本实用新型属于水下成像技术领域，具体涉及一种基于压缩感知理论的水下远距离成像系统。
背景技术：
水下光学成像技术有成像分辨率高、信息含量大、保密性好、成像直观等优点，是其他水下探测技术所不具备的。因此在海洋资源考察、水下科学考察、水下机器人、水下安全、水下军事目标探测、水下工程等众多领域对远距离高分辨率的水下光学成像技术有着广泛和迫切的需求。由于水体及其所含物质对成像光束有强烈衰减作用，使得远距离成像非常困难。
目前能够水下光学成像距离的主要方法是水下光学距离选通技术，该技术利用典型的ICCD(增强电荷耦合)相机自带的距离选通快门，通过控制快门的开启和关闭从而在硬件上将非选定距离的非成像杂散光阻挡在ICCD相机之外，而选定距离的成像光束则传至ICCD相机而成像。该技术的本质是根据大部分后项散射等杂散光与成像光束到达成像系统在时间上的差异，通过硬件从时序上将杂散光排除，提高成像质量。
水下距离选通相机以ICCD相机作为成像元件，通过设置ICCD相机快门的门宽来对距离相机特定距离处的目标成像，但该技术单次成像只能获取预设好距离处的目标，若想要获取该目标前后不同位置的目标图像，则需要重新设置相机快门，操作复杂，容易造成目标丢失。
技术实现要素：
本实用新型目的是提供一种基于压缩感知理论的水下远距离成像系统，解决了现有的水下光学成像技术无法在单次成像中获取不同距离目标图像的技术问题。
本实用新型的技术解决方案是：一种基于压缩感知理论的水下远距离成像系统，其特殊之处在于：包括设置在水密性耐压壳体内的压缩感知成像系统、脉冲激光器和微型计算机，所述微型计算机与压缩感知成像系统相连；
所述压缩感知成像系统包括数字微镜器件、成像单元、采样单元和消光单元，采样单元和消光单元在成像单元的两侧对称分布；
所述数字微镜器件将成像目标图像信号进行压缩感知测量，然后将信号光反射进入采样单元，将杂散光反射进入消光单元。
进一步地，上述成像单元包括沿成像光束的传播方向依次设置的进光源屏蔽筒、光学成像镜筒、第一成像物镜、光阑、第二成像物镜、隔圈和第三成像物镜。
进一步地，上述采样单元包括沿数字微镜器件反射的信号光传播方向依次设置的第一光学聚光镜、第一电磁屏蔽筒和光电倍增管；
所述消光单元包括沿数字微镜器件反射的杂散光传播方向依次设置的第二光学聚光镜、第二电磁屏蔽筒和暗室。
优选地，上述水密性耐压壳体为圆筒状壳体结构，壳体两端利用端面密封圈或轴向密封圈进行静压密封。
进一步地，上述水密性耐压壳体内设置有轴向隔板，所述轴向隔板将水密性耐压壳体内部分隔为上腔室和下腔室；所述压缩感知成像系统和微型计算机位于上腔室内，所述脉冲激光器位于下腔室内。
进一步地，上述压缩感知成像系统和微型计算机固定于轴向隔板的上表面，所述脉冲激光器固定于轴向隔板的下表面。
进一步地，上述数字微镜器件上设置有反射镜阵列，反射镜可绕固定轴进行±12°夹角的翻转。
进一步地，上述数字微镜器件固定于多自由度微调安装座上。
进一步地，上述脉冲激光器的输出端口设置光学镜头。
进一步地，上述数字微镜器件的光路上设置有光路分光座。
本实用新型的有益效果在于：
(1)本实用新型将压缩感知成像技术应用于水下成像领域，结合距离选通技术排除杂散光对成像干扰的优势和水下激光器照明能有效增加成像光束能量的特点，设计了脉冲激光器水下压缩感知单相素相机系统；首次将算法控制距离选通技术应用到系统采样中，利用水下压缩感知成像系统的独特结构和光电倍增管超高频率采样(0.2纳秒/次)特点，可将不同距离的回波信号进行时序上的细分，有选择的根据对应的时间将数据提取出来，进行图像重构。因此通过一次成像过程便实现了对不同距离处的目标成像，操作简单、不易丢失目标。
(2)本实用新型首次采用算法距离选通技术，通过对任意距离的位置目标信号进行有选择的采样和图像的重构，减少了采样过程中消耗的时间，极大的降低了由非成像距离产生的杂散光的影响。
附图说明
图1为本实用新型水下远距离成像系统的等轴侧视图。
图2为本实用新型水下远距离成像系统的内部装配视图。
图3为本实用新型压缩感知成像系统的结构分解示意图。
其中，附图标记为：1-压缩感知成像系统，2-轴向隔板，3-微型计算机，4-脉冲激光器，5-水密性耐压壳体，6-数字微镜器件，7-成像单元，8-采样单元，9-消光单元，61-光路分光座，71-进光源屏蔽筒，72-光学成像镜筒，73-第一成像物镜，74-光阑，75-第二成像物镜，76-隔圈，77-第三成像物镜，81-第一光学聚光镜，82-第一电磁屏蔽筒，83-光电倍增管，91-第二光学聚光镜，92-第二电磁屏蔽筒，93-暗室。
具体实施方式
本实用新型的设计原理为：通过使用短脉冲(纳秒级)激光主动照明，利用短脉冲激光能量密度高、方向性好的特点用以增强回波目标的能量，数字微镜器件(DMD)和光电倍增管组成压缩感知采样系统，通过集成在计算机内的算法进行高频采样并进行图像的重构。由于水介质的影响，目标物和成像系统与陆地相比其相对静止的时间较长，系统可采样的时间也就越长，这有利于压缩感知采样系统对水下微弱回波信号进行“少值多次”的高频采样，因而有效提高了图像分辨率，且有较高的信噪比，实现了水下远距离高质量成像。具体实施方案如下：
参见图1和图2，本实施例为一种基于压缩感知理论的水下远距离成像系统，其结构包括设置在水密性耐压壳体5内的压缩感知成像系统1、脉冲激光器4和微型计算机3，微型计算机3与压缩感知成像系统1相连。
压缩感知成像系统1是本实用新型的核心部分，它利用算法控制距离选通的方式可将与目标位置同一距离的采样信号提取出来，并经重构算法得到该距离的高质量图像。
微型计算机3集成了基于压缩感知理论的算法，是距离选通的控制及图像重构的大脑。
脉冲激光器4是作为主动照明系统的光源，采用短脉冲激光器可增加到达成像面的成像光束能量绝对值，实现远距离成像，且本实用新型可以在短脉冲激光器前设置光学镜头以便有效增加激光脉冲扩束的角度，使照明区域与成像范围最大范围重合，提高能量的利用率；
水密性耐压壳体5对系统内所有元器件起到了外层保护的作用，由于应用于水下，水密性耐压壳体5应具有一定的抗压强度和稳定性，易于安装，防水密封性好和抗腐蚀性强等特点。较为优选地，水密性耐压壳体5为圆筒状壳体结构，壳体两端利用端面密封圈或轴向密封圈进行静压密封。水密性耐压壳体5内可以设置轴向隔板2作为所有元器件安装固定的平板，它可以从水密性耐压壳体5中拆卸下来，便于元器件的安装和拆卸。此外，轴向隔板2还起到对水密性耐压壳体5前后端盖的支撑作用，增加了水密性耐压壳体5的刚度。
轴向隔板2将水密性耐压壳体5内部分隔为上腔室和下腔室，压缩感知成像系统1和微型计算机3位于上腔室内，脉冲激光器4位于下腔室内，轴向隔板2可以有效起到电磁屏蔽的作用。压缩感知成像系统1和微型计算机固定于轴向隔板的上表面，脉冲激光器固定于轴向隔板的下表面。该结构的布置可使照明光束与成像光束间距最小达到79mm，最大程度的减小了成像盲区。
参见图3，压缩感知成像系统1包括数字微镜器件6、成像单元7、采样单元8和消光单元9，采样单元8和消光单元9在成像单元7的两侧对称分布；
成像单元7包括沿成像光束的传播方向依次设置的进光源屏蔽筒71、光学成像镜筒72、第一成像物镜73、光阑74、第二成像物镜75、隔圈76和第三成像物镜77。考虑到水下使用，可以通过镀膜的方式选择要通过的波段光，增加成像光束的能量。
数字微镜器件6将成像目标图像信号进行压缩感知测量，然后将选定信号光反射进入采样单元8，将杂散光反射进入消光单元9。为了提高光路隔离效果，数字微镜器件6可以在光路上设置光路分光座61。
采样单元8用于实现压缩采样，包括沿数字微镜器件6反射的信号光传播方向依次设置的第一光学聚光镜81、第一电磁屏蔽筒82和光电倍增管83，第一光学聚光镜81将选定的成像光束汇聚到光电倍增管83进行采样成像。光电倍增管83是压缩感知成像系统1的采样接收器件，它具有高频采样的特点，通过集成在微型计算机3内的算法可控制其对选定距离的回波信号进行时序上的细分采样，并将采样光信号转化为电信号值，然后在微型计算机3内进行图像的重构。因光电倍增管83对于外部光电比较敏感，因此本实用新型设计了第一电磁屏蔽筒82及光路分光座61，有效的对电磁和光路进行了隔离，以达到最佳的成像效果。
消光单元9用于消除杂散光，包括沿数字微镜器件6反射的杂散光传播方向依次设置的第二光学聚光镜91、第二电磁屏蔽筒92和暗室93，消光单元9，第二光学聚光镜91将不需要的杂散光汇聚到暗室93进行吸收。
数字微镜器件(DMD)是实现压缩采样的关键部件，它将成像面的目标图像信号进行压缩感知测量，将选定的部分信号通过光学聚光镜反射向光电倍增管，形成采样。DMD由一组微小的反射镜以阵列形式排列组成，反射镜可绕固定轴进行±12°夹角的翻转，因此光电倍增管与照射到DMD上的成像光束成±12°两侧分布，依靠DMD的这种特性将需要的光束信号反射向同一方向，不需要的信号(即杂散光信号)反射向另一方向。
由于DMD对成像光束对中的要求较高，以及光路分光座61和成像单元7存在机加工和安装误差，针对这些问题，本实用新型对DMD器件设计了多自由度微调安装座，既保证了DMD的可靠安装又保证了DMD相对于成像光束的对中微调。
基于压缩感知理论的水下成像技术是利用杂散光和回波信号光的非同时性来排除杂散光对成像的影响。但本实用新型不设置距离选通快门等硬件，而是利用采样频率1010Hz以上的水下压缩感知单像素相机系统作为成像接收器，对激光照明脉冲发射后的回波信号全程接收。接收器接收到的是时间序列回波信号，不同距离的回波信号被按时间顺序接收。需要对哪一距离的目标成像，则将每一采样序列中对应时间的数据提取出来，组成压缩感知采样值向量。将该向量代入重构算法中即可计算出相应距离的图像。因此通过一次成像过程便实现了对不同距离处的目标成像，操作简单、不易丢失目标。
相比于水下距离选通成像方法(即ICCD相机距离选通成像法)，本实用新型的成像距离可提高1倍；相比于水下激光扫描成像技术，本实用新型的采样数量为60％～90％，大大降低了系统硬件的成本和难度，具有成像灵活、系统简单、成本低廉和系统误差小等诸多优点。