何 為，談?dòng)罟?，章逸舟，陳良培，于廣文，陳 巍,2

（1.中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055；2.中國(guó)科學(xué)院人機(jī)智能協(xié)同系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（深圳先進(jìn)技術(shù)研究院），廣東 深圳 518055）

引言

海水對(duì)電磁波有強(qiáng)烈的吸收和散射效果，無論是正常的生物視覺系統(tǒng)或者是空氣中成熟的光電探測(cè)系統(tǒng)都受到了極大的限制。雖然有成熟的聲納技術(shù)能夠?qū)h(yuǎn)距離，大尺度的水下目標(biāo)有較好的探測(cè)與成像效果，但是近距離，高分辨率的目標(biāo)還是需要利用光電探測(cè)與成像系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。自激光發(fā)明以來，水下主動(dòng)照明成像技術(shù)是光電工程的研究熱點(diǎn)，產(chǎn)生了如水下激光掃描成像[1-2]、水下偏振光成像[3-4]、水下壓縮感知成像[5]以及水下激光距離選通成像[6-8]等技術(shù)。其中水下激光距離選通成像技術(shù)避免了對(duì)成像質(zhì)量影響極大的后向散射[9-10]，在實(shí)驗(yàn)中取得了良好的結(jié)果，有望推進(jìn)海下資源勘查、水底線纜檢測(cè)、水下監(jiān)控的進(jìn)一步發(fā)展。

各研究單位公開報(bào)道的水下激光距離選通系統(tǒng)普遍有幾米到幾十米的成像距離[11-14]。這種近距離的成像系統(tǒng)，或者需要大規(guī)模布設(shè)來構(gòu)建探測(cè)與成像網(wǎng)絡(luò)，或者需要借助水下可移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行大范圍的使用。因此，選擇低成本、低功耗、小體積的零部件是水下激光距離選通系統(tǒng)走向?qū)嵱没谋匾獥l件。

在對(duì)傳統(tǒng)構(gòu)型的水下激光距離選通成像系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化之際，本團(tuán)隊(duì)也在子系統(tǒng)層面嘗試降低距離選通成像系統(tǒng)的成本、體積與功耗，以期盡快完成水下選通成像系統(tǒng)與遙控?zé)o人潛水器（remotely operated vehicle，ROV）的集成。本文主要介紹了一種基于雪崩級(jí)聯(lián)電路的激光照明系統(tǒng)，在減小功耗、縮小體積、降低成本方面探索了一種新的路徑；同時(shí)作為全定制化的水下激光距離選通成像系統(tǒng)的原型機(jī)，全系統(tǒng)在水下成功實(shí)現(xiàn)了激光選通距離成像。

1 水下激光距離選通成像原理

1.1 激光距離選通成像技術(shù)原理

激光選通成像技術(shù)使用以脈沖激光源為核心的照明系統(tǒng)和選通型像增強(qiáng)（intensified charge coupled device，ICCD）作為成像器件，采用ns級(jí)的同步時(shí)序控制來實(shí)現(xiàn)空間切片成像。其工作原理如圖1所示，t0時(shí)刻照明系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖，脈沖寬度為△t，選通型像增強(qiáng)ICCD的電子快門關(guān)閉；在t1時(shí)刻，脈沖光到達(dá)目標(biāo)靶標(biāo)，脈沖光被反射回激光選通成像系統(tǒng)；在t2時(shí)刻攜帶目標(biāo)信息的光脈沖在到達(dá)選通型像增強(qiáng)ICCD光陰極靶面時(shí)，電子快門才開啟接收返回光脈沖并成像。由于選通型像增強(qiáng)ICCD脈沖寬度和激光脈沖寬度很窄，使得只有目標(biāo)附近的反射光才能到達(dá)選通型像增強(qiáng)ICCD并成像，傳輸路徑上的大部分后向散射光被屏蔽，從而大大減小后向散射光對(duì)成像質(zhì)量的影響，提高系統(tǒng)的成像距離。

圖1 激光選通成像原理圖Fig.1 Schematic diagram of laser range-gated imaging

1.2 水下環(huán)境對(duì)激光距離選通成像的影響

水分子的致密聚集使得電磁波在水中的傳播受到強(qiáng)烈的吸收與散射作用，其中散射對(duì)光的衰減起主要作用。海水中懸浮著的尺寸不一的各種微粒進(jìn)一步加強(qiáng)了散射的效果。如（1）式所示，有：

式中：I0是水中的初始光強(qiáng)；IL是在水中傳輸一段距離L后的光強(qiáng)；水中光強(qiáng)呈現(xiàn)指數(shù)衰減；α為海水的體積衰減系數(shù)，單位是m?1；L=1/α為衰減長(zhǎng)度，單位是m。海水的渾濁度不同，其衰減系數(shù)也有不同。例如，不包含懸浮顆粒的清潔海水，其衰減系數(shù)約為0.05 m?1，對(duì)應(yīng)的衰減長(zhǎng)度為20 m[15]；外海到沿海海水中，衰減系數(shù)在0.2 m?1～0.6 m?1之間，對(duì)應(yīng)的衰減長(zhǎng)度約1.2 m～5 m[16]。因此激光在水中傳播的距離極其有限，相比于空氣中的反射信號(hào)，目標(biāo)被激光照射后反射回相機(jī)的信號(hào)極其微弱。

衰減系數(shù)同時(shí)還是波長(zhǎng)的函數(shù)，不同波長(zhǎng)的可見光在海水中的透射能力不同。通過實(shí)驗(yàn)確定的海水透射窗口是470 nm～580 nm[17]，在這個(gè)波段內(nèi)的可見光在海水中具有最小的衰減系數(shù)，對(duì)應(yīng)最長(zhǎng)的衰減距離，是主動(dòng)照明成像合適的工作波長(zhǎng)。

水對(duì)激光的散射，特別是后向散射產(chǎn)生的雜散光，對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)一步的影響在于對(duì)比度的降低。一般空氣中成像系統(tǒng)用連續(xù)光作為照明源，光電感應(yīng)器（charge coupled device，CCD）對(duì)來自成像目標(biāo)的光能量進(jìn)行積分。光在傳播過程中因空氣的散射產(chǎn)生的噪聲如果到達(dá)感應(yīng)器，也會(huì)被光電感應(yīng)器積分。但是噪聲能量遠(yuǎn)小于信號(hào)的能量，信噪比高，散射的影響一般會(huì)被忽略。但是在水下成像中，光在致密的介質(zhì)中傳輸，加強(qiáng)的散射和被衰減的信號(hào)降低了信噪比。增強(qiáng)照明源的光強(qiáng)也會(huì)增強(qiáng)散射，將從遠(yuǎn)處目標(biāo)返回的信號(hào)淹沒。

利用水下激光距離選通技術(shù)，在高功率的激光脈沖照射目標(biāo)，用選通相機(jī)屏蔽強(qiáng)烈的后向散射的情況下，成像距離可以擴(kuò)展到4～7個(gè)衰減長(zhǎng)度的水平[7, 11, 13, 18]。

2 水下激光距離選通成像系統(tǒng)構(gòu)架

根據(jù)水下激光距離選通成像的原理，主要的水下部件有3部分：脈沖激光照明系統(tǒng)、距離選通相機(jī)以及控制系統(tǒng)。除了3個(gè)主要子系統(tǒng)，實(shí)用化的系統(tǒng)還包含有水下供能單元（不依靠水上供能）或者是信號(hào)與電力傳輸導(dǎo)線（依靠水上供能）。水上的部分包含有人機(jī)交互界面的上位機(jī)。

照明光源一般采用的是脈寬達(dá)到ns級(jí)的藍(lán)綠脈沖激光。各研究單位普遍采用由波長(zhǎng)1064 nm的調(diào)Q固體激光器加KTiPO4倍頻晶體構(gòu)成的藍(lán)綠脈沖激光器，這種激光器有脈寬窄、峰值功率高、重復(fù)頻率高的特點(diǎn)。與ns激光脈沖對(duì)應(yīng)的相機(jī)也要讓選通時(shí)間達(dá)到ns級(jí)。這樣才能最大程度地抑制后向散射。同時(shí)，微弱的光信號(hào)也要求成像系統(tǒng)能夠有較大的光增益。實(shí)踐中普遍采用像增強(qiáng)CCD（ICCD）相機(jī)。相機(jī)的基本構(gòu)造為像增強(qiáng)器、中繼耦合組件和CCD。

照明系統(tǒng)與成像系統(tǒng)需要同步，激光的脈寬、選通相機(jī)的門寬、激光在水中短距離傳播的時(shí)間都是ns級(jí)，控制系統(tǒng)的同步器件也需要有ns級(jí)的激勵(lì)輸出。一般的控制器件核心芯片采用的是可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）。FPGA芯片的選擇是頻率、輸入輸出通道數(shù)、功耗、成本、尺寸等因素綜合考慮的結(jié)果。

2.1 激光照明系統(tǒng)

有別與普遍采用固體激光器加倍頻原件的思路，本文介紹了一種基于半導(dǎo)體激光二極管的激光照明源。半導(dǎo)體激光器相比于固體激光器，有效率高、部件少、體積小等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為水下激光選通相機(jī)的照明系統(tǒng)。但是高功率的藍(lán)綠光脈沖半導(dǎo)體二極管受限于半導(dǎo)體材料的進(jìn)展，工作在綠光波段的高功率脈沖半導(dǎo)體激光器二極管不易獲得，本文利用525 nm工作波長(zhǎng)的連續(xù)光半導(dǎo)體激光器二極管來驗(yàn)證級(jí)聯(lián)脈沖激光驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

2.1.1 MARX級(jí)聯(lián)電路原理

晶體管的輸出特性曲線中有4個(gè)區(qū)：飽和區(qū)、線性區(qū)、截止區(qū)和雪崩區(qū)。在外加電壓作用下，晶體管發(fā)生雪崩時(shí)其內(nèi)部載流子的倍增就像發(fā)生雪崩場(chǎng)景一樣，速度快且量大，從而使反向電流急劇增大。電流增益也增大到平常低壓工作時(shí)的M倍，表示如下：

式中：M為雪崩倍增系數(shù)；n為晶體管材料的密勒指數(shù)（2～6之間）；VCE為集電極電壓；BVCBO為晶體管發(fā)射極開路時(shí)集電級(jí)-基級(jí)雪崩擊穿電壓。晶體管的雪崩擊穿方式有3種，分別是觸發(fā)導(dǎo)通、過壓導(dǎo)通、快速上升沿導(dǎo)通。觸發(fā)導(dǎo)通一般由電信號(hào)或光信號(hào)觸發(fā)，在晶體管處于雪崩臨界時(shí)，觸發(fā)信號(hào)從基級(jí)輸入將會(huì)觸發(fā)雪崩管發(fā)生雪崩效應(yīng)；過壓導(dǎo)通是雪崩晶體管的集電極和發(fā)射級(jí)之間的電壓超過了雪崩擊穿電壓時(shí)，雪崩管會(huì)發(fā)生雪崩效應(yīng)，但電壓壓差不能無限制地超過雪崩擊穿電壓；快速上升沿導(dǎo)通指晶體管集射級(jí)間電壓快速上升引起雪崩效應(yīng)。

2.1.2 激光驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

本文激光驅(qū)動(dòng)采用MARX級(jí)聯(lián)電路，輸出上升沿3.3 ns，輸出空載電壓高達(dá)1 kV。其觸發(fā)信號(hào)可精準(zhǔn)控制3.1 ns的相位步進(jìn)，有效調(diào)節(jié)激光觸發(fā)信號(hào)與相機(jī)快門控制信號(hào)之間的相位差（下文稱為相位差）。選通成像的成像距離可調(diào)，調(diào)節(jié)精確度為空氣中0.47 m、水中0.35 m。激光驅(qū)動(dòng)模塊基于雪崩級(jí)聯(lián)電路原理獲得高峰值、窄脈沖的脈沖電壓，原理圖如圖2（a）所示。觸發(fā)級(jí)采用3級(jí)雪崩并聯(lián)，可有效降低雪崩管的抗壓壓力并保護(hù)雪崩管。觸發(fā)級(jí)對(duì)輸出電壓的幅值要求并不高，所選用的雪崩晶體管型號(hào)可以與后面過壓導(dǎo)通的晶體管型號(hào)不同，僅用于提供有一個(gè)較大的瞬態(tài)電流觸發(fā)下級(jí)雪崩。后續(xù)串聯(lián)的MARX電路均是過壓導(dǎo)通，其輸出的電壓都是在前級(jí)基礎(chǔ)上疊加偏置電壓VDD。串聯(lián)級(jí)數(shù)越多，輸出電壓越高。末端串聯(lián)的是充電儲(chǔ)能電容組，其儲(chǔ)能的能力大小決定了驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力。容量過小，瞬態(tài)電壓雖然能上升，但是負(fù)載能力差；容量過大會(huì)導(dǎo)致放電緩慢，下降沿拖尾過長(zhǎng)。根據(jù)所用激光器的阻抗等性能，結(jié)合對(duì)下降沿的要求選擇電容組。本文采用日亞NUGM03T 525 nm激光器及耐高壓的nF量級(jí)電容，能有效驅(qū)動(dòng)激光器且脈沖拖尾很小，拖尾脈寬小于總脈寬的20%。

圖2 電路原理圖和測(cè)試結(jié)果Fig.2 Circuit schematic and test results

本文設(shè)計(jì)的雪崩晶體管MARX級(jí)聯(lián)電路采用并聯(lián)觸發(fā)導(dǎo)通結(jié)合多級(jí)過壓導(dǎo)通串聯(lián)的方式，每級(jí)聯(lián)1級(jí)相當(dāng)于電壓疊加1次，經(jīng)過多次級(jí)聯(lián)能夠快速提升輸出電壓峰值。根據(jù)MARX級(jí)聯(lián)電路的特點(diǎn)，每級(jí)聯(lián)1級(jí)輸出電壓遞增1次，如C5末端的電壓為Vc5≈Vc4+VDD。依所選雪崩管的特性，該電路VDD采用DC153V電壓供電。經(jīng)過串并聯(lián)的組合級(jí)聯(lián)和后級(jí)電容充放電組合，實(shí)測(cè)輸出電壓最大值可達(dá)1 kV（空載）。如圖2（b）所示。,帶50 Ω負(fù)載時(shí)輸出電壓大于250 V，上升沿約3 ns，脈沖拖尾小于5 ns，重復(fù)頻率可達(dá)2 kHz。

2.2 激光勻化光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.1 整形原理

激光管選用的是Nichia公司的NUGM03T，典型波長(zhǎng)為525 nm，準(zhǔn)直后光斑呈長(zhǎng)條狀。通過實(shí)測(cè)光斑的空間功率分布，在光學(xué)仿真軟件中模擬后的結(jié)果如圖3所示。

圖3 整形前照明激光光斑圖Fig.3 Profile of illumination laser before shaping

由于激光高度相干，當(dāng)相干光從粗糙表面反射時(shí)會(huì)造成不規(guī)則的強(qiáng)度分布，形成激光散斑，破壞成像圖像質(zhì)量。同時(shí)由于準(zhǔn)直光光斑尺寸小，無法有效覆蓋觀測(cè)目標(biāo)范圍。本文采用投影顯示中常用的方棒來實(shí)現(xiàn)納秒脈沖激光照明源的整形。光線進(jìn)入方棒后，基于全反射原理，光線經(jīng)過多次反射后從另一端面出射，在出射面上形成照明均勻的矩形光斑。激光整形的基本思路是先聚焦后勻化整形再投影，整形原理示意圖見圖4。

圖4 激光整形原理光路示意圖Fig.4 Schematic diagram of laser shaping principle

方棒整形對(duì)入射光束產(chǎn)生全反射的條件是，入射光由光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，全反射臨界角i3有：

式中：nair是空氣折射率；nglass為方棒玻璃的折射率。

為了在方棒出射端獲得相對(duì)均勻的光斑，一般要求最大入射光線在方棒內(nèi)部的反射次數(shù)不低于3～4次。用投影透鏡將方棒的出射端面成像在目標(biāo)面，從而形成矩形照明，由高斯公式可以得到投影透鏡的焦距f2：

式中：M是放大倍率；lobject是投影透鏡到成像目標(biāo)的距離。

2.2.2 光學(xué)整形仿真

本文參考空氣中選通成像照明系統(tǒng)采用的激光勻化技術(shù)[19]對(duì)照明激光進(jìn)行處理，選用100 mm長(zhǎng)的錐形方棒代替方棒，其入射端面是（2.5×2.5）mm2，出射端面是（5×5）mm2。在滿足全反射的條件下，為了獲得較多的反射次數(shù)，采用4 mm焦距的聚焦透鏡，對(duì)半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出的準(zhǔn)直激光進(jìn)行匯聚并耦合進(jìn)錐形方棒中，如圖5（a）所示。為了在距離方棒出射端2.9 m遠(yuǎn)處形成（130×130）mm2的矩形光斑，利用（3）式推算出所需投影透鏡的焦距為103.4 mm，擇取焦距100 mm的平凸透鏡。在光學(xué)軟件中進(jìn)行模擬仿真，得到仿真結(jié)果如圖5（b）所示，其中右圖為光照度灰度圖，X、Y坐標(biāo)為長(zhǎng)度坐標(biāo)，照度值由黑變逐漸增大。

圖5 仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results

2.3 控制系統(tǒng)

激光選通成像系統(tǒng)是ns級(jí)信號(hào)的應(yīng)用以及信號(hào)同步的需求，核心處理芯片采用FPGA。水下激光選通成像系統(tǒng)框架如圖6所示。可通過電腦端實(shí)現(xiàn)軟件控制，控制界面如圖7所示。由于使用脈沖式激光源，所以激光的脈沖輸出與相機(jī)的快門控制脈沖開關(guān)之間需要同步，否則難以選通成像。因?yàn)橄嚓P(guān)時(shí)間參數(shù)是ns級(jí)，激光在水中的傳輸時(shí)間和電信號(hào)在導(dǎo)線中的傳輸時(shí)間也需要量化校準(zhǔn)與同步控制。例如，指令從FPGA中以電信號(hào)的形式發(fā)出，通過電纜傳輸給激光驅(qū)動(dòng)模塊和相機(jī)。在這個(gè)傳輸過程中，F(xiàn)PGA連接激光驅(qū)動(dòng)模塊和相機(jī)的線纜長(zhǎng)度不一樣，甚至相差甚遠(yuǎn)。電信號(hào)在兩者里面的傳輸時(shí)間具有時(shí)間差。如不將該時(shí)間差消除，控制系統(tǒng)中就很難做到信號(hào)同步。將光在不相關(guān)途中的傳輸時(shí)間和電在不相關(guān)途中的傳輸時(shí)間過濾掉，相當(dāng)于做了一個(gè)時(shí)間上的校準(zhǔn)，即通過控制2個(gè)信號(hào)的脈沖發(fā)生時(shí)間的時(shí)間差（因使用線束長(zhǎng)短不定，環(huán)境不同等原因，該值不固定），使開快門信號(hào)與返回激光到達(dá)ICCD相機(jī)的信號(hào)的相位差近似為零，當(dāng)目標(biāo)光線到達(dá)相機(jī)靶面時(shí)正好是快門開啟的時(shí)刻。根據(jù)該原理，在選通成像過程中，增加兩者之間相應(yīng)的差值，可以使選通成像距離變得更遠(yuǎn)，反之更近。根據(jù)FPGA的最高頻率，調(diào)節(jié)脈沖的最小步進(jìn)為3.1 ns、光速為3×108m/s計(jì)算，選通成像的距離可調(diào)精度為0.47 m。若是在水中成像，光速約為2.25×108m/s計(jì)算，水下選通成像的距離可調(diào)精度小于0.35 m。

圖6 系統(tǒng)框架圖Fig.6 Block diagram of system

圖7 電腦端控制軟件界面Fig.7 Interface of computer control software

接通設(shè)備后，選定頻率、脈寬及相機(jī)的增益等參數(shù)。起始時(shí)2路信號(hào)的脈沖并不一定同步，所以在發(fā)出2路信號(hào)的同時(shí)要進(jìn)行相位的調(diào)節(jié)。在實(shí)際使用中校準(zhǔn)兩個(gè)信號(hào)的時(shí)延差，從而達(dá)到最終的選通成像效果。如圖8所示，確定成像距離后，當(dāng)驅(qū)動(dòng)激光的信號(hào)脈沖被控制相機(jī)的信號(hào)脈沖完全覆蓋時(shí)，成像效果最好。只覆蓋部分時(shí)，成像模糊且亮度不夠。當(dāng)兩個(gè)信號(hào)脈沖完全無交集時(shí)，沒有成像，此時(shí)電腦端只需操作激光參數(shù)設(shè)置區(qū)的相位差設(shè)置。

圖8 激光驅(qū)動(dòng)脈沖與選通相機(jī)控制脈沖相位差調(diào)節(jié)示意圖Fig.8 Schematic diagram of phase difference adjustment between laser drive pulse and gated camera control pulse

2.4 定制化ICCD相機(jī)

本研究也得到了廣東省國(guó)際合作項(xiàng)目的支持，由德國(guó)ProxiVision公司提供了高靈敏度的ICCD相機(jī)（見圖9）。相機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)：像增強(qiáng)模塊、相機(jī)模塊以及高壓觸發(fā)模塊。相機(jī)的最小選通時(shí)間為3 ns，主要參數(shù)參考表1。該相機(jī)的特點(diǎn)是限制選通相機(jī)圖像分辨率的微通道板分辨率達(dá)到了38 lp/mm。相機(jī)的觸發(fā)由控制系統(tǒng)發(fā)出的步長(zhǎng)為3.1 ns的脈沖TTL電平控制。

圖9 ICCD相機(jī)Fig.9 ICCD camera

表1 定制ICCD相機(jī)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of customized ICCD camera

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

相機(jī)和激光器封裝在水密機(jī)械結(jié)構(gòu)內(nèi)，通光窗口選用了8 mm厚的亞克力光學(xué)平板，其對(duì)525 nm波長(zhǎng)激光的透射率為91.7%。在長(zhǎng)8.9 m的水槽兩端設(shè)置2面平面鏡，構(gòu)成的系統(tǒng)使得靶標(biāo)到選通相機(jī)的距離在0～26.5 m內(nèi)可以自由變動(dòng)，水槽注入自來水，水深0.5 m。選通相機(jī)輸出采用讀卡器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖片格式，選通相機(jī)搭配75 mm的工業(yè)鏡頭進(jìn)行成像。通過精確注入牛奶并攪拌來控制水體的衰減系數(shù)。清晰成像參考設(shè)置和典型圖像分布見表2和圖10。在衰減系數(shù)較大（>1.5 m?1）的情況下，最大可以達(dá)到7.1倍衰減長(zhǎng)度上成像；而在衰減系數(shù)較小（<1.5 m?1）情況下，光強(qiáng)隨傳輸距離的增加而迅速減小，最大成像距離約4.7倍衰減長(zhǎng)度。表3和圖11為實(shí)現(xiàn)7.1倍衰減長(zhǎng)度和4.7倍衰減長(zhǎng)度情況下的參數(shù)和分辨率靶標(biāo)圖像。圖像通過LabVIEW程序進(jìn)行了實(shí)時(shí)的疊加和灰度拉伸處理。

圖11 不同衰減系數(shù)下選通成像Fig.11 Range-gated imaging with different attenuation coefficients

表2 控制脈沖的實(shí)驗(yàn)設(shè)置Table 2 Experimental setup of control pulse

圖10 水下激光選通成像實(shí)驗(yàn)及效果Fig.10 Experiment of gated imaging of underwater laser

表3 衰減長(zhǎng)度的標(biāo)定Table 3 Calibration of attenuation length

受半導(dǎo)體激光功率以及激光脈寬限制，水下圖像強(qiáng)度較弱，為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量水下成像，本文用單像素成像技術(shù)做了一些前期拓展工作。單像素成像技術(shù)不依賴于單一某次探測(cè)的絕對(duì)數(shù)值來重構(gòu)物體，而是使用全部探測(cè)值之間的強(qiáng)度漲落關(guān)系來重構(gòu)圖像， 這使得單像素成像技術(shù)可以在較低探測(cè)信噪比的情況下實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的圖像重構(gòu)[20-22]。本文使用傅里葉條紋調(diào)制圖像，利用單點(diǎn)探測(cè)器測(cè)量調(diào)制結(jié)果，并結(jié)合逆傅里葉變換得到圖像重建。

圖12（a）中分辨率板為成像目標(biāo)，放置于距離成像系統(tǒng)1 m處。圖12（b）為圖像重建效果，圖中可分辨第6組條紋，對(duì)應(yīng)圖12（a）中的實(shí)際分辨率達(dá)到2 mm。由于圖像在傅里葉域具有極高的壓縮性，且能量集中在低頻部分。通過獲得圖像的低頻信息，繼而利用逆傅里葉變換得到欠采樣時(shí)的圖像重建，結(jié)果見圖13所示。我們定義采樣比來評(píng)估欠采樣能力，采樣比[23]（sampling ratio，SR）指的是投影掩膜的數(shù)量與總的圖像分辨率的比值。

圖12 基于傅里葉單像素成像算法重建結(jié)果Fig.12 Reconstructed results based on Fourier single-pixel imaging algorithm

圖13 欠采樣下圖像重建結(jié)果Fig.13 Image reconstructed results with undersampling

圖13給出了不同采樣比下圖像重建效果?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著采樣比增加，圖像質(zhì)量增強(qiáng)，即使采樣比為10%，圖像的分辨率也能達(dá)到2 mm。

4 結(jié)論

本文采用MARX級(jí)聯(lián)電路原理實(shí)現(xiàn)了ns級(jí)的激光脈沖輸出，輸出的高斯光束經(jīng)方棒實(shí)現(xiàn)激光整形，通過FPGA控制進(jìn)行相位移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)特定距離下激光脈沖與ICCD電子快門的重合，從而實(shí)現(xiàn)水下選通成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在10 ns的激光脈寬下，可實(shí)現(xiàn)4.7～7.1倍衰減長(zhǎng)度范圍內(nèi)的水下激光選通成像。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為當(dāng)前激光選通成像系統(tǒng)的小型化提供了一個(gè)思路。水下激光選通成像技術(shù)是當(dāng)前主動(dòng)照明下有效抑制后向散射光的重要光學(xué)成像手段，在水下探測(cè)、救援等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。在保持小型化的同時(shí)，如何提高當(dāng)前的激光功率、減小脈寬寬度以及水下壓縮感知成像是今后需要進(jìn)一步研究的方向。照明激光功率的提升可以增大程序距離，更小的脈寬能夠減小噪聲，提升成像效果。