王紅萍 熊 俊

（中國人民解放軍91550部隊(duì) 大連 116023）

1 引言

潛射飛行器發(fā)射過程中，水中段（飛行器出筒至出水段）的觀測對其武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)、研制及鑒定具有重要的意義?，F(xiàn)有的水下測量裝備中水下微光成像系統(tǒng)作用距離短、視場小，只能獲取局部圖像，無法獲取水下全景實(shí)況，同時，受水質(zhì)能見度差等原因影響，有時觀測效果不佳；圖像聲納系統(tǒng)雖然作用距離遠(yuǎn)且能夠全程成像，但分辨力不夠高，有時也無法滿足對飛行器水下運(yùn)動過程進(jìn)行深入分析的需要。因此，探索一種新的水下觀測手段，以解決觀測距離與成像分辨率之間的矛盾就顯得十分迫切和必要。近年來，國內(nèi)外對水下激光成像技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，取得了許多突破性成果，因此，發(fā)展和促進(jìn)激光水下目標(biāo)探測技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，加強(qiáng)水下激光成像關(guān)鍵技術(shù)的研究，為水下激光探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、樣機(jī)研制和實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)，具有極大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和重要的軍事戰(zhàn)略意義。

2 水下激光探測目標(biāo)原理

海水存在一個類似于大氣中存在的透光窗口，它對0.47μm～0.58μm波段內(nèi)的藍(lán)綠光的衰減要遠(yuǎn)小于對其它光波段的電磁波的衰減［1］。這一透光現(xiàn)象是在1963年DuntleySQ和GHbertGD等在研究海洋的光波傳播特性時發(fā)現(xiàn)的。表1是文獻(xiàn)［2］中列出的各類海水的透光窗口的數(shù)值。

表1 各種類型海水的透光窗口數(shù)值

基于海水的這一透光特性原理，可以研制出以藍(lán)綠激光器作為照明光源的新型設(shè)備，應(yīng)用于水下目標(biāo)探測、成像、控制和通信等領(lǐng)域［3～4］，這將有可能解決對水下目標(biāo)的成像、控制等許多一直困擾各國海軍的難題。藍(lán)綠激光水下目標(biāo)探測技術(shù)可以獲得聲納探測難于實(shí)現(xiàn)的對水下目標(biāo)的測距、定位乃至成像和自動識別的效果，它可與聲納探測互相補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)不同距離、不同水深和不同環(huán)境條件下對水下目標(biāo)進(jìn)行全方位探測的目的。

3 國內(nèi)水下激光成像主要技術(shù)

水下激光成像是一種主動光電成像技術(shù)，激光水下目標(biāo)成像系統(tǒng)相對于非成像系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于：激光水下目標(biāo)成像系統(tǒng)可獲得水下目標(biāo)的二維乃至三維圖像，能夠顯示探測目標(biāo)的形狀、大小等特征，容易實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)的識別［5～6］。

3.1 距離選通技術(shù)

距離選通技術(shù)是利用脈沖激光器和選通攝像機(jī)，以時間的先后分開不同距離上的散射光和目標(biāo)的反射光，使由被觀察目標(biāo)反射回來的輻射脈沖剛好在攝像機(jī)選通工作的時間內(nèi)到達(dá)攝像機(jī)并成像［7～9］。

水下距離選通成像系統(tǒng)的工作原理如下：

圖1 水下激光距離選通成像系統(tǒng)工作原理

距離選通成像系統(tǒng)的一個重要特點(diǎn)是觀察景深可調(diào)，為了能夠?qū)崿F(xiàn)對全范圍場景目標(biāo)進(jìn)行觀察，需要對系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。系統(tǒng)觀察區(qū)域的設(shè)定方法如圖2所示。

根據(jù)距離選通成像原理，對于處于系統(tǒng)視場范圍內(nèi)的目標(biāo)不一定可見，而只有當(dāng)目標(biāo)既處于系統(tǒng)視場范圍內(nèi)，且處于系統(tǒng)的選通深度（DOG）內(nèi)時才可見，區(qū)域1和區(qū)域2不可見。通過調(diào)節(jié)選通延遲時間可以改變觀察距離L，選通延遲時間越大，目標(biāo)觀察距離L越遠(yuǎn)，二者成比例關(guān)系；選通深度可以通過改變ICCD攝像機(jī)的曝光時間長短來調(diào)節(jié)，曝光時間越長，選通深度越大，二者成線性關(guān)系。

圖2 距離選通系統(tǒng)可視區(qū)域圖示

由于ICCD應(yīng)用中需要利用距離選通的門控技術(shù)來濾除進(jìn)出后向散射光噪聲，增加成像的分辨率和對比度，這一門控信號要求與探測光源的發(fā)光時間精確地保持一定的時間間隔，門控信號的精度和時延的準(zhǔn)確度成為了水下遠(yuǎn)距離成像技術(shù)中的關(guān)鍵因素。目前，國內(nèi)在此種成像方式上研究較多，七一七所、華中科技大學(xué)、二O五所、北京理工大學(xué)在這方面都做了大量的工作，各自設(shè)計(jì)了此種方式的水下激光成像系統(tǒng)試驗(yàn)樣機(jī)。

3.2 同步掃描技術(shù)

同步掃描技術(shù)是掃描光束（連續(xù)激光）和接收視線的同步，利用水的后向散射光強(qiáng)相對中心軸迅速減小原理。該技術(shù)采用準(zhǔn)直光束點(diǎn)掃描和基于光電倍增管的高靈敏度探測器的窄視域跟蹤接收［10］。激光掃描裝置器使用窄光束的連續(xù)激光器，同時使用窄視場角的接收器，探測器與激光掃描裝置分開放置，這樣使得被照明水體和接收器視場的交迭區(qū)域盡量減少，從而讓后向散射光盡量少地進(jìn)入接收器中，再利用同步掃描技術(shù)，逐個像素點(diǎn)探測來重建圖像，有效地提高成像的信噪比和作用距離。

同步掃描成像系統(tǒng)的工作原理如圖3所示。

圖3 水下激光同步掃描成像系統(tǒng)工作原理

由于點(diǎn)照射、窄視場接收成像方案在某一時刻只能得到一個目標(biāo)點(diǎn)的反射率信息，為了能獲得目標(biāo)的二維反射率圖像，必須對目標(biāo)進(jìn)行掃描照射并使接收視場始終跟蹤當(dāng)前照射點(diǎn)，同步掃描水下激光成像采用一維掃描來擴(kuò)展橫向視場，而通過載體的平移來擴(kuò)展縱向視場，以此來獲得目標(biāo)的二維場景信息。

此種成像方式的特點(diǎn)是必須通過機(jī)械掃描才能獲得目標(biāo)的二維圖像，所以對于運(yùn)動目標(biāo)的拍攝很受限制，而且精確、快速地機(jī)械掃描系統(tǒng)在水下復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)難度很大，穩(wěn)定性和工作壽命都會受到影響。

3.3 條紋管激光成像技術(shù)

條紋管激光成像可提供很好的三維信息，其原理是通過測量短脈沖激光在發(fā)射機(jī)與目標(biāo)之間的往返時間來還原出目標(biāo)的距離像［11～12］。目標(biāo)的距離信息首先轉(zhuǎn)換成為回波信號的時間信息，即回波的時間先后，然后又通過條紋管轉(zhuǎn)換成為條紋像的空間信息。另外還可以根據(jù)目標(biāo)表面的反射率的不同得到目標(biāo)的強(qiáng)度信息。這樣在條紋管的熒光屏上就可以得到目標(biāo)的距離—強(qiáng)度—方位角的圖像信息，并由耦合在條紋管熒光屏上的CCD圖像讀出系統(tǒng)給出。

條紋管激光成像技術(shù)是近年來才發(fā)展的激光應(yīng)用技術(shù)，其特點(diǎn)是時間分辨率非常高，能達(dá)到飛秒級，主要應(yīng)用于超快速瞬態(tài)成像領(lǐng)域，缺點(diǎn)是單狹縫條紋管單次只能在一條線上對目標(biāo)成像，整個目標(biāo)的成像必須通過線掃描的方式來完成。這方面的局限性等同于同步掃描成像系統(tǒng)，對運(yùn)動目標(biāo)成像實(shí)現(xiàn)難度大，而且條紋管激光成像系統(tǒng)持續(xù)時間短，最多能達(dá)到100ns，不能滿足長時間攝像需求。國內(nèi)只有少數(shù)幾家單位進(jìn)行條紋管激光成像研究。

3.4 偏振成像技術(shù)

偏振成像技術(shù)是利用物體的反射光和后向散射光的偏振特性的不同來改善成像的分辨率。激光波長與海水及海水中懸浮顆粒和有機(jī)物分子的尺寸相當(dāng)，一般遵從瑞利或米氏散射理論。根據(jù)散射理論，懸浮粒子后向散射的退偏振度小于物體后向散射光的退偏振度。如果在水下用偏振光源照明，則大部分后向散射光也將是偏振的。如果采用適當(dāng)取向的檢偏器對后向散射光加以抑制，從而可使圖像對比度增強(qiáng)。如當(dāng)檢偏器的偏振方向與光源的偏振方向平行，物體反射光能量和散射光能量大約相等時，對比度最小，圖像模糊；而當(dāng)兩者偏振方向垂直時，接收到的物體反射光能量則遠(yuǎn)大于光源的散射光能量，對比度最大，圖像清晰。

4 水下激光成像應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

綜上所述，光電探測技術(shù)是一種比較有效的水下目標(biāo)探測方法。但水下激光成像技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用上尚有一定的難度，下面對其中關(guān)鍵性技術(shù)難點(diǎn)問題總結(jié)如下。

4.1 成像系統(tǒng)選通深度（觀測景深）問題

基于距離選通成像方式的工作原理，要求對目標(biāo)和成像系統(tǒng)間距離進(jìn)行選定，而且選通深度與成像質(zhì)量關(guān)系緊密，選通深度越小，后向散射噪聲越小，成像質(zhì)量亦越高。為了實(shí)現(xiàn)飛行器水下發(fā)射過程全程觀測，成像系統(tǒng)距離目標(biāo)水下運(yùn)動軌跡的近端和遠(yuǎn)端都必須在成像系統(tǒng)的選通深度之內(nèi)。經(jīng)過簡單計(jì)算，全程觀測整段選通深度約為XXm。距離選通成像系統(tǒng)選通深度一般在2m左右可調(diào)，即使通過降低成像質(zhì)量增大選通深度也不能滿足選通深度達(dá)到XXm的要求。另外觀測景深過大，反射激光到達(dá)ICCD攝像機(jī)強(qiáng)度會很不均勻，所成圖像亮度亦不均勻。增加主動照明激光器數(shù)量進(jìn)行多段照明，利用精確時控電路控制各路分段照明激光器脈沖出射時間，照明遠(yuǎn)端激光器先出強(qiáng)光，照明近端激光器后出弱光，并同時到達(dá)ICCD攝像機(jī)，完成全程觀測水下段發(fā)射運(yùn)動過程。同時多段照明也能減小激光擴(kuò)束過大導(dǎo)致的能量密度降低，提高激光照明的均勻性。

4.2 增加合作目標(biāo)問題

鑒于光在水介質(zhì)中傳播成指數(shù)衰減特性，光波在水中傳播衰減很快，激光成像正是利用激光的高能量來彌補(bǔ)這種衰減，然而激光功率的限制以及為獲取更高重復(fù)頻率而帶來的單脈沖激光能量減小，使得目標(biāo)反射光照度依然不夠，從而影響了成像系統(tǒng)的作用距離，為此，通過增加合作目標(biāo)，提高目標(biāo)的反射光強(qiáng)度，能一定程度上提高成像距離。對于合作目標(biāo)的要求有待于進(jìn)一步研究與試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.3 水質(zhì)問題

激光水下成像系統(tǒng)工作于近海海域，水質(zhì)隨天氣、季節(jié)變化較大，水質(zhì)的變化給成像質(zhì)量及作用距離帶來很大影響。據(jù)相關(guān)研究結(jié)果可知，水質(zhì)對光的吸收、散射等傳輸光譜特性影響較大。經(jīng)研究認(rèn)為，可對試驗(yàn)海域的海水光譜特性進(jìn)行測量，繪制出光譜透過率曲線，對不同季節(jié)、不同氣候條件下的海水光譜特性進(jìn)行分析，依據(jù)試驗(yàn)海域海水的光譜特性分析結(jié)果，將激光器部分設(shè)計(jì)成可更換的模塊，在不同季節(jié)、不同氣候和水質(zhì)條件下選用最佳波長激光器，最大限度改善照明效率。目前，450nm、470nm、532nm、632nm等波長激光器均有較成熟產(chǎn)品，可在從藍(lán)光到紅光波段選用合適的水下激光光源。

4.4 運(yùn)動目標(biāo)問題

水下激光成像系統(tǒng)旨在對飛行器進(jìn)行水下發(fā)射過程全程觀測，飛行器出筒、水下運(yùn)動、水汽交換、適配器脫落等都是成像系統(tǒng)的觀測內(nèi)容，其中飛行器運(yùn)動過程速度最快。為獲得飛行器水下運(yùn)動等細(xì)節(jié)情況，必須采用高幀頻成像系統(tǒng)拍攝，成像系統(tǒng)幀頻至少應(yīng)達(dá)到100kHz。距離選通成像系統(tǒng)的幀頻主要受系統(tǒng)兩項(xiàng)關(guān)鍵器件性能限制：激光器重復(fù)頻率和ICCD攝像機(jī)幀頻。目前成熟的ICCD攝像機(jī)幀頻能達(dá)到10kHz，能滿足使用要求，激光器重復(fù)頻率成為影響成像系統(tǒng)幀頻的主要因素。經(jīng)研究初步認(rèn)為激光器的重復(fù)頻率至少不低于系統(tǒng)成像幀頻，也可以為成像幀頻的整數(shù)倍，這樣就形成多個激光脈沖對應(yīng)一幀圖像的情況，即多次曝光成像，這種成像方式有利于提高圖像信噪比。

4.5 背景噪聲問題

水下激光成像系統(tǒng)布置在發(fā)射深度約為水深XXm的潛艇平臺上，成像系統(tǒng)仰視拍攝水中彈道，太陽背景光經(jīng)過衰減仍然會有一部分進(jìn)入成像系統(tǒng)光學(xué)鏡頭成為背景噪聲，這些背景噪聲會降低圖像對比度影響成像質(zhì)量。經(jīng)過研究，認(rèn)為可以在成像系統(tǒng)攝像機(jī)前端加入窄帶濾光片減小太陽背景光的影響，選用中心波長為照明激光波長，而帶寬足夠窄的窄帶濾光片，將太陽背景光在進(jìn)入光學(xué)鏡頭前濾除，以改善成像信噪比，提高成像質(zhì)量。

5 結(jié)語

雖然國內(nèi)在水下激光成像方面開展了大量的研究工作，獲得了不錯的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果，但仍沒有水下激光成像技術(shù)工程化應(yīng)用實(shí)例。主要原因是水下環(huán)境較復(fù)雜，對設(shè)備可靠性要求較高，水下成像質(zhì)量影響因素復(fù)雜多樣，其中水質(zhì)是影響水下激光成像距離主要因素，不同海域成像距離差別明顯，無法保證設(shè)備成像性能穩(wěn)定。另外，國內(nèi)相關(guān)單位已開展試驗(yàn)的觀測目標(biāo)均是小型靜態(tài)目標(biāo)，與所需觀測的大型運(yùn)動目標(biāo)差別較大。因此，目前可以對水下激光成像涉及的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用難點(diǎn)問題開展先期論證預(yù)研工作，為后續(xù)水下激光成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研制提供參考依據(jù)。