水下激光成像测量技术应用研究

王红萍 熊 俊

（中国人民解放军91550部队 大连 116023）

1 引言

潜射飞行器发射过程中，水中段（飞行器出筒至出水段）的观测对其武器系统设计、研制及鉴定具有重要的意义。现有的水下测量装备中水下微光成像系统作用距离短、视场小，只能获取局部图像，无法获取水下全景实况，同时，受水质能见度差等原因影响，有时观测效果不佳；图像声纳系统虽然作用距离远且能够全程成像，但分辨力不够高，有时也无法满足对飞行器水下运动过程进行深入分析的需要。因此，探索一种新的水下观测手段，以解决观测距离与成像分辨率之间的矛盾就显得十分迫切和必要。近年来，国内外对水下激光成像技术进行了大量的研究，取得了许多突破性成果，因此，发展和促进激光水下目标探测技术的实际应用，加强水下激光成像关键技术的研究，为水下激光探测系统的设计、样机研制和实际应用提供依据，具有极大的经济价值和重要的军事战略意义。

2 水下激光探测目标原理

海水存在一个类似于大气中存在的透光窗口，它对0.47μm～0.58μm波段内的蓝绿光的衰减要远小于对其它光波段的电磁波的衰减［1］。这一透光现象是在1963年DuntleySQ和GHbertGD等在研究海洋的光波传播特性时发现的。表1是文献［2］中列出的各类海水的透光窗口的数值。

表1 各种类型海水的透光窗口数值

基于海水的这一透光特性原理，可以研制出以蓝绿激光器作为照明光源的新型设备，应用于水下目标探测、成像、控制和通信等领域［3～4］，这将有可能解决对水下目标的成像、控制等许多一直困扰各国海军的难题。蓝绿激光水下目标探测技术可以获得声纳探测难于实现的对水下目标的测距、定位乃至成像和自动识别的效果，它可与声纳探测互相补充，实现不同距离、不同水深和不同环境条件下对水下目标进行全方位探测的目的。

3 国内水下激光成像主要技术

水下激光成像是一种主动光电成像技术，激光水下目标成像系统相对于非成像系统的主要特点在于：激光水下目标成像系统可获得水下目标的二维乃至三维图像，能够显示探测目标的形状、大小等特征，容易实现水下目标的识别［5～6］。

3.1 距离选通技术

距离选通技术是利用脉冲激光器和选通摄像机，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像［7～9］。

水下距离选通成像系统的工作原理如下：

图1 水下激光距离选通成像系统工作原理

距离选通成像系统的一个重要特点是观察景深可调，为了能够实现对全范围场景目标进行观察，需要对系统相关参数进行设定。系统观察区域的设定方法如图2所示。

根据距离选通成像原理，对于处于系统视场范围内的目标不一定可见，而只有当目标既处于系统视场范围内，且处于系统的选通深度（DOG）内时才可见，区域1和区域2不可见。通过调节选通延迟时间可以改变观察距离L，选通延迟时间越大，目标观察距离L越远，二者成比例关系；选通深度可以通过改变ICCD摄像机的曝光时间长短来调节，曝光时间越长，选通深度越大，二者成线性关系。

图2 距离选通系统可视区域图示

由于ICCD应用中需要利用距离选通的门控技术来滤除进出后向散射光噪声，增加成像的分辨率和对比度，这一门控信号要求与探测光源的发光时间精确地保持一定的时间间隔，门控信号的精度和时延的准确度成为了水下远距离成像技术中的关键因素。目前，国内在此种成像方式上研究较多，七一七所、华中科技大学、二O五所、北京理工大学在这方面都做了大量的工作，各自设计了此种方式的水下激光成像系统试验样机。

3.2 同步扫描技术

同步扫描技术是扫描光束（连续激光）和接收视线的同步，利用水的后向散射光强相对中心轴迅速减小原理。该技术采用准直光束点扫描和基于光电倍增管的高灵敏度探测器的窄视域跟踪接收［10］。激光扫描装置器使用窄光束的连续激光器，同时使用窄视场角的接收器，探测器与激光扫描装置分开放置，这样使得被照明水体和接收器视场的交迭区域尽量减少，从而让后向散射光尽量少地进入接收器中，再利用同步扫描技术，逐个像素点探测来重建图像，有效地提高成像的信噪比和作用距离。

同步扫描成像系统的工作原理如图3所示。

图3 水下激光同步扫描成像系统工作原理

由于点照射、窄视场接收成像方案在某一时刻只能得到一个目标点的反射率信息，为了能获得目标的二维反射率图像，必须对目标进行扫描照射并使接收视场始终跟踪当前照射点，同步扫描水下激光成像采用一维扫描来扩展横向视场，而通过载体的平移来扩展纵向视场，以此来获得目标的二维场景信息。

此种成像方式的特点是必须通过机械扫描才能获得目标的二维图像，所以对于运动目标的拍摄很受限制，而且精确、快速地机械扫描系统在水下复杂环境下实现难度很大，稳定性和工作寿命都会受到影响。

3.3 条纹管激光成像技术

条纹管激光成像可提供很好的三维信息，其原理是通过测量短脉冲激光在发射机与目标之间的往返时间来还原出目标的距离像［11～12］。目标的距离信息首先转换成为回波信号的时间信息，即回波的时间先后，然后又通过条纹管转换成为条纹像的空间信息。另外还可以根据目标表面的反射率的不同得到目标的强度信息。这样在条纹管的荧光屏上就可以得到目标的距离—强度—方位角的图像信息，并由耦合在条纹管荧光屏上的CCD图像读出系统给出。

条纹管激光成像技术是近年来才发展的激光应用技术，其特点是时间分辨率非常高，能达到飞秒级，主要应用于超快速瞬态成像领域，缺点是单狭缝条纹管单次只能在一条线上对目标成像，整个目标的成像必须通过线扫描的方式来完成。这方面的局限性等同于同步扫描成像系统，对运动目标成像实现难度大，而且条纹管激光成像系统持续时间短，最多能达到100ns，不能满足长时间摄像需求。国内只有少数几家单位进行条纹管激光成像研究。

3.4 偏振成像技术

偏振成像技术是利用物体的反射光和后向散射光的偏振特性的不同来改善成像的分辨率。激光波长与海水及海水中悬浮颗粒和有机物分子的尺寸相当，一般遵从瑞利或米氏散射理论。根据散射理论，悬浮粒子后向散射的退偏振度小于物体后向散射光的退偏振度。如果在水下用偏振光源照明，则大部分后向散射光也将是偏振的。如果采用适当取向的检偏器对后向散射光加以抑制，从而可使图像对比度增强。如当检偏器的偏振方向与光源的偏振方向平行，物体反射光能量和散射光能量大约相等时，对比度最小，图像模糊；而当两者偏振方向垂直时，接收到的物体反射光能量则远大于光源的散射光能量，对比度最大，图像清晰。

4 水下激光成像应用中的关键技术难点

综上所述，光电探测技术是一种比较有效的水下目标探测方法。但水下激光成像技术在实际应用上尚有一定的难度，下面对其中关键性技术难点问题总结如下。

4.1 成像系统选通深度（观测景深）问题

基于距离选通成像方式的工作原理，要求对目标和成像系统间距离进行选定，而且选通深度与成像质量关系紧密，选通深度越小，后向散射噪声越小，成像质量亦越高。为了实现飞行器水下发射过程全程观测，成像系统距离目标水下运动轨迹的近端和远端都必须在成像系统的选通深度之内。经过简单计算，全程观测整段选通深度约为XXm。距离选通成像系统选通深度一般在2m左右可调，即使通过降低成像质量增大选通深度也不能满足选通深度达到XXm的要求。另外观测景深过大，反射激光到达ICCD摄像机强度会很不均匀，所成图像亮度亦不均匀。增加主动照明激光器数量进行多段照明，利用精确时控电路控制各路分段照明激光器脉冲出射时间，照明远端激光器先出强光，照明近端激光器后出弱光，并同时到达ICCD摄像机，完成全程观测水下段发射运动过程。同时多段照明也能减小激光扩束过大导致的能量密度降低，提高激光照明的均匀性。

4.2 增加合作目标问题

鉴于光在水介质中传播成指数衰减特性，光波在水中传播衰减很快，激光成像正是利用激光的高能量来弥补这种衰减，然而激光功率的限制以及为获取更高重复频率而带来的单脉冲激光能量减小，使得目标反射光照度依然不够，从而影响了成像系统的作用距离，为此，通过增加合作目标，提高目标的反射光强度，能一定程度上提高成像距离。对于合作目标的要求有待于进一步研究与试验验证。

4.3 水质问题

激光水下成像系统工作于近海海域，水质随天气、季节变化较大，水质的变化给成像质量及作用距离带来很大影响。据相关研究结果可知，水质对光的吸收、散射等传输光谱特性影响较大。经研究认为，可对试验海域的海水光谱特性进行测量，绘制出光谱透过率曲线，对不同季节、不同气候条件下的海水光谱特性进行分析，依据试验海域海水的光谱特性分析结果，将激光器部分设计成可更换的模块，在不同季节、不同气候和水质条件下选用最佳波长激光器，最大限度改善照明效率。目前，450nm、470nm、532nm、632nm等波长激光器均有较成熟产品，可在从蓝光到红光波段选用合适的水下激光光源。

4.4 运动目标问题

水下激光成像系统旨在对飞行器进行水下发射过程全程观测，飞行器出筒、水下运动、水汽交换、适配器脱落等都是成像系统的观测内容，其中飞行器运动过程速度最快。为获得飞行器水下运动等细节情况，必须采用高帧频成像系统拍摄，成像系统帧频至少应达到100kHz。距离选通成像系统的帧频主要受系统两项关键器件性能限制：激光器重复频率和ICCD摄像机帧频。目前成熟的ICCD摄像机帧频能达到10kHz，能满足使用要求，激光器重复频率成为影响成像系统帧频的主要因素。经研究初步认为激光器的重复频率至少不低于系统成像帧频，也可以为成像帧频的整数倍，这样就形成多个激光脉冲对应一帧图像的情况，即多次曝光成像，这种成像方式有利于提高图像信噪比。

4.5 背景噪声问题

水下激光成像系统布置在发射深度约为水深XXm的潜艇平台上，成像系统仰视拍摄水中弹道，太阳背景光经过衰减仍然会有一部分进入成像系统光学镜头成为背景噪声，这些背景噪声会降低图像对比度影响成像质量。经过研究，认为可以在成像系统摄像机前端加入窄带滤光片减小太阳背景光的影响，选用中心波长为照明激光波长，而带宽足够窄的窄带滤光片，将太阳背景光在进入光学镜头前滤除，以改善成像信噪比，提高成像质量。

5 结语

虽然国内在水下激光成像方面开展了大量的研究工作，获得了不错的试验数据及结果，但仍没有水下激光成像技术工程化应用实例。主要原因是水下环境较复杂，对设备可靠性要求较高，水下成像质量影响因素复杂多样，其中水质是影响水下激光成像距离主要因素，不同海域成像距离差别明显，无法保证设备成像性能稳定。另外，国内相关单位已开展试验的观测目标均是小型静态目标，与所需观测的大型运动目标差别较大。因此，目前可以对水下激光成像涉及的关键技术及应用难点问题开展先期论证预研工作，为后续水下激光成像系统的设计、研制提供参考依据。