摘要 水下选通式蓝绿激光成像的关键技术是选通深度设计。激光脉宽τ与选通时间η对选通深度有重要影响。匹配是否等当直接影响成像质量，也决定着距离选通式水下激光成像技术的可行性。
关键词 激光脉宽 选通时间 匹配设计
引言
常规光学成像受水环境影响敏感，作用距离近，严重限制其应用范围。蓝绿激光水下传输存在“窗口效应”，利用蓝绿激光水下成像技术可以提高水下成像距离，在海洋工程水下运动目标观测研究中有着迫切的需求。水下选通式激光成像研究表明，发射激光脉宽于与选通时间的匹配设计是水下选通式激光成像的关键技术之一。
1选通成像原理
激光器发射强激光短脉冲，激光脉冲传输到目标，对目标进行照射，由目标反射回来的激光返回到摄像机。激光脉冲在往返途中有很强的后向散射光，这时摄像机选通门一直关闭，摄像机这时不会受到后向散射光干扰。当目标反射光到达摄像机的时候选通摄像机，选通门开启，时间和激光脉宽一致，这样形成的图像只与选通时间内的反射光有关。在选通工作时间内后向散射辐射通量减少到最小，因而可在选通像增强器上得到高对比度目标像。所看景物深度与脉冲传播纵深距离有关，如脉冲传播纵深距离为30m，则能观察到目标前后 15m的景物。当脉冲宽度很窄的时候，使得只有目标附近的反射光信号才能被接收，消除了大部分的后向散射光，这样就能大大提高系统的信噪比。
2 选通深度
距离选通成像系统的一个重要特点是成像选通深度DOG（depth of gating）可调，为了对特定区域的场景目标进行观察，需要对系统相关参数进行设定。
根据距离选通成像原理，对于处于系统视场范围内的目标不一定可见，而只有当目标既处于系统视场范围内，且处于系统的选通深度DOG内时才可见。为了使系统可以观察视场范围内任意距离的目标，距离选通成像系统设置了两个可调节的参数：目标观察距离L以及选通深度DOG。通过调节选通延迟时间可以改变观察距离L，选通延迟时间越大，目标观察距离L越远，二者成比例关系；选通深度可以通过改变ICCD摄像机的曝光时间长短来调节，曝光时间越长，选通深度越大，二者成线性关系。
距离选通系统工作时，在能够满足观察范围要求的前提下，应尽可能减小选通深度，选通深度越小，后向散射的负面影响越小，这对提高水下图像的信噪比有显著作用。同时，由于选通深度减小，对于大尺度目标，需要进行分段观察，因此需要配置多台激光器进行分段照明。
3 选通深度设计
激光脉宽τ与选通时间η对选通深度有重要影响，设目标离系统的距离为光在T时间内行进的长度，即cT，其中c为光在海水中的传输速度。为了充分利用照明激光脉冲的能量，通常令η≥τ，同时为抑制后向散射，η又不宜过大。下面具体分析系统的选通深度及选通区域内不同距离处物体在靶面上形成的照度。
3.1 激光脉宽τ与选通时间η匹配设计
选通区域指距离选通成像系统工作时在物方空间能够成像的区域，选通区域沿光轴方向的纵深成为选通深度。以激光脉冲发出的时刻为零时刻，则激光脉冲前沿到达目标并被反射回来需时2T，这即是选通延迟时间。摄像机的快门以激光发出时刻为基准延时2T打开，并保持开启时间η，此即选通时间，由此可知，摄像机的快门在时间区段（2T，2T+η）是保持开启的，而cT处的目标反射光通过快门的时间区段为（2T，2T+τ），由于η≥τ，故（2T，2T+η）完全包含（2T，2T+τ），cT处的目标反射光（脉宽为τ）将全部通过摄像机快门并成像。
而事实上不只距离cT处的目标可以成像，比这个距离近一点和远一点的目标也可以成像，即系统具有一定的选通深度。下面讨论距离ct处的目标反射光通过摄像机快门的情形。
易知距离ct处的目标反射光通过摄像机快门的时间区段为（2t，2t+τ），要使这个距离处的目标能够成像，即要求（2t，2t+τ）与（2T，2T+η）的交集不为空，我们考虑两种极限情况：
1）t≤T且2t+τ=2T
4选通成像距离估算
距离选通成像系统不仅可以用来成像，同时也给出了目标的距离，即具有测距功能。设选通延迟时间为2T，则目标距离的计算公式为s=cT，测距精度（测距误差）即以上提到的选通深度，距离分辨率则主要与选通延迟时间的精确度有关，同时还与门控脉冲的信号质量有关。一般情况下，距离选通成像系统的距离分辨率可以很高，优于数十厘米，这主要由选通延迟时间的精度决定，而测距精度由于目标探测效率的需要而不必要求太高，有时还特意增加选通深度。
在水中激光的传输速度为22.5cm/ns，由于选通成像的激光需要传输一个来回，因此1ns的时间误差会导致11.25cm的距离误差，设选通控制模块的选通时间的精度为5ns，则选通距离的精度为56.25cm，这即是系统的测距精度。
5 结束语
水下选通式激光成像技术是利用激光选通深度的设计来克服后向散射的影响，以提高成像距离。水下目标的距离决定直接影响选通深度设计。激光脉宽τ与选通时间η对选通深度有重要影响，因此激光脉宽与选通时间匹配设计必须依据水下观测目标特性进行准确设计，才能保证对水下运动目标的成像。
参考文献
[1] 徐阳 杨坤涛 王新兵等. 蓝绿激光雷达海洋探测[ M ] .北京国防工业出版社, 2002
[2] 冯包根. 国外水下激光成象技术现状[J]. 激光与红外技术, 1995, 2
[3] 储开丽, 黄有为, 金伟其, 等. 水下激光距离选通成像系统及其实验研究[J]. 红外与激光工程, 2010, 3
作者简介：
王之海 高级工程师 硕士研究生 主要从事海洋环境测量与水下试验观测技术工作。
论文作者:王之海
论文发表刊物:《中国科技教育·理论版》2015年第5期供稿
论文发表时间:2015/7/6
标签：激光论文; 距离论文; 目标论文; 水下论文; 深度论文; 时间论文; 脉冲论文; 《中国科技教育·理论版》2015年第5期供稿论文;