增强式声呐辅助距离选通激光水下成像装置及方法与流程

本发明属于激光水下成像和探测领域，涉及一种增强式声呐辅助距离选通激光水下成像装置及方法。

背景技术：

众所周知，地球的表面当中，大约60%的面积为海洋。为开发海洋资源，人们势必需要详细了解海洋的信息，因此世界各国都投入大力进行海洋探测技术的研究。在目前主要的探测技术当中，激光水下成像技术是一个炙手可热的技术。激光水下成像一般分为两种类型，一种是激光扫描成像，另外是距离选通激光成像；前者是以连续激光照射兴趣目标，并通过窄视窗高灵敏度图像探测器iccd接收目标图像信息，主要特点是激光器与iccd分离安装，iccd接受主要前向散射光线信息；而距离选通激光成像是采用极短的脉冲激光照射目标，并通过控制iccd接收窗口的开启时间达到过滤水中环境物的散射杂光，从而只接受目标物体的前向散射光信息的目的。与激光扫描成像相比，距离选通能够在很短的时间，在有效时域上对目标的前向散射光进行收集，因此其成像效果比激光扫描要好，由此得到世界各国的重视和积极开发。距离选通的技术优势主要在于控制iccd接受窗口的开启时间，是建立在目标距离已知的情况下，但事实上，在水下探测时，往往没有目标的精确的方位信息，得不到最优玄同时间，因此距离选通一般都是粗略的扫描，无法对探测目标所需的激光的能量，方位，和光学状态进行有效控制，定向投放，从而限制了其成像效果和探测距离。

技术实现要素：

1、所要解决的技术问题：

现有的距离选通激光成像在水下探测时，往往没有目标的精确的方位信息，因此距离选通一般都是粗略的扫描，得不到最优的选通时间，不能对探测目标所需的激光的能量、方位和光学状态进行有效控制，定向投放，因而限制了其成像效果和探测距离。

2、技术方案：

为了解决以上问题，本发明提供了一种增强式声呐辅助距离选通激光水下成像装置，包括距离选通控制电路、嵌入式处理模块、显示器、激光器系统、光学接收系统，iccd、距离选通控制电路、显示器601都和嵌入式处理模块连接，所述的激光器通过距离选通控制电路和嵌入式处理模块连接，所述的iccd分别和距离选通控制电路和嵌入式处理模块连接，所述iccd还和接收光学系统连接，还包括声呐探测系统，所述的声呐探测系统通过距离选通控制电路和嵌入式处理模块连接。

所述的激光系统设有两个激光器，分别为第一激光器和第二激光器，所述第一激光器和第一光学整形发射系统连接，所述第二激光器和第二光学整形发射系统连接。

所述第一激光器和第二激光器都为固体yag激光器，波长为532nm，重复频率范围从0.2hz到22.5khz;，单脉冲能量范围为0.02mj到5000mj;平均功率从50mw到2000mw;脉宽范围从0.5ns到7ns.。

所述声呐探测系统为工业级声呐，探测方式为主动式探测声呐，其控制方式采用rc-21控制器，发射脉宽范围在0.2ms到2.4ms内，最小发射周期时长为133ms，输出能量级别为0-10级，发射周期为目标距离探测周期的2—3倍。

所述的iccd的最小门宽范围是0.2ns到7ns。

所述激光器系统、声呐探测系统、iccd、接收光学系统通过三角形框架801真空绑定，处于一个水密封的箱体当中，其中声呐探测系统和距离选通控制电路绑定在一起。

所述的声呐探测系统位于倒三角的中心。

所述的声呐探测系统也可位于倒三角的下面底端。

本发明还提供了一种利用所述的增强式声呐辅助距离选通激光水下成像装置进行成像的方法，包括以下步骤：第一步：开启声呐探测系统；第二步：通过声呐探测系统201、嵌入式处理模块、以及显示器601确定目标的距离和方位，并将距离和方位信息输入到嵌入式处理模块；第三步：嵌入式处理模块给距离选通控制电路发出指令，开启激光器系统，然后嵌入式处理模块通过距离选通控制电路给iccd发出选通门开启及时长的命令；第四步：目标的前向散射光信息通过接收光学系统被iccd接收，第五步：嵌入式处理模块通过初始的探测信息对激光器系统，距离选通控制电路，iccd以及激光的状态进行调制和优化，直至观察到目标图像，同时操作者通过显示器601，观察是否收到清晰地目标图像。

3、有益效果：

本发明利用声呐预先探测目标距离，并将由此所得目标的距离信息输入到激光器的发射控制中，从而有效控制对已知目标的探测器接受窗口的开启时间，进而有效过滤水体的杂散光，提高图像的成像清晰度，并有效提高对目标的探测距离。同时为了进一步提高对目标的照度，特增加为双激光光源，进一步提高光源亮度。

附图说明

图1是增强式声呐辅助激光水下成像系统的结构简图。

图2是声呐位于中心的倒三角双激光水下成像系统的正视图。

图3是声呐位于底部的倒三角双激光水下成像系统的正视图。

具体实施方式

下面通过附图来对本发明进行详细说明。

声呐在水下的监控中一直起着举足轻重的作用。其原因是因为声呐具有强大的方向性特征和在水下远距离传播能力。声纳可以对水中目标的距离预先做出判断，从而可以反馈给光学成像系统，对出射光的能量，状态以及照射角度进行控制，使操作者可以采用更为定向的方法对目标进行监控。由于目标的距离与尺寸信息可知，那么对目标发射的激光能量就可以有的放矢的控制。这样可以更为有效地利用激光光源的特性，包括偏振。随之而来的就是利用目标物体反射前向散射和散射光的强度的分布进一步得到物体的更多细节，由此提升探测距离。

目前的激光水下成像装置不含声呐辅助设备，所以激光水下成像首先通过激光照射进行目标寻访，而在目标距离和方位未知的情况下，很难精确控制激光照射的能量，时间和激光器的状态。相反如果增加声呐的距离和方位探测功能，那么整个激光的照射和反射前向散射光的接收将变得有的放矢。

基于此，如图1所示，本发明提供了一种增强式声呐辅助距离选通激光水下成像装置，包括距离选通控制电路401、嵌入式处理模块501、显示器601、激光器系统、iccd302。其中距离选通控制电路401、显示器601都和嵌入式处理模块501连接，所述的激光器通过距离选通控制电路401和嵌入式处理模块501连接，所述的iccd302分别和距离选通控制电路401和处理控制模块501连接，所述iccd302还和接收光学系统301连接，还包括声呐探测系统201，所述的声呐探测系统201通过距离选通控制电路401和嵌入式处理模块501连接。

本发明是通过声呐辅助，对目标的距离和方位进行预先探测。由于声音在水中的衰减很小，而且声音的传输速度很快，因此在很短的时间内就可以对目标进行扫描，并快速进行定位，然后依据目标的距离，通过嵌入式处理模块501进行前向散射时间和探测窗口时长的计算，从而有效的控制激光开启时间和门控窗口的开启时长，以此对目标前向散射的光学信号进行有效捕捉，实现有的放矢的探测。由于目标的距离和方位的已知，本光学系统可以有效地控制激光器的输出功率，频率，和光学状态。由于iccd302可以更为有效的选择对目标前向散射光的探测时间和时长，因此可以更为有效地对水体杂散光进行过滤，从而提高对目标的图像识别和增强，也即可以进一步提高对目标的探测距离。

声呐探测系统201开启对目标的探测和扫描，因为声音在水下的衰减很小，而且因为声音的传输距离很远，对近距离目标探测可以非常迅速。当将目标的距离和方位确定以后，其数据将被送入嵌入式处理模块501和距离选通控制电路401，去调整激光器系统的脉冲能量、频率、方位，以及偏振等光学状态，并触发和开启激光器系统，对目标进行照射。产生激光脉冲的同时输出一路同步电脉冲给距离选通控制电路401。距离选通控制电路401，检测激光器系统产生的同步脉冲，根据嵌入式处理模块501的控制指令产生选通脉冲，选通iccd302；根据嵌入式处理模块501控制指令或者iccd302反馈调整iccd302的增益。接收光学系统301则接收反射前向散射回来的激光，聚焦在iccd302的阴极面上。选通型iccd302在选通脉冲的控制下工作，接收光学系统301的光子，根据增益进行光学倍增，并通过iccd器件感光成像。嵌入式处理模块501完成对整个成像系统的同步延时控制。

本发明的所述的激光系统设有两个激光器，分别为第一激光器1012和第二激光器1022，所述第一激光器1012和第一光学整形发射系统1011连接，所述第二激光器1022和第二光学整形发射系统1021连接。

所述的第一光学整形发射系统1011能将第一激光器1012的激光转换为准直激光束，所述第二光学整形发射系统1021能将第二激光器1022的激光转换为准直激光束。

水下激光探测当中，激光主要是作为照射目标的光源，由于水对蓝绿激光的衰减，如果想提高激光对目标的照度，而又不受激光器输出最大能量的限制，那么行之有效的办法就是采用双激光的办法，这样可以提高光源对目标照射总的光强，而这也会由此延长水下激光系统的探测距离。在目前的情况下，yag固体激光器的输出能量会受到体积和发热功耗的影响，总的输出能量有一定的限制。采用双激光可以有效突破这种功率的限制。进一步提高探测距离。另外低功率的激光器产生的散热也小，可减小对系统总体散热环境的要求，随即可以减小成本和复杂性。

图1中第一光学整形发射系统1011和第一激光器1012，第二光学整形发射系统1021和第二激光器1022是双激光照明系统，当目标的距离很近时，只需要开启第一激光器1011和第二激光器1022其中的一个完成照明工作，但如果距离较远，开启其中一个不够，这时就可以将第一激光器1012和第二激光器1022一起开启。激光器的关和开可由嵌入式处理模块501控制，由具体的图像成像系统效果决定。

为了得到更好的成像效果，所述第一激光器1012和第二激光器1022都为固体yag激光器，波长为532nm,其功率将根据目标的距离进行设定。其脉冲频率，脉宽和单脉冲能量将依目标的情况而定。重复频率范围可以从0.2hz到22.5khz;单脉冲能量范围可为0.02mj到5000mj;平均功率可以从50mw到2000mw;脉宽范围可以从0.5ns到7ns。

为了得到更好的成像效果，所述声呐探测系统201为工业级声呐，探测方式为主动式探测声呐，其控制方式采用rc-21控制器，发射脉宽范围在0.2ms到2.4ms内，最小发射周期时长为133ms，输出能量级别为0-10级，发射周期为目标距离探测周期的2—3倍。

本发明中，所述激光器系统、声呐探测系统201、iccd302、接收光学系统301通过三角形框架801真空绑定，处于一个水密封的箱体当中，其中声呐探测系统201和距离选通控制电路401绑定在一起。

如图2所示，所述的声呐探测系统201位于倒三角的中心。这种设计的优点是由于声呐探测系统201处于中心，激光器系统与iccd302间的距离势必加大，这样可以进一步减小后向水体散射光对目标前向散射光的干扰。因为水下成像面临的都是近距离（200米之内）的情况，水体的后向散射与目标的前向散射光的叠加区域随距离的接近而增大，因此激光器系统与iccd302的距离越远越好，但如果太远，又会增加系统的体积与复杂性。所以激光器系统与iccd302的距离需要优化。为进一步控制光源对目标的照射光强，第一光学整形发射系统1011和第二光学整形发射系统1021都带有采取自动寻的功能，即随着目标物体的距离远近而自动进行照射角度调整，确保照射激光对目标面积的最大覆盖。

如图3所示，所述的声呐探测系统201位于倒三角的下面底端。这种设计的好处是可以减小声呐探测系统201对iccd302的影响。因为激光光斑整形和iccd接受部分光学系统的复杂性，激光器系统的光源和iccd302光学系统可以做成一体，减小系统的复杂性。

上述两种系统设计各有特点，以实际应用效果为准。

本发明还提供了一种利用所述的增强式声呐辅助距离选通激光水下成像装置进行成像的方法，包括以下步骤：第一步：开启声呐探测系统201；第二步：通过声呐探测系统201、距离选通控制电路401，嵌入式处理模块501以及显示器601确定目标的距离和方位，并将距离和方位信息输入到嵌入式处理模块501；第三步：嵌入式处理模块501给距离选通控制电路401发出指令，开启激光器系统，然后嵌入式处理模块501通过距离选通控制电路401给iccd302发出选通门开启及时长的命令；第四步：目标的前向散射光信息通过接收光学系统301被iccd302接收，第五步：嵌入式处理模块501通过初始的探测信息对激光器系统，距离选通控制电路401，iccd302以及激光的状态进行调制，和优化，直至观察到目标图像，同时操作者通过显示器601，观察是否收到清晰地目标图像。

在第三步中，根据距离目标的远近，选择开启第一激光器1012和第二激光器1022中的一个或者两个都开启。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明的，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的为准。