王四林，陳志凌

（華中光電技術(shù)研究所 武漢光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

水下激光同步掃描成像是一種主動(dòng)式的水下觀察、測(cè)距和成像技術(shù)，具有目標(biāo)圖像信息直觀，分辨率高，并可進(jìn)行大面積探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，是非常有發(fā)展前途的水下信息探測(cè)技術(shù)，可對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行搜索、偵察、監(jiān)視，有利于提高水下航行的安全性，并可在水雷對(duì)抗，水下勘測(cè)、海洋開發(fā)、救生打撈等方面發(fā)揮重要作用。

1 系統(tǒng)原理及組成

同步掃描技術(shù)能有效地抑制海水的后向散射，對(duì)提高水下成像質(zhì)量和作用距離有顯著效果，它將激光器與光接收器之間拉開一定距離，采用點(diǎn)掃描照射方式和同步跟蹤接收，盡量減少后向散射進(jìn)入接收器。激光束經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡對(duì)場(chǎng)景逐行掃描，接收器同步接收?qǐng)鼍暗姆瓷涔?，通過載體平移擴(kuò)展縱向視場(chǎng)，可得到高分辨率的二維場(chǎng)景圖像。

水下激光同步掃描成像系統(tǒng)主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、同步掃描機(jī)構(gòu)、圖像處理系統(tǒng)等幾部分組成。

激光器發(fā)射激光照射到掃描反射鏡上，掃描反射鏡的旋轉(zhuǎn)使反射激光束透過出射窗在一定距離處的目標(biāo)上掃描。同時(shí)，接收反射鏡與掃描反射鏡同步旋轉(zhuǎn)。掃描光束經(jīng)目標(biāo)漫反射后，一部分光線經(jīng)入射窗口、接收反射鏡后進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)將目標(biāo)光線匯聚到光電倍增管上得到目標(biāo)的像點(diǎn)。通過垂直于載體運(yùn)動(dòng)方向的橫向掃描，掃描出一組平行的線段，經(jīng)圖像處理后即得到目標(biāo)區(qū)域的二維圖像。

2 難點(diǎn)分析及解決措施

由于水下環(huán)境的特殊性以及水介質(zhì)光學(xué)特性的影響，水下激光同步掃描成像與一般的大氣中成像情形大不相同。同時(shí)，激光束的出射與接收都是通過同步旋轉(zhuǎn)的反射鏡來實(shí)現(xiàn)，成像光路的分析比普通成像系統(tǒng)困難。

2.1 水對(duì)光線的散射和吸收

水對(duì)光線的吸收使光在水中傳輸?shù)哪芰侩S距離增加按指數(shù)規(guī)律迅速衰減，光束的傳輸距離受到限制。水對(duì)光線的散射使背景雜光增大，降低圖像的對(duì)比度。

如果要增大傳輸距離和提高成像質(zhì)量，就要適當(dāng)提高激光出射光束的初始能量，且激光束發(fā)散角度要小。同時(shí)，增大激光發(fā)射和接收系統(tǒng)之間的距離，壓縮探測(cè)器的接收視場(chǎng)，以減小照明視場(chǎng)與接收視場(chǎng)的共用水域面積，最大限度地抑制后向散射。

2.2 光線在水、玻璃、空氣界面的折射

設(shè)目標(biāo)點(diǎn)A距窗口下表面的距離為L(zhǎng) 0，經(jīng)窗口下表面、上表面反射后的虛像點(diǎn)C、B距窗口下表面的距離分別為L(zhǎng)1、L2，玻璃窗口厚度為d，如圖1所示。

圖1 窗口折射示意圖

由于目標(biāo)點(diǎn)A及其像點(diǎn)B、C與窗口距離遠(yuǎn)大于各自出射光線在窗口界面上的出射點(diǎn)的水平方向偏移量，即出射光線與窗口法線的夾角足夠小，可得：L1n1＝L0n2；（L1+d）n3=（L2+d）n2則 L1=9/8 L0，L2=3/4 L0-1/3 d?？梢?，經(jīng)水－玻璃－空氣折射后，虛像點(diǎn)相對(duì)目標(biāo)點(diǎn)向窗口靠近了，靠近的距離為：

一般L≥d，可取Δ=L0/4，即水中目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)光學(xué)鏡頭物距縮短了L0/4，光學(xué)系統(tǒng)在水下的視場(chǎng)減小。為克服窗口折射的影響，需要合理設(shè)計(jì)窗口的結(jié)構(gòu)，并對(duì)窗口的像差進(jìn)行分析，將窗口與接收光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 光束在掃描反射鏡上的旋轉(zhuǎn)

設(shè)掃描反射鏡與掃描軸的夾角為α（0<α<90°），水下激光同步掃描成像系統(tǒng)在掃描過程中入射光線方向不變，始終沿x軸正方向入射，則對(duì)應(yīng)矢量為：A 0=[100];

對(duì)應(yīng)的反射作用矩陣為：

即當(dāng)掃描角度為0時(shí)，出射光線在X Y平面內(nèi)，且與x軸正向的夾角為2 α。

當(dāng)掃描角度為θ時(shí)，對(duì)應(yīng)的反射作用矩陣為

對(duì)應(yīng)的出射光線方向矢量為：

可以看出，當(dāng)反射鏡與掃描軸角度確定即α為定值時(shí)，任意掃描角度時(shí)出射光線與y z平面成一固定角度，即90°-2 α。

根據(jù)水下激光同步掃描成像系統(tǒng)的原理及要求，出射光束應(yīng)始終垂直于掃描軸，即在y z平面上，由90°-2 α＝0可得α＝45°。

當(dāng)α＝45°時(shí)，在任意掃描角度

對(duì)應(yīng)的出射光線方向矢量為：A謖=R0A0[0 c o s θ s i n θ]

即出射光線在掃描軸向沒有偏移，且出射光線與反射鏡同方向同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，相對(duì)y軸的轉(zhuǎn)角為θ。因此，為保證反射鏡掃描過程中出射光束始終垂直于掃描軸且與反射鏡轉(zhuǎn)過相同的角度，出射反射鏡與掃描軸的夾角確定為45°。

2.4 出射與入射光學(xué)窗口的設(shè)計(jì)

出射與入射光學(xué)窗口是激光成像光學(xué)系統(tǒng)的一部分，也是激光成像系統(tǒng)直接與海水接觸的殼體的重要組成部分。經(jīng)綜合分析和比較后，水下激光同步掃描成像系統(tǒng)中出射窗口和入射窗口均設(shè)計(jì)成柱面結(jié)構(gòu)。任一時(shí)刻的掃描平面內(nèi)的出射柱面窗口可看成平行平板，且激光束總是沿平板的法線方向正入射，光束無偏折地穿過出射窗口。但是，任一掃描時(shí)刻，目標(biāo)的漫反射光束總是經(jīng)入射窗口大面積透射后再到達(dá)接收反射鏡，對(duì)應(yīng)的入射窗口柱面的徑向曲率變化對(duì)光束有較大的發(fā)散作用，因此不能看作平行平板，其折射情況要根據(jù)掃描距離進(jìn)行計(jì)算。光學(xué)鏡頭也要根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的透鏡矯正折射引起的像差。

3 光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)果

圖2 光學(xué)系統(tǒng)總圖

根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的水下光學(xué)系統(tǒng)。取系統(tǒng)的掃描距離為3.5 m～50 m，掃描角度為70°，聚光鏡系統(tǒng)的口徑D=53 m m，視場(chǎng)2 w=24°，焦距f′=100 m m，擴(kuò)束鏡系統(tǒng)焦距為f′=-100 m m。聚光鏡系統(tǒng)和擴(kuò)束鏡系統(tǒng)均由兩片球面透鏡組成，透鏡的最大有效口徑為φ108 m m。

水下激光同步掃描成像系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)總圖如圖2所示。

不同掃描距離時(shí)，光闌處彌散圓情況如圖3所示。

圖3 光闌處光斑變化

圖4 探測(cè)器上的能量分布

不同掃描角度時(shí)，探測(cè)器上能量分布如圖4所示。

由此可見，不同掃描距離時(shí)，如果光闌處彌散圓足夠小且斑點(diǎn)尺寸基本不變，將有利于光闌孔徑的設(shè)計(jì)。不同掃描角度時(shí)，探測(cè)器上能量變化不大，且分布比較均勻，能夠滿足圖像處理的要求。

4 結(jié)語

文章根據(jù)水下激光同步掃描成像的原理，在深入分析水下激光同步掃描成像光學(xué)系統(tǒng)的難點(diǎn)和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了克服水對(duì)光線的散射、光學(xué)窗口對(duì)光線的折射、旋轉(zhuǎn)反射鏡對(duì)光線的偏轉(zhuǎn)等難點(diǎn)的解決方法，設(shè)計(jì)了滿足要求的開普勒望遠(yuǎn)型光學(xué)系統(tǒng)。

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