，本发明提供了一种自适应距离选通水下激光成像仪及其成像方法，有效的解决了传统方法上述的局限性，同时还进一步提高了系统门控开启的精度，进一步提高了抑制后向散射噪声的能力。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种自适应距离选通水下激光成像仪，包括：

发光单元，包括依次通过光信号连接的激光器、第一比例分束器、发射模块；

采光单元，包括依次通过光信号连接的接收模块和第二比例分束器；

光电探测器，用于接收所述第一比例分束器发送的光信号并记录该光信号的发送时刻t₀；

单光子探测器，用于响应所述第二比例分束器发送的回波信号并记录该回波信号的响应时刻t₁；

增强电荷耦合器件，用于接收所述第二比例分束器发送的回波信号并形成待测目标图像；

控制模块，其与所述激光器、光电探测器、单光子探测器和增强电荷耦合器件均电连接，用于传输控制信号；

其中，所述响应时刻t₁为所述增强电荷耦合器件的门控开启时刻。

在本发明的一些实施例中，所述控制模块引入电路传输的时间延迟t₂以及所述增强电荷耦合器件的时间延迟t₃用于计算所述增强电荷耦合器件的门控开启时刻t₁’，其计算公式为：t₁’＝t₁-t₂-t₃。

在本发明的一些实施例中，所述第一比例分束器的分光比例为1：99；所述光电探测器接收所述第一比例分束器分出的1％的脉冲激光并产生电脉冲信号；所述发射模块接收所述第一比例分束器分出的99％的脉冲激光并照射待测目标。

在本发明的一些实施例中，所述第二比例分束器的分光比例为5：95；所述单光子探测器接收所述第二比例分束器分出的5％的回波信号；所述增强电荷耦合器件接收所述第二比例分束器分出的95％的回波信号并形成待测目标图像。

在本发明的一些实施例中，所述控制模块用于计算所述激光成像仪与所述待测目标的距离r，其计算公式为：

其中，c为光速。

在本发明的一些实施例中，所述激光器发出的脉冲激光的宽度为所述增强电荷耦合器件的门控开启时间段。

在本发明的一些实施例中，在控制模块未确定待测目标距离时，所述增强电荷耦合器件不进行待测目标的成像。在本发明的一些实施例中，所述水下激光成像仪的成像方法包括以下步骤：

S1、根据一次脉冲激光的发射周期确定待测目标与激光成像仪的距离r；

S2、所述控制模块确定所述增强电荷耦合器件的门控开启时刻t₁’；

S3、在下一次脉冲激光的发射周期内，所述控制模块根据步骤S2中的门控开启时刻t₁’向所述增强电荷耦合器件发送门控开启命令后，所述增强电荷耦合器件进行待测目标的成像；

S4、所述控制模块根据脉冲激光的宽度向所述增强电荷耦合器件发送门控关闭命令后，所述增强电荷耦合器件完成待测目标的成像。

在本发明的一些实施例中，所述步骤S1包括以下步骤：

S11、所述控制模块向所述激光器发送启动命令的电信号；

S12、所述激光器发送周期性脉冲激光至所述第一比例分束器；

S13、所述第一比例分束器以1：99的比例分别分配给光电探测器和发射模块；

S14、所述光电探测器响应到脉冲激光后产生电脉冲信号并将其发送至所述控制模块，该电脉冲信号为所述控制模块的计时信号，所述控制模块保存发送时刻t₀；所述发射模块接收到脉冲激光后照射待测目标；

S15、所述接收模块采集待测目标的回波信号后，由第二比例分束器按照5：95的比例分别分配给单光子探测器和增强电荷耦合器件；

S16、单光子探测器响应到回波信号后向控制模块发送响应时刻t₁，该响应时刻t₁作为计时停止信号；

S17、所述控制模块根据步骤S14中的发送时刻t₀和步骤S16中的响应时刻t₁计算距离r。

在本发明的一些实施例中，所述单光子探测器的工作模式包括门控模式和自由运行模式。

本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：

本发明通过增加目标测距通道(由发光单元、采光单元、光电探测器、单光子探测器和控制模块组成)，可以自适应的为增强电荷耦合器件提供精确的门控控制信号，无需预先知道待测目标的距离，提高了成像仪的适应性，此外，测距通道的增加可以显著提升水下激光成像仪的测距精度；可以仅用一个或几个脉冲激光周期确定增强电荷耦合器件的门控控制信号，无需采用步进式(切片式)的成像方法，提高了系统的成像速度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为所述自适应距离选通水下激光成像仪的结构示意图。

附图标记：1-控制模块；2-激光器；3-第一比例分束器；4-发射模块；5-光电探测器；6-接收模块；7-第二比例分束器；8-增强电荷耦合器件；9-单光子探测器。虚线箭头表示电信号，实线箭头表示光信号。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1所示，一种自适应距离选通水下激光成像仪，包括：

发光单元，包括依次通过光信号连接的激光器2、第一比例分束器3、发射模块4；

采光单元，包括依次通过光信号连接的接收模块6和第二比例分束器7；

光电探测器5，用于接收所述第一比例分束器3发送的光信号并记录该光信号的发送时刻t₀；

单光子探测器9，用于响应所述第二比例分束器7发送的回波信号并记录该回波信号的响应时刻t₁；

增强电荷耦合器件8，用于接收所述第二比例分束器7发送的回波信号并形成待测目标图像；

控制模块1，其与所述激光器2、光电探测器5、单光子探测器9和增强电荷耦合器件8均电连接，用于传输控制信号；

其中，所述响应时刻t₁为所述增强电荷耦合器件8的门控开启时刻。

以上组成部分形成了目标测距通道和成像通道，分别对待测目标进行精确测距和清晰成像。其中激光器2、第一比例分束器3、发射模块4、光电探测器5、接收模块6、第二比例分束器7、单光子探测器9、控制模块1共同组成本发明的目标测距通道，而激光器2、第一比例分束器3、发射模块4、接收模块6、第二比例分束器7、增强型电耦合器件8、控制模块1共同组成本发明的成像通道。

目标测距通道主要为了精确测定目标的距离，一方面较传统距离选通水下激光成像系统来说测距精度进一步提高，另一方面可以为增强型电耦合器件8成像通道提供精确的门控开启信号，减弱后向散射对成像效果的负面影响。

在本发明的一些实施例中，对于激光器2，其采用532nm脉冲激光器，能够发射高功率的激光；该激光器2与控制模块1之间是通过电信号连接，具体是控制模块1向激光器2发送控制命令；另外，激光器2将高功率的激光的传输到第一比例分束器3。

对于第一比例分束器3，分光比例为1：99，其中1％的脉冲激光分配给光电探测器5，另外99％的脉冲激光分配给发射模块4，该发射模块4将99％的脉冲激光能量直接照射在待测目标上，对水下目标进行照明。

对于光电探测器5，其作为成像仪的光触发探测器，当响应到第一比例分束器3的1％的脉冲激光功率时记录该脉冲激光的发送时刻t₀并生成电脉冲信号，该光电探测器5再将电脉冲信号发送至控制模块1，使得控制模块1将发送时刻t₀作为计时的开始时刻。

对于第二比例分束器7，其首先用于接收由接收模块6采集的由水下待测目标散射的回波信号，将该回波信号的5％分配给单光子探测器9，另外95％的回波信号分配给增强电荷耦合器件8对水下待测目标进行清晰成像。

对于单光子探测器9，其工作模式包括门控模式和自由运行模式；由于水体对激光的吸收使得激光在水中能量衰减严重，因此，选用具有极高灵敏度的单光子探测器9对目标回波进行探测，提高测距通道的作用距离；另外水体的后向散射容易造成单光子探测器9饱和或者发生虚警探测，因此，该单光子探测器9可以选择工作在门控模式下，避开后向散射较强的近场区域，降低后向散射的影响，提高测距通道的探测概率和作用距离。单光子探测器9的门控信号仅需要使其避开后向散射极强的近场区域，不需要精确控制门控开启的时刻和持续时间。对工作在门控模式下的单光子探测器9来说近场区域为测距通道的盲区，但是在近场区域的目标，由于距离较近，增强电荷耦合器件8可以直接对待测目标进行清晰成像，此时不需要测距通道提供精确的距离信息。测距通道的主要目的是对中、远距离处的目标距离进行精确测量，给增强电荷耦合器件8提供精确的门控开启信号，改善由于激光能量在水中衰减和后向散射影响造成增强电荷耦合器件8对中、远距离处目标成像效果差的问题。

单光子探测器9可以为单像素或多像素的单光子探测器，主要目的是对水下目标的距离进行探测。当回波信号到达单光子探测器9后，单光子探测器9响应到回波信号后向控制模块1发送响应时刻t₁，该响应时刻t₁作为计时停止信号。

对于增强电荷耦合器件8，其具有极高的成像分辨率且像素数可以达到十万级甚至百万级，可以通过一次曝光完成对目标的探测，具有高速成像能力。现有的商用增强电荷耦合器件8的曝光时间可以短至纳秒量级，因此当控制模块1内未确定待测目标距离时，增强电荷耦合器件8不会对回波信号进行响应，即不会对待测目标进行成像。当控制模块1确定了目标距离后，在下一次的脉冲激光发射周期内，通过控制模块1可以将门控开启时间反馈至增强电荷耦合器件8，精确控制增强电荷耦合器件8的门控开启时刻。

在本发明的一些实施例中，所述控制模块1引入电路传输的时间延迟t₂以及所述增强电荷耦合器件8的时间延迟t₃用于计算所述增强电荷耦合器件8的门控开启时刻t₁’，其计算公式为：t₁’＝t₁-t₂-t₃。也就是说，控制模块1向增强电荷耦合器件8发送门控开启的电信号命令以及门控关闭的电信号命令；增强电荷耦合器件8待采集到目标图像后也是利用电信号传输给控制模块1。

另外，所述激光器2发出的脉冲激光的宽度为所述增强电荷耦合器件8的门控开启时间段。具体地，增强电荷耦合器件8的门控开启持续时间刚好与激光器2的脉冲宽度一致，最终达到的效果是：只有目标的回波信号刚好返回至增强电荷耦合器件8时，增强电荷耦合器件8是处于门控开启，即处于能够正常成像的工作状态。因此，可以有效抑制后向散射噪声，提高增强电荷耦合器件8成像的对比度和清晰度。

在本发明的一些实施例中，所述控制模块用于计算所述激光成像仪与所述待测目标的距离r，其计算公式为：

其中，c为光速，该测距精度可以达到厘米级。

在本发明的一些实施例中，所述激光成像仪的成像方法包括以下步骤：

S1、根据一次脉冲激光的发射周期确定待测目标与激光成像仪的距离r；

S11、所述控制模块1向所述激光器2发送启动命令的电信号；

S12、所述激光器2发送周期性脉冲激光至所述第一比例分束器3；

S13、所述第一比例分束器3以1：99的比例分别分配给光电探测器4和发射模块4；

S14、所述光电探测器5响应到脉冲激光后产生电脉冲信号并将其发送至所述控制模块1，该电脉冲信号为所述控制模块1的计时信号，所述控制模块1保存发送时刻t₀；所述发射模块4接收到脉冲激光后照射待测目标；

S15、所述接收模块6采集待测目标的回波信号后，由第二比例分束器7按照5：95的比例分别分配给单光子探测器9和增强电荷耦合器件8；

S16、单光子探测器9响应到回波信号后向控制模块1发送响应时刻t₁，该响应时刻t₁作为计时停止信号；

S17、所述控制模块1根据步骤S14中的发送时刻t₀和步骤S16中的响应时刻t₁计算距离r；

S2、所述控制模块1确定所述增强电荷耦合器件8的门控开启时刻t₁’，该门控开启时刻t₁’的计算考虑到了水下激光成像仪的电路传输的时间延迟t₂以及ICCD的时间延迟t₃；

S3、在下一次脉冲激光的发射周期内，所述控制模块1根据步骤S2中的门控开启时刻t₁’向所述增强电荷耦合器件8发送门控开启命令后，所述增强电荷耦合器件8进行待测目标的成像；

S4、所述控制模块根据脉冲激光的宽度向所述增强电荷耦合器件发送门控关闭命令后，所述增强电荷耦合器件完成待测目标的成像。

本发明的技术方案相对现有技术具有如下技术效果：

本发明先通过目标测距通道快速、精确的确定待测目标距离，在待测目标距离已知后，根据预先设定的算法自适应的确定下一周期增强电荷耦合器件8门控开启的时刻，使增强电荷耦合器件8仅在目标回波信号返回的时刻开始工作，如此便可以最大限度的抑制后向散射噪声，最终达到对水下目标进行快速、高清成像的目的。

本发明无需预先知道待测目标的距离，提高了水下激光成像仪的适应性，此外，测距通道的增加可以显著提升水下激光成像仪的测距精度；可以仅用一个或几个脉冲激光周期确定增强电荷耦合器件的门控控制信号，无需采用步进式(切片式)的成像方法，提高了系统的成像速度。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种自适应距离选通水下激光成像仪，其特征在于，包括：

发光单元，包括依次通过光信号连接的激光器、第一比例分束器、发射模块；

采光单元，包括依次通过光信号连接的接收模块和第二比例分束器；

光电探测器，用于接收所述第一比例分束器发送的光信号并记录该光信号的发送时刻t₀；

单光子探测器，用于响应所述第二比例分束器发送的回波信号并记录该回波信号的响应时刻t₁；

增强电荷耦合器件，用于接收所述第二比例分束器发送的回波信号并形成待测目标图像；

控制模块，其与所述激光器、光电探测器、单光子探测器和增强电荷耦合器件均电连接，用于传输控制信号；

其中，所述响应时刻t₁为所述增强电荷耦合器件的门控开启时刻。

2.根据权利要求1所述的水下激光成像仪，其特征在于，所述控制模块引入电路传输的时间延迟t₂以及所述增强电荷耦合器件的时间延迟t₃用于计算所述增强电荷耦合器件的门控开启时刻t₁’，其计算公式为：t₁’＝t₁-t₂-t₃。

3.根据权利要求1所述的水下激光成像仪，其特征在于，所述第一比例分束器的分光比例为1：99；所述光电探测器接收所述第一比例分束器分出的1％的脉冲激光并产生电脉冲信号；所述发射模块接收所述第一比例分束器分出的99％的脉冲激光并照射待测目标。

4.根据权利要求1所述的水下激光成像仪，其特征在于，所述第二比例分束器的分光比例为5：95；所述单光子探测器接收所述第二比例分束器分出的5％的回波信号；所述增强电荷耦合器件接收所述第二比例分束器分出的95％的回波信号并形成待测目标图像。

5.根据权利要求1所述的水下激光成像仪，其特征在于，所述控制模块用于计算所述激光成像仪与所述待测目标的距离r，其计算公式为：

其中，c为光速。

6.根据权利要求1所述的水下激光成像仪，其特征在于，所述激光器发出的脉冲激光的宽度为所述增强电荷耦合器件的门控开启时间段。

7.根据权利要求1所述的水下激光成像仪，其特征在于，在控制模块未确定待测目标距离时，所述增强电荷耦合器件不进行待测目标的成像。

8.根据权利要求2-7任一项所述的水下激光成像仪的成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据一次脉冲激光的发射周期确定待测目标与激光成像仪的距离r；

S2、所述控制模块确定所述增强电荷耦合器件的门控开启时刻t₁’；

S3、在下一次脉冲激光的发射周期内，所述控制模块根据步骤S2中的门控开启时刻t₁’向所述增强电荷耦合器件发送门控开启命令后，所述增强电荷耦合器件进行待测目标的成像；

S4、所述控制模块根据脉冲激光的宽度向所述增强电荷耦合器件发送门控关闭命令后，所述增强电荷耦合器件完成待测目标的成像。

9.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S11、所述控制模块向所述激光器发送启动命令的电信号；

S12、所述激光器发送周期性脉冲激光至所述第一比例分束器；

S13、所述第一比例分束器以1：99的比例分别分配给光电探测器和发射模块；

S14、所述光电探测器响应到脉冲激光后产生电脉冲信号并将其发送至所述控制模块，该电脉冲信号为所述控制模块的计时信号，所述控制模块保存发送时刻t₀；所述发射模块接收到脉冲激光后照射待测目标；

S15、所述接收模块采集待测目标的回波信号后，由第二比例分束器按照5：95的比例分别分配给单光子探测器和增强电荷耦合器件；

S16、单光子探测器响应到回波信号后向控制模块发送响应时刻t₁，该响应时刻t₁作为计时停止信号；

S17、所述控制模块根据步骤S14中的发送时刻t₀和步骤S16中的响应时刻t₁计算距离r。

10.根据权利要求8所述的成像方法，其特征在于，所述单光子探测器的工作模式包括门控模式和自由运行模式。

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