一种水下高重频脉冲激光全选通成像雷达的制作方法

本发明涉及水下光电成像领域，尤其涉及一种水下高重频激光的全选通成像雷达。

背景技术：

采用辅助光源对水下目标进行照明的主动水下光电成像技术不论是在军用还是民用领域都有着重要的应用价值。连续光成像系统结构简单，成本低廉，能够获取所有探测距离的信息。但容易受到水体后向散射光噪声的影响，特别是光源和相机距离较近时，这种影响将非常严重。激光技术的发展为水下目标成像开辟了一条新途径——水下激光成像技术，该技术具有成像分辨率高、调制解调性能好、作用距离远等优点。为了改善连续光成像系统容易收水体散射噪声大、探测距离短的缺点，文献“距离选通激光水下成像系统的门控信号对图像质量的影响”(孙健，张晓晖，葛卫龙，周亚民.光学学报，2009年，第29卷，第8期，页码2185-2190)公开了一种水下距离选通成像门控技术，该技术采用时间标记的方法将目标反射的激光回波从传输介质的后向散射光噪声中区分出来，使带有目标信息的激光脉冲回波恰好在选通相机的选通门开启时间内到达相机并成像。采用这种技术能够提高信噪比，增加极限探测距离，但传统的水下距离选通成像雷达只能对某一选通切片(某一成像距离附近的水体)成像，具有定距成像的特点，这严重影响了目标探测和搜索效率。

技术实现要素：

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种水下高重频激光的全选通成像雷达，可克服现有水下距离选通成像的仅能定距离探测的缺陷，同时具备连续光成像系统探测范围大和距离选通成像系统信噪比高的优点。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种水下高重频激光的全选通成像雷达，包括脉冲激光器、发射系统、控制器、选通相机和接收镜头，其特征在于：所述控制器独立设定一帧时间内每一个激光脉冲回波信号对应的选通相机开门时刻和时长，将一帧时间内的多个激光脉冲按照一定规则分配到不同距离的选通切片中，实现全选通成像；

在上述技术方案中，其中所述脉冲激光器采用高频率发射激光脉冲，发射频率通常不小于10kHz；

在上述技术方案中，所述多个激光脉冲的规则分配为：每个切片中所分配的激光脉冲数不应少于探测、识别、认清目标所需的最少脉冲数，不应超过图像饱和所需的最少脉冲数；距离较近的选通切片中所分配的激光脉冲数应小于距离较远的选通切片,即满足

其中t_m、s_m、r_m分别为第m个所述选通切片中目标探测、识别、认清所需的激光脉冲数；选通切片中所分配的激光脉冲数总和应当不超过一帧时间内激光脉冲总数,即满足

其中，f_m(k)为通过所述控制器分配在第m个所述选通切片中的所述激光脉冲数，N为帧时间内所述激光脉冲总数。

本发明的有益效果:本发明通过采用高频率发射激光脉冲，控制器独立设定一帧时间内每一个激光脉冲回波信号对应的选通相机开门时刻和时长，将一帧时间内的多个激光脉冲按照一定规则分配到不同距离的选通切片中，实现全选通成像。同时根据距离不同，合理分配激光脉冲数，距离较近的选通切片中所分配的激光脉冲数应小于距离较远的选通切片。这样，与水下连续光成像系统相比，目标以前选通切片中水体的后向散射光噪声较小；与距离选通成像系统相比，成像范围得到扩展。

附图说明

图1为本发明一种水下高重频激光的全选通成像雷达的结构示意图；

图2为本发明一种水下高重频激光的全选通成像雷达一个实施例中水下距离选通成像原理示意图；

图3为本发明一种水下高重频激光的全选通成像雷达的工作原理图；

图中：1-脉冲激光器，2-发射系统，3-控制器，4-选通相机，5-接收镜头，6-触发信号，7-选通门控制信号，8-激光脉冲，9-目标激光回波信号，10-水下距离选通成像雷达，11-在距离l₁处的反射回波，12-选通成像区域(或称选通切片)，13-在距离l₂处的反射回波，t₁-激光脉冲在距离l₁处的反射回波11到达水下距离选通成像雷达10的时刻，t₂-激光脉冲在距离l₂处的反射回波12到达水下距离选通成像雷达10的时刻。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本实施例所公开的一种水下高重频激光的全选通成像雷达，参考图1所示，所述高重频激光的全选通成像雷达包括依次相连的发射系统2、脉冲激光器1、控制器3、选通相机4和接收镜头5。所述脉冲激光器1采用高频率发射激光脉冲8经由所述发射系统2放大发射出去。所述控制器3以耦合所述脉冲激光器1产生的激光脉冲8作为触发信号，并以其上升沿为基准，根据设定延迟向所述选通相机4发送选通门控信号7；所述接收镜头5用于接收目标激光回波信号9，并送给所述选通相机4，在所述选通门控信号7控制下所述选通相机完成成像过程。

请进一步参考图2，水下距离选通激光雷达成像原理示意图。由于水体的后向散射作用，所述激光脉冲8在在传播过程中，不论是遇到水体还是遇到目标都会产生所述目标激光回波信号9。假设所述激光脉冲触发信号上升沿时刻为t＝0，发出脉冲在距离l₁处的反射回波11到达水下距离选通成像雷达10时t＝t₁，所述选通相机4在所述门控制信号7控制下开门；距离为l₂处的反射回波13达到水下距离选通成像雷达10时t＝t₂，所述选通相机4在所述门控制信号7控制下关门。通过所述选通相机4开关门时间的控制能够实现(l₁,l₂)区域的成像选通成像，通常该区域被称为选通切片12。当被探测目标在所述选通切片12中时，由于消除了(0,l₁)区域内水体后向散射噪声，可提高系统的信噪比。选通切片12中除目标外的其他水体部分依然会产生后向散射光噪声，为了防止选通切片12中水体后向光散射过大，选通切片的厚度通常不会太大，不妨设选通切片12最佳宽度为Δ。

请进一步参考图3，为水下高重频激光的全选通成像雷达的工作原理图。将水下高重频脉冲激光全选通成像雷达探测范围(0,l₃)区域分割为宽度为Δ的n个所述选通切片12，传统的水下距离选通成像机制只对某一个所述选通切片12成像，不妨设为第n-4个所述选通切片12，当目标在第n-1个所述选通切片12中时，采用上述传统成像机制是无法探测目标的。

在本发明的高重频脉冲激光成像雷达中，所述控制器3独立设定一帧时间内每一个所述目标激光回波信号9对应的所述选通相机4开门时刻和时长，将一帧时间内的多个所述激光脉冲8按照一定规则分配到不同距离的所述选通切片12中，实现全选通成像。每个所述选通切片12中所分配的所述激光脉冲8数不应少于探测、识别、认清目标所需的最少脉冲数，不应超过图像饱和所需的最少脉冲数。根据约翰逊准则，成像系统对目标的探测等级可以分为探测、识别、认清。水下高重频脉冲激光成像雷达探测、识别、认清目标对图像对比度信噪比的要求依次增加，对照明目标的激光脉冲数需求依次增加。满足

t_m＜s_m＜r_m

其中t_m、s_m、r_m分别为第m个所述选通切片12中目标探测、识别、认清所需的激光脉冲数。光在水中传播时，光束直射能量I满足指数衰减关系

I＝I₀exp(-α·l)

其中，α为水体衰减系数，l为光束传播距离，I₀为光束初始能量。因此对于高重频脉冲激光成像雷达，近距离所述选通切片12中空间频率为k的黑白条纹目标探测、识别、认清所需要的所述激光脉冲8数要小于远距离的所述选通切片12所需要的所述激光脉冲8数。满足

而且空间频率较大的黑白条纹目标探测、识别、认清所需要的所述激光脉冲8数要大于空间频率较小的情况，满足

当k₁>k₂

当所述选通切片12中目标照明所述激光脉冲8数过多时，会出现成像饱和现象。b_m为第m个所述选通切片12中目标成像饱和所需的最少所述激光脉冲8数，满足

b_m＜b_m+1

进一步优选，通过本发明的水下高重频脉冲激光成像雷达的所述控制器3可以在不同距离所述选通切片12中分配不同数目的所述激光脉冲8，根据对空间频率为k黑白条纹目标的不同探测水平要求，第m个所述选通切片12中所分配的所述激光脉冲8数满足

其中，f_m(k)为通过所述控制器3分配在第m个所述选通切片12中的所述激光脉冲8数，N为帧时间内所述激光脉冲8总数。

进一步优选，不妨设目标在第n-1个所述选通切片12中，采用本发明时，在第1～n-2个所述选通切片12中会产生水体后向散射光噪声。但是由于所述选通切片12中所述激光脉冲8数分配满足

f_m(k)＜f_m+1(k)

距离越近所述选通切片12所产生的水体后向散射光噪声越小，而采用连续光成像系统时，由于光源的几何发散和水体的衰减作用，距离越近所述选通切片12所产生的水体后向散射光噪声越大。

因此，本发明能够降低水体后向散射光噪声，从而提高图像信噪比。同时，能够在一帧图像中实现对(0,l₃)整个区域的成像，具有连续光成像系统探测范围大的特点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。