水下激光距离选通成像理论及技术研究

条纹管成像技术
采用扇形脉冲激光照明，高速时间分辨条纹管接收反射回波信号， 通过电磁场偏转，可获得包含目标距离－强度－方位的图像信息。
结构光成像技术
将一束窄带光束投射到三维目标表面，形成线状照明图案；再利用成 像探测器从不同视角采集目标表面线状图像。结合照明与成像系统间 的空间位置关系，便可获得目标表面较为准确的三维结构信息。
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散射光中的前向散射分量 进一步增加.
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水下光传输和散射理论
粒子光散射的解析和近似求解方法
T矩阵法 (TMM) 点匹配法 (PMM) 分离变量法 (SVM) 积分方程法 (IEM) 有限元法 (FEM) 时域有限 差分法 (FDTDM)
反常衍射 近似 (ADA)
几何光学 近似 (FDTDM)
532
0.2 5000 1000 <6 <6 MCP 18 mm 25000 0.2 6.7
532
2000 0.025-0.25 50-500 7 7 MCP 1,000,000 30 7.35
532
22500 0.0889 2000 7 3 MCP 25 mm 1,000,000 30 ×
532
30 >100 × 6 5 MCP × 30 6.4
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一、国内外研究现状
水下成像技术分类及特点
特 点
探测距离远 空间分辨率低 不易辨认 成像效果
声学成像
光学成像
探测距离近 空间分辨率高 图像自然直观
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一、国内外研究现状
声光成像特性对比
属 性 特 波 物理特性 征 长 光 学 声 学 450 ~ 550 nm，横波 ≈ 2.25 × 105 km/s 低(T90 ≈ 98%) >10 Mw；10ns → 10 0mJ 自然，2-D
激光主动成像理论和技术
报告人：许廷发 北京理工大学光电学院 2011年3月12日
主要内容
1、国内外研究现状
2、水下激光距离选通成像原理
3、结束语
2
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一、国内外研究现状
探索海洋的意义
1 2 3
《国家深海高技术发展专项规划(2009-2020年)》 人口,资源,环境问 海洋覆盖了地球 中国的近代历史 中明确要求显著增加深海高技术自主创新能力， 表面约71%的面 题日益突出，各 表明，侵略者多 突破并掌握一批深海核心技术与装备。 从海上发起进攻. 国都在积极寻求 积。幅员辽阔， 生存与发展之道, 物产丰富，极具 因此建立强大海 开发和利用价值 有效开发和利用 上防线对维护本 海洋对可持续发 国领海和领土安 全具有特殊意义 展大计意义重大 2006年国家863计划“海洋技术”领域“深海探测与作 业技术”专题“深海水下运载平台的激光距离选通成 像探测技术研究”(2006AA09Z207)探索项目。
法国
1992年，IFREMER研制的水下激光距离选通成像系统。
俄罗斯和瑞典
俄罗斯TURN LLC 公司与瑞典Laser Optonix公司的Aqua Lynx系统。
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一、国内外研究现状
新加坡
2002年以来，南洋理工大学自主搭建了距离选通成像实验平台。
丹麦
2005年丹麦国防研究所和丹麦科技大学采用距离选通图像重构的方法 分别获取了4到5米处的淡水以及盐度为15‰海水中的3-D图像。
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一、国内外研究现状
德国
德国交通运输部开发了一套由距离选通成像相机和荧光激光雷达组成 的水下激光雷达，用于快速探测、定位和识别海底遗失货柜和有毒化 学品。
日本
日本交通运输部研制了一款名为ULVS的激光距离选通成像系统，用 于保障海下安全和对海下作业进行远程监控。
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TTHG 相函数
pTTGH ( ) pOTHG ( , g1 ) (1 ) pOTHG ( , g2 )
θ为散射角，0 ≤ g1 , g2≤ 1， 0 ≤ α ≤ 1为常数
v 1 1 v 1 πv 1 2 p FF 2 4 16π(1 ) v 3 cos 1 v 4π 1 2 1 v v 1 π π u
FF 相函数
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水下光传输和散射理论
经验相函数评价方法
对数平 均偏差 评价 方法
p1 100 N

i 1
N
log10 pe ( i ) log10 pr ( i ) 侧重前向和后向散 射角的拟合精度 r2
加权平 1 p 2 200 均偏差 max min 累积分 布偏差
max
式中， N为散射角采样个数； pe和pr分别为经验和基准相函数； θmax和θmin为相函数对比的散射角上限和下限；Pe和Pr分别为pe和pr 的累积分布函数。
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水下光传输和散射理论
基准相函数的选取
清洁和浑浊海水 条件下散射相函 数的典型值
1000
Clear seawater
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一、国内外研究现状
合成孔径共焦成像技术
同时利用了合成孔径照明和共焦扫描成像两种技术，在光束由不同方 向照射目标场景的同时，成像系统对目标场景按照明方向共焦成像。
调制/解调成像技术
采用经强度调制的连续或脉冲激光进行照明，并对返回调幅信号进行 解调制来去除部分散射光噪声；采用子载波相干探测技术可将时域分 散的散射光噪声和目标反射光信号分离开来，从而生成目标剖面图像 或距离信息。

max
min
p侧重整体散射系数 e ( ) p r ( ) sin d 的拟合精度 pe ( ) pr ( )
2
p 3 100
1
max min

侧重前向散射角的 [ Pe ( ) Pr ( )]2 d min 拟合精度
LUCIE 1
LUCIE 1 1990-1996
50-500mW 2kHz 脉宽7ns 700W 527nm Nd:YLF 门宽7ns 300Kg
LUCIE 2 1998-2006
2W 22.5kHz 脉宽7ns 250W 532nm Nd:YVO4 门宽3ns 45Kg
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LUCIE 3 2006-2009
国内方面
“十五” 北京理工大学 电子1411所 “863计划”
“十五”
南京理工大学
华中科技大学
中船717所
国产蓝绿脉冲 国产蓝绿脉冲 激光器＋进口 激光器＋自研 选 通 ICCD 器 件 选通ICCD器件， 系 (ANDOR 公 司 ) ， 统 可 达 到 清 系 统 ， 可 达 到 水50m以上的作 清水30 ~ 40m的 用距离。 作用距离。
532
× 160 300 0.5 0.12 MCP 18 mm × × 6.5
532
32400 0.0043 140 < 0.5 0.2 MCP 25 mm × 50 ×
532
× 160 × 5 6.1 × × × ×
识别距离(AL)
4.8
> 4.55
> 5.0
5.6
×
×
Hale Waihona Puke Baidu
×
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一、国内外研究现状
偏振区分技术
当自然光或主动光照明时，利用水体散射光与目标反射光间的偏振信 息差异来滤除传输路径上的水体后向散射光；不仅能提高成像对比度 ，还能修正场景颜色。复原图像的可视距离比原图像提高近一倍。
多视角图像重构技术
采用多个主动成像系统，使照明与成像系统分离开来，以尽量减小照 明与成像视场的重叠区域，可进一步提升系统作用距离。
好 数GHz 有变动：5 ~ 0.2 dB/m 有影响 点/面/体目标 镜面/朗伯面反射及偏振效应
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海水介质
目标探测
折射率起伏 目标种类
一、国内外研究现状
同步扫描技术(空间区分)
利用准直点/线阵激光与瞬时视场很窄的接收器间同步扫描成像。
距离选通技术(时间区分)
利用传输路径上水体绝大部分后向散射光噪声与目标反射光信号在不 同时间到达探测器光敏面的特点，通过同步控制照明光源与探测器的 选通时间，有选择地接收目标反射光，同时滤除水体后向散射光，实 现选通成像效果。
粒径分布已知的4 种单组分多分散系 的米氏理论相函数
C1 C2 C3 C4
6 5
1000
pMie / sr-1
Turbid seawater
Volume (%)
p(θ) / sr-1
4 3 2 1
10
10 0.1
C1 C2 C3 C4
0.1
0.001
0.1 1 10 100 Scattering angle θ / º
0 0.04
0.001
0.4 4 40 Particle Diam. / μm 400
0.1
1 10 100 Scattering angle θ / º
Jonasz等人对大量实测海 水相函数统计平均值
悬浮液微粒尺寸分布图
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微粒集合米氏 散射相函数
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水下光传输和散射理论
基准相函数：清洁和浑浊海水的典型相函数值
典 OTHG 型 10 海 水 0.1 Δp1/Δp2 g
p(θ) / sr-1
1000
p(θ) / sr-1
Jonasz FF OTHG TTHG
1000 10
TTHG g1 0.1 g2 α
Jonasz FF OTHG TTHG
FF
结论
m n
1 、 FF 拟 合 偏 差 最 小 ； Clear seawater (Δ ) Clear seawater (Δ ) OTHG自变量最少，但拟 0.001 0.001 0.1 1 10 100 0.1 1 10 100 3.39 1.09 3.66* 0.96 3.30* 0.99 0.89 0.70 2.63* 合偏差最大； Scattering angle θ / º Jonasz Scattering angle θ / º 清
实验测试系统，理论研究
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二、水下距离选通成像原理
选通成像探测器 成像探测器
=
选 通 控 制 器
源 光 照明光 脉冲 激光激
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水下光传输和散射理论
粒子的光散射特性
瑞利 散射
前向和后向散射光呈均匀 对称分布.
米氏 散射
散射光显著趋于前向
米氏 散射 单个粒子对入射光的散射分布图
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一、国内外研究现状
国外典型距离选通成像系统性能指标
技术指标 激光器
瑞典 Aqua Lynx
YAG
加拿大
LUCIE YLF LUCIE2 YVO4
美国
See-Ray YAG 超短门 宽系统 YAG
丹麦 3-D激 光雷达 YAG
新加坡 激光雷 达成像 YAG
波长(nm)
重频(Hz) 单脉冲能量(mJ) 平均功率(mW) 脉宽(ns) 最小门宽(ns) 像管类型 最大增益 帧频(Hz) 探测距离(AL)
工程应用
经验散射相函数：由实验或解析方法构建的相函数的经验 表达式；其函数形式简单，所含自变量很少。
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水下光传输和散射理论
应用最广泛的三种经验散射相函数
OTHG 相函数
pOTHG ( ) 1
2
1 g2
3/ 2
4 (1 g 2 g cos )
θ为散射角 0 ≤ g ≤ 1为常数
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一、国内外研究现状
同步扫描与距离选通成像技术
利用同步线扫描技术实现水下大范围搜索
利用同步点扫描技术实现水下大范围搜索
利用距离选通技术实现水下目标定位和精确打击
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一、国内外研究现状
加拿大(Laser Underwater Camera Image Enhancer)
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0.1 ~ 1 MHz ，纵波 ≈ 1.5 km/s 高 1 Kw；1.3 ms → 1.3 J 电子，1-D 好 数十kHz ≈ 60 dB/km (200 kHz) 无影响 分散式目标 镜面反射
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传播速度 海空界面损耗 单脉冲能量 波束形状 相干性 载波带宽 衰 减
技术指标
水下成像 ＝ <声成像 ＋ 光电成像 < 5 mrad 方向性 5 × 10 mrad
600mW 25kHz 脉宽1ns 50W 532nm Nd:YVO4 门宽5ns 5Kg
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一、国内外研究现状
美国
1989年美国海军沿海系统中心开发了水下距离选通成像的实验系统； 1994年美国SPARTA激光系统实验室研制了水下距离选通成像系统 See-Ray； 1995年美国研究人员测试了一种门宽低至120 ps的选通成像系统； 1997年在美国海军支持下，SEO(Schwartz Electro-Optics, Inc.)研制的 水下激光距离选通成像系统ULIS。