一种适用于对水下目标蓝绿激光距离选通成像的无遗漏扫描方法与流程

本发明属于水下光电探测技术领域，主要涉及一种对水下目标激光成像的扫描方法，尤其涉及一种适用于对水下目标蓝绿激光距离选通成像的无遗漏扫描方法。

背景技术：

由于海水对可见光波段存在较强烈的衰减作用，加上水体后向散射光噪声的影响，水下可见光成像探测距离相对较小，而海水中存在蓝绿光透射窗口，因此，水下成像探测大多采用主动激光成像。距离选通成像是目前对水下目标成像采用较多的一种技术手段，利用波长532nm的窄脉冲蓝绿激光为照射光源，利用iccd等传感器接收目标反射信号成像，通过传感器快速选通技术来抑制水体后向散射信号，成像空间分辨率较高，距离分辨率由激光脉冲宽度和选通门宽度决定。距离选通技术具有成像清晰、对比度高、不受环境光源的影响等优点。

目前公开的相关技术有：加拿大的水下激光成像系统(lucei)利用距离选通技术来消除后向散射光。该系统采用二极管泵浦nd:yag倍频激光器，工作波长为532nm，脉冲重复频率为2khz，平均输出功率为80mw，脉宽为8ns，光束发散角为6.7mrad。光电探测器为选通式ccd摄像机，有效观察距离比普通摄像机远3～5倍。

美国卡曼公司研制的“魔灯(magiclantern)”激光探雷系统，“安装于sh-2f直升机上，飞行高度140～320m，采用脉冲能量100mj、重复率40hz、脉宽10ns的nd:yag倍频激光器，由六个iccd相机同时捕获水下不同深度处的水雷目标，通过计算机处理显示疑似水雷目标的形状及位置。

美国诺斯罗普·格鲁曼公司开始于2002年开始研发“快速机载灭雷系统(ramics)”，2007年进行装机试验。ramics采用距离选通技术对猎雷系统(如机载激光水雷探测系统almds)已捕获的分布在近海面区域的锚雷进行快速捕获、识别、分类和精确定位，引导超空泡火力系统清除水雷，并对灭雷效果进行评估。

张毅等人在《南京理工大学学报》2007.31(6):p753-756中发表的文章“循环步进延时距离选通水下微光三维成像”提出了循环步进延时控制距离选通同步脉冲产生机理，使同步选通脉冲循环延迟时间序列与拟探测区域的距离序列相匹配，实现了不同距离情况下水体的扫描成像，再通过三维图像生成实现水体的三维成像显示。该文所述的成像方法是在不同的选通距离上扫描成像，在景深上扩大了成像探测的范围，但未扩展横向探测成像的范围。

钟炜等人在《光学学报》2016.36(4):p0401005-1～0401005-6中发表的文章“水下距离选通成像雷达激光照明模型”为了在探测距离内获得有效的照明范围，在小角度散射条件下，推导了水体光束扩展函数，提出了一种水下高斯光束激光照明模型，该模型通过连续变倍放大系统增加照明光束的发散角，实现对不同成像距离的目标区域进行有效照明。

韩宏伟等人在《激光技术》2011.35(2):p226-229中发表的文章“一种用于水下距离选通成像的变步长扫描方法”采用一种用于距离选通水下激光成像的变步长的延迟递增方法，首先通过辐射探测理论和景深原理确定接收镜头的焦距和对焦位置以及系统需要扫描的范围，再依据水下激光脉冲时域展宽理论确定延迟递进的步长和相应的选通门宽，既减少“切片”数目又保证图像质量，该方法所述的扫描方法同样是成像距离方向上的扫描。

目前对水下目标距离选通成像的方法中，大多关注的是成像距离、成像质量，未考虑搭载运动平台实际应用时的成像探测效率，目前距离选通成像传感器的探测视场较小，而若采用大视场传感器则又无法保证成像距离。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种适用于对水下目标蓝绿激光距离选通成像的无遗漏扫描方法，在发挥水下蓝绿激光距离选通成像优点的同时，通过步进扫描扩展成像探测视场，并通过步进扫描、航速补偿与扰动隔离共同作用，避免扫描区域出现遗漏，以及因载体运动产生的成像模糊、错帧等。通过将步进扫描方法与距离选通相结合，既发挥了距离选通成像距离远、质量高，有效抑制后向散射的优点，同时通过转台机构扩展了探测视场，进行航速补偿并隔离扰动，实现大地坐标系下的连续无遗漏扫描，从而提高探测效率。

本发明的技术方案为：

所述一种适用于对水下目标蓝绿激光距离选通成像的无遗漏扫描方法，其特征在于：采用具有纵摇环架和横滚环架的转台机构作为蓝绿激光水下距离选通成像传感器系统的安装载体；其中横滚环架能够带动传感器系统的光轴在垂直于水下动平台载体横滚轴的平面内摆动，纵摇环架能够带动传感器系统的光轴在垂直于水下动平台载体纵摇轴的平面内摆动；

扫描时，横滚环架带动传感器系统的光轴绕载体横滚轴做往返步进扫描，横向扩展视场，获得垂直于航向的图像序列，同时纵摇环架带动传感器系统的光轴沿载体航行的反方向调转，进行航速补偿，以隔离载体运动对光轴的扰动，使光轴在距离选通成像传感器曝光时间t1内稳定于大地坐标系下的当前位置。

进一步的优选方案，所述一种适用于对水下目标蓝绿激光距离选通成像的无遗漏扫描方法，其特征在于：扫描的具体步骤为：

步骤1：通过横滚环架带动传感器系统光轴调转至横向步进扫描起始位置；

步骤2：距离选通成像传感器系统开始曝光，在曝光时间t1内，通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的反方向匀速调转，调转角速度为ω；

步骤3：距离选通成像传感器系统曝光结束，完成一帧成像；

步骤4：判断是否完成一个刈宽b内的步进次数，如果完成，则进入步骤6，否则进入步骤5；所述刈宽b为扩展视场的横向宽度，b＝n×a，a为横向步进角度，n为一个刈宽内的图像帧数量；

步骤5：通过横滚环架带动传感器系统光轴绕载体横滚轴横向步进1次，步进角度为a，步进时间为t2

其中a为距离选通成像传感器探测视场的横向尺寸，t为步进扫描完成一个刈宽的时间，t3为扫描完一刈后，传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转补偿角度c的设定时间；

且在步进过程中，通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的反方向匀速调转，调转角速度为ω；然后返回步骤2；

步骤6：通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转补偿角度c＝ωt；调转完成后，此时光轴位置作为下一个刈宽步进扫描的起始位置，且步进扫描的方向为上一个刈宽扫描的反方向；

步骤7：根据指令判断是否停止扫描成像，若停止则转入步骤8，继续则返回执行步骤2；

步骤8：扫描成像工作结束。

进一步的优选方案，所述一种适用于对水下目标蓝绿激光距离选通成像的无遗漏扫描方法，其特征在于：步骤2和步骤5中通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的反方向匀速调转的角速度ω满足

其中b为距离选通成像传感器探测视场的纵向尺寸。

进一步的优选方案，所述一种适用于对水下目标蓝绿激光距离选通成像的无遗漏扫描方法，其特征在于：步进扫描完成一个刈宽的时间t满足

其中l为选通成像距离，v为载体航行速度。

有益效果

本发明相比于现有技术，有益效果体现在：

1、距离选通成像传感器的视场通常较小，用于对水下目标成像探测时效率很低，本发明将扫描技术与距离选通结合，利用步进扫描扩展对水下目标蓝绿激光距离选通成像的探测视场，同时保证距离选通的成像距离和成像质量，以此提高探测效率。

2、距离选通成像视场小且曝光时间较长，于是瞄线在曝光时间内稳定于大地坐标系下当前位置的时间较长，而载体处于行进状态，因此，需在步进扫描扩展视场的同时进行航速补偿，以保证步进扫描的成像帧序列垂直于横滚轴。

3、该无遗漏扫描方法适用于运动载体对水下目标激光距离选通成像，利用转台机构实现步进扫描扩展视场，通过航速补偿避免运动引起的图像模糊和光轴拖尾，并且隔离载体姿态变化带来的扰动，步进扫描、航速补偿与扰动隔离三者交联耦合实现大地坐标系下的无遗漏扫描。

附图说明

图1：水下激光成像无遗漏扫描方法工作流程；

图2：大地坐标系下光轴的运动指向示意图；

图3：两轴转台机构示意图；

图4：无遗漏扫描光轴运动示意图；

图5：无遗漏扫描成像帧映射示意图。

具体实施方式

本发明提出一种适用于对水下目标蓝绿激光距离选通成像的无遗漏扫描方法，在发挥水下蓝绿激光距离选通成像优点的同时，通过步进扫描扩展成像探测视场，并通过步进扫描、航速补偿与扰动隔离共同作用，避免扫描区域出现遗漏，以及因载体运动产生的成像模糊、错帧等。通过将步进扫描方法与距离选通相结合，既发挥了距离选通成像距离远、质量高，有效抑制后向散射的优点，同时通过转台机构扩展了探测视场，进行航速补偿并隔离扰动，实现大地坐标系下的连续无遗漏扫描，从而提高探测效率。

下面给出具体的符号定义：

a为距离选通成像传感器的横向探测视场尺寸；

b为距离选通成像传感器的纵向探测视场尺寸；

c为步进扫描一个刈宽后，光轴做航速补偿调转的角度在载体纵剖面上投影的角度；

a为步进扫描的步进角度；

b为步进扫描一刈达到的扩展角度；

n为一个刈宽的图像帧数量；

ω为航速补偿时，光轴调转在载体纵剖面上投影的角速度；

t1为距离选通传感器曝光时间；

t2为步进一次所需的时间；

t3为扫描完一刈后，光轴绕载体纵摇轴并向载体航行的正方向调转角度c的时间，以抵消航速补偿；

t为步进扫描完成一个刈宽的时间；

l为成像距离；

v为载体航行速度。

本发明通过转台使光轴绕载体横滚轴做往返步进扫描，横向扩展视场，获得垂直于航向的图像序列，随着载体的航行形成带状图像，距离选通成像传感器的探测视场为a(横向)×b(纵向)，步进角度为a，扩展视场的横向宽度为刈宽b(b＝n×a)，n为一个刈宽内的图像帧数量，选通成像距离为l；通过转台使光轴沿载体航行的反方向调转，进行航速补偿；隔离载体姿态变化对光轴的扰动，使光轴在距离选通成像传感器曝光时间t1内稳定于大地坐标系下的当前位置。

具体包括以下步骤：

步骤1：通过横滚环架带动传感器系统光轴调转至横向步进扫描起始位置。

步骤2：距离选通成像传感器系统开始曝光，在曝光时间t1内，通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的反方向匀速调转，调转角速度为ω，满足

其中b为距离选通成像传感器探测视场的纵向尺寸，t为步进扫描完成一个刈宽的时间，满足

其中l为选通成像距离，v为载体航行速度。在整个过程中，步进扫描完成一个刈宽的时间

t＝nt1+(n-1)t2+t3

其中n为一个刈宽内的图像帧数量，t2为步进一次所需的时间，t3为扫描完一刈后，传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转补偿角度c的设定时间。

以此避免载体航行导致光轴与目标的交点产生位移而造成图像模糊，即实现航速补偿，同时通过转台隔离载体姿态变化带来的扰动，使光轴在距离选通成像传感器曝光时间t1内稳定在大地坐标系下的当前位置；

步骤3：距离选通成像传感器系统曝光结束，完成一帧成像。

步骤4：判断是否完成一个刈宽b内的步进次数，如果完成，则进入步骤6，否则进入步骤5；所述刈宽b为扩展视场的横向宽度，b＝n×a，a为横向步进角度，n为一个刈宽内的图像帧数量。

步骤5：通过横滚环架带动传感器系统光轴绕载体横滚轴横向步进1次，步进角度为a，步进时间为t2，满足

其中a为距离选通成像传感器探测视场的横向尺寸，t为步进扫描完成一个刈宽的时间，t3为扫描完一刈后，传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转补偿角度c的设定时间；

且在步进过程中，通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的反方向匀速调转，调转角速度为ω；并且通过转台隔离载体姿态变化扰动。该步骤中步进扫描、航速补偿与扰动隔离三者耦合。

然后返回步骤2。

步骤6：通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转补偿角度c＝ωt，以避免光轴持续反向转动造成的拖尾，角度c为步进扫描一个刈宽的过程中，光轴做航速补偿所连续调转的角度在载体纵剖面上的投影角度。调转完成后，此时光轴位置作为下一个刈宽步进扫描的起始位置，且步进扫描的方向为上一个刈宽扫描的反方向。

步骤7：根据指令判断是否停止扫描成像，若停止则转入步骤8，继续则返回执行步骤2；

步骤8：扫描成像工作结束。

本发明提供的水下激光成像无遗漏扫描方法的工作流程如图1所示。随着载体航行，光轴在大地坐标系下的指向如图2所示，步进扫描所形成的光轴在大地坐标系图像中心的交点轨迹，先后顺序按照箭头所示方向排列；圆圈表示调转到位后，光轴在iccd曝光时间内停留当前位置并保持稳定。

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

本发明的方法目的在于扩展蓝绿激光距离选通成像的探测视场，实现对水下目标激光距离选通成像的无遗漏扫描。在本优选实施例中，距离选通成像的照射光源采用高重频的纳秒级脉冲蓝绿激光，距离选通成像传感器采用选通型iccd，采用两轴转台(如图3所示)。转台包括横滚、纵摇两个有限角度回转环架机构，均采用永磁直流力矩电机直接驱动负载有限回转，配置角位置编码器与光纤陀螺，通过伺服控制光轴稳定指向目标。

光轴的运动主要包括绕横滚轴的步进扫描i(由横滚伺服机构完成)以及垂直于纵摇轴的航速补偿ii(由纵摇伺服机构完成)，如图4所示。步进扫描i的作用是将横滚方向相邻的单帧小视场图像“拼接”成横向的“列”，以增加图像的横向幅宽(即刈宽)，航速补偿ii的作用是消除系统航行带来的光轴移位，将扇扫运动i形成的“列”沿航向进行“行”排列，增加瀑布图的长度。

在本优选实施例中，各参数为：

iccd的探测视场a×b＝4°×3°；

积分时间t1＝0.05s；

成像距离l＝20m；

载体航行速度v＝4km/h＝1.11m/s；

一刈宽的图像帧数量n＝5；

步进角度取a＝a，即a＝4°；

扩展视场，即刈宽b＝n×a＝20°；

扫描一刈的时间取计算可得t＝0.943s；

步进一次所需的时间设定t2＝t3，

计算可得t2＝0.139s；

航速补偿调转角速度取ω＝b/t＝3.11°/s；

扫描完成一刈后抵消航速补偿的调转角度c＝ωt＝3°。

本优选实施例的详细步骤如下：

步骤1：通过横滚环架带动传感器系统光轴调转至横向步进扫描起始位置。

步骤2：iccd开始曝光，通过转台控制光轴绕载体纵摇轴向载体航行的反方向匀速调转做航速补偿，调转角速度为3.11°/s，同时通过转台隔离扰动，使光轴在曝光时间0.05s内稳定在大地坐标系下的当前位置；

步骤3：iccd曝光结束，完成一帧成像。

步骤4：判断是否完成一个刈宽b内的步进次数，如果完成，则进入步骤6，否则进入步骤5；所述刈宽b为扩展视场的横向宽度，b＝n×a，a为横向步进角度，n为一个刈宽内的图像帧数量。

步骤5：通过横滚环架带动传感器系统光轴绕载体横滚轴横向步进1次，步进角度为4°，步进时间为为0.139s，且在步进过程中，通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的反方向匀速调转，调转角速度为3.11°/s；并且通过转台隔离载体姿态变化扰动。该步骤中步进扫描、航速补偿与扰动隔离三者耦合。

然后返回步骤2。

步骤6：通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转补偿角度3°，以避免光轴持续反向转动造成的拖尾，调转时间0.139s。调转完成后，此时光轴位置作为下一个刈宽步进扫描的起始位置，且步进扫描的方向为上一个刈宽扫描的反方向。

步骤7：根据指令判断是否停止扫描成像，若停止则转入步骤8，继续则返回执行步骤2；

步骤8：扫描成像工作结束。

扫描所形成的图像横向扩展视场为20°，随载体运动成像的各帧图像投影映射如图5所示。

综上所述，本发明提供的用于水下激光成像的无遗漏扫描方法横向步进扫描扩展视场，解决了距离选通iccd探测视场小的问题，进行航速补偿使光轴能够稳定在大地坐标系下的当前位置，避免出现扫描区域遗漏以及错帧、成像模糊的问题，并且隔离了姿态变化引起的扰动，实现了大地坐标系下的无遗漏扫描成像，步进扫描、航速补偿与隔离扰动三者共同作用，提高了对水下目标激光距离选通成像探测的效率。