水下激光成像測量技術應用研究

王紅萍 熊 俊

（中國人民解放軍91550部隊 大連 116023）

1 引言

潛射飛行器發射過程中，水中段（飛行器出筒至出水段）的觀測對其武器系統設計、研制及鑒定具有重要的意義。現有的水下測量裝備中水下微光成像系統作用距離短、視場小，只能獲取局部圖像，無法獲取水下全景實況，同時，受水質能見度差等原因影響，有時觀測效果不佳；圖像聲納系統雖然作用距離遠且能夠全程成像，但分辨力不夠高，有時也無法滿足對飛行器水下運動過程進行深入分析的需要。因此，探索一種新的水下觀測手段，以解決觀測距離與成像分辨率之間的矛盾就顯得十分迫切和必要。近年來，國內外對水下激光成像技術進行了大量的研究，取得了許多突破性成果，因此，發展和促進激光水下目標探測技術的實際應用，加強水下激光成像關鍵技術的研究，為水下激光探測系統的設計、樣機研制和實際應用提供依據，具有極大的經濟價值和重要的軍事戰略意義。

2 水下激光探測目標原理

海水存在一個類似于大氣中存在的透光窗口，它對0.47μm～0.58μm波段內的藍綠光的衰減要遠小于對其它光波段的電磁波的衰減［1］。這一透光現象是在1963年DuntleySQ和GHbertGD等在研究海洋的光波傳播特性時發現的。表1是文獻［2］中列出的各類海水的透光窗口的數值。

表1 各種類型海水的透光窗口數值

基于海水的這一透光特性原理，可以研制出以藍綠激光器作為照明光源的新型設備，應用于水下目標探測、成像、控制和通信等領域［3～4］，這將有可能解決對水下目標的成像、控制等許多一直困擾各國海軍的難題。藍綠激光水下目標探測技術可以獲得聲納探測難于實現的對水下目標的測距、定位乃至成像和自動識別的效果，它可與聲納探測互相補充，實現不同距離、不同水深和不同環境條件下對水下目標進行全方位探測的目的。

3 國內水下激光成像主要技術

水下激光成像是一種主動光電成像技術，激光水下目標成像系統相對于非成像系統的主要特點在于：激光水下目標成像系統可獲得水下目標的二維乃至三維圖像，能夠顯示探測目標的形狀、大小等特征，容易實現水下目標的識別［5～6］。

3.1 距離選通技術

距離選通技術是利用脈沖激光器和選通攝像機，以時間的先后分開不同距離上的散射光和目標的反射光，使由被觀察目標反射回來的輻射脈沖剛好在攝像機選通工作的時間內到達攝像機并成像［7～9］。

水下距離選通成像系統的工作原理如下：

圖1 水下激光距離選通成像系統工作原理

距離選通成像系統的一個重要特點是觀察景深可調，為了能夠實現對全范圍場景目標進行觀察，需要對系統相關參數進行設定。系統觀察區域的設定方法如圖2所示。

根據距離選通成像原理，對于處于系統視場范圍內的目標不一定可見，而只有當目標既處于系統視場范圍內，且處于系統的選通深度（DOG）內時才可見，區域1和區域2不可見。通過調節選通延遲時間可以改變觀察距離L，選通延遲時間越大，目標觀察距離L越遠，二者成比例關系；選通深度可以通過改變ICCD攝像機的曝光時間長短來調節，曝光時間越長，選通深度越大，二者成線性關系。

圖2 距離選通系統可視區域圖示

由于ICCD應用中需要利用距離選通的門控技術來濾除進出后向散射光噪聲，增加成像的分辨率和對比度，這一門控信號要求與探測光源的發光時間精確地保持一定的時間間隔，門控信號的精度和時延的準確度成為了水下遠距離成像技術中的關鍵因素。目前，國內在此種成像方式上研究較多，七一七所、華中科技大學、二O五所、北京理工大學在這方面都做了大量的工作，各自設計了此種方式的水下激光成像系統試驗樣機。

3.2 同步掃描技術

同步掃描技術是掃描光束（連續激光）和接收視線的同步，利用水的后向散射光強相對中心軸迅速減小原理。該技術采用準直光束點掃描和基于光電倍增管的高靈敏度探測器的窄視域跟蹤接收［10］。激光掃描裝置器使用窄光束的連續激光器，同時使用窄視場角的接收器，探測器與激光掃描裝置分開放置，這樣使得被照明水體和接收器視場的交迭區域盡量減少，從而讓后向散射光盡量少地進入接收器中，再利用同步掃描技術，逐個像素點探測來重建圖像，有效地提高成像的信噪比和作用距離。

同步掃描成像系統的工作原理如圖3所示。

圖3 水下激光同步掃描成像系統工作原理

由于點照射、窄視場接收成像方案在某一時刻只能得到一個目標點的反射率信息，為了能獲得目標的二維反射率圖像，必須對目標進行掃描照射并使接收視場始終跟蹤當前照射點，同步掃描水下激光成像采用一維掃描來擴展橫向視場，而通過載體的平移來擴展縱向視場，以此來獲得目標的二維場景信息。

此種成像方式的特點是必須通過機械掃描才能獲得目標的二維圖像，所以對于運動目標的拍攝很受限制，而且精確、快速地機械掃描系統在水下復雜環境下實現難度很大，穩定性和工作壽命都會受到影響。

3.3 條紋管激光成像技術

條紋管激光成像可提供很好的三維信息，其原理是通過測量短脈沖激光在發射機與目標之間的往返時間來還原出目標的距離像［11～12］。目標的距離信息首先轉換成為回波信號的時間信息，即回波的時間先后，然后又通過條紋管轉換成為條紋像的空間信息。另外還可以根據目標表面的反射率的不同得到目標的強度信息。這樣在條紋管的熒光屏上就可以得到目標的距離—強度—方位角的圖像信息，并由耦合在條紋管熒光屏上的CCD圖像讀出系統給出。

條紋管激光成像技術是近年來才發展的激光應用技術，其特點是時間分辨率非常高，能達到飛秒級，主要應用于超快速瞬態成像領域，缺點是單狹縫條紋管單次只能在一條線上對目標成像，整個目標的成像必須通過線掃描的方式來完成。這方面的局限性等同于同步掃描成像系統，對運動目標成像實現難度大，而且條紋管激光成像系統持續時間短，最多能達到100ns，不能滿足長時間攝像需求。國內只有少數幾家單位進行條紋管激光成像研究。

3.4 偏振成像技術

偏振成像技術是利用物體的反射光和后向散射光的偏振特性的不同來改善成像的分辨率。激光波長與海水及海水中懸浮顆粒和有機物分子的尺寸相當，一般遵從瑞利或米氏散射理論。根據散射理論，懸浮粒子后向散射的退偏振度小于物體后向散射光的退偏振度。如果在水下用偏振光源照明，則大部分后向散射光也將是偏振的。如果采用適當取向的檢偏器對后向散射光加以抑制，從而可使圖像對比度增強。如當檢偏器的偏振方向與光源的偏振方向平行，物體反射光能量和散射光能量大約相等時，對比度最小，圖像模糊；而當兩者偏振方向垂直時，接收到的物體反射光能量則遠大于光源的散射光能量，對比度最大，圖像清晰。

4 水下激光成像應用中的關鍵技術難點

綜上所述，光電探測技術是一種比較有效的水下目標探測方法。但水下激光成像技術在實際應用上尚有一定的難度，下面對其中關鍵性技術難點問題總結如下。

4.1 成像系統選通深度（觀測景深）問題

基于距離選通成像方式的工作原理，要求對目標和成像系統間距離進行選定，而且選通深度與成像質量關系緊密，選通深度越小，后向散射噪聲越小，成像質量亦越高。為了實現飛行器水下發射過程全程觀測，成像系統距離目標水下運動軌跡的近端和遠端都必須在成像系統的選通深度之內。經過簡單計算，全程觀測整段選通深度約為XXm。距離選通成像系統選通深度一般在2m左右可調，即使通過降低成像質量增大選通深度也不能滿足選通深度達到XXm的要求。另外觀測景深過大，反射激光到達ICCD攝像機強度會很不均勻，所成圖像亮度亦不均勻。增加主動照明激光器數量進行多段照明，利用精確時控電路控制各路分段照明激光器脈沖出射時間，照明遠端激光器先出強光，照明近端激光器后出弱光，并同時到達ICCD攝像機，完成全程觀測水下段發射運動過程。同時多段照明也能減小激光擴束過大導致的能量密度降低，提高激光照明的均勻性。

4.2 增加合作目標問題

鑒于光在水介質中傳播成指數衰減特性，光波在水中傳播衰減很快，激光成像正是利用激光的高能量來彌補這種衰減，然而激光功率的限制以及為獲取更高重復頻率而帶來的單脈沖激光能量減小，使得目標反射光照度依然不夠，從而影響了成像系統的作用距離，為此，通過增加合作目標，提高目標的反射光強度，能一定程度上提高成像距離。對于合作目標的要求有待于進一步研究與試驗驗證。

4.3 水質問題

激光水下成像系統工作于近海海域，水質隨天氣、季節變化較大，水質的變化給成像質量及作用距離帶來很大影響。據相關研究結果可知，水質對光的吸收、散射等傳輸光譜特性影響較大。經研究認為，可對試驗海域的海水光譜特性進行測量，繪制出光譜透過率曲線，對不同季節、不同氣候條件下的海水光譜特性進行分析，依據試驗海域海水的光譜特性分析結果，將激光器部分設計成可更換的模塊，在不同季節、不同氣候和水質條件下選用最佳波長激光器，最大限度改善照明效率。目前，450nm、470nm、532nm、632nm等波長激光器均有較成熟產品，可在從藍光到紅光波段選用合適的水下激光光源。

4.4 運動目標問題

水下激光成像系統旨在對飛行器進行水下發射過程全程觀測，飛行器出筒、水下運動、水汽交換、適配器脫落等都是成像系統的觀測內容，其中飛行器運動過程速度最快。為獲得飛行器水下運動等細節情況，必須采用高幀頻成像系統拍攝，成像系統幀頻至少應達到100kHz。距離選通成像系統的幀頻主要受系統兩項關鍵器件性能限制：激光器重復頻率和ICCD攝像機幀頻。目前成熟的ICCD攝像機幀頻能達到10kHz，能滿足使用要求，激光器重復頻率成為影響成像系統幀頻的主要因素。經研究初步認為激光器的重復頻率至少不低于系統成像幀頻，也可以為成像幀頻的整數倍，這樣就形成多個激光脈沖對應一幀圖像的情況，即多次曝光成像，這種成像方式有利于提高圖像信噪比。

4.5 背景噪聲問題

水下激光成像系統布置在發射深度約為水深XXm的潛艇平臺上，成像系統仰視拍攝水中彈道，太陽背景光經過衰減仍然會有一部分進入成像系統光學鏡頭成為背景噪聲，這些背景噪聲會降低圖像對比度影響成像質量。經過研究，認為可以在成像系統攝像機前端加入窄帶濾光片減小太陽背景光的影響，選用中心波長為照明激光波長，而帶寬足夠窄的窄帶濾光片，將太陽背景光在進入光學鏡頭前濾除，以改善成像信噪比，提高成像質量。

5 結語

雖然國內在水下激光成像方面開展了大量的研究工作，獲得了不錯的試驗數據及結果，但仍沒有水下激光成像技術工程化應用實例。主要原因是水下環境較復雜，對設備可靠性要求較高，水下成像質量影響因素復雜多樣，其中水質是影響水下激光成像距離主要因素，不同海域成像距離差別明顯，無法保證設備成像性能穩定。另外，國內相關單位已開展試驗的觀測目標均是小型靜態目標，與所需觀測的大型運動目標差別較大。因此，目前可以對水下激光成像涉及的關鍵技術及應用難點問題開展先期論證預研工作，為后續水下激光成像系統的設計、研制提供參考依據。