何 為，談宇光，章逸舟，陳良培，于廣文，陳 巍,2

（1.中國科學院深圳先進技術(shù)研究院，廣東 深圳 518055；2.中國科學院人機智能協(xié)同系統(tǒng)重點實驗室（深圳先進技術(shù)研究院），廣東 深圳 518055）

引言

海水對電磁波有強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距離，大尺度的水下目標有較好的探測與成像效果，但是近距離，高分辨率的目標還是需要利用光電探測與成像系統(tǒng)來實現(xiàn)。自激光發(fā)明以來，水下主動照明成像技術(shù)是光電工程的研究熱點，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)避免了對成像質(zhì)量影響極大的后向散射[9-10]，在實驗中取得了良好的結(jié)果，有望推進海下資源勘查、水底線纜檢測、水下監(jiān)控的進一步發(fā)展。

各研究單位公開報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)建探測與成像網(wǎng)絡(luò)，或者需要借助水下可移動平臺進行大范圍的使用。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，本團隊也在子系統(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)與遙控無人潛水器（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；同時作為全定制化的水下激光距離選通成像系統(tǒng)的原型機，全系統(tǒng)在水下成功實現(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（intensified charge coupled device，ICCD）作為成像器件，采用ns級的同步時序控制來實現(xiàn)空間切片成像。其工作原理如圖1所示，t0時刻照明系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖，脈沖寬度為△t，選通型像增強ICCD的電子快門關(guān)閉；在t1時刻，脈沖光到達目標靶標，脈沖光被反射回激光選通成像系統(tǒng)；在t2時刻攜帶目標信息的光脈沖在到達選通型像增強ICCD光陰極靶面時，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ICCD脈沖寬度和激光脈沖寬度很窄，使得只有目標附近的反射光才能到達選通型像增強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烈的吸收與散射作用，其中散射對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一步加強了散射的效果。如（1）式所示，有：

式中：I0是水中的初始光強；IL是在水中傳輸一段距離L后的光強；水中光強呈現(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，對應的衰減長度為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，對應的衰減長度約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，目標被激光照射后反射回相機的信號極其微弱。

衰減系數(shù)同時還是波長的函數(shù)，不同波長的可見光在海水中的透射能力不同。通過實驗確定的海水透射窗口是470 nm～580 nm[17]，在這個波段內(nèi)的可見光在海水中具有最小的衰減系數(shù)，對應最長的衰減距離，是主動照明成像合適的工作波長。

水對激光的散射，特別是后向散射產(chǎn)生的雜散光，對成像系統(tǒng)進一步的影響在于對比度的降低。一般空氣中成像系統(tǒng)用連續(xù)光作為照明源，光電感應器（charge coupled device，CCD）對來自成像目標的光能量進行積分。光在傳播過程中因空氣的散射產(chǎn)生的噪聲如果到達感應器，也會被光電感應器積分。但是噪聲能量遠小于信號的能量，信噪比高，散射的影響一般會被忽略。但是在水下成像中，光在致密的介質(zhì)中傳輸，加強的散射和被衰減的信號降低了信噪比。增強照明源的光強也會增強散射，將從遠處目標返回的信號淹沒。

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，用選通相機屏蔽強烈的后向散射的情況下，成像距離可以擴展到4～7個衰減長度的水平[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)、距離選通相機以及控制系統(tǒng)。除了3個主要子系統(tǒng)，實用化的系統(tǒng)還包含有水下供能單元（不依靠水上供能）或者是信號與電力傳輸導線（依靠水上供能）。水上的部分包含有人機交互界面的上位機。

照明光源一般采用的是脈寬達到ns級的藍綠脈沖激光。各研究單位普遍采用由波長1064 nm的調(diào)Q固體激光器加KTiPO4倍頻晶體構(gòu)成的藍綠脈沖激光器，這種激光器有脈寬窄、峰值功率高、重復頻率高的特點。與ns激光脈沖對應的相機也要讓選通時間達到ns級。這樣才能最大程度地抑制后向散射。同時，微弱的光信號也要求成像系統(tǒng)能夠有較大的光增益。實踐中普遍采用像增強CCD（ICCD）相機。相機的基本構(gòu)造為像增強器、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、選通相機的門寬、激光在水中短距離傳播的時間都是ns級，控制系統(tǒng)的同步器件也需要有ns級的激勵輸出。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體激光二極管的激光照明源。半導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，非常適合作為水下激光選通相機的照明系統(tǒng)。但是高功率的藍綠光脈沖半導體二極管受限于半導體材料的進展，工作在綠光波段的高功率脈沖半導體激光器二極管不易獲得，本文利用525 nm工作波長的連續(xù)光半導體激光器二極管來驗證級聯(lián)脈沖激光驅(qū)動電路的設(shè)計。

2.1.1 MARX級聯(lián)電路原理

晶體管的輸出特性曲線中有4個區(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)生雪崩時其內(nèi)部載流子的倍增就像發(fā)生雪崩場景一樣，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)射極開路時集電級-基級雪崩擊穿電壓。晶體管的雪崩擊穿方式有3種，分別是觸發(fā)導通、過壓導通、快速上升沿導通。觸發(fā)導通一般由電信號或光信號觸發(fā)，在晶體管處于雪崩臨界時，觸發(fā)信號從基級輸入將會觸發(fā)雪崩管發(fā)生雪崩效應；過壓導通是雪崩晶體管的集電極和發(fā)射級之間的電壓超過了雪崩擊穿電壓時，雪崩管會發(fā)生雪崩效應，但電壓壓差不能無限制地超過雪崩擊穿電壓；快速上升沿導通指晶體管集射級間電壓快速上升引起雪崩效應。

2.1.2 激光驅(qū)動電路的設(shè)計

本文激光驅(qū)動采用MARX級聯(lián)電路，輸出上升沿3.3 ns，輸出空載電壓高達1 kV。其觸發(fā)信號可精準控制3.1 ns的相位步進，有效調(diào)節(jié)激光觸發(fā)信號與相機快門控制信號之間的相位差（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)動模塊基于雪崩級聯(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)級采用3級雪崩并聯(lián)，可有效降低雪崩管的抗壓壓力并保護雪崩管。觸發(fā)級對輸出電壓的幅值要求并不高，所選用的雪崩晶體管型號可以與后面過壓導通的晶體管型號不同，僅用于提供有一個較大的瞬態(tài)電流觸發(fā)下級雪崩。后續(xù)串聯(lián)的MARX電路均是過壓導通，其輸出的電壓都是在前級基礎(chǔ)上疊加偏置電壓VDD。串聯(lián)級數(shù)越多，輸出電壓越高。末端串聯(lián)的是充電儲能電容組，其儲能的能力大小決定了驅(qū)動負載的能力。容量過小，瞬態(tài)電壓雖然能上升，但是負載能力差；容量過大會導致放電緩慢，下降沿拖尾過長。根據(jù)所用激光器的阻抗等性能，結(jié)合對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量級電容，能有效驅(qū)動激光器且脈沖拖尾很小，拖尾脈寬小于總脈寬的20%。

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

本文設(shè)計的雪崩晶體管MARX級聯(lián)電路采用并聯(lián)觸發(fā)導通結(jié)合多級過壓導通串聯(lián)的方式，每級聯(lián)1級相當于電壓疊加1次，經(jīng)過多次級聯(lián)能夠快速提升輸出電壓峰值。根據(jù)MARX級聯(lián)電路的特點，每級聯(lián)1級輸出電壓遞增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)的組合級聯(lián)和后級電容充放電組合，實測輸出電壓最大值可達1 kV（空載）。如圖2（b）所示。,帶50 Ω負載時輸出電壓大于250 V，上升沿約3 ns，脈沖拖尾小于5 ns，重復頻率可達2 kHz。

2.2 激光勻化光學系統(tǒng)的設(shè)計

2.2.1 整形原理

激光管選用的是Nichia公司的NUGM03T，典型波長為525 nm，準直后光斑呈長條狀。通過實測光斑的空間功率分布，在光學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，當相干光從粗糙表面反射時會造成不規(guī)則的強度分布，形成激光散斑，破壞成像圖像質(zhì)量。同時由于準直光光斑尺寸小，無法有效覆蓋觀測目標范圍。本文采用投影顯示中常用的方棒來實現(xiàn)納秒脈沖激光照明源的整形。光線進入方棒后，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

方棒整形對入射光束產(chǎn)生全反射的條件是，入射光由光密介質(zhì)進入光疏介質(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的距離。

2.2.2 光學整形仿真

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]對照明激光進行處理，選用100 mm長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，對半導體激光二極管發(fā)出的準直激光進行匯聚并耦合進錐形方棒中，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。在光學軟件中進行模擬仿真，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坐標為長度坐標，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級信號的應用以及信號同步的需求，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?？赏ㄟ^電腦端實現(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。因為相關(guān)時間參數(shù)是ns級，激光在水中的傳輸時間和電信號在導線中的傳輸時間也需要量化校準與同步控制。例如，指令從FPGA中以電信號的形式發(fā)出，通過電纜傳輸給激光驅(qū)動模塊和相機。在這個傳輸過程中，F(xiàn)PGA連接激光驅(qū)動模塊和相機的線纜長度不一樣，甚至相差甚遠。電信號在兩者里面的傳輸時間具有時間差。如不將該時間差消除，控制系統(tǒng)中就很難做到信號同步。將光在不相關(guān)途中的傳輸時間和電在不相關(guān)途中的傳輸時間過濾掉，相當于做了一個時間上的校準，即通過控制2個信號的脈沖發(fā)生時間的時間差（因使用線束長短不定，環(huán)境不同等原因，該值不固定），使開快門信號與返回激光到達ICCD相機的信號的相位差近似為零，當目標光線到達相機靶面時正好是快門開啟的時刻。根據(jù)該原理，在選通成像過程中，增加兩者之間相應的差值，可以使選通成像距離變得更遠，反之更近。根據(jù)FPGA的最高頻率，調(diào)節(jié)脈沖的最小步進為3.1 ns、光速為3×108m/s計算，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、脈寬及相機的增益等參數(shù)。起始時2路信號的脈沖并不一定同步，所以在發(fā)出2路信號的同時要進行相位的調(diào)節(jié)。在實際使用中校準兩個信號的時延差，從而達到最終的選通成像效果。如圖8所示，確定成像距離后，當驅(qū)動激光的信號脈沖被控制相機的信號脈沖完全覆蓋時，成像效果最好。只覆蓋部分時，成像模糊且亮度不夠。當兩個信號脈沖完全無交集時，沒有成像，此時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)動脈沖與選通相機控制脈沖相位差調(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

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

圖9 ICCD相機Fig.9 ICCD camera

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

3 實驗結(jié)果

相機和激光器封裝在水密機械結(jié)構(gòu)內(nèi)，通光窗口選用了8 mm厚的亞克力光學平板，其對525 nm波長激光的透射率為91.7%。在長8.9 m的水槽兩端設(shè)置2面平面鏡，構(gòu)成的系統(tǒng)使得靶標到選通相機的距離在0～26.5 m內(nèi)可以自由變動，水槽注入自來水，水深0.5 m。選通相機輸出采用讀卡器將模擬信號轉(zhuǎn)換為圖片格式，選通相機搭配75 mm的工業(yè)鏡頭進行成像。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，最大可以達到7.1倍衰減長度上成像；而在衰減系數(shù)較小（<1.5 m?1）情況下，光強隨傳輸距離的增加而迅速減小，最大成像距離約4.7倍衰減長度。表3和圖11為實現(xiàn)7.1倍衰減長度和4.7倍衰減長度情況下的參數(shù)和分辨率靶標圖像。圖像通過LabVIEW程序進行了實時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 控制脈沖的實驗設(shè)置Table 2 Experimental setup of control pulse

圖10 水下激光選通成像實驗及效果Fig.10 Experiment of gated imaging of underwater laser

表3 衰減長度的標定Table 3 Calibration of attenuation length

受半導體激光功率以及激光脈寬限制，水下圖像強度較弱，為實現(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的絕對數(shù)值來重構(gòu)物體，而是使用全部探測值之間的強度漲落關(guān)系來重構(gòu)圖像， 這使得單像素成像技術(shù)可以在較低探測信噪比的情況下實現(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，利用單點探測器測量調(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，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，對應圖12（a）中的實際分辨率達到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的圖像重建，結(jié)果見圖13所示。我們定義采樣比來評估欠采樣能力，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，即使采樣比為10%，圖像的分辨率也能達到2 mm。

4 結(jié)論

本文采用MARX級聯(lián)電路原理實現(xiàn)了ns級的激光脈沖輸出，輸出的高斯光束經(jīng)方棒實現(xiàn)激光整形，通過FPGA控制進行相位移動，實現(xiàn)特定距離下激光脈沖與ICCD電子快門的重合，從而實現(xiàn)水下選通成像。實驗結(jié)果表明：在10 ns的激光脈寬下，可實現(xiàn)4.7～7.1倍衰減長度范圍內(nèi)的水下激光選通成像。該系統(tǒng)的實現(xiàn)為當前激光選通成像系統(tǒng)的小型化提供了一個思路。水下激光選通成像技術(shù)是當前主動照明下有效抑制后向散射光的重要光學成像手段，在水下探測、救援等方面具有廣闊的應用前景。在保持小型化的同時，如何提高當前的激光功率、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。