水下激光距离选通成像系统的模型与极限探测性能研究

为了改善现有水下激光距离选通成像建模方法在收发时序和器件特性方面的不足,提出了一种改进的系统模型。该模型以一维(1D)方波信号为研究对象,通过计算该信号的输出信噪比来评价成像系统的性能。模型考虑了水下激光脉冲的时域展宽和增强型电荷耦合装置(ICCD)的增益噪声特性以对现有模型的不足进行改进。通过模拟计算与实际水下激光距离选通成像系统所采集的图像相对比的方法验证了模型正确性,又通过对系统在不同水质下极限探测距离的仿真计算表明距离选通技术对人形暗目标的探测、识别和认清距离达到了9,7.5和7个衰减长度,从而证明了距离选通技术能够有效探测劣质水况下的中小目标。     

水下激光距离选通三维成像方法

基于水下距离选通激光成像技术,利用选通成像中回波强度相变化特性中包含的距离信息,提出了一种针对水下目标的三维成像方法。结合实验室现有的水下距离选通激光成像系统,对15 m处的水下目标进行了三维成像。这一方法有效抑制了水下成像系统中存在的目标表面材质、水体衰减以及目标各点法线方向与入射激光脉冲方向夹角不同等因素对于三维成像造成的不良影响,同时仅需要从单一方向对目标进行成像,减少了所需图像采集的次数,简化了三维重构的过程。     

距离选通水下激光成像系统设计及实验

针对浅水目标探测这一难题,设计了一种基于距离选通技术的水下成像系统。系统围绕532nm Nd…YAG脉冲激光器和选通式增强型电荷耦合器件(ICCD)摄像机搭建而成,并且采用激光脉冲作为系统同步控制的触发信号。采用基于现场可编程门阵列(FPGA)技术设计的同步控制电路,进行了距离选通水下激光成像实验。实验结果表明,采用激光脉冲触发同步控制电路的方法,可有效抑制激光脉冲抖动对系统同步控制精度的影响,从而克服水体表面反射和后向散射对成像的影响,提高了成像质量。在有效衰减系数为0.52m-1的湖泊中,系统的成像深度可达到水下7m,对于浅水目标的探测、识别非常有效。     

距离选通成像实现过程中若干问题的探讨

距离选通成像是解决水下激光微光成像后向散射噪声行之有效的方法之一.距离选通成像系统中蓝绿激光光源的脉冲特性、单脉冲能量及选通成像器件的选通性能将决定距离选通成像的距离分辨、探测距离等性能;距离选通成像过程中选通控制器与选通像增强器的直接电连接,将产生严重的干扰脉冲,影响距离选通成像的实现.在分析距离选通成像机理及距离选通水下成像系统方案的基础上,研究确定了蓝绿激光光源和选通成像器件的性能要求及技术指标;提出了激光脉冲同步距离选通成像方法,有效解决了距离选通成像中的干扰现象.在由国产蓝绿激光光源及选通像增强器构成的水下激光微光成像实验平台上实现了稳定的距离选通成像.     

水下距离选通图像双平台直方图增强及其FPGA实时处理

水下激光距离选通成像中要对水下距离选通图像进行增强处理。水下图像通常具有噪声大、对比度差、照度不均匀的特点。通过分析水下图像的成像特点,针对引起图像降质的因素进行增强算法设计,提出了基于帧叠加去噪与双平台直方图变换相结合的视频增强算法。可实现目标信息增强的同时抑制背景,将目标和背景区别处理。算法以Xilinx公司的XC5VLX50T系列FPGA芯片为核心,使用到了软核Microblaze、片内BLOCKRAM、外部SRAM等资源设计硬件系统,并已在水下选通成像系统中得到有效应用。     

基于DM642的激光水下图像处理系统设计与实现

搭建了一种距离选通激光水下成像系统,分析了水下光电图像的特点,采用DM642数字信号处理芯片为核心设计了数字图像处理系统,给出了利用平台直方图均衡化实现水下图像增强算法原理以及该算法在设计的图像处理系统中的实现方法,并给出了利用该方法对水下25 m和40 m处目标所成图像的处理结果。实验结果表明,利用文中搭建的距离选通水下成像系统和设计的图像处理系统可以有效实现对水下目标的成像探测并能提高目标图像的对比度。     

一种改进的基于DSP的激光距离选通成像系统

采用激光束主动照明,是对远距离暗目标进行成像探测和精确跟踪的有效途径.从激光距离选通成像系统的成像关系出发,分析了距离选通方式和非距离选通方式下的激光距离选通成像系统的信噪比,从理论上说明了采用距离选通技术可以有效地抑制后向散射等背景噪声.讨论了激光距离选通成像关键技术,分析了传统的激光距离选通成像系统的缺点,提出了一种改进的基于数字信号处理(DSP)的激光距离选通成像系统.该系统利用快速DsP控制器完成测距和距离延迟,产生纳秒级的选通脉冲选通ICCD摄像机,实现距离选通.该系统克服了传统的激光距离选通成像系统需要已知距离,需要精确测量激光器的传输时间延迟等缺点,可以获得目标的距离信息和距离选通图像.     

一种基于FPGA水下激光成像系统的同步控制器

为了实现水下激光距离选通成像系统中激光脉冲与像增强型CCD之间的高精度同步控制,提高图像分辨率,提出了一种基于现场可编程门阵列水下激光成像系统的同步控制器。控制器利用现场可编程门阵列的高集成度和灵活性,用锁相环作为全局时钟,用进位链作延时单元,使门控脉冲的延时和门宽精度达亚纳秒级,解决了常规控制电路由于分离元件所带来的延时精度低,不稳定的问题。结果表明,这种同步控制器可解决门控成像系统的精确定时问题,能满足稳定、实时应用的要求。     

基于高重复频率脉冲激光的水下全选通成像雷达

在水下高重复频率距离选通成像系统的基础上,设计了一种全选通成像系统。在空间域中,可将整个探测区域划分为多个相互叠加的改进选通切片,一帧图像积分时间内的激光脉冲按照一定规律分布到各个改进选通切片中;在时间域中,在一帧图像积分时间内按照一定规律实现宽选通门对不同激光脉冲回波的等时差移动,使得一帧图像中包含所有距离的目标信息,实现了全选通实时成像。实验对比了连续光成像系统、传统距离选通成像系统和全选通成像系统的成像质量。实验结果表明,全选通成像系统同时具有连续光成像系统探测范围广和距离选通成像系统探测距离远的优点,探测距离大于4.5 H(H为衰减长度),输出视频的帧率为20Hz。     

互相关算法在运动目标距离选通激光三维成像中的应用

在微光成像中,距离选通成像是一种获取目标三维信息的有效手段。对于静止目标而言,可以通过对目标切片成像,获得不同选通距离的目标图像,进而通过二值化算法或质心算法获得目标的三维图像。而对于运动目标而言,在切片成像的同时,目标的空间位置会发生变化,因此需要对不同选通距离的目标图像进行配准,而后才能获得目标的三维图像。搭建了基于像增强电荷耦合器件(ICCD)的距离选通实验系统,提出了一种基于像质评价的互信息配准算法配准激光图像目标的空间位置,然后对配准后的激光图像通过互相关算法获得三维图像,并在保证一定的三维精度基础上,逐渐减少激光图像的像幅数,最后与二值化算法和质心算法三维重构进行了实验对比,实验结果表明,互信息配准算法能够有效配准激光图像,互相关三维成像算法精度高于二值化法和质心法,最少采用2幅图像即可获得目标的三维点云图像,大大降低了对运动目标三维成像的难度。     

脉冲调制激光雷达水下成像系统

针对水下目标探测应用场景,给出了相应的532 nm波长激光雷达系统参数,结合条纹管激光雷达和载波调制激光雷达的优点,设计研制了一套水下三维成像增程激光雷达原理样机。相对于常见的微波调制激光产生高频脉冲的方案,该原理样机采取调Q技术压缩激光脉冲,再结合F-P腔的特性产生高频激光脉冲,具有峰值功率高和输出能量高的优点。实验结果表明,该原理样机在清水环境中成像距离优于20 m,能够捕捉到13 m处直径9 mm的目标细节;在浊水环境中的信号处理增程能力达到81.4%,相对距离分辨误差为0.01 m。所获得的实验结果为进一步提升水下激光雷达的成像距离和分辨率进而发展水下成像装备奠定了基础。     

距离选通水下激光成像系统信噪比分析与计算

距离选通水下激光成像系统是一种基于时间标记原理的水下光电成像系统,它能够有效抑制水体后向散射光的干扰,提高目标探测距离,具有较高的军事和民用价值。在距离选通水下激光成像系统中,ICCD可能接收到的光信号包括水体后向散射光、目标反射直射光、以及目标反射光的前向散射光。建立了ICCD接收信号光能量的几何模型,在给定开门时刻和选通门宽参数条件下,给出了通过点扩散函数计算ICCD像元上所能接收到的目标反射光的直射光及其所引起的水体前向散射光能量的方法,以及通过水体分层计算水体后向散射光的方法,定义了距离选通水下激光成像系统信噪比,分析了目标距离对信噪比的影响并给出了仿真结果。     

布尔混沌调制激光雷达水下目标成像实验研究

在激光雷达的水下目标探测中,浑浊水体中悬浮颗粒对激光的吸收和散射作用,使得激光在水中的传输严重衰减。尤其是后向散射所造成的噪声会降低目标对比度甚至淹没信号回波。载波调制技术可以有效抑制后向散射,提高目标回波信号的信噪比。文章将布尔混沌信号作为载波调制信号,基于其内禀高频强度调制特性,构建了布尔混沌调制激光雷达水下成像系统,并在实验室水箱环境下,对衰减系数不同的浑浊水体中的目标物体进行了三维成像实验研究,对比了不同水质中的目标物体三维成像效果。     

基于APD面阵探测器的非扫描激光主动成像雷达

为了获得目标区域的高精度3-D距离图像,采用自研带读出电路的雪崩光电二极管（APD）面阵探测器组件,研制了一台非扫描激光主动成像雷达。雷达采用波长1.064μm脉冲激光泛光照射目标区域,APD面阵探测器组件接收目标漫反射激光回波信号,经信息处理获得目标区域3-D距离图像,对典型目标开展了3-D成像实验研究。结果表明,所研制的非扫描激光主动成像雷达可获得较好的目标区域3-D距离图像,成像距离达1.2km,距离分辨率为0.45m,成像帧频为20Hz。基于APD面阵探测器组件的非扫描激光主动成像雷达技术取得突破。     

距离选通技术在三维成像激光雷达中的应用研究

距离选通技术在三维成像激光雷达中有着重要应用,是一种解决水下微光成像和抑制后向散射问题的简单有效方法之一。文中概述了距离选通技术的原理和应用范围,根据实时成像的需求,提出了一种实时距离选通成像系统的设计方案,该方案只需要一次成像就可以完成距离选通成像并求解出目标距离。根据质心法求解距离的原理,详细推导了成像系统的距离像和距离精度,并用仿真软件仿真分析了该系统距离像的距离精度和目标距离、时间切片数量、信噪比之间的关系。仿真结果表明:距离精度受系统信噪比的影响很大,当信噪比大于2 000时,测距精度优于0.2 m。     

同步扫描水下激光成像系统的蒙特卡洛仿真及优化

针对水下激光同步扫描三角测距成像系统受水介质散射和吸收影响导致作用距离减小、目标反射点图像质量变差等问题,从辐射传输理论出发,采用蒙特卡洛方法建立水下激光传输的随机模型,利用TracePro软件进行光线追迹仿真,得到反射点图像相对散射光背景的对比度。探讨了目标距离、激光光强、基线距离、物镜口径等改变对对比度的影响关系,从而对水下激光同步扫描三角测距成像系统参数作了优化设计。最后从系统实际情况和需要出发,确定激光光强1 W,基线距离250 mm,成像物镜50 mm/F2,确保在7.5 m距离范围内,有较好的目标反射点图像对比度,从而保证了同步扫描三角测距原理的实施。     

基于图像的水下三点激光测距方法研究

基于光学成像原理和激光三角测距法,提出将三个点激光器与水下相机结合、根据水下光学图像对水下目标物距离进行测量的思路。建立了激光束与目标物垂直、与目标物之间存在旋转角、存在俯仰角三种情况下的三点激光测距理论模型,推导了目标物距离与水下激光光斑图像之间的数学关系,在此基础上得到了三种情况下的三点激光测距公式。研制了系统样机,并通过空气中和水下的距离测量实验,测试了测距模型和定标算法的误差。实验结果显示,在8.4 m范围内,使用统一测距公式对距离进行测量时,测距误差最大值约为35 cm,平均测量误差小于15 cm。研究成果可望用于水下目标较近距离的精确测距。     

面向卫星动中成像模式的地面实验系统

动中成像模式可实现卫星在大角度快速机动过程中成像,满足遥感观测多样化、定制化、精细化需求。分析了动中成像地面实验系统的基本原理,并在实验室搭建了一套面向动中成像模式的地面实验验证系统。该系统采用高精度、高稳定的动态气浮靶标和基于外触发信号的相机积分时间调整方法。研究了成像质量和光强的关系以及成像质量和相机探测器积分级数、卫星机动角速度的关系,开展了自定义运动曲线的动中成像实验。结果表明,在相机探测器线性区内,不同机动角速度与探测器积分级数获取的图像动态调制传递函数(MTF)值的范围为0.0918~0.1054,满足工程应用(0.1附近)的要求,且MTF值与机动角速度、探测器级数无关。动中成像实验中系统运行稳定,动态MTF值在0.1015±0.0098之间。     

空间CCD凝视成像跟踪系统的作用距离分析

在充分考虑了空间背景光辐射特性以及漫反射目标对相干光和自然光的不同反射特性的基础上,利用信号检测的统计学方法,导出了空间电荷耦合器件(CCD)凝视成像跟踪系统分别在激光照明主动跟踪模式和太阳光照明被动跟踪模式下的作用距离表达式。结果表明,空间CCD凝视成像跟踪系统在脉冲能量为1mJ的激光照明主动跟踪模式下可对1m2空间漫反射目标实现10km量级范围内的跟踪;而利用太阳光照明的被动跟踪模式下的跟踪距离可达几百千米。