基于激光距离选通技术的水下湍流检测方法研究

毕莹，徐熙平

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130022）

目前水下成像技术已被广泛应用于海洋探测、渔业和海洋研究。根据空气中的成像研究经验，大气湍流成为限制远场成像光学系统分辨率的重要因素。对于水下光传输，水温、密度和水分扰动都会改变水的折射率。这导致光的最小角度散射、波前失真以及系统分辨率的降低。一般情况下，光束在水中传播1m的效果相当于在空中传输800～1000m［1］。因此水中湍流效应是影响水下成像系统分辨率的重要制约因素，直接影响到水下应用的质量。

近几年在分析了现有水下成像与湍流检测技术的基础上，提出了将成像自适应光学技术应用于水下的想法。对水中的湍流对激光束传输的影响进行了研究，设计了一套基于波前检测的实验装置，使用夏克-哈特曼波前传感器测量了水中的湍流对激光束的波前相位和光束内强度分布的影响。但自适应光学矫正畸变需要复杂的处理系统，不具有适用性。国内对水下湍流检测的技术研究仍处于不断深入的阶段，具有很好的发展前景。

水下激光成像技术可分为激光同步扫描和距离选通成像技术［2］。激光扫描成像技术使用窄的连续光束激光来扫描观察区域并使用窄视场接收器接收反射信号。通过同步扫描和接收过程来检测和重建图像信息［3］。另一方面，激光距离选通成像技术利用脉冲激光器和门控照相机来达到检测效果。通过控制照相机的快门开门时间来分离不同距离处的散射光和目标反射光以获取图像［4］。洛克希德研究的水下电视系统是激光距离选通成像技术的典型应用［5］。系统安装在无人水下车辆在深海工作。

在研究中，通过控制水流的速度来模拟水下湍流，并使用激光距离选通成像技术来检测不同距离下的水下湍流。本文介绍了门控相机的特点和原理。利用所提出的门控波前传感系统得到了实验结果，并分析了湍流对水下成像的影响。

1 门控波前传感系统

传统的波前传感器主要由微透镜阵列和位于微透镜焦距处的CCD相机组成，通过微透镜阵列来聚焦入射波前并将参考焦点和焦点质心位置相比较得出相应的偏移量。每个质心位置反映了波前的斜率和曲率，通过相应的斜率矩阵来重建曲面。波前传感技术具有很多的优点，例如配置简单，可实时处理和高动态的测量范围［6，7］。然而，传统的波前传感技术不能有效地检测水下湍流。基于激光距离选通技术的门控相机是一种常用的方法，它可以提高图像质量，消除激光在水中传播时的后散射效应，适用于水下湍流检测实验［8，9］。

1.1 门控波前传感系统的原理

门控波前传感系统由一个脉冲激光系统，一个同步控制系统和一个高速门控照相机组成。

利用目标反射光与水体后向散射光到达探测器的时间差、通过门控信号控制门控相机选通门开启和持续时间而将目标的反射光信号与水体的后向散射光噪声区分开来。所以结合波前传感技术和距离选通原理，设计了一种门控波前传感系统，用于检测水下成像中的湍流效应。结构如图1所示，它由激光器，光电检测器，分光棱镜（BS1），准直器，分光棱镜（BS2），门控波前传感系统（由微透镜阵列和门控相机组成）以及用于系统触发和同步的延迟发生器（同步控制系统）组成。

图1 门控波前传感系统总体结构图

在实验中，从激光器到分光棱镜（BS2）的距离等于从分光棱镜（BS2）到距离门控相机的距离。每个激光脉冲将携带不同距离的水下湍流的波前信息，所以一个激光脉冲经过光学元件到达湍流池并携带着波前信息反射到门控相机的飞行距离是：

其中，t是脉冲长度，v0是工作状态下的光速。

1.2 同步控制

在所提出的门控波前传感系统中，激光脉冲和相机之间的同步控制特别重要。距离选通同步控制系统主要是使激光器和选通接收器同步，并且提供选通脉冲宽度（门宽）和延迟时间的选择，以便得到更完整的波前信息。

在保持同步的触发方式上有两种选择，即内触发与外触发。

（1）内触发：触发信号由延迟发生器产生，延迟发生器分别从两个延迟通道将触发信号输入到脉冲激光器与门控相机。通过分别控制这两个延迟通道的延迟时间可以达到同步脉冲激光器与门控相机的目的，通过改变延迟脉冲发生器输出脉冲的占空比，控制门控相机的选通门宽，从而达到控制门控相机的选通门开启持续时间。

（2）外触发：脉冲激光器输出激光的同时，分出一小部分光，经光电二极管将光信号转换成电信号作为源触发信号，输入到延迟脉冲信号宽度，控制门控相机的选通门。根据目标距离设定延迟时间，根据所需观察到景深设定输出脉冲宽度。

在本文中，使用外触发的方式保持同步控制，由延迟发生器1控制激光脉冲的重复频率，当一个激光脉冲被光电检测器检测到时，延迟发生器2控制门控相机的快门开门时间，从而达到同步目的。门控波前同步控制系统关系如图2所示。

图2 门控波前同步控制系统

1.3 波前重构

在门控波前传感系统中，使用微透镜阵列将入射波前聚焦到门控相机上。将焦点的质心位置与参考焦点进行比较。每个质心位置的位移反映了波前斜率。若入射波是平面波，则门控相机的质心与微透镜阵列的质心具有相同的分布。但如果入射波发生了畸变，则质心也会发生相应的变化，偏离理想的入射波的位置。点的质心的计算公式是：

式中，N表示一个像点所占的像素的数目；（xij，yij）表示像素的坐标；Iij表示每个像素上接收到的光强。由此得到各点质心相对于理想位置的偏移量为：

其中，(x0,y0)是理想质心的位置，由偏移量可以计算每个子透镜上接收到的波前的平均倾斜的斜率：

式中，Δx在X方向上的子孔径直径上的平均斜率；Δy是Y方向上子孔径直径的平均斜率，f是微透镜的焦距，子透镜上的波前倾斜斜率与相应像点的质心偏移成正比。门控相机接收到像点点阵后，利用质心算法得到质心偏移，通过波前斜率数据得到重构系数，重构整个波前。

通过合适的迭代方法获得用于进一步构造的斜率矩阵或曲率矩阵以生成表面。在这项研究中使用Zernike算法。Zernike多项式由无限多项式组成，通常在极坐标中。它由两部分组成，一部分是径向坐标ρ的函数，另一部分是角度坐标θ的函数。在单位圆内的连续区域内，该函数通常是正交的。

其中，n是多项式的阶数，l是与n相关的频率，与n相同，0≤m≤n，l=n-2m。

基于上述原理，重构是通过Matlab实现的。在确定了输入参考质心数据和偏差质心数据之后，获得重建的反射波前。

2 实验平台的搭建

本文提出的方法是利用波前传感技术检测水下湍流，实验平台的搭建如图3所示。使用WEDGE HB 532作为激光光源，9450系列门控增强型CCD相机系统结合微透镜作为门控波前传感系统。水箱在离激光源4m的距离处产生湍流。当激光脉冲通过准直系统时，撞击湍流并携带波前信息反射回到门控波前传感系统，相机捕获图像。在当前的设置中有两个延迟发生器。第一个延迟发生器用于触发激光脉冲。当检测到激光脉冲被发射时，第二延迟发生器由光电检测器触发，然后第二延迟发生器控制范围选通快门时间。激光脉冲和相机门控之间的延迟对应于到目标的飞行时间。实验在湍流模拟池中进行。机器通过控制距离激光源4m处的水流速度来制造湍流，水流速度为40L/min。

图3 实验系统的搭建

3 实验结果与分析

在实验中，湍流池在距离激光器4m处模拟湍流环境，越靠近激光器湍流程度越不明显。通过测量不同距离下的湍流波前信息来检测湍流。将水流速度设为0L/min获得的焦点图像作为波前重构的参考面，将水流速率设置为40L/min来模拟湍流环境。激光脉冲携带波前信息反射到门控波前传感系统，图4为不同距离处水流为40L/min湍流环境下得到在1m，2m，3m，4m处的焦点图像。

图4 不同距离处水流为40L/min湍流环境下的焦点图像

如图4所示，不同距离下由微透镜阵列得到的焦点图像具有不同程度的偏移与明暗差距，但很难用人眼分辨，所以为了更有效地观测使用上述的波前重构算法Zernike算法进行波前重构，不同距离处水流为40L/min湍流环境下的波前重构结果如图5所示。

图5 不同距离处水流为40L/min湍流环境下的波前重构

在图5中，通过将水流速度设置为40L/min来模拟湍流环境并且得到不同距离下的焦点图像和波前重构表面，从图5重构的波前表面可以看出，4m处的波前重构表面波动起伏最大，随着距离的减小，湍流趋于平缓。由此可以证实，水下湍流可以通过基于激光距离选通的门控波前传感系统检测到。同时通过对重构面型的多次拟合，使得测量的均方根误差达到了0.2657mm。

4 结论

在本文中，提出了一种基于激光距离选通技术的门控波前传感系统来检测水下湍流的新方法。通过控制激光器和门控相机的同步来检测到水下湍流波前信息。根据实验结果，所提出的方法被证实，该方法能够检测不同距离处的水下湍流状况以及不同程度的湍流，能够为水下探测技术与海洋勘探等领域提供重要的理论基础和实验依据。基于该方法的有效性，使其具有很好的应用前景。

［1］Zhang Li，Sun Chuandong，He Junhua，et al.Study on underwaterimaging system based on imaging adaptive optics［J］.Journal of Applied Optics，2010，31（5）：690-694.

［2］McLeanE A，BurrisH R，StrandM P，etal.Short-pulserange-gated opticalimaging in turbid water［J］.Applied Optics，1995，34（21）：4343-4351.

［3］赵鑫，王丹，张贺，等.脉冲型半导体激光测距关键技术研究进展［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2016，39（6）：9-15.

［4］吴先福，白弋枫，赵洪波，等.飞秒激光制备航空用铝靶材表面润湿功能微纳结构的研究［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2016，39（5）：25-29.

［5］Hou W，Jarosz E，Woods S，et al.Impacts of underwaterturbulence on acousticaland opticalsignals and their linkage［J］.Optics express，2013，21（4）：4367-4375.

［6］张金平，张忠玉，张学军，等.增大夏克哈特曼波前传感器动态范围的算法研究［J］.光学学报，2011，31（8）：140-144.

［7］吴青青.基于波前传感法的光学自由曲面面形测量研究［D］.天津：天津大学，2014.

［8］Yin Xiaoming，Zhao Liping，Li Xiang，et al.Automaticcentroid detection and surface measurement with a digital Shack-Hartmann wavefront sensor［J］.Measurement Science&Technology，2009，21（1）：209-213.

［9］MattS，Hou W，GoodeW，etal.Introducing SiTTE：A controlled laboratory setting to study the impact of turbulent fluctuations on light propagation in the underwater environment［J］.Optics Express，2017，25（5）：5662-5683.

［10］Gong H，Agbana T E，Pozzi P，et al.Optical path difference microscopy with a Shack-Hartmann wavefront sensor［J］.Optics Letters，2017，42（11）：2122-2125.