高能量、高精度水下三维成像的激光雷达系统和方法

本申请涉及激光雷达系统技术领域，特别是涉及一种高能量、高精度水下三维成像的激光雷达系统和方法。

背景技术：

水下成像技术是水下探测的一项重要技术，在目标探测、海洋地理工程等诸多领域有着重要的应用。普通光源受限于水体环境的特点，作用距离有限且图像噪声很大，而蓝绿激光在水中具有高透过率，可用于直接探测水下目标，其中532nm波长的激光是最常使用的水下探测激光。

目前针对水下目标的三维成像激光雷达系统中的激光器多是采用高频微波调制激光脉冲的方案，此方案得到的高频激光脉冲峰值功率低、能量小，限制了激光雷达系统的水下目标探测能力。在信号处理方面，由于现实水域杂散较多，图像带有大量噪声，影响了成像的质量。

技术实现要素：

为了克服现有的不足，本发明提出了一种高能量输出的水下三维成像激光雷达系统，旨在提高激光雷达系统中激光器的输出能量，同时采取三段式滤波技术滤除噪声，提高激光雷达的整体探测性能和成像精度。

一种高能量、高精度水下三维成像的激光雷达系统，所述系统包括：

高能量激光器，包括调q激光器和f-p振荡腔；所述调q激光器用于采用调q技术对激光脉冲进行压缩，产生高峰值功率、高能量的窄脉冲；所述f-p振荡腔用于接收所述窄脉冲并利用f-p振荡腔往返部分输出特性将窄脉冲信号转化为高能量、高频激光脉冲串，并将所述高能量、高频激光脉冲串照射到水体介质中的目标上，产生回波信号。

光学接收系统，用于接收所述回波信号并进行处理和记录，并将记录结果传输至信号处理终端。

信号处理终端，用于接收光学接收系统发送的记录结果，并进行三段式滤波处理，得到水体介质中的目标的三维成像

在其中一个实施例中，所述调q激光器为半导体泵浦的短腔亚纳秒脉冲激光器；所述调q激光器，用于产生高峰值功率、高能量的窄脉冲。

在其中一个实施例中，所述光学接收系统包括条纹相机；所述条纹相机用于将接收到的回波信号通过狭缝后由光电阴极转换为电子像，随后时间序列上不同位置的电子经过扫描电场，被扫向与条纹方向垂直的空间位置，完成时间信息到空间信息的转换，将狭缝提取的一维图像变为二维图像，再经过倍增轰击荧光屏，完成电信号到光信号的转换，最后由ccd记录，得到条纹像。

在其中一个实施例中，所述信号处理终端包括预处理模块、带通滤波+匹配滤波模块以及阈值滤波模块。

所述预处理模块，用于滤除所述条纹像中条纹相机背景噪声，得到预处理信号。

所述带通滤波+匹配滤波模块，用于滤除所述预处理信号中的直流分量和低频信号，并提高激光雷达的距离分辨率。

所述阈值滤波模块，用于滤除经带通滤波+匹配滤波模块滤波后得到的信号低强度噪声，得到水体介质中的目标的三维成像。

一种高能量、高精度水下三维成像的方法，所述方法应用于上述任一个高能量、高精度水下三维成像的激光雷达系统中实现水体介质中的目标的三维成像；所述方法包括：

通过高能量激光器产生高能量、高频激光脉冲串，将所述高能量、高频激光脉冲串照射到水体介质中的目标上，产生回波信号。

通过光学接收系统接收所述回波信号，并进行处理和记录，将记录的信号发送至信号处理终端。

通过信号处理终端接收记录的信号，并对所述记录的信号采用三段滤波的方法进行滤波处理，得到水体介质中的目标的三维成像。

在其中一个实施例中，通过信号处理终端接收记录的信号，并对所述记录的信号采用三段滤波的方法进行滤波处理，得到水体介质中的目标的三维成像，还包括：

通过信号处理终端接收记录的信号，并对所述记录的信号进行预处理，滤除所述条纹像中条纹相机背景噪声，得到预处理信号。

将所述预处理信号进行带通滤波+匹配滤波，滤除所述预处理信号中的直流分量和低频信号，得到高距离分辨率的激光雷达信号。

将所述高距离分辨率的激光雷达信号进行阈值滤波，滤除所述高距离分辨率的激光雷达信号中的低强度噪声，得到水体介质中的目标的三维成像。

上述高能量、高精度水下三维成像的激光雷达系统和方法，所述系统包括：高能量激光器、光学接收系统以及信号处理终端；高能量激光器包括调q激光器和f-p振荡腔，利用调q激光器产生高峰值功率、高能量的窄脉冲，并经过f-p振荡腔将窄脉冲转化为高能量、高频激光脉冲串，并将其照射到水体介质中的目标上，产生回波信号；光学接收系统接收回波信号并进行处理和记录，并将记录结果传输至信号处理终端。信号处理终端接收到记录结果，并进行三段式滤波处理，得到水体介质中的目标的三维成像。本系统中激光器输出的激光脉冲信号拥有更高的峰值功率和能量，提高了探测能力，三段式滤波处理方案针对性地滤除不同阶段的噪声，提高了成像精度。

附图说明

图1为一个实施例中高能量、高精度水下三维成像的激光雷达系统组成框图；

图2为一个实施例中高能量、高精度水下三维成像方法的流程示意图；

图3为其中一个实施例中三种滤波方法结果图；其中图3(a)是均值滤波、图3(b)是均值滤波+k近邻平滑滤波、图3(c)是均值滤波+邻域平均法滤波；

图4为其中一个实施例中分辨率靶标示意图；

图5为其中一个实施例中统计结果和清水环境20m处成像结果图；其中图5(a)为统计结果图，图5(b)为清水环境20m处成像结果图；

图6为其中一个实施例清水环境下13m处成像结果；其中图6(a)为3d图像，图6(b)为强度图像。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

水对照射到其中的光具有较强的吸收衰减作用，水对光的吸收是入射到水中的部分光能量转化为其他形式能量的过程，要提高水中的成像距离，就需要有高能量的激光光源照射水体介质中的目标；另外由于激光在水中传输，水分子及其它杂质会对光产生强烈的散射作用，非目标探测距离处散射光信号严重干扰激光雷达水下成像质量。本发明中提供的高能量、高精度水下三维成像的激光雷达系统可以提供高能量、高频激光脉冲串，并具有高效的滤波处理功能的信号处理终端，提高水环境中成像距离和成像精度。

在一个实施例中，如图1所示，提供了一种高能量、高精度水下三维成像的激光雷达系统，系统包括：高能量激光器10，包括调q激光器101和f-p振荡腔102；调q激光器101用于采用调q技术对激光脉冲进行压缩，产生高峰值功率、高能量的窄脉冲；f-p振荡腔102用于接收窄脉冲并利用f-p振荡腔102往返部分输出特性将窄脉冲转化为高能量、高频激光脉冲串，并将高能量、高频激光脉冲串照射到水体介质中的目标上，产生回波信号。

高能量激光器采用调q技术结合f-p腔振荡输出，由激光信号本身直接得到高能量、高频激光脉冲串。

光学接收系统20，用于接收回波信号并进行处理和记录，并将记录结果传输至信号处理终端。

光学接收系统可采用条纹管水下三维成像、同步扫描等技术实现水下三维成像。

记录结果是通过光学接收系统中的成像模块得到的水体介质中的目标的初始三维成像数据。

信号处理终端30，用于接收光学接收系统20发送的记录结果，并进行三段式滤波处理，得到水体介质中的目标的三维成像。

三段式滤波处理的第一段是针对条纹相机自身背景噪声的预处理；第二段是针对回波信号中的低频干扰，同时提高信噪比；第三段是针对通过分析强度图得出的低强度段剩余噪声的滤波处理，并得到高精度的水体介质中的目标的三维成像。

上述高能量、高精度水下三维成像的激光雷达系统中，所述系统包括：高能量激光器、光学接收系统以及信号处理终端；高能量激光器包括调q激光器和f-p振荡腔，利用调q激光器产生高峰值功率、高能量的窄脉冲，并经过f-p振荡腔将窄脉冲转化为高能量、高频激光脉冲串，并将其照射到水体介质中的目标上，产生回波信号；光学接收系统接收回波信号并进行处理和记录，并将记录结果传输至信号处理终端。信号处理终端接收到记录结果，并进行三段式滤波处理，得到水体介质中的目标的三维成像。本系统中激光器输出的激光脉冲信号拥有更高的峰值功率和能量，提高了探测能力，三段式滤波处理方案针对性地滤除不同阶段的噪声，提高了成像精度。

在其中一个实施例中，调q激光器为半导体泵浦的短腔亚纳秒脉冲激光器，用于产生高峰值功率、高能量的窄脉冲。

作为优选，高能量激光器采用“振荡器+放大器”结构，种子激光器为半导体泵浦的短腔亚纳秒脉冲激光器，波长1064nm，输出脉冲能量300uj，脉冲宽度770ps，重复频率1hz-100hz可调。放大器采用半导体侧泵模块双通两级放大结构，经过两级放大之后能量达到170mj，并且脉冲宽度没有发生明显改变。1064nm基频光经过ktp倍频晶体获得532nm的绿光输出，脉冲能量可达80mj。ktp晶体置于f-p腔内，应用f-p腔往返部分输出特性，获得脉冲间隔约为2ns，即载波频率约为500mhz的532nm激光脉冲。此过程为激光器产生高能量激光脉冲的过程。

在其中一个实施例中，光学接收系统包括条纹相机；条纹相机用于将接收到的回波信号通过狭缝后由光电阴极转换为电子像，随后时间序列上不同位置的电子经过扫描电场，被扫向与条纹方向垂直的空间位置，完成时间信息到空间信息的转换，将狭缝提取的一维图像变为二维图像，再经过倍增轰击荧光屏，完成电信号到光信号的转换，最后由ccd记录，得到条纹像。

条纹相机是一种具有高时间、空间和光强分辨力的超快诊断仪器，主要组成部件有条纹变像管、像增强器、高低压供电电源、扫描电控系统、前端输入狭缝光学系统、工控模块、后端光锥耦合ccd记录系统等。回波信号通过狭缝后由光电阴极转换为电子像，随后时间序列上不同位置的电子经过扫描电场，被扫向与条纹方向垂直的空间位置，完成时间信息到空间信息的转换，将狭缝提取的一维图像变为二维图像，再经过倍增轰击荧光屏，完成电信号到光信号的转换，最后由ccd记录。其中核心部分是条纹变像管，其像元数越多，成像精度越高。同时，其可见光波段光谱灵敏度越高，信噪比越高，探测能力越强。

前端输入狭缝光学系统由狭缝、输入镜头、输出镜头组成，其中狭缝为长度为35mm、宽度0～3mm的可调狭缝，调节精度为0.005mm。

条纹变像管是条纹相机实现时空变换测量的核心模块，要求可见光波段光谱灵敏度要高于50ma/w，像元数大于500个。为满足像元数大于500的要求，采用球面输入和输出窗电子光学设计减小条纹管边缘像差，实测静态空间分辨率大于20lp/mm、动态空间分辨率大于8lp/mm，在35mm长的狭缝内像元总数达到560个。另一方面，严格控制了光电阴极的制备工艺，通过厚度调控实现了在550nm波长处条纹管的灵敏度达到55ma/w。

像增强器用于放大条纹管的输出图像信号，倍增效率为10²～10⁴倍。为获得高增益信号，选用s25阴极类型的像增强器，其阴极灵敏度高于150μa/lm，增益在10²～10⁴范围内可调以满足不同强度输入信号的放大。

扫描电控系统主要用来产生高压线性时变信号，对通过偏转板的光电子实现时空变换，另一方面也具有一定的延时功能，以实现扫描电压和输入被测信号的良好同步。为获得不同精度和不同距离的目标成像，设定了三个扫描档位，分别为5ns、30ns、100ns。

条纹相机信号采集过程：高能量、高频激光脉冲串由高能量激光器发射，经过水下目标的发射由条纹相机接收，条纹相机将接收的光信号在条纹管光电阴极上成像，再经过信号转换、偏转与增强得到初始图像，最后再经过传统的ccd技术采集到信息处理机。

在其中一个实施例中，信号处理终端包括预处理模块、带通滤波+匹配滤波模块以及阈值滤波模块。

预处理模块，用于滤除条纹像中条纹相机背景噪声，得到预处理信号。

带通滤波+匹配滤波模块，用于滤除预处理信号中的直流分量和低频信号，并提高激光雷达的距离分辨率。

阈值滤波模块，用于滤除经带通滤波+匹配滤波模块滤波后得到的信号低强度噪声，得到水体介质中的目标的三维成像。

作为优选，信号处理终端接收从条纹相机传送来的信号，首先针对信号携带的条纹相机产生的噪声进行预处理，采取“均值滤波+领域平均法滤波”的方案滤除条纹相机背景噪声，均值滤波是信号减去均值，邻域平均法滤波是将某信号的领域均值作为该信号滤波后的值，领域视野设置为5×5。随后采取“带通滤波+匹配滤波”的方案去除直流分量和低频信号，同时提高激光雷达的距离分辨率，直流分量的去除效果影响到匹配滤波基底旁瓣的大小，非载波频带范围分量的噪声则会降低信噪比。带通滤波器中心频率为载波中心频率fm，通带宽度br略大于载波信号带宽bsc，设置为br＞1.25bsc，而过渡带越窄越好。记带通滤波后的信号为xbpf(i)，载波调制数字实信号为xm(i)，则匹配滤波过程可以表达为：

xpc＝conv(xbpf,xm)(1)

其中conv表示卷积运算。最后针对剩余的低强度噪声，采取“阈值滤波”的方案，阈值设置为最大强度值与最小强度值之差的三分之一，低于该阈值的信号全部置零。此过程为三段式滤波处理过程。

在一个实施例中，如图2所示，提供了一种高能量、高精度水下三维成像的方法，方法应用于上述任一个高能量、高精度水下三维成像的激光雷达系统中实现水体介质中的目标的三维成像；方法包括步骤：

步骤200，通过高能量激光器产生高能量、高频激光脉冲串，将高能量、高频激光脉冲串照射到水体介质中的目标上，产生回波信号。

步骤202，通过光学接收系统接收回波信号，并进行处理和记录，将记录的信号发送至信号处理终端。

步骤204，通过信号处理终端接收记录的信号，并对记录的信号采用三段滤波的方法进行滤波处理，得到水体介质中的目标的三维成像。

在其中一个实施例中，步骤204还包括：通过信号处理终端接收记录的信号，并对记录的信号进行预处理，滤除条纹像中条纹相机背景噪声，得到预处理信号；将预处理信号进行带通滤波+匹配滤波，滤除预处理信号中的直流分量和低频信号，得到高距离分辨率的激光雷达信号；将高距离分辨率的激光雷达信号进行阈值滤波，滤除高距离分辨率的激光雷达信号中的低强度噪声，得到水体介质中的目标的三维成像。

在一个三段滤波方法的验证性实施例中，由于条纹相机背景噪声较大，需要先将采集到的每帧图像进行去噪预处理，方法是先对每帧图像进行均值滤波，随后采用k近邻平滑滤波器或者邻域均值法滤波。其滤波效果图如图3所示，其中图3(a)是均值滤波、图3(b)是均值滤波+k近邻平滑滤波、图3(c)是均值滤波+邻域平均法滤波后的结果。从图中可以看出，均值滤波+邻域平均法滤波效果更好，这是因为噪声分布比较稀疏，目标信号分布比较集中，邻域平均法能够有效抑制噪声，提高信噪比。

在一个验证性实施例中，为了验证高能量、高精度水下三维成像的激光雷达系统的性能，搭建一个20m×1m×1m的玻璃水槽，构建水下三维成像激光雷达原理样机试验系统。实验分为两大部分：清水环境实验和浊水环境实验，清水采用的市政自来水，衰减系数为0.11m^-1，浊水环境则是往清水中注入了腻子粉和牛奶，衰减系数为0.56m^-1。

(1)水下成像距离实验

如图4所示，将一个直径30cm的分辨率靶标放置在清水环境下的水槽末端，使用原理样机对其多次扫描成像，得到成像结果，成像结果表明3d像存在大量噪声，而强度像中目标较为清晰，说明噪声强度集中于低强度段。对每帧图像进行直方统计，将信号强度均分为低强度、中强度、高强度三段，结果如图5(a)所示统计结果图，可以看出噪声基本都集中于低强度段，因此可以采取阈值滤波，阈值α设定如下：

其中，intensity代表信号强度。

加入阈值滤波的成像结果如图5(b)所示3d像，可以看出信噪比有明显的提升。因此可以认为在清水环境下该原理样机拥有优于20m的探测能力。

(2)水下增程实验

为验证带通滤波处理增程的效果，在浊水环境中设置两组对比实验，一组未使用带通滤波处理，一组使用带通滤波处理，通过对成像结果进行分析得到如下结论：未使用带通滤波处理的标靶成像在5.9m处被噪声淹没，而使用带通滤波处理的靶标成像在10.7m处依然可以探测到目标，增程81.4％。

(3)相对距离分辨率

将靶标放置在水槽10m处(浊水环境)，在靶标后方10.83m处放置一金属板，即二者的实际测量前后距离为0.83m，随后对二者进行扫描成像。分别对两个平面的3d图像进行拟合，得到对应拟合的平面，拟合平面可以表示为ax+by+cz+e＝0。靶标和金属板整体较为平整，且二者平行放置，那么得到的两个平面的拟合系数a、b、c是一致的，实际拟合结果也显示两个平面的拟合系数a、b、c差别很小，可以忽略不计。因此取其中一个平面的系数a、b、c，按照式(3)计算二者的距离，得到结果为0.82m，误差为0.01m，从而得到相对距离误差为1.20％。

其中d表示二者的相对距离，a、b、c表示两个平面的拟合系数，e1、e2表示拟合公式中的常数。

(4)成像精度

成像精度实验是验证该原理样机对目标物细节的捕捉能力，也是成像雷达的一个核心指标。图4靶标中心有一个直径9mm的螺丝，在清水环境中，20m处靶标边缘清晰可见，但是观察不到螺丝。图6是清水环境13m处的成像结果，其中图6(a)为3d图像，图6(b)为强度图像，可以看出两种图像中螺丝都清晰可见，证明该原理样机有着较强的成像精度

此外，本文对比了靶标成像直径与实际直径的误差，即随机取成像结果的5组直径，与实际直径求均方根误差，公式如下：

其中，δdi是成像结果直径与实际直径的偏差，s是最终求得的均方根误差。不同位置的靶标成像的均方根误差在0.6cm-1.2cm之间波动，从数据可以看出该原理样机成像均方根误差较小，拥有较高的成像精度。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。