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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

激光照明水下目标距离选通成像系统的研制

基于水下目标探测的应用需求,研制开发了一套激光水下距离选通成像系统。系统采用波长532 nm、最大单脉冲能量400 mJ的Nd:YAG脉冲激光器作为照明光源,采用最小选通门宽3 ns、像元10241024的ICCD相机作为门选通器件和图像记录器件,利用DG535型数字脉冲发生器作为精确延时和同步控制器件实现激光脉冲和ICCD相机选通门的同步以实现距离选通功能。利用该系统在某水库进行了水下目标探测实验,实验结果表明,该系统可在6.5倍的衰减长度上识别目标,在8倍衰减长度上发现目标。     

水下激光距离选通成像与脉冲展宽的时序模型

基于距离选通原理,深入分析了水下脉冲传输和探测器选通接收间的时序关系,建立了较为完善的距离选通时序模型;基于搭建的水下脉冲激光距离选通实验平台,设计了专门的模型验证实验。实验与仿真结果的一致性表明:模型能较好地描述水下距离选通成像过程,预测成像对比度随延迟时间的变化,可用于实际选通系统的性能预测和优化设计。此外,还借助模型讨论了各参量对成像对比度的影响,并介绍了利用距离选通技术直接测量水下脉冲时间展宽的方法。     

基于图像亮度特性统计的水下距离选通成像自动增益控制方法

对水下激光距离选通成像质量与系统增益的关系进行了分析,提出了一种基于图像亮度特性统计的普适性自动增益控制方案。该方案通过设定不同灰度统计阈值,甄别目标图像的亮度特性,并以此作为控制系统增益的主要依据。在对水下大动态范围照度目标或慢速运动目标等进行成像的特殊场合,该方案也具备较强的适用性,能实时反馈控制系统增益,使成像质量优化。     

凝视型水下激光成像后向散射光理论模型研究

建立了后向散射光在二维光敏面上能量分布的理论模型,结合典型水下激光成像系统,提出用像面表观衬比度来评价系统极限探测距离的方法,并推导了计算公式;通过选取水下激光成像系统的典型参量进行模拟计算,进一步讨论了系统主要组成部分的相对位置对像面表观衬比度分布的影响;得到像面表观衬比度与目标距离的关系曲线以及系统极限探测距离随海水衰减系数的变化曲线,从而估算出不同水质条件下系统的极限探测距离。模拟仿真数据与实际实验结果基本一致。     

激光距离选通技术在微光成像系统中的应用

激光距离选通技术提高了微光条件下的远距离观测的视距,有效的克服了大气的后向散射对微光成像系统成像质量的影响。采用改进的同步控制技术解决了距离选通技术中激光器与摄像机的同步问题。实验结果表明,采用同步控制技术的距离选通技术对提高成像的质量和探测距离起到了关键的作用。     

基于水下成像系统模型的水下图像超分辨率重建技术研究

水下成像技术在诸多领域获得了越来越多的应用,然而由于受到成像器件参数、水体特性等成像系统参数的影响,水下图像的分辨率普遍较低、像质较差。基于包括点扩散函数、衍射极限等水下成像系统模型的图像超分辨率重建技术,能够在提高图像分辨率的同时增强图像质量。为了尽可能提高图像分辨率,建立了基于光束传播理论的超分辨率成像模型,并将其应用于水下脉冲激光距离选通成像结果图像的超分辨率重构。重构实验的结果表明,所提出的方法可以有效地提高水下成像的分辨率和质量。     

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。     

激光距离选通成像门宽对图像信噪比影响

为了解不同激光测距精度下的选通成像信噪比,本文利用外场实验系统对不同门宽条件下的图像信噪比进行了分析。首先,根据激光距离选通成像理论建立作用距离模型,初步确定系统各项参数。在此基础上,构建外场实验系统,并利用实验系统进行外场实验研究。对不同门宽条件下的图像进行分析对比,获得门宽与图像信噪比关系曲线。实验结果表明:在门宽2 μs范围内,图像信噪比≥8,图像质量满足自动识别要求,充分证明了距离选通成像系统对测距精度要求较低,完全满足实际应用需求。     

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。     

消除水下激光图像混合噪音的软形态滤波算法

除了采用距离选通等特殊机制来消除后向散射之外,水下激光成像系统作用距离的进一步提升依赖于对图像中噪音的有效抑制.在分析水下激光距离选通图像噪音特性的基础上,引入软形态学,设计了多方向结构元和极化软形态变换,组成开-闲级联滤波器.对于其中的重复度参量,以散斑指数和边缘能量为目标,采用离散差分算法优化.实验结果表明,该算法...     

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。     

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。     

反射式水下量子成像

水下成像的成像质量受到激光功率和接收器灵敏度的制约,现有的量子成像方式在自由空间中能够获得较传统成像距离更远、清晰度更高的探测图像。结合自由空间中量子成像方式与水体自身特点,提出了赝热光二维二阶关联的反射式水下量子成像方法,通过选取水下成像系统的典型参量进行模拟计算,重构了物体的光强起伏图像,设计并实现了成像实验。实验结果与数值仿真一致,表明可以利用二阶光强度关联的量子成像方式重现水下物体的二维图像。     

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.     

主动成像系统距离选通实验方案设计

 距离选通技术是克服大气后向散射，提高主动成像系统信噪比的有效方法。分析了距离选通的技术要求，分别使用电源调制和机械调制的方法获得了适合用于主动成像系统脉冲光源,并进行了距离选通实验，机械调制方法适用于大功率连续半导体激光器。使用氙灯泵浦YAG激光器实现了对675 m和1 509 m距离目标的主动成像，详细分析了几种方案的利弊并提出了改进方法。