水下激光成像距離選通同步控制電路設計

摘要：在水下激光成像系統中，由于復雜的水下環(huán)境對激光傳輸的影響較大，為了更加有效地實(shí)現距離選通功能，該同步控制電路的設計選用高性能的Altera Stratix III系列的FPGA。電路分為距離延遲和門(mén)延遲2個(gè)模塊，創(chuàng )新地將激光測距思想加入距離延遲模塊中，解決距離延遲時(shí)間較難精確獲取的問(wèn)題，并且在考慮各種延遲的情況下輸出精確的選通脈沖。仿真結果表明，距離延遲時(shí)間和ICCD門(mén)延遲時(shí)間可精確到2 ns，誤差最大為1 ns。
關(guān)鍵詞：水下激光成像；距離選通；同步控制；激光測距

水下激光成像技術(shù)是基于藍綠激光處于水下的傳輸“窗口”而發(fā)展起來(lái)的。激光器向水下目標發(fā)射脈沖激光，測量從目標反射回來(lái)的信號，獲取目標的圖像信息。由于藍綠激光成像系統的高分辨率和較遠的作用距離，除了可以應用于軍事領(lǐng)域之外還廣泛應用于水下監測、海洋生物遙測和石油開(kāi)采等領(lǐng)域，因此對其研究是非常有意義的。由于水下溶解物質(zhì)和懸浮體的存在，使得水下比較渾濁，產(chǎn)生后向散射影響比較嚴重，造成成像質(zhì)量急劇下降。為了有效地克服后向散射的影響，常選用距離選通成像技術(shù)。
水下距離選通成像系統主要由窄脈沖激光器、同步控制裝置、選通型ICCD攝像機組成。
同步控制技術(shù)主要是通過(guò)一個(gè)同步控制裝置，完成脈沖激光器和ICCD攝像機同步工作，通過(guò)精確控制ICCD選通門(mén)的開(kāi)肩和關(guān)閉來(lái)實(shí)現距離選通功能。為了有效同步，本設計使用高性能的FPGA產(chǎn)生納秒級的選通脈沖選通ICCD攝像機，并且將測距的思想加入到電路中，對于固定距離和不定距離的水下目標成像都可以精確控制距離延遲時(shí)間和門(mén)延遲時(shí)間，提高了電路的穩定性和精確度，滿(mǎn)足設計要求。

1 水的光學(xué)特性對成像的影響
水的光學(xué)特性包括水的吸收特性和散射特性。水對光的吸收程度在不同光譜區域是不同的，具有明顯的選擇性。研究表明，沿岸海水的光譜透射窗口為520 nm。在實(shí)驗中，常用Nd：YAG脈沖激光器，輸出波長(cháng)為1．064μm經(jīng)過(guò)調Q倍頻得到532 nm的綠光。由于水對光的吸收造成光能量的損失，對于稍長(cháng)距離的目標成像，應適當加強激光器的功率。
水的散射包括水本身的散射和水中懸浮顆粒引起的散射。水下成像系統中常采用脈沖激光，該激光脈沖在水下傳輸中會(huì )受到散射作用的影響，由于同一束光的光子在水體中的傳輸路徑不同，引起了傳輸延遲，在時(shí)域上表現為脈沖的展寬。脈沖展寬對于單脈沖距離選通成像的影響較大，距離選通的要求之一，門(mén)延遲時(shí)間等于激光脈沖寬度，而激光在水下傳輸時(shí)發(fā)生展寬，因此需要知道具體展寬的程度。采用小角度逼近法和唯像法分別進(jìn)行估算，但它們都具有局限性，對于實(shí)際應用中只具有參考價(jià)值。

2 水下距離選通同步控制原理
距離選通技術(shù)是通過(guò)脈沖激光器和選通ICCD攝像機在時(shí)序上正確配合，根據散射光返回的時(shí)間與目標反射光返回的時(shí)間不同，將攝像機的選通時(shí)刻正好設置在目標反射信號剛好到達ICCD攝像機時(shí)刻，選通后成像。水下同步控制距離選通成像原理圖如圖1所示，激光器發(fā)射很強的短脈沖，通過(guò)擴束，將目標的全部或者目標的關(guān)鍵特征部位照亮，由目標反射的激光返回到ICCD攝像機，當激光脈沖在往返途中時(shí)，ICCD攝像機選通門(mén)關(guān)閉，這樣可以擋住后向散射光。當反射光到達ICCD攝像機時(shí)選通門(mén)開(kāi)啟，讓來(lái)自目標的有用信號進(jìn)入ICCD攝像機。選通門(mén)延遲時(shí)間與反射回來(lái)的激光脈沖一致，這樣就可以大大減少后向散射的影響，提高回波信號信噪比。

3 水下距離選通激光成像同步控制裝置
3．1 設計思路
水下激光成像系統中，由于水下的吸收嚴重，通常選用超短激光脈沖，又因為幀掃描周期為幾十毫秒，無(wú)法與激光器同步，因此選用在CCD攝像機前加裝選通像增強器，可以實(shí)現納秒級選通。為了產(chǎn)生納秒級的選通脈沖，需要有高頻時(shí)鐘信號，考慮到高頻電路容易受外界噪聲干擾及內部延時(shí)要小等問(wèn)題，因此選用FPGA來(lái)完成設計。
理論上，假定距離延遲時(shí)間為T(mén)，激光脈沖在水下到目標并且從目標返回到接收器的距離為L(cháng)，水下的相對折射率為n，光速為C，于是可得到T=nL／C；門(mén)延遲預設值為激光脈沖寬度?？墒?，由于水下環(huán)境比較復雜，要得到準確的相對折射率值很困難，同時(shí)，從前面分析可知，激光脈沖在水下傳輸時(shí)會(huì )發(fā)生展寬，所以不能直接通過(guò)計算得到準確的距離延遲和門(mén)延遲。