水下目标激光探测-讲课

5.1 ICCD距离选通系统的实验室试验
图10 Princeton ICCD 系统
图11 ICCD拍摄系统框图
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五、所要做的工作-〉距离选通实验室试验
实验室ICCD系统框图
图12 ICCD系统总体框图
图13 工作流程图
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ICCD室内拍摄
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六、已完成的内容-〉距离选通初步试验
6.1 实验室内的ICCD距离选通 初步试验
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四、 国际动态-〉距离选通系统
4.2.3 美国和俄罗斯军方的研究
早在60年代初, 就开始探索激光探潜的可行性。在1963～1967年, 美国俄亥俄州大学科学实验室为空军航空电子实验室进行了一系列 实验和理论研究, 目的是确定机载光雷达探测水下目标( 如潜艇) 的可 行性和优化设计需要的参数。在1987年, 美国国际研究远景规划局将 蓝绿激光探潜列为正在进行的几项非声波探潜技术计划之一。在 1990～1991年海湾战争期间, 美国海军将命名为“魔灯”的ML—30 型蓝绿激光探测系统装在“弗里兰”号护卫舰上的SH—2F“海妖”直 升机上, 在海湾进行探水雷试验。 之后, 美国海军将“魔灯”蓝绿激光系统更为发展探测水雷设备 “辛勤吃鱼狗”计划中的首项发展设备。在1991年年末, 美国海军投 资 1060 万美元研制比 ML—30 更先进的 ML—90 型“魔灯”蓝绿激光 系统, 并计划在1993年夏季进行试验。与此同时, 美国海军陆战队为 实现对海滩和两栖登陆区域的雷场警戒, 投资1260万美元研制可装在 战斗机、直升机以及无人驾驶飞机上的“魔灯”改进型, 亦即ML(A) 型的蓝绿激光探测系统, 可望在1994年中进行测试。
二、水下激光探测基本问题-〉激光探测
激光用于水下目标探测
水下激光探测的最终目标就是：利用激光的 某些特性，将其和一些具有特殊功能的光电器件 相结合，最大限度地抑制海水对光线的吸收和散 射作用，以期获得质量更佳的水下图像或是较精 确的目标外形特征描述。 本人的论文就是围绕水下目标激光探测而展 开，主要内容包括：多种水下激光探测手段的比 较与可行性分析；水下激光探测原理和实验系统 （方案）设计；后期图像信号处理。
二维灰度图
三维外形重构
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水雷原貌
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海星
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六、已完成的内容-〉 ROV的先期试验
图 26
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谢谢！
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图1
左边一幅是用激光做光源拍摄的水下图像， 右边是用500W灯泡照明拍摄的图像。
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二、水下激光探测基本问题-〉散射
2.2 散射问题
海水对光线 的散射作用是 造成水下图像 模糊的另一个 重要原因。因 为水下摄像机 所接收到的光 线中有很很大 一部分并不是 由目标直接发 出的。
图2
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Et Ed E fs Ebs
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四、 国际动态
从事激光水下探测的国家有很多，
如美国的、澳大利亚的、加拿大的、瑞
典的、俄罗斯等。这里仅挑一些有代表
性的系统作一下简单介绍：
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四、 国际动态-〉同步扫描
4.1 同步扫描系统
4.1.1 里弗莫尔实验室科学家研制的成像系统 (美国) 这个系统能帮助海军远距操纵舰船在海洋最深处执行打捞和援救任 务。为了克服后散射，采用与Ar激光束同步的窄视场图像析像管，激光束与 探测器视场在靶面相交，一次照亮一个“象素”，高速扫描仪激光束在光栅 型靶面来回扫描，其速度足以提供视频信号。由于探测器视场精密对准，探 测器又装在离激光源2—4英尺外，因而激光束和探测器重叠处海水的体积小， 后向散射效应大为降低。
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四、 国际动态-〉同步扫描
4.1.2 深海开发服务股份有限公司 (DDS) (美国)
深海开发服务股份有限公司(DDS)(美国Sachse工程联合有限公司的 子公司)研制出一种采用扫描激光传感器的水下探测系统，这种传感器 能提供低能见度水质的高分辨率光学数据。该系统的工作距离是硅增 亮管摄像机的4—5倍。 该系统用激光提供一个极窄向、高强度照明源，用一个光电倍增管 作为非成像单素能量检波器。照明光束和检波器视界(FOV)在最小和最 大景深之间的空间通量上进行同步。利用测高声呐输入的信息。测距 会自动调整跟踪与海床的距离。当一物体，如海床，激光束和检波器 视界(FOV)相交时，光会反射到检波器的表面。检波器的输入即表示这 种反射，并且作为成像的一个像素存储到控制台的存储器里。 DDS激光探测系统的研制成功是水下成像技术的一个重大突破，使 原来用常规成像系统不能完成的测量、目标识别和检测等成为可能。
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二、水下激光探测基本问题-〉吸收
2.1 吸收问题
海水对可见光的吸收是非常厉害的，但是在波长500多纳米左右海水有 一固有的“透射窗口” 。 某些激光器的波长恰好处在海水的这一“窗口”里，又由于激光光源 方向性好、亮度高，因而利用激光作为水下探测的光源无疑可以达到更好的 探测效果。 例： Nd：YAG激光器能够发出532nm的激光。
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四、 国际动态-〉线扫描
4.3 激光线扫描系统



美国得克萨斯大学研制的水下激光平面 扫描系统安装在ROV上，用来测量海 底沉积面的粗糙度。 南佛罗里达大学研制的水下激光平面扫 描系统安装在AUV上，可取得海底的 地形图。 南密西西比大学等研究机构也应用了水 下激光平面扫描系统。
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五、所要做的工作-〉距离选通实验室试验
图5 线扫描示意图
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图6 线扫描系统 示意图
图7 线扫描实际水 下工作示意图
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三、激光探测的几种手段-〉距离选通
3.3 ICCD距离选通（range gating）
ICCD摄像器件具有高速可控门控的特性，而脉冲激光器的脉冲宽度 可以做到10ns以内，将这两种特性相结合可以获得更佳的水下图像。 我们可以将ICCD系统的特色更精确地描述如下： 可控的门控 + 脉冲激光 〈----〉 水体散射 ICCD高的探测灵敏度 〈----〉 水体吸收
水下目标激光探测
2003-5
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一、绪论
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一、绪论-〉意义
意义
在广阔的海洋面积中与人类最密切的区域是沿海、 近海和大陆架的浅海海域。据了解，世界上60％的人口 居住在离海岸100km以内的沿海地带，人们当前开发利用 海洋资源的大部分活动也主要集中在这一区域。在经济 开发上，诸如海岸防护、港湾建设、围海造田、滩涂养 殖、海洋能源的开发、制盐业、开辟和疏浚航道、铺设 海底电线、管道等各种工程设施，这些构成了人类开发 海洋的主要活动。近海的资源非常丰富，而近海自然资 源的开发和海岸、航道、港口的防护和建设等，这一切 经济活动都极需各种精确的、不同比例尺的海底地形地 貌图。从军事、国防角度看，当前全球军事的战略调整 有一个共同的趋向，就是世界各海洋大国都纷纷利用世 界战略格局变化的时机，积极地拓宽以海洋为重要方向 3 的战略空间。
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四、 国际动态-〉距离选通系统
4.2 距离选通系统
4.2.1 圣地亚哥斯巴达公司
圣地亚哥斯巴达公司已实现了一种激光距离选通技 术，并制成遥控操纵的seeRay系统。 激光器产生 200mJ 的 1 ． 06Mm 波长光脉冲，持续时间 6ns，重复率30Hz。倍频效率约65％，总光效高于1％。 接收器是 Xybion Gen II 微通道板增强的 CCD 摄象机， 提供5ns时间的选通能力，有较高的增益和合适的分辨率 (400条垂直电视线)。 工作的激光距离选通水下成像系统可在六倍以上衰 减长度的距离上使可识别目标成象，并能探测 10 倍以上 衰减长度逻离上的目标。相比这下，水下视频系统一般 只能达到两倍衰减长度的性能。
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三、水下激光探测的几种手段 （分类）
激光电视（又叫激光同步扫描） （同步激光电视） 激光线扫描
距离选通
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三、激光探测的几种手段-〉激光电视
3.1 激光电视
这种方法主要利用了窄束激光方向性好、能量集中、可用于高亮度照明的特 性，并尽可能地错开照射光源和摄像机视场在近距离的重叠区域，以减少近处海 水对光源的回向散射。 由于激光光源属于点照明，所以必须采用二维扫描的方 式才能获得完整的标示目标反照率的灰度图像。
图8 距离选通系统的示意图
16Leabharlann Baidu
三、激光探测的几种手段-〉距离选通
图9 距离选通工作原理示意图
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三、激光探测的几种手段-〉小结
小结
这几种水下激光成像系统一般都采用532nm 的YAG蓝绿激光器做照明，这个波长正好在海水
的透射窗口内，可以大大降低海水对光的衰减。
事实证明，这几种系统都能够有效地加大水下目 标的探测距离，提高水下拍摄图像的清晰度。另 一方面，它们的工作原理和系统结构各有特点、 不尽相同，因而也存在着各自的优缺点。
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四、 国际动态-〉距离选通系统
前苏联也是较早研究蓝绿激光探潜技术的国家 之一。早在80年代就有报道称前苏联已能从时速为 每小时160 千米的低空飞行的飞机上利用激光扫描 技术探测水下目标。在1993年, 美国《世界武器评 论》报道: 俄罗斯已在图95“熊Ⅳ”型轰炸机的头部 安装了蓝绿激光潜艇探测系统, 以搜索沿海潜艇、 小型潜艇和水雷。 综上所述, 可见美、俄两国已逐渐完成了蓝绿 激光探潜/ 探雷系统的原理研究, 有小批量该类设备 形成装备, 投入部队使用。
图3 两种同步扫描的原理图
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三、激光探测的几种手段-〉激光电视
激光电视的两种扫描方式
图4 同步扫描的示意图
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三、激光探测的几种手段-〉线扫描
3.2 激光线扫描
该系统将激光扩束为片光源， 其照射区域成一线状。将摄像头 与光源拉开一定距离，使其照射 光路和拍摄视线成一定角度。一 方面，可以有效压制近距离水体 散射光的干扰；另一方面，片状 激光照射区域的“形变”能够间 接反映出被观测目标物体的外形 特征，摄像头在侧向可以很好地 将其记录下来。该系统一般安装 在一可移动平台上，通过平台径 向移动拍摄下来的图像数据通过 一定的算法可恢复出所扫描目标 物体的三维外形图。
b ( x, y, x ) ( x , y, f ) f * ctg() x
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五、所要做的工作-〉线扫描室内试验-〉信号处理
5.3.2 激光亮带提取算法
图19 激光线扫描系统 在水下拍摄的原始图像
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图20 水下物体外形 的三维重构
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物体二维灰度图与三维外形图的比较
两图中左为水雷，右为轮胎
一、绪论-〉常用探测手段及其特点
常用探测手段及其特点




声学探测 穿透海水的能力强，探测距离远。 成像分辨率有限。 潜水区（浅于200ft）的应用受限制。 光学探测 分辨率高 探测距离有限
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二、水下激光探测
基本问题
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二、水下激光探测基本问题-〉水下目标探测难点
水下目标探测难点
水下目标图像探测一直是困扰海洋界 的一个难题，这是因为海水对光线具有的 强烈吸收和散射作用，通常的水下探测手 段距离有限而且图像质量不佳。水下探测 要获得好的效果，就必须从解决吸收和散 射这两方面入手。
图22 室内ICCD示意图
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六、已完成的内容-〉距离选通初步试验
一些ICCD试验结果
图 23
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五、所要做的工作-〉线扫描室内试验
5.3 线扫描室内试验
图17 美国南佛罗里达大学搭建的 室内实验系统
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五、所要做的工作-〉线扫描室内试验-〉信号处理
5.3.1 三维重构算法
图18 线扫描原理图
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四、 国际动态-〉距离选通系统
4.2.2 加拿大LUCIE系统
加拿大研制的LUCIE系统，全称是Laser Underwater Camera Image Enhance ，使用 两级的ICCD和YAG532nm激光器实现的距 离选通系统。已经陆续做过大量的水下试 验，并实现搭载于Rov(HYSUB 5000)上， 获取了许多现场的图片数据。据称，实际 探测距离可以达到常规照明方案的5倍 。