专利名称：基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于水 下光电成像探测技术，特别是一种基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置。
背景技术：
近年来，水下光电成像探测技术因其在水下目标发现、海面材料探测及海洋地理工程中具有广泛而重要的应用价值，正受到各国研究者的日益重视。但与我们平常所见空气中成像技术不同，水介质的特性是强散射效应和快速吸收功率衰减，因此在进行传统的基于弹性散射的水下光电成像探测时，光线在水中传输的后向散射效应强，造成图像噪声大，成像质量差，且系统的作用距离有限，探测灵敏度低等缺陷。为了解决这个问题，基于布里渊散射的水下光电成像探测的概念被提了出来。布里渊散射是由多普勒效应引起的，海水与水下不同目标具有不同的布里渊散射频移，只要测得布里渊散射光谱发生的相应的变化，就表明在某处有水下物体的存在。北京师范大学的刘大禾在发表的《用F-P标准具和ICCD探测水中的布里渊散射信号》文章中提出一种实用的通过探测布里渊散射信号来进行水下目标探测的方法(2008《东北师大学报》(自然科学版)，第40卷第3期)。该方法以F-P干涉仪来采集布里渊散射信号，以ICCD来记录探测区域的布里渊散射光谱，通过干涉环的数量判断水下目标的有无。但是由于法布里-珀罗 (F-P)干涉仪接收的立体角非常小，对入射光的平行度要求很高，该方法实际使用起来十分困难。并且由于此条件约束，实际探测成像质量并不高，探测灵敏度也很受影响。对布里渊散射信号的检测是各类布里渊散射研究的基础。目前布里渊散射信号的探测除了采用F-P干涉仪外，一般还有采用基于溴、碘分子滤波器的边缘检测技术。但此技术需要对溴、碘蒸汽进行恒温控制，以保证其光谱吸收的稳定性，实用性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置，当在对水下目标进行激光成像探测时，它能够有效探测布里渊散射信号，提高成像质量。实现本发明目的的技术解决方案为一种基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置，由脉冲发生器、激光控制器、选通控制器、逻辑处理部件、蓝绿激光器、扫描器、布里渊散射滤波器、选通信号接收器、信号处理部件及监视器组成，脉冲发生器分别与激光控制器、选通控制器、逻辑处理部件连接，激光控制器与蓝绿激光器连接，扫描器一方面连接蓝绿激光器，引导激光照射在探测区域，另一方面连接包括布里渊散射滤波器、选通信号接收器组成的信号接收装置，对布里渊散射信号进行同步收集；布里渊散射滤波器、 选通信号接收器、信号处理部件和监视器依次相连，选通控制器与选通信号接收器连接，逻辑处理部件与信号处理部件连接；脉冲发生器中的脉冲发生器产生工作所需的基准时钟， 控制激光控制器、选通控制器、逻辑处理部件、扫描器按时序步骤运行；激光控制器在基准时钟的作用下，产生蓝绿激光器工作所需的驱动电源及控制信号，该蓝绿激光器输出布里渊散射水下激光成像探测所需的蓝绿激光脉冲信号；蓝绿激光脉冲信号在扫描器的作用下，以二维扫描的方式，扫描成像探测所感兴趣的水体区域，蓝绿激光脉冲信号与水及水下目标作用，产生响应的布里渊散射信号；含有反射信号、后向弹性散射信号、后向散射的布里渊散射信号的混合信号，经同步扫描器接收，传输至布里渊散射滤波器；混合信号经过布里渊散射滤波器后，滤除其他信号，只有水下布里渊散射信号传输至选通信号接收器；信号选通接收器在选通控制器的控制下，接收不同距离上的布里渊散射信号，产生相应的电信号传输至信号处理部件；信号处理部件在逻辑处理部件的控制下进行噪声处理，图像重建生成，产生水体区域的布里渊散射信号二维空间分布图像，送达图像监视器供观察者观察。本发明与现有技术相比，其显著优点(1)使用光子晶体滤波的方法采集布里渊散射信号，替代了目前一般采用的F-P干涉仪，或基于溴、碘分子滤波器的边缘检测技术， 既无需因法布里-珀罗(F-P)干涉仪接收的立体角非常小而对入射光的平行度提出很高的要求，又无需因溴、碘分子滤波器光谱吸收的稳定性差而对溴、碘蒸汽进行恒温控制，使用起来简单便利。(2)由于将选通机制应用于水下激光布里渊散射信号的扫描探测，能提高水下激光布里渊散射信号探测的可靠性和信噪比。( 在扫描成像系统的接收信号前端中加入基于光子晶体滤波的布里渊散射滤波器，利用光子晶体优异的光子频率禁带特性以及光子晶体缺陷产生很窄的导带特性，对极窄光谱信号进行滤波，从而克服传统的F-P干涉仪和基于溴、碘分子滤波器的边缘检测技术探测布里渊散射信号时对入射光平行度的要求或对环境温度的要求等等诸多约束和不利条件，改善水下激光布里渊散射信号的检测效果， 提高成像质量。通过检测布里渊散射信号频移来判断水下某处是否有物体存在，光线在水中传输的后向散射效应减弱，图像噪声小，成像质量好，作用距离大，探测灵敏度高(见图 5-图8)。对比150m距离处基于F-P干涉仪的布里渊散射水下激光探测像素灰度图像和基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光探测像素灰度图像，前者由于对入射光平行度有较高要求，导致检测误差大，且受后向散射效应影响，图像噪声明显，后者成像质量明显高于前者。对比180m距离处基于F-P干涉仪的布里渊散射水下激光探测像素灰度图像和基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光探测像素灰度图像，由于受到探测距离限制，前者所得图像不如后者清晰，表明基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光探测装置作用距离大且探测灵敏度较高。下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置构成。图2是水下激光布里渊散射频移。图3是布里渊散射滤波器光谱透过率曲线。图4是接收的布里渊散射光子数与激光脉冲探测距离仿真曲线。图5是150m距离处基于F-P干涉仪的布里渊散射水下激光探测像素灰度图像。图6是150m距离处基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光探测像素灰度图像。图7是180m距离处基于F-P干涉仪的布里渊散射水下激光探测像素灰度图像。图8是180m距离处基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光探测像素灰度图像。
具体实施例方式结合图1，本发明基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置，在扫描成像系统中加入基于光子晶体滤波的布里渊散射滤波器，利用光子晶体优异的光子频率禁带特性以及光子晶体缺陷产生很窄的导带特性，对极窄光谱信号进行滤波，从而克服传统的F-P干涉仪和基于溴、碘分子滤波器的边缘检测技术探测布里渊散射信号时的诸多约束和不利条件，改善水下激光布里渊散射信号的检测效果，提高成像质量。由脉冲发生器1、激光控制器2、选通控制器3、逻辑处理部件4、蓝绿激光器5、扫描器6、布里渊散射滤波器7、 选通信号接收器8、信号处理部件9及监视器组成，脉冲发生器1分别与激光控制器2、选通控制器3、逻辑处理部件4连接，激光控制器2与蓝绿激光器5连接，扫描器6 —方面连接蓝绿激光器5，引导激光照射在探测区域，另一方面连接包括布里渊散射滤波器7、选通信号接收器8组成的信号接收装置，对布里渊散射信号进行同步收集；布里渊散射滤波器7、选通信号接收器8、信号处理部件9和监视器依次相连，选通控制器3与选通信号接收器8连接，逻辑处理部件4与信号处理部件9连接；脉冲发生器1中的脉冲发生器产生工作所需的基准时钟，控制激光控制器2、选通控制器3、逻辑处理部件4、扫描器6按时序步骤运行；激光控制器2在基准时钟的作用下，产生蓝绿激光器5工作所需的驱动电源及控制信号，该蓝绿激光器5输出布里渊散射水下激光成像探测所需的蓝绿激光脉冲信号；蓝绿激光脉冲信号在扫描器6的作用下，以二维扫描的方式，扫描成像探测所感兴趣的水体区域，蓝绿激光脉冲信号与水及水下目标作用，产生响应的布里渊散射信号；含有反射信号、后向弹性散射信号、后向散射的布里渊散射信号的混合信号，经同步扫描器6接收，传输至布里渊散射滤波器7 ；混合信号经过布里渊散射滤波器7后，滤除其他信号，只有水下布里渊散射信号传输至选通信号接收器8 ；信号选通接收器8在选通控制器3的控制下，接收不同距离上的布里渊散射信号，产生相应的电信号传输至信号处理部件9 ；信号处理部件9在逻辑处理部件 4的控制下进行噪声处理，图像重建生成，产生水体区域的布里渊散射信号二维空间分布图像，送达图像监视器供观察者观察。本发明基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置的选通控制器3 由选通控制电路和距离延时控制开关组成，根据水下信号传输不同距离的时间延迟，累加到基准时钟上得到不同距离探测点的工作时钟，通过选通控制电路，得到选通控制脉冲，控制信号选通接收器8工作；该信号选通接收器8由雪崩光电二极管和选通控制电路组成，选通控制器3送来的选通控制脉冲经过选通控制电路改变探测布里渊散射信号的雪崩光电二极管的工作阈值，确定信号选通接收器8接收布里渊散射信号的工作与休眠状态，以此进行选通控制。本发明基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置的扫描器6由光学成像器件、步进电路和步进控制器件构成，光学成像器件一方面引导蓝绿脉冲激光照射成像探测所感兴趣的水体区域，产生布里渊散射信号，另一方面汇聚收集布里渊散射信号； 步进电路受基准时钟的控制，作用步进控制器件，带动光学成像器件对所感兴趣的水体区域进行扫描；当信号选通接收器8接收的水下布里渊散射信号距离固定时，配合扫描器6便可获取此固定距离水体断面的二维布里渊散射信号分布信号。本发明基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置的逻辑处理部件4与信号处理部件9配合工作，完成对水下布里渊散射信号的二值化，降低噪声，以及图像增强，其中逻辑处理部件4接收脉冲发生器1的控制命令，根据基准时钟，形成各步骤信号处理的时序命令，控制信号处理部件9工作；信号处理部件9通过阈值选择，甄别出海水布里渊散射信号和非海水介质布里渊散射信号，然后设置二维空间区域内像素灰度值，海水布里渊散射信号，即非目标像素灰度值为O或1 ；非海水介质布里渊散射信号，即目标像素的灰度值为1或0)，这样就形成了基于布里渊散射频移的水下成像探测的二值化图像；选用边缘保护平滑滤波对图像进行去噪处理，然后再采用分段直方图均衡化的处理方式对其进行图像增强，即边缘保护平滑滤波基于递归有理数滤波(RRF)，经去噪处理后的图像首先用一个全局阈值把图像直方图分成两部分，高灰度区含有绝大部分的目标信息，再对两部分分别进行均衡化，最后进行不同程度的压缩以组合成一幅完整的图像，经分段直方图均衡化的处理过的图像提高了图像对比度，细节轮廓分明。 本发明基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置在工作时a.脉冲发生器1中的脉冲发生器产生系统工作所需的基准时钟，控制激光控制器 2、选通控制器3、逻辑处理部件4、扫描器6的运行。b.激光控制器2在基准时钟的作用下，产生蓝绿激光器5工作所需的驱动电源及控制信号，蓝绿激光器5输出布里渊散射水下激光成像探测所需的蓝绿激光脉冲信号。c.蓝绿激光脉冲信号在扫描器6的作用下，以二维扫描的方式，扫描成像探测所感兴趣的水体区域，蓝绿激光脉冲信号与水及水下目标作用，产生响应的布里渊散射信号。d.含有反射信号、后向弹性散射信号、后向散射的布里渊散射信号的混合信号，经同步扫描器6后由光学系统接受，传输至布里渊散射滤波器7 ；e.混合信号经过布里渊散射滤波器7后，滤除其他信号，只有水下布里渊散射信号传输至选通信号接收器8。f.信号选通接收器8接收一定距离上的布里渊散射信号，产生相应的电信号传输至信号处理部件9。g.信号处理部件9进行噪声处理，图像重建生成，产生水体区域的布里渊散射信号二维空间分布图像，送达图像监视器供观察者观察。本发明基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置的设计思路如下(1)结合水下激光布里渊散射目标与背景特性，通过光子晶体材料、光子晶体滤波器原理研究，设计光子晶体滤波的布里渊散射信号滤波器。其中，水下激光布里渊散射目标与背景特性如下。布里渊散射由多普勒效应引起， 当光与声子作用发生散射时，由于声子运动的多普勒效应而使散射光的频率发生变化，会出现频率大于和小于入射光中心频率的两个散射光，其频率对称地分布在入射光中心频率的两侧。海水与水下不同目标的布里渊散射频移具有各自不同的变化，只要测得布里渊散射光谱发生的相应的变化，就表明在某处有水下物体的存在。激光水下传输时，布里渊散射频移Yb与声速Vs满足如下关系
权利要求
1.一种基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置，其特征在于由脉冲发生器(1)、激光控制器O)、选通控制器(3)、逻辑处理部件0)、蓝绿激光器(5)、扫描器 (6)、布里渊散射滤波器(7)、选通信号接收器(8)、信号处理部件(9)及监视器组成，脉冲发生器(1)分别与激光控制器O)、选通控制器(3)、逻辑处理部件(4)连接，激光控制器(2) 与蓝绿激光器( 连接，扫描器(6) —方面连接蓝绿激光器(5)，引导激光照射在探测区域， 另一方面连接包括布里渊散射滤波器(7)、选通信号接收器(8)组成的信号接收装置，对布里渊散射信号进行同步收集；布里渊散射滤波器(7)、选通信号接收器(8)、信号处理部件 (9)和监视器依次相连，选通控制器( 与选通信号接收器(8)连接，逻辑处理部件(4)与信号处理部件(9)连接；脉冲发生器(1)中的脉冲发生器产生工作所需的基准时钟，控制激光控制器O)、选通控制器(3)、逻辑处理部件0)、扫描器(6)按时序步骤运行；激光控制器(2)在基准时钟的作用下，产生蓝绿激光器( 工作所需的驱动电源及控制信号，该蓝绿激光器( 输出布里渊散射水下激光成像探测所需的蓝绿激光脉冲信号；蓝绿激光脉冲信号在扫描器(6)的作用下，以二维扫描的方式，扫描成像探测所感兴趣的水体区域，蓝绿激光脉冲信号与水及水下目标作用，产生响应的布里渊散射信号；含有反射信号、后向弹性散射信号、后向散射的布里渊散射信号的混合信号，经同步扫描器(6)接收，传输至布里渊散射滤波器(7)；混合信号经过布里渊散射滤波器(7)后，滤除其他信号，只有水下布里渊散射信号传输至选通信号接收器(8)；信号选通接收器(8)在选通控制器(3)的控制下，接收不同距离上的布里渊散射信号，产生相应的电信号传输至信号处理部件(9)；信号处理部件(9)在逻辑处理部件(4)的控制下进行噪声处理，图像重建生成，产生水体区域的布里渊散射信号二维空间分布图像，送达图像监视器供观察者观察。
2.根据权利要求1所述的基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置，其特征在于选通控制器(3)由选通控制电路和距离延时控制开关组成，根据水下信号传输不同距离的时间延迟，累加到基准时钟上得到不同距离探测点的工作时钟，通过选通控制电路，得到选通控制脉冲，控制信号选通接收器(8)工作；该信号选通接收器(8)由雪崩光电二极管和选通控制电路组成，选通控制器( 送来的选通控制脉冲经过选通控制电路改变探测布里渊散射信号的雪崩光电二极管的工作阈值，确定信号选通接收器(8)接收布里渊散射信号的工作与休眠状态，以此进行选通控制。
3.根据权利要求1所述的基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置，其特征在于扫描器(6)由光学成像器件、步进电路和步进控制器件构成，光学成像器件一方面引导蓝绿脉冲激光照射成像探测所感兴趣的水体区域，产生布里渊散射信号，另一方面汇聚收集布里渊散射信号；步进电路受基准时钟的控制，作用步进控制器件，带动光学成像器件对所感兴趣的水体区域进行扫描；当信号选通接收器(8)接收的水下布里渊散射信号距离固定时，配合扫描器(6)便可获取此固定距离水体断面的二维布里渊散射信号分布信号。
4.根据权利要求1所述的基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置，其特征在于置于信号选通接收器(8)前端的布里渊散射滤波器(7)由宽禁带双通道窄带滤光片、金属支架组成，该宽禁带双通道窄带滤光片由一维光子晶体和缺陷构成，其膜系结构采用异质结结构，选用Ti02和Si02两种不同折射率的材料作为高、低折射率膜层；其中一维光子晶体为
5.根据权利要求1所述的基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置，其特征在于逻辑处理部件(4)与信号处理部件(9)配合工作，完成对水下布里渊散射信号的二值化，降低噪声，以及图像增强，其中逻辑处理部件⑷接收脉冲发生器⑴的控制命令， 根据基准时钟，形成各步骤信号处理的时序命令，控制信号处理部件(9)工作；信号处理部件(9)通过阈值选择，甄别出海水布里渊散射信号和非海水介质布里渊散射信号，然后设置二维空间区域内像素灰度值，海水布里渊散射信号，即非目标像素灰度值为0或1 ；非海水介质布里渊散射信号，即目标像素的灰度值为1或0)，这样就形成了基于布里渊散射频移的水下成像探测的二值化图像；选用边缘保护平滑滤波对图像进行去噪处理，然后再采用分段直方图均衡化的处理方式对其进行图像增强，即边缘保护平滑滤波基于递归有理数滤波，经去噪处理后的图像首先用一个全局阈值把图像直方图分成两部分，高灰度区含有绝大部分的目标信息，再对两部分分别进行均衡化，最后进行不同程度的压缩以组合成一幅完整的图像，经分段直方图均衡化的处理过的图像提高了图像对比度，细节轮廓分明。
全文摘要
本发明公开了一种基于光子晶体滤波的布里渊散射水下激光成像探测装置，由脉冲发生器、激光控制器、选通控制器、逻辑处理部件、蓝绿激光器、扫描器、布里渊散射滤波器、选通信号接收器、信号处理部件及监视器组成，脉冲发生器分别与激光控制器、选通控制器、逻辑处理部件连接，激光控制器与蓝绿激光器连接。本发明使用光子晶体滤波的方法采集布里渊散射信号，替代了目前一般采用的F-P干涉仪，或基于溴、碘分子滤波器的边缘检测技术，既无需因法布里-珀罗(F-P)干涉仪接收的立体角非常小而对入射光的平行度提出很高的要求，又无需因溴、碘分子滤波器光谱吸收的稳定性差而对溴、碘蒸汽进行恒温控制，使用起来简单便利。
文档编号G01S7/483GK102156286SQ20111000146
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月6日 优先权日2011年1月6日
发明者岳江, 张毅, 徐杭威, 柏连发, 王博, 韩静 申请人:南京理工大学