付學(xué)志,王慶勝,鄧代竹,李 季

(1.92228部隊(duì),北京 102488；2.湖北久之洋紅外系統(tǒng)股份有限公司,湖北 武漢 430223)

1 引 言

目前水下成像探測技術(shù)主要有聲吶探測和光電探測兩種途徑[1-3]。聲吶探測技術(shù)探測距離較遠(yuǎn),但成像空間分辨力較差,難以適應(yīng)高分辨力成像的需要；光電成像探測技術(shù)雖然存在光線在水中傳輸衰減較快等限制因素,但成像空間分辨力高,且輸出圖像更符合人的視覺與心理特征。在水下光電成像系統(tǒng)中,采用激光主動(dòng)照明距離選通成像技術(shù)可有效抑制水體后向散射對(duì)成像系統(tǒng)探測距離和圖像分辨率的影響,顯著提高對(duì)水下目標(biāo)成像對(duì)比度及成像距離,但其成像距離又與水質(zhì)衰減系數(shù)強(qiáng)相關(guān)[4-6]。考慮水下實(shí)際使用環(huán)境的時(shí)空復(fù)雜性以及試驗(yàn)組織實(shí)施難度,海上試驗(yàn)無法遍歷各種水質(zhì)條件,本文給出了一種使用某次試驗(yàn)數(shù)據(jù)核算得到特定水質(zhì)條件下有效作用距離的簡化計(jì)算方法,可作為開展技術(shù)論證和試驗(yàn)鑒定工作的參考。

2 試驗(yàn)設(shè)備組成

該距離選通水下激光成像設(shè)備主要由超聲波測距模塊、激光照明模塊(激光器和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng))、距離選通成像模塊(ICCD和接收光學(xué)系統(tǒng))、圖像顯示模塊、電氣和控制模塊、電池組及結(jié)構(gòu)等部分組成。其中激光照明模塊由高重頻綠光激光器與發(fā)散角可變發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)組成,距離選通模塊由選通像增強(qiáng)及控制電路與CCD、視場可變接收光學(xué)系統(tǒng)組成,電氣和控制模塊主要包括電源管理電路、主控電路、圖像處理電路、視頻存儲(chǔ)電路及液晶顯示電路等。其組成框圖如圖1所示。

圖1 水下激光成像試驗(yàn)設(shè)備組成示意圖

3 工作原理

在激光主動(dòng)照明距離選通成像模式下,主控模塊根據(jù)超聲波模塊返回的距離信息自動(dòng)調(diào)整接收鏡頭的視場與激光發(fā)射鏡頭發(fā)散角,同時(shí)根據(jù)返回距離信息計(jì)算ICCD距離選通信號(hào)相對(duì)照明激光脈沖的延時(shí),完成對(duì)ICCD陰極選通信號(hào)的時(shí)序控制,完成對(duì)特定距離的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)選通成像。顯示屏顯示視頻圖像及目標(biāo)距離,存儲(chǔ)模塊開始錄像。

主動(dòng)模式激光照明距離選通成像可以分為三個(gè)階段,原理框圖如圖2所示。

圖2 距離選通成像原理框圖

(1)激光器向目標(biāo)方向發(fā)射高重頻短脈沖激光,當(dāng)激光脈沖處于往返途中時(shí),會(huì)受到傳輸介質(zhì)中粒子吸收、散射等影響,尤其是強(qiáng)烈的后向散射光往往會(huì)將有用的信號(hào)淹沒,使ICCD飽和而無法接收有用的光信號(hào),這時(shí)ICCD成像模塊的選通門關(guān)閉,隔離水中粒子引起的后向散射光。

(2)當(dāng)目標(biāo)反射光到達(dá)ICCD成像模塊時(shí),ICCD成像模塊選通門開啟,讓來自目標(biāo)的反射光進(jìn)入成像模塊。選通門開啟持續(xù)時(shí)間不小于激光脈沖持續(xù)時(shí)間。

(3)接收到從目標(biāo)反射回來的激光脈沖信號(hào)后,再將選通門關(guān)閉,使背景輻射等其他的干擾光不能進(jìn)入ICCD。這樣形成的目標(biāo)圖像主要與距離選通時(shí)間內(nèi)的反射光有關(guān)。如果選通脈沖寬度和激光脈沖寬度都很窄,使得ICCD只能探測到目標(biāo)附近的反射光,就可以顯著提高回波信號(hào)的信噪比。

4 作用距離分析

設(shè)照明激光單脈沖能量為δ,激光脈寬為τ,則瞬時(shí)功率P=δ/τ。設(shè)水質(zhì)衰減系數(shù)為α,激光束經(jīng)擴(kuò)束后水中照明視場為ΘI,則在距離S處的軸上目標(biāo)的瞬時(shí)照度(功率密度)E″為[7-9]:

(1)

式中,tan為正切三角函數(shù)。

設(shè)目標(biāo)的朗伯反射率為ρ,則目標(biāo)的亮度L″為:

(2)

由于目標(biāo)反射光線需經(jīng)過長度為S的海水衰減才能到達(dá)攝像機(jī),故ICCD處觀察目標(biāo)的等效亮度L為:

L=L″e(cuò)-α·S

(3)

ICCD光學(xué)成像系統(tǒng)的物方介質(zhì)和像方介質(zhì)為兩種不同物質(zhì),設(shè)像方亮度為L′,根據(jù)折射界面亮度傳遞規(guī)律有:

(4)

式中,k表示光學(xué)系統(tǒng)透過率;n表示海水折射率,根據(jù)有關(guān)公式可知像面光照度E′為:

(5)

式中,U′為成像鏡頭的像方孔徑角。

將式(1)～(4)代入式(5):

(6)

E′為ICCD攝像機(jī)靶面的瞬時(shí)照度值,基于距離選通系統(tǒng)的工作原理,E′對(duì)靶面的感光時(shí)間在激光器出光的一個(gè)脈沖周期內(nèi)僅為τ,靶面的感光是斷斷續(xù)續(xù)進(jìn)行的,而ICCD的靈敏度值是以平均照度度量的,因此必須將E′等效成一個(gè)平均照度E,為此設(shè)激光器的脈沖重復(fù)頻率PRF為m,則:

E=E′mτ

(7)

再結(jié)合P=δ/τ,將E′代入上式得:

(8)

當(dāng)S=r/α,即在r倍海水衰減長度距離處的目標(biāo)在ICCD靶面上產(chǎn)生的平均照度E為:

(9)

將k、m、δ、ρ、n、ΘI、U′、α看成系統(tǒng)固定參數(shù),將ICCD的靈敏度閾值代入E,求解出的r值即為系統(tǒng)的相對(duì)作用距離(以衰減長度來度量)的極限值,絕對(duì)距離S的極限值為S=r/α。將式(9)變換為:

(10)

如上式,設(shè)E一定,系統(tǒng)參數(shù)不變,則當(dāng)α增大時(shí),為了維持E不變,則S必須減小。反之,當(dāng)α減小時(shí),則S增加,這說明在水質(zhì)變好時(shí),盡管系統(tǒng)的相對(duì)作用距離r有所減小,但絕對(duì)作用距離仍然增加。

像方孔徑角U′與光學(xué)鏡頭的焦距、出瞳以及物距S等參數(shù)有關(guān),在設(shè)計(jì)光學(xué)鏡頭時(shí),要使設(shè)計(jì)結(jié)果保證E在S從零變到極限距離的整個(gè)過程中始終大于ICCD的閾值靈敏度。U′的值隨物距S的變化稍有變化。

重寫式(8)、式(9)和式(10):

(8)

(9)

(10)

當(dāng)設(shè)備的最小探測照度一定時(shí),作用距離與衰減系數(shù)具有一定關(guān)系。將上述公式變換為:

(11)

將式(11)做歸一化處理:

S2=C2e-2αS=C2e-2r

(12)

式中,C為歸一化系數(shù),

所以:

S=Ce-αS=Ce-r

(13)

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)核算

上述作用距離分析是根據(jù)目標(biāo)返回光的照度和ICCD的靈敏度來估計(jì),不考慮后向散射的影響,返回光的像面照度剛好等于ICCD的靈敏度時(shí)為探測極限距離,即ICCD剛好能探測到目標(biāo)返回光時(shí)的距離為系統(tǒng)的作用距離。不考慮后向散射是因?yàn)橥ㄟ^距離選通以后,絕大部分散射光被抑制,影響較小,因而所成圖像的信噪比很高,作如此簡化基本上是合理的[10]。

某次水池試驗(yàn)中,測得水質(zhì)衰減系數(shù)為 0.39/m,使用圖1中的試驗(yàn)設(shè)備開展水下目標(biāo)探測試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)靶為白底黑條紋試驗(yàn)板,試驗(yàn)靶尺寸為1.2 m×0.6 m,目標(biāo)靶黑條紋4圈,條紋間距分別為12 mm、24 mm、36 mm和48 mm,如圖3所示[11]。

圖3 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)靶

采用拉距試驗(yàn)方法,結(jié)合水下人員肉眼觀察判定對(duì)目標(biāo)的探測和識(shí)別作用距離,拍攝并存儲(chǔ)的目標(biāo)成像圖像如圖4所示。

根據(jù)式(13)可見:

(1)當(dāng)衰減系數(shù)α0=0.39時(shí),作用距離S0t=18 m(探測),則C0t=20138；

(2)當(dāng)衰減系數(shù)α0=0.39時(shí),作用距離S0s=12 m(識(shí)別),則C0s=1293；

(3)當(dāng)α=0.39時(shí),作用距離S與歸一化系數(shù)C的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 作用距離S與歸一化系數(shù)C的關(guān)系曲線(水質(zhì)衰減系數(shù)α=0.39)

海上試驗(yàn)中,測得某試驗(yàn)海域水質(zhì)衰減系數(shù)α=0.2,采用歸一化計(jì)算方法,作用距離S與歸一化系數(shù)C的關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 作用距離S與歸一化系數(shù)C的關(guān)系曲線(水質(zhì)衰減系數(shù)α=0.2)

分析可見:

(1)當(dāng)作用距離S=32.2 m時(shí),歸一化系數(shù)C=20138,即當(dāng)衰減系數(shù)α=0.2,該設(shè)備探測距離可達(dá)32.2 m；

(2)當(dāng)作用距離S=20.68 m時(shí),歸一化系數(shù)C=1293,即當(dāng)衰減系數(shù)α=0.2,該設(shè)備識(shí)別距離可達(dá)20.68 m。

6 結(jié) 論

該簡化核算方法結(jié)合距離選通水下激光成像技術(shù)原理,將通過距離選通以后的散射光影響忽略,以ICCD剛好能探測到目標(biāo)返回光時(shí)的距離為系統(tǒng)的作用距離,采用歸一化計(jì)算方法推算得到特定水質(zhì)條件下的作用距離,是一種簡化計(jì)算模型,適用于計(jì)算采用了距離選通技術(shù)的水下激光成像系統(tǒng)作用距離。