距離選通水下激光成像作用距離簡化核算方法

付學志,王慶勝,鄧代竹,李 季

(1.92228部隊,北京 102488；2.湖北久之洋紅外系統股份有限公司,湖北 武漢 430223)

1 引 言

目前水下成像探測技術主要有聲吶探測和光電探測兩種途徑[1-3]。聲吶探測技術探測距離較遠,但成像空間分辨力較差,難以適應高分辨力成像的需要；光電成像探測技術雖然存在光線在水中傳輸衰減較快等限制因素,但成像空間分辨力高,且輸出圖像更符合人的視覺與心理特征。在水下光電成像系統中,采用激光主動照明距離選通成像技術可有效抑制水體后向散射對成像系統探測距離和圖像分辨率的影響,顯著提高對水下目標成像對比度及成像距離,但其成像距離又與水質衰減系數強相關[4-6]。考慮水下實際使用環境的時空復雜性以及試驗組織實施難度,海上試驗無法遍歷各種水質條件,本文給出了一種使用某次試驗數據核算得到特定水質條件下有效作用距離的簡化計算方法,可作為開展技術論證和試驗鑒定工作的參考。

2 試驗設備組成

該距離選通水下激光成像設備主要由超聲波測距模塊、激光照明模塊(激光器和發射光學系統)、距離選通成像模塊(ICCD和接收光學系統)、圖像顯示模塊、電氣和控制模塊、電池組及結構等部分組成。其中激光照明模塊由高重頻綠光激光器與發散角可變發射光學系統組成,距離選通模塊由選通像增強及控制電路與CCD、視場可變接收光學系統組成,電氣和控制模塊主要包括電源管理電路、主控電路、圖像處理電路、視頻存儲電路及液晶顯示電路等。其組成框圖如圖1所示。

圖1 水下激光成像試驗設備組成示意圖

3 工作原理

在激光主動照明距離選通成像模式下,主控模塊根據超聲波模塊返回的距離信息自動調整接收鏡頭的視場與激光發射鏡頭發散角,同時根據返回距離信息計算ICCD距離選通信號相對照明激光脈沖的延時,完成對ICCD陰極選通信號的時序控制,完成對特定距離的目標實現選通成像。顯示屏顯示視頻圖像及目標距離,存儲模塊開始錄像。

主動模式激光照明距離選通成像可以分為三個階段,原理框圖如圖2所示。

圖2 距離選通成像原理框圖

(1)激光器向目標方向發射高重頻短脈沖激光,當激光脈沖處于往返途中時,會受到傳輸介質中粒子吸收、散射等影響,尤其是強烈的后向散射光往往會將有用的信號淹沒,使ICCD飽和而無法接收有用的光信號,這時ICCD成像模塊的選通門關閉,隔離水中粒子引起的后向散射光。

(2)當目標反射光到達ICCD成像模塊時,ICCD成像模塊選通門開啟,讓來自目標的反射光進入成像模塊。選通門開啟持續時間不小于激光脈沖持續時間。

(3)接收到從目標反射回來的激光脈沖信號后,再將選通門關閉,使背景輻射等其他的干擾光不能進入ICCD。這樣形成的目標圖像主要與距離選通時間內的反射光有關。如果選通脈沖寬度和激光脈沖寬度都很窄,使得ICCD只能探測到目標附近的反射光,就可以顯著提高回波信號的信噪比。

4 作用距離分析

設照明激光單脈沖能量為δ,激光脈寬為τ,則瞬時功率P=δ/τ。設水質衰減系數為α,激光束經擴束后水中照明視場為ΘI,則在距離S處的軸上目標的瞬時照度(功率密度)E″為[7-9]:

(1)

式中,tan為正切三角函數。

設目標的朗伯反射率為ρ,則目標的亮度L″為:

(2)

由于目標反射光線需經過長度為S的海水衰減才能到達攝像機,故ICCD處觀察目標的等效亮度L為:

L=L″e-α·S

(3)

ICCD光學成像系統的物方介質和像方介質為兩種不同物質,設像方亮度為L′,根據折射界面亮度傳遞規律有:

(4)

式中,k表示光學系統透過率;n表示海水折射率,根據有關公式可知像面光照度E′為:

(5)

式中,U′為成像鏡頭的像方孔徑角。

將式(1)～(4)代入式(5):

(6)

E′為ICCD攝像機靶面的瞬時照度值,基于距離選通系統的工作原理,E′對靶面的感光時間在激光器出光的一個脈沖周期內僅為τ,靶面的感光是斷斷續續進行的,而ICCD的靈敏度值是以平均照度度量的,因此必須將E′等效成一個平均照度E,為此設激光器的脈沖重復頻率PRF為m,則:

E=E′mτ

(7)

再結合P=δ/τ,將E′代入上式得:

(8)

當S=r/α,即在r倍海水衰減長度距離處的目標在ICCD靶面上產生的平均照度E為:

(9)

將k、m、δ、ρ、n、ΘI、U′、α看成系統固定參數,將ICCD的靈敏度閾值代入E,求解出的r值即為系統的相對作用距離(以衰減長度來度量)的極限值,絕對距離S的極限值為S=r/α。將式(9)變換為:

(10)

如上式,設E一定,系統參數不變,則當α增大時,為了維持E不變,則S必須減小。反之,當α減小時,則S增加,這說明在水質變好時,盡管系統的相對作用距離r有所減小,但絕對作用距離仍然增加。

像方孔徑角U′與光學鏡頭的焦距、出瞳以及物距S等參數有關,在設計光學鏡頭時,要使設計結果保證E在S從零變到極限距離的整個過程中始終大于ICCD的閾值靈敏度。U′的值隨物距S的變化稍有變化。

重寫式(8)、式(9)和式(10):

(8)

(9)

(10)

當設備的最小探測照度一定時,作用距離與衰減系數具有一定關系。將上述公式變換為:

(11)

將式(11)做歸一化處理:

S2=C2e-2αS=C2e-2r

(12)

式中,C為歸一化系數,

所以:

S=Ce-αS=Ce-r

(13)

5 試驗數據核算

上述作用距離分析是根據目標返回光的照度和ICCD的靈敏度來估計,不考慮后向散射的影響,返回光的像面照度剛好等于ICCD的靈敏度時為探測極限距離,即ICCD剛好能探測到目標返回光時的距離為系統的作用距離。不考慮后向散射是因為通過距離選通以后,絕大部分散射光被抑制,影響較小,因而所成圖像的信噪比很高,作如此簡化基本上是合理的[10]。

某次水池試驗中,測得水質衰減系數為 0.39/m,使用圖1中的試驗設備開展水下目標探測試驗。試驗目標靶為白底黑條紋試驗板,試驗靶尺寸為1.2 m×0.6 m,目標靶黑條紋4圈,條紋間距分別為12 mm、24 mm、36 mm和48 mm,如圖3所示[11]。

圖3 試驗目標靶

采用拉距試驗方法,結合水下人員肉眼觀察判定對目標的探測和識別作用距離,拍攝并存儲的目標成像圖像如圖4所示。

根據式(13)可見:

(1)當衰減系數α0=0.39時,作用距離S0t=18 m(探測),則C0t=20138；

(2)當衰減系數α0=0.39時,作用距離S0s=12 m(識別),則C0s=1293；

(3)當α=0.39時,作用距離S與歸一化系數C的關系曲線如圖5所示。

圖5 作用距離S與歸一化系數C的關系曲線(水質衰減系數α=0.39)

海上試驗中,測得某試驗海域水質衰減系數α=0.2,采用歸一化計算方法,作用距離S與歸一化系數C的關系曲線如圖6所示。

圖6 作用距離S與歸一化系數C的關系曲線(水質衰減系數α=0.2)

分析可見:

(1)當作用距離S=32.2 m時,歸一化系數C=20138,即當衰減系數α=0.2,該設備探測距離可達32.2 m；

(2)當作用距離S=20.68 m時,歸一化系數C=1293,即當衰減系數α=0.2,該設備識別距離可達20.68 m。

6 結 論

該簡化核算方法結合距離選通水下激光成像技術原理,將通過距離選通以后的散射光影響忽略,以ICCD剛好能探測到目標返回光時的距離為系統的作用距離,采用歸一化計算方法推算得到特定水質條件下的作用距離,是一種簡化計算模型,適用于計算采用了距離選通技術的水下激光成像系統作用距離。