基于距离选通成像系统的水下目标探测技术研究

 基于距离选通原理,采用波长为532 nm、脉冲宽度为20 ns的Nd∶YAG激光器和距离选通ICCD成像系统,通过脉冲激光照射水下目标,ICCD系统同步选通接收,对漫射衰减系数约为0.45的8 m水深内的水下目标的成像能力进行了实验研究,获得了10 ns的图像选通效果和7 m的探测能力。实验结果表明,距离选通成像方法是一种快速、有效的水下目标探测和识别手段。     

距离选通激光水下成像系统的门控信号对图像质量的影响

研究了水体的前后向散射光和目标反射光的传输特性,运用脉冲激光器和增益型CCD(ICCD)搭建了距离选通激光水下成像实验系统,建立了计算距离选通激光水下成像系统光信号的数学模型,分析了图像对比度传递系数与门控信号的关系.编制计算机程序,根据所搭建实验系统参数计算并绘制了距离选通激光水下成像系统门控信号与图像对比度传递系数的关系曲线,提出了距离选通激光水下成像系统最佳门控策略.数值计算和实验结果表明:在ICCD未饱和的情况下.精确开门得到的图像质量最高,不论是滞后开门或是提前开门都会使图像分辨率有所下降,但滞后开门比提前开门较为有利,并且选通门开启的持续时间则应取激光脉宽的1～3倍.     

水下距离选通成像系统参数对成像效果影响的实验研究

利用自行研制的水下距离选通成像系统在实验水池中对水下靶板进行成像探测,通过改变探测激光能量和像增强器增益,研究了不同系统参数对实际成像探测效果的影响。通过对实验数据的分析,得出了只是提高探测激光能量与ICCD增益不能继续改善探测图像质量,系统参数与探测结果之间存在最优化关系的结论,为水下距离选通成像系统设计提供了有益的...     

基于雪崩级联电路控制激光照明源的水下激光选通成像

基于雪崩级联原理研发了用于水下激光选通成像的MARX级联电路激光照明源。相对于普通激光驱动器,该MARX级联电路有输出脉冲窄、峰值高、上升沿短、重复频率高、成本低、体积小、质量轻等优点。采用级联电路研发的脉冲激光照明光源在实现ns量级脉冲宽度性能的基础上保持了照光源系统体积的小型化。该脉冲照明源结合激光整形及匀化光学技术进行了水下选通成像验证实验,在10 ns的脉冲宽度下,实现水下7倍衰减长度范围内的选通成像。该文涉及的电路、光学方面的改进对降低激光选通成像系统的体积、成本及实际应用具有重要意义。     

一种远距离水下光电成像的方法

为了增大水下光电成像探测系统的探测距离,降低系统造价成本,对距离选通技术中存在问题进行分析研究,提出降低激光单脉冲能量,提升系统运行频率,增加CCD曝光时间的方法。利用噪声随机特性及目标回波的相关特性进行多脉冲累计提高探测距离。对距离选通系统进行适应性改进,并在室内水池进行实验。实验结果表明:此方法可有效增大系统探测距离,且目标图像质量与激光脉冲数量存在一定最优匹配关系,实验中10次脉冲累计获取到29 m距离处的目标图像质量最佳。     

集束光水下图像系统

报道了一种新型的适用于浑水条件下的集束光水下图像系统.分析了目前水下观察采用的两种技术—同步扫描技术和距离选通技术,介绍了该水下图像系统的构成原理以及系统组成.通过水池实验,验证了系统的有效性.给出了集束光水下图像系统与水下激光图像系统在探测距离及其它性能方面的比较结果.该系统有望在海洋工程及军事上得到广泛应用.     

基于选通深度曲线的脉冲激光水下传输时域展宽测量

时域展宽是脉冲激光在水下传输时的重要特性,直接影响蓝绿激光对潜通信和水下激光成像等水下光电应用的性能。推导了选通深度曲线的特征参数与脉冲激光回波波形参数和增强型电荷耦合器件(ICCD)选通波形参数的关系,从而提出了基于选通深度曲线的脉冲激光水下传输时域展宽测量方法。利用所搭建的高重频脉冲激光水下成像系统,在大型室内船池中进行实验测量。结果表明,所提方法能够有效完成脉冲激光在水下传输时的时域展宽测量,尤其适用于远距离传输的情况。     

水下距离选通成像雷达激光照明模型

基于脉冲激光器的水下距离选通成像雷达是水下光电探测的重要手段之一,为了在探测距离内获得有效的照明范围,在小角度散射条件下,推导了水体光束扩展函数,提出了一种水下高斯光束激光照明模型。采用532 nm调Q倍频Nd:YAG脉冲激光器实验测量了不同发散角激光在水下目标平面上的照度分布半径。与其他模型仿真结果进行对比表明,该激光照明模型能够较好地吻合实验结果。模型误差随着照明距离和激光发散角的增加而变大,在目标平面直径为1 m的圆形照明区域条件下,仿真得到的照明光斑半径在8.5个衰减长度范围内与实测值误差不超过0.1 m。     

圆盘透明度在水下激光成像系统性能评估中的应用

水下激光主动成像系统的探测能力不仅与探测系统自身参数有关,还与水质等环境因素有关。为评估水质对水下激光成像系统探测能力的影响,根据圆盘透明度成像模型,研究了吸收系数、散射系数、漫射衰减系数等水体水质参数与圆盘透明度的关系,给出了圆盘透明度与水下激光主动成像系统最大探测深度的表达式。实验表明,ICCD距离选通水下激光主动成像系统最大探测深度值与理论计算值相对误差小于20%。基于成像理论的圆盘透明度模型反映了水下激光成像系统探测能力与水体水质参数的关系,可用圆盘透明深度来评估水下激光成像系统的探测能力。     

激光脉冲水中传输时域展宽特性的分析计算

推导出不同距离、水质和探测参量情况下激光脉冲在水中传输的时域展宽表达式，并提出光波门选通法来代替传统的脉宽检测方法，计算结果与实际相符，对水下激光探测应用有重要的实际意义。     

基于偏振激光辅助照明的ICCD探测技术研究

为了验证偏振激光辅助照明ICCD探测目标的可行性,I以偏振成像探测原理为基础,提出一套基于偏振激光辅助照明的ICCD探测系统。该系统采用808 nm人眼不可见偏振激光辅助照明,ICCD对后向散射激光进行检偏和光电信息转换,实现背景中目标的偏振成像探测。通过在野外环境中对该系统的探测能力进行实验测试,结果表明,在0、45和90检偏角下,人造金属涂漆目标对照射偏振激光退偏小于10%;绿色背景对照射偏振激光退偏度约50%;沙土地面退偏度约30%,人造金属涂漆目标相对于自然背景随检偏角增大图像对比度也越大。     

距离选通水下成像系统成像范围的分析与计算

距离选通水下激光成像系统是一种基于时间标记原理的水下光电成像系统,它能够有效抑制水体后向散射光的干扰,提高目标探测距离,具有较高的军事和民用价值。距离选通水下激光成像系统在对距离未知的目标搜索过程中,准确地设置系统的搜索范围,对于提高距离选通成像系统对距离未知目标的搜索效率具有重要的意义。根据距离选通成像原理,搭建了距离选通成像实验系统,建立了成像系统的几何模型,分析并计算了距离成像系统的最小探测成像距离和最大探测成像距离,给出了最小探测成像距离和系统结构参数之间关系的仿真计算结果,并用实验验证了最大探测成像距离与水体衰减系数之间的关系。     

水下目标光电探测技术及其进展

 随着电子技术、激光技术和信号处理技术的发展,光电探测技术应用于水下目标探测方面的研究重新成为热点。介绍了距离选通、激光线扫描、条纹管成像、载波调制、布里渊散射、偏振差分成像技术的原理、特点以及国内外发展现状,重点分析和比较了国内外已有水下目标光电探测系统的性能水平和应用前景,指出水下目标光电探测技术的最新进展以及发展趋势。     

水下探测光电成像技术及其进展

阐述了激光主动照明选通成像的原理。针对水下成像系统对光电接收器件和照明光源性能的要求,介绍了当前主要成像器件的特性和在选通成像系统中的优缺点。重点分析了ICCD光电接收器件的选通性能和特点,列举了几种先进的ICCD系统的性能参数。对其它几种水下成像系统的性能参数进行了简单的介绍和对比,分析了今后成像器件的发展方向。     

国家自然科学基金(40776059)资助

为了克服水下探测中后向散射光背景噪音的影响,提出了非均匀光场水下探测方法,推导得出非均匀光场的照度分布函数与接收口径、目标与接收器的距离以及海水的体积衰减系数几个因素有关.通过搭建集束光水下图像系统,对其产生的非均匀光场的分布特性和水下探测特性进行了水池实验.观测结果为,在0.6倍能见度下,可分辨1 mm细节,在1倍能见度时,可分辨目标轮廓,在1.5倍能见度时,可探测到目标.结果证明,该系统具有宽视角、全景深、图像清晰度高等特点.     

Divergent-beam Lidar imaging in turbid water

Although there are rapid developments of underwater robotics vehicles in recent years, the underwater visual sensing or/and underwater imaging is still regarded as a major undertaking challenge, particularly in turbid water condition. Currently, a divergent-beam underwater Lidar imaging (UWLI) system has been finished and it precisely captured nano-seconds fast-gated images in highly turbid water. This permits the receiver to collect only the image-containing light pulse returned by the target and thus reduce the water-scattering related noise of underwater image dramatically. The end result is greatly improved intensity and contrast of the detected images. Based on our newly designed series targets, we are the first to successfully demonstrate UWLI in such a short 3 m water tank, and show the fast range-gated phenomenon in water much more clearly. The attenuation coefficients in turbid waters are 1.0 m and 2.3 m⁻¹, respectively.