基于雪崩级联电路控制激光照明源的水下激光选通成像

何 为，谈宇光，章逸舟，陈良培，于广文，陈 巍,2

（1.中国科学院深圳先进技术研究院，广东 深圳 518055；2.中国科学院人机智能协同系统重点实验室（深圳先进技术研究院），广东 深圳 518055）

引言

海水对电磁波有强烈的吸收和散射效果，无论是正常的生物视觉系统或者是空气中成熟的光电探测系统都受到了极大的限制。虽然有成熟的声纳技术能够对远距离，大尺度的水下目标有较好的探测与成像效果，但是近距离，高分辨率的目标还是需要利用光电探测与成像系统来实现。自激光发明以来，水下主动照明成像技术是光电工程的研究热点，产生了如水下激光扫描成像[1-2]、水下偏振光成像[3-4]、水下压缩感知成像[5]以及水下激光距离选通成像[6-8]等技术。其中水下激光距离选通成像技术避免了对成像质量影响极大的后向散射[9-10]，在实验中取得了良好的结果，有望推进海下资源勘查、水底线缆检测、水下监控的进一步发展。

各研究单位公开报道的水下激光距离选通系统普遍有几米到几十米的成像距离[11-14]。这种近距离的成像系统，或者需要大规模布设来构建探测与成像网络，或者需要借助水下可移动平台进行大范围的使用。因此，选择低成本、低功耗、小体积的零部件是水下激光距离选通系统走向实用化的必要条件。

在对传统构型的水下激光距离选通成像系统持续优化之际，本团队也在子系统层面尝试降低距离选通成像系统的成本、体积与功耗，以期尽快完成水下选通成像系统与遥控无人潜水器（remotely operated vehicle，ROV）的集成。本文主要介绍了一种基于雪崩级联电路的激光照明系统，在减小功耗、缩小体积、降低成本方面探索了一种新的路径；同时作为全定制化的水下激光距离选通成像系统的原型机，全系统在水下成功实现了激光选通距离成像。

1 水下激光距离选通成像原理

1.1 激光距离选通成像技术原理

激光选通成像技术使用以脉冲激光源为核心的照明系统和选通型像增强（intensified charge coupled device，ICCD）作为成像器件，采用ns级的同步时序控制来实现空间切片成像。其工作原理如图1所示，t0时刻照明系统发射激光脉冲，脉冲宽度为△t，选通型像增强ICCD的电子快门关闭；在t1时刻，脉冲光到达目标靶标，脉冲光被反射回激光选通成像系统；在t2时刻携带目标信息的光脉冲在到达选通型像增强ICCD光阴极靶面时，电子快门才开启接收返回光脉冲并成像。由于选通型像增强ICCD脉冲宽度和激光脉冲宽度很窄，使得只有目标附近的反射光才能到达选通型像增强ICCD并成像，传输路径上的大部分后向散射光被屏蔽，从而大大减小后向散射光对成像质量的影响，提高系统的成像距离。

图1 激光选通成像原理图Fig.1 Schematic diagram of laser range-gated imaging

1.2 水下环境对激光距离选通成像的影响

水分子的致密聚集使得电磁波在水中的传播受到强烈的吸收与散射作用，其中散射对光的衰减起主要作用。海水中悬浮着的尺寸不一的各种微粒进一步加强了散射的效果。如（1）式所示，有：

式中：I0是水中的初始光强；IL是在水中传输一段距离L后的光强；水中光强呈现指数衰减；α为海水的体积衰减系数，单位是m−1；L=1/α为衰减长度，单位是m。海水的浑浊度不同，其衰减系数也有不同。例如，不包含悬浮颗粒的清洁海水，其衰减系数约为0.05 m−1，对应的衰减长度为20 m[15]；外海到沿海海水中，衰减系数在0.2 m−1～0.6 m−1之间，对应的衰减长度约1.2 m～5 m[16]。因此激光在水中传播的距离极其有限，相比于空气中的反射信号，目标被激光照射后反射回相机的信号极其微弱。

衰减系数同时还是波长的函数，不同波长的可见光在海水中的透射能力不同。通过实验确定的海水透射窗口是470 nm～580 nm[17]，在这个波段内的可见光在海水中具有最小的衰减系数，对应最长的衰减距离，是主动照明成像合适的工作波长。

水对激光的散射，特别是后向散射产生的杂散光，对成像系统进一步的影响在于对比度的降低。一般空气中成像系统用连续光作为照明源，光电感应器（charge coupled device，CCD）对来自成像目标的光能量进行积分。光在传播过程中因空气的散射产生的噪声如果到达感应器，也会被光电感应器积分。但是噪声能量远小于信号的能量，信噪比高，散射的影响一般会被忽略。但是在水下成像中，光在致密的介质中传输，加强的散射和被衰减的信号降低了信噪比。增强照明源的光强也会增强散射，将从远处目标返回的信号淹没。

利用水下激光距离选通技术，在高功率的激光脉冲照射目标，用选通相机屏蔽强烈的后向散射的情况下，成像距离可以扩展到4～7个衰减长度的水平[7, 11, 13, 18]。

2 水下激光距离选通成像系统构架

根据水下激光距离选通成像的原理，主要的水下部件有3部分：脉冲激光照明系统、距离选通相机以及控制系统。除了3个主要子系统，实用化的系统还包含有水下供能单元（不依靠水上供能）或者是信号与电力传输导线（依靠水上供能）。水上的部分包含有人机交互界面的上位机。

照明光源一般采用的是脉宽达到ns级的蓝绿脉冲激光。各研究单位普遍采用由波长1064 nm的调Q固体激光器加KTiPO4倍频晶体构成的蓝绿脉冲激光器，这种激光器有脉宽窄、峰值功率高、重复频率高的特点。与ns激光脉冲对应的相机也要让选通时间达到ns级。这样才能最大程度地抑制后向散射。同时，微弱的光信号也要求成像系统能够有较大的光增益。实践中普遍采用像增强CCD（ICCD）相机。相机的基本构造为像增强器、中继耦合组件和CCD。

照明系统与成像系统需要同步，激光的脉宽、选通相机的门宽、激光在水中短距离传播的时间都是ns级，控制系统的同步器件也需要有ns级的激励输出。一般的控制器件核心芯片采用的是可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）。FPGA芯片的选择是频率、输入输出通道数、功耗、成本、尺寸等因素综合考虑的结果。

2.1 激光照明系统

有别与普遍采用固体激光器加倍频原件的思路，本文介绍了一种基于半导体激光二极管的激光照明源。半导体激光器相比于固体激光器，有效率高、部件少、体积小等优点，非常适合作为水下激光选通相机的照明系统。但是高功率的蓝绿光脉冲半导体二极管受限于半导体材料的进展，工作在绿光波段的高功率脉冲半导体激光器二极管不易获得，本文利用525 nm工作波长的连续光半导体激光器二极管来验证级联脉冲激光驱动电路的设计。

2.1.1 MARX级联电路原理

晶体管的输出特性曲线中有4个区：饱和区、线性区、截止区和雪崩区。在外加电压作用下，晶体管发生雪崩时其内部载流子的倍增就像发生雪崩场景一样，速度快且量大，从而使反向电流急剧增大。电流增益也增大到平常低压工作时的M倍，表示如下：

式中：M为雪崩倍增系数；n为晶体管材料的密勒指数（2～6之间）；VCE为集电极电压；BVCBO为晶体管发射极开路时集电级-基级雪崩击穿电压。晶体管的雪崩击穿方式有3种，分别是触发导通、过压导通、快速上升沿导通。触发导通一般由电信号或光信号触发，在晶体管处于雪崩临界时，触发信号从基级输入将会触发雪崩管发生雪崩效应；过压导通是雪崩晶体管的集电极和发射级之间的电压超过了雪崩击穿电压时，雪崩管会发生雪崩效应，但电压压差不能无限制地超过雪崩击穿电压；快速上升沿导通指晶体管集射级间电压快速上升引起雪崩效应。

2.1.2 激光驱动电路的设计

本文激光驱动采用MARX级联电路，输出上升沿3.3 ns，输出空载电压高达1 kV。其触发信号可精准控制3.1 ns的相位步进，有效调节激光触发信号与相机快门控制信号之间的相位差（下文称为相位差）。选通成像的成像距离可调，调节精确度为空气中0.47 m、水中0.35 m。激光驱动模块基于雪崩级联电路原理获得高峰值、窄脉冲的脉冲电压，原理图如图2（a）所示。触发级采用3级雪崩并联，可有效降低雪崩管的抗压压力并保护雪崩管。触发级对输出电压的幅值要求并不高，所选用的雪崩晶体管型号可以与后面过压导通的晶体管型号不同，仅用于提供有一个较大的瞬态电流触发下级雪崩。后续串联的MARX电路均是过压导通，其输出的电压都是在前级基础上叠加偏置电压VDD。串联级数越多，输出电压越高。末端串联的是充电储能电容组，其储能的能力大小决定了驱动负载的能力。容量过小，瞬态电压虽然能上升，但是负载能力差；容量过大会导致放电缓慢，下降沿拖尾过长。根据所用激光器的阻抗等性能，结合对下降沿的要求选择电容组。本文采用日亚NUGM03T 525 nm激光器及耐高压的nF量级电容，能有效驱动激光器且脉冲拖尾很小，拖尾脉宽小于总脉宽的20%。

图2 电路原理图和测试结果Fig.2 Circuit schematic and test results

本文设计的雪崩晶体管MARX级联电路采用并联触发导通结合多级过压导通串联的方式，每级联1级相当于电压叠加1次，经过多次级联能够快速提升输出电压峰值。根据MARX级联电路的特点，每级联1级输出电压递增1次，如C5末端的电压为Vc5≈Vc4+VDD。依所选雪崩管的特性，该电路VDD采用DC153V电压供电。经过串并联的组合级联和后级电容充放电组合，实测输出电压最大值可达1 kV（空载）。如图2（b）所示。,带50 Ω负载时输出电压大于250 V，上升沿约3 ns，脉冲拖尾小于5 ns，重复频率可达2 kHz。

2.2 激光匀化光学系统的设计

2.2.1 整形原理

激光管选用的是Nichia公司的NUGM03T，典型波长为525 nm，准直后光斑呈长条状。通过实测光斑的空间功率分布，在光学仿真软件中模拟后的结果如图3所示。

图3 整形前照明激光光斑图Fig.3 Profile of illumination laser before shaping

由于激光高度相干，当相干光从粗糙表面反射时会造成不规则的强度分布，形成激光散斑，破坏成像图像质量。同时由于准直光光斑尺寸小，无法有效覆盖观测目标范围。本文采用投影显示中常用的方棒来实现纳秒脉冲激光照明源的整形。光线进入方棒后，基于全反射原理，光线经过多次反射后从另一端面出射，在出射面上形成照明均匀的矩形光斑。激光整形的基本思路是先聚焦后匀化整形再投影，整形原理示意图见图4。

图4 激光整形原理光路示意图Fig.4 Schematic diagram of laser shaping principle

方棒整形对入射光束产生全反射的条件是，入射光由光密介质进入光疏介质，全反射临界角i3有：

式中：nair是空气折射率；nglass为方棒玻璃的折射率。

为了在方棒出射端获得相对均匀的光斑，一般要求最大入射光线在方棒内部的反射次数不低于3～4次。用投影透镜将方棒的出射端面成像在目标面，从而形成矩形照明，由高斯公式可以得到投影透镜的焦距f2：

式中：M是放大倍率；lobject是投影透镜到成像目标的距离。

2.2.2 光学整形仿真

本文参考空气中选通成像照明系统采用的激光匀化技术[19]对照明激光进行处理，选用100 mm长的锥形方棒代替方棒，其入射端面是（2.5×2.5）mm2，出射端面是（5×5）mm2。在满足全反射的条件下，为了获得较多的反射次数，采用4 mm焦距的聚焦透镜，对半导体激光二极管发出的准直激光进行汇聚并耦合进锥形方棒中，如图5（a）所示。为了在距离方棒出射端2.9 m远处形成（130×130）mm2的矩形光斑，利用（3）式推算出所需投影透镜的焦距为103.4 mm，择取焦距100 mm的平凸透镜。在光学软件中进行模拟仿真，得到仿真结果如图5（b）所示，其中右图为光照度灰度图，X、Y坐标为长度坐标，照度值由黑变逐渐增大。

图5 仿真结果Fig.5 Simulation results

2.3 控制系统

激光选通成像系统是ns级信号的应用以及信号同步的需求，核心处理芯片采用FPGA。水下激光选通成像系统框架如图6所示。可通过电脑端实现软件控制，控制界面如图7所示。由于使用脉冲式激光源，所以激光的脉冲输出与相机的快门控制脉冲开关之间需要同步，否则难以选通成像。因为相关时间参数是ns级，激光在水中的传输时间和电信号在导线中的传输时间也需要量化校准与同步控制。例如，指令从FPGA中以电信号的形式发出，通过电缆传输给激光驱动模块和相机。在这个传输过程中，FPGA连接激光驱动模块和相机的线缆长度不一样，甚至相差甚远。电信号在两者里面的传输时间具有时间差。如不将该时间差消除，控制系统中就很难做到信号同步。将光在不相关途中的传输时间和电在不相关途中的传输时间过滤掉，相当于做了一个时间上的校准，即通过控制2个信号的脉冲发生时间的时间差（因使用线束长短不定，环境不同等原因，该值不固定），使开快门信号与返回激光到达ICCD相机的信号的相位差近似为零，当目标光线到达相机靶面时正好是快门开启的时刻。根据该原理，在选通成像过程中，增加两者之间相应的差值，可以使选通成像距离变得更远，反之更近。根据FPGA的最高频率，调节脉冲的最小步进为3.1 ns、光速为3×108m/s计算，选通成像的距离可调精度为0.47 m。若是在水中成像，光速约为2.25×108m/s计算，水下选通成像的距离可调精度小于0.35 m。

图6 系统框架图Fig.6 Block diagram of system

图7 电脑端控制软件界面Fig.7 Interface of computer control software

接通设备后，选定频率、脉宽及相机的增益等参数。起始时2路信号的脉冲并不一定同步，所以在发出2路信号的同时要进行相位的调节。在实际使用中校准两个信号的时延差，从而达到最终的选通成像效果。如图8所示，确定成像距离后，当驱动激光的信号脉冲被控制相机的信号脉冲完全覆盖时，成像效果最好。只覆盖部分时，成像模糊且亮度不够。当两个信号脉冲完全无交集时，没有成像，此时电脑端只需操作激光参数设置区的相位差设置。

图8 激光驱动脉冲与选通相机控制脉冲相位差调节示意图Fig.8 Schematic diagram of phase difference adjustment between laser drive pulse and gated camera control pulse

2.4 定制化ICCD相机

本研究也得到了广东省国际合作项目的支持，由德国ProxiVision公司提供了高灵敏度的ICCD相机（见图9）。相机采用模块化设计：像增强模块、相机模块以及高压触发模块。相机的最小选通时间为3 ns，主要参数参考表1。该相机的特点是限制选通相机图像分辨率的微通道板分辨率达到了38 lp/mm。相机的触发由控制系统发出的步长为3.1 ns的脉冲TTL电平控制。

图9 ICCD相机Fig.9 ICCD camera

表1 定制ICCD相机主要参数Table 1 Main parameters of customized ICCD camera

3 实验结果

相机和激光器封装在水密机械结构内，通光窗口选用了8 mm厚的亚克力光学平板，其对525 nm波长激光的透射率为91.7%。在长8.9 m的水槽两端设置2面平面镜，构成的系统使得靶标到选通相机的距离在0～26.5 m内可以自由变动，水槽注入自来水，水深0.5 m。选通相机输出采用读卡器将模拟信号转换为图片格式，选通相机搭配75 mm的工业镜头进行成像。通过精确注入牛奶并搅拌来控制水体的衰减系数。清晰成像参考设置和典型图像分布见表2和图10。在衰减系数较大（>1.5 m−1）的情况下，最大可以达到7.1倍衰减长度上成像；而在衰减系数较小（<1.5 m−1）情况下，光强随传输距离的增加而迅速减小，最大成像距离约4.7倍衰减长度。表3和图11为实现7.1倍衰减长度和4.7倍衰减长度情况下的参数和分辨率靶标图像。图像通过LabVIEW程序进行了实时的叠加和灰度拉伸处理。

图11 不同衰减系数下选通成像Fig.11 Range-gated imaging with different attenuation coefficients

表2 控制脉冲的实验设置Table 2 Experimental setup of control pulse

图10 水下激光选通成像实验及效果Fig.10 Experiment of gated imaging of underwater laser

表3 衰减长度的标定Table 3 Calibration of attenuation length

受半导体激光功率以及激光脉宽限制，水下图像强度较弱，为实现高质量水下成像，本文用单像素成像技术做了一些前期拓展工作。单像素成像技术不依赖于单一某次探测的绝对数值来重构物体，而是使用全部探测值之间的强度涨落关系来重构图像， 这使得单像素成像技术可以在较低探测信噪比的情况下实现较高质量的图像重构[20-22]。本文使用傅里叶条纹调制图像，利用单点探测器测量调制结果，并结合逆傅里叶变换得到图像重建。

图12（a）中分辨率板为成像目标，放置于距离成像系统1 m处。图12（b）为图像重建效果，图中可分辨第6组条纹，对应图12（a）中的实际分辨率达到2 mm。由于图像在傅里叶域具有极高的压缩性，且能量集中在低频部分。通过获得图像的低频信息，继而利用逆傅里叶变换得到欠采样时的图像重建，结果见图13所示。我们定义采样比来评估欠采样能力，采样比[23]（sampling ratio，SR）指的是投影掩膜的数量与总的图像分辨率的比值。

图12 基于傅里叶单像素成像算法重建结果Fig.12 Reconstructed results based on Fourier single-pixel imaging algorithm

图13 欠采样下图像重建结果Fig.13 Image reconstructed results with undersampling

图13给出了不同采样比下图像重建效果。可以发现，随着采样比增加，图像质量增强，即使采样比为10%，图像的分辨率也能达到2 mm。

4 结论

本文采用MARX级联电路原理实现了ns级的激光脉冲输出，输出的高斯光束经方棒实现激光整形，通过FPGA控制进行相位移动，实现特定距离下激光脉冲与ICCD电子快门的重合，从而实现水下选通成像。实验结果表明：在10 ns的激光脉宽下，可实现4.7～7.1倍衰减长度范围内的水下激光选通成像。该系统的实现为当前激光选通成像系统的小型化提供了一个思路。水下激光选通成像技术是当前主动照明下有效抑制后向散射光的重要光学成像手段，在水下探测、救援等方面具有广阔的应用前景。在保持小型化的同时，如何提高当前的激光功率、减小脉宽宽度以及水下压缩感知成像是今后需要进一步研究的方向。照明激光功率的提升可以增大程序距离，更小的脉宽能够减小噪声，提升成像效果。