激光水下成像技术及其进展

2017 年 11 月 22 日 无人机 溪流的海洋人生

水下成像技术在水下目标发现、海面材料探测及海洋地理工程中具有广泛而重要的应用价值，正受到各国研究者的日益重视。与我们平常所见空气中成像技术不同，水介质的特性是强散射效应和快速吸收功率衰减，因此直接将摄像机运用到水中，由于强散射效应，图像的噪声很大，且距离有限。激光器的运用从某种程度解决了成像的距离问题，在过去的几年中，成像距离和图像质量得到了很大程度的提高，这些进步都是因为采用了非传统成像技术和激光技术。本文对主要的几种水下成像技术进行了分析，讨论了它们各自的技术原理和发展动态。

一、工作原理

由上所述，与大气成像技术相比，水下成像技术的重点是要减小水这一特定介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对成像质量的限制，目前已经有几种成像技术在实际中得到应用且达到较好的工作效果。

⒈ 常规水下成像技术

常规水下成像技术包括激光扫描水下成像和距离选通激光水下成像。其中激光扫描水下成像是利用水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理。在这种系统中，探测器与激光束分开放置，激光发射器使用的是窄光束的连续激光器，同时使用窄视场角的接收器，两个视场间只有很小的重叠部分，从而减小探测器所接收到的散射光。利用同步扫描技术，逐个像素点探测来重建图像。因此这种技术主要依靠高灵敏度探测器在窄小的视场内跟踪和接收目标信息，从而大大减小了后向散射光对成像的影响，进而提高了系统信噪比和作用距离。

距离选通成像系统采用一个脉冲激光器，具有选通功能的像增强型CCD成像期间，通过对接收器口径进行选通来减小从目标返回到探测器的激光后向散射。在该系统中，非常短的激光脉冲照射物体，照相机快门打开的时间相对于照射物体的激光发射时间有一定的延迟，并且快门打开的时间很短，在这段时间内，探测器接收从物体返回的光束，从而排除了大部分的后向散射光。由于从物体返回来的第一个光子经受的散射最小，所以选通接收最先返回的光子束可以获得最好的成像效果。如果要获得物体的三维信息，可以通过使用多个探测器设置不同的延迟时间来获得物体在不同层次的信息，因而它提供了成像物体准三维信息的能力。

⒉ 水下激光三维成像技术

以上两种技术不能提供完善的三维信息能力，而条纹管水下激光三维成像技术可提供很好的三维信息。条纹管水下激光三维成像技术使用脉冲激光，接收装置是时间分辨条纹管。发射器发射一个偏离轴线的扇形光束，然后成像在条纹管的狭缝光电阴极上。用平行板电极对从光电阴极逸出的光电子进行加速、聚焦和偏转。同时垂直于扇形光束方向有一个扫描电压能够实时控制光束偏转，这样就能得到每个激光脉冲的距离和方位图像。采用传统的CCD技术对这些距离和方位图像进行数字存贮，使系统的脉冲重复频率与平台的前进速度同步，以压式路刷方式扫过扫描路线。这种成像结构中，每个激光脉冲在整个扇形光束产生一个图像，用来提供更大的幅宽。因此，使用当前的激光器和CCD技术和相对适中的脉冲重复频率，就能得到较高的搜索速度。

⒊ 偏振光水下成像技术

97%的海洋水体中，在数量上占优势的散射颗粒为直径小于1Lm的小颗粒，其相对折射率为1100～1115。它们一般地遵从瑞利或米氏散射理论。如果在水下用偏振光源照明，则大部分后向散射光也将是偏振的，这就可以采用适当取向的检偏器对后向散射光加以抑制，从而可使图像对比度增强。偏振成像技术是利用物体的反射光和后向散射光的偏振特性的不同来改善成像的分辨率。根据散射理论，物体反射光的退偏度大于水中粒子散射光的退偏度。如果激光器发出水平偏振光，当探测器前面的线偏振器为水平偏振方向时，物体反射光能量和散射光能量大约相等，对比度最小，图像模糊；当线偏振器的偏振方向与光源的偏振方向垂直时，则接收到的物体反射光能量远大于光源的散射光能量，所以对比度最大，图像清晰。

在以上几种技术中，我们认为距离门选通是比较重要的一种，因为实际上三维成像技术中也用到了距离选通的原理，只是采用方法不同，因此它们对成像探测器的性能要求是相同的。

二、关键器件发展状况

⒈ 激光器技术

激光扫描水下成像系统大多采用氩离子连续波激光器，其输出功率小于5W。氩离子连续波激光器具有光束质量好、分辨率高、图像稳定等特点。由于更大的激光功率并不能明显提高成像距离，因此氩离子连续波激光器是激光扫描水下成像系统比较好的选择。

距离选通水下成像和其它三维水下成像系统的激光器大多采用闪光灯泵浦Nd:YAG激光器。该器件技术成熟，成本较低，输出波长为1106Lm，经过倍频可以得到532nm的绿光。目前平均功率可达几十瓦，作用距离可达到几千米。为了提高水下的成像质量，提高照明激光器的功率和使激光器小型化是目前发展的方向。

对Nd:YAG激光器，随着成本的下降，未来的发展趋势是采用激光二极管泵浦，并且是连续二极管激光泵浦。其原因很简单，二极管激光器体积小，重量轻，非常适合于水下工作。

⒉ 接收器技术

水下成像环境要求成像系统具有弱光成像能力和具有消除后向散射干扰的选通特性，这就要求接收器必须具备高速外触发功能、高分辨率、高灵敏度、低噪声、足够的增益动态范围。因此一般采用微光成像摄像机。典型的微光成像摄像机包括：硅增强靶(SIT)摄像机、增强型硅增强靶(ISIT)摄像机、电荷藕荷器件(CCD)摄像机、增强型电荷藕荷器件(ICCD)摄像机。这几种器件相比较而言，由于ICCD具有较高的灵敏度，因此是目前接收器件的首选。

另外，正在发展中的器件有电子轰击CCD(E2BCCD)成像器件和电子倍增CCD(EMCCD)。由于ICCD 受MCP、光纤面板窗以及荧光屏的影响，噪声及MTF经过多个传递环节的衰减使像质变差。美国在1996年研制出了电子轰击CCD，它将CCD放置在真空管电子成像面处，利用高能电子的电子增益实现图像的电子增强，因此器件不受微通道板和光纤面板的影响，具有很高的灵敏度和几乎无噪声的增益。EM CCD是当前采用最新的CCD生产工艺制造的成像器件，它在继承了CCD器件优点的同时，具有与ICCD器件相近的灵敏度。

三、系统发展状况

美国在十几年前实际上已开始激光扫描水下成像系统的研究，由于保密原因，没有正式报道。目前，国外已研制出多种型号激光扫描水下成像系统，有的已成功地用于海下勘测、搜索和摄像。西屋水下激光系统公司和应用遥测技术公司分别研制成功出了各自的同步扫描激光水下成像系统，其中西屋公司的激光水下成像系统70°的有效视场扫描时间为011ms。该系统被布设在潜艇下面，或者拖曳在水面舰船的后面。当船向前航行时，该系统就成像出海底的二维图像，水下观测和成像距离可达4个衰减长度(光在水中的衰减随光的波长和水质的变化而变化)，其图像分辨率和清晰度都很高。遥测技术公司的同步扫描系统的水下成像距离可以达到5个衰减长度。遥测技术公司的系统使用快速旋转的棱镜控制激光束扫描，目前该系统已装备潜艇。

距离选通激光水下成像技术的研究比较早，美国早在1966年就已开始研究。最近美国Sperry海洋有限公司报道的实验室模拟结果表明，在衰减系数为0.1/m的水体中，观察距离与理论计算相近，达160m，在混浊的近岸水体中，也能观察到30m距离。它使用的光源是倍频Nd:YAG激光器，接收器是该公司制造的增强型CCD相机。Sparta公司研制成功的距离选通激光水下成像系统采用闪光灯泵浦Nd:YAG激光器，其激光输出经倍频后产生532nm的绿光，重复工作频率为10Hz，转换成绿光的电效率为1%,功耗为250W，系统视场达12°。此系统在港口水域中的成像距离是500W灯泡照射系统的5倍。另外，采用倍频Nd:YAG激光器的测距系统也达到30～50m的成像距离。

三维成像技术研究方面，美国图森Arete协会在海军研究局的资助下在实验室对基于条纹管技术的高分辨率三维成像系统进行了初步实验，确定了条纹管接收器的横向和距离分辨率。在亚利桑那大学光学科学中心的配合下，实现高分辨率三维图像。使用倍频Q开关锁模Nd:YAG激光器，每秒产生35个532nm的脉冲，在一般水域中，实验得到三维方向上的分辨率高于6 135mm；在深水池中，试验得到距离分辨率约为91144m，横向分辨率约为6135mm，距离分辨率受到Q开关激光器9ns脉宽的限制。若使用每秒产生3个580nm脉冲的碰撞脉冲锁模染料激光器，可得到更精确的距离分辨率。在混浊的海水中，如果要得到10～30m距离远的高分辨率图像，需要使用高能脉冲激光来克服海水的衰减和散射影响。为了提高距离分辨率，LietCycles有限公司研制出一种喇曼压缩激光器。使用这种2ns激光能大大提高距离分辨率，可以对水下432mm高的目标进行清晰成像。

偏振光水下成像技术方面，国外从20世纪60年代起做了不少模拟实验。英国海军潜水医学研究实验室在游泳池中实验结果表明：在线偏振光源亮度一定的情况下，潜水员戴有检偏器观察时，其视觉锐度及观察距离反而不及不带检偏器观察为好。自由活动的潜水员还要经常调整其检偏器的偏振取向，十分不便。采用圆偏振光照明则无上述不便，且一些实验表明，大多数漫射目标倾向于使圆偏振光退偏振的程度优于对线偏振光的退偏振。美海军水下研究及发展中心、海军武器试验站对用圆偏振光照明提高能见度作了模拟实验，取得了肯定结果，并测量了漫射目标及水体的偏振系数。

国内方面，近几年来，西安光机所、长春光机所、上海光机所和天津电视技术研究所、北京理工大学、华中理工大学、东南大学等单位均对水下成像系统进行了研究，但与国际先进水平相比还有很大的差距。北京理工大学正在研制一种适合水下成像系统的选通型ICCD器件，采用了国产某型高性能超二代像增强器，预计对我国水下成像系统的发展有一定的推动作用。