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。     

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。     

混沌脉冲激光雷达水下目标探测

海水对光波的吸收和散射,严重制约了激光雷达水下目标探测的性能。通过对激光在海水传输过程中产生后向散射的定量分析,说明了激光回波信号被海水后向散射影响的严重性。分析比较了距离选通技术和强度调制技术抑制海水后向散射的能力,提出了使用自身具有高频强度调制特性的混沌脉冲激光进行水下目标探测,设计了基于相关法测距的混沌脉冲激光雷达水下目标探测方案。通过对后向散射光以及带有不同后向散射强度的回波信号光的时域和频域特性的研究,使用互相关噪声水平算法判定混沌脉冲激光雷达抑制海水后向散射的能力。理论仿真分析表明,当后向散射光强度是混沌脉冲激光强度36倍时,仍能提取出目标信号。     

基于距离选通的水下偏振光成像系统的研究

光在水下传输受到吸收和散射的影响,限制了水下成像的成像距离和成像清晰度。为能抑制后向散射光的干扰,结合距离选通技术和偏振成像技术的各自的特点,提出了基于距离选通的偏振成像方式。基于距离选通的偏振成像一方面利用同步控制装置,时间上分离目标反射光,另一方面通过水体散射光和物体散射光解偏振度的差异来实现成像。本文分析了基于距离选通的偏振成像原理,具体给出了实验装置和实验过程。通过实验分析,得出基于距离选通的偏振成像技术运用于水下成像的可行性,且能大大提高图像的对比度,使其成像质量优于距离选通方式。     

水体后向散射光能量变化规律的仿真与实验

为了研究距离选通水下成像系统在采用等步长搜索策略进行目标搜索过程中增强型电荷耦合器件(ICCD)接收水体后向散射光能量的变化规律,建立了ICCD接收水体后向散射光能量计算模型,推导了单次成像时ICCD接收水体后向散射光能量的计算公式,对选通成像系统在搜索目标过程中,ICCD接收到水体后向散射光能量的变化规律进行了仿真计算和实验验证,利用ICCD显示图像的平均灰度和ICCD接收到水体后向散射光能量的对应关系,实验中得到了水体后向散射光能量变化规律的数据。结果表明,ICCD接收到的水体后向散射光能量随着距离增大近似呈指数下降。     

机载激光距离选通成像大气后向散射光强研究

结合距离选通技术在机载激光主动成像中的应用,对距离选通模型参数的时序关系进行了分析,得出了大气后向散射范围和单位截面的脉冲前点和后点时刻;给出了大气后向散射光强计算方法,并对机载激光主动成像斜程探测距离进行了修正;利用散射截面上点的物像关系,建立了探测成像系统光路图,给出了散射截面反射点与增强电荷耦合器(ICCD)探测器面接收点位置光强的对应关系;通过数字仿真分别得到水平和斜程探测器面光强的变化规律,以及像面上的光强分布情况;搭建了外场实验平台,得到实测结果与仿真结果的数据相对误差基本控制在5%以内,具有很好的符合程度,实测结果验证了所建模型的实效性。     

基于光束空间展宽的水下前向散射成像模型

基于主动照明的水下成像技术一直是人们感兴趣的方向之一.水对光的强烈散射和衰减,尤其是多次散射效应,使水下光束传输过程变得十分复杂.为分析和仿真水下成像过程,提出了一种基于空间展宽的水下前向散射成像模型,其空间展宽采用Wells提出的调制传递函数(MTF),并考虑了介于目标与接收器之间的水体散射光对像面照度的贡献.模型弥补了Wells模型与实测结果的偏差,仿真图像与实测图像具有较好的一致性,表明了模型在水下前向散射成像仿真方面的有效性.     

蓝绿激光水下成像系统的探测灵敏度分析

为了分析水下激光成像探测系统的探测能力,根据水下蓝绿激光主动成像系统的成像过程,分析了目标与背景的辐射特性、海水后向散射特性、距离选通特性以及激光发射器和接收器的性能,提出了一种基于光束扩展函数(BSF)的探测灵敏度模型。该模型在海水散射系数与衰减系数之比介于0~1的范围内都适用。通过对给定参数的系统进行分析计算,进一步讨论了激光发散角、系统接收口径和图像传感器选通门宽等因素对系统探测能力的影响。结果表明:当选通门宽等于激光脉冲宽度时,系统的探测深度达到最大。模型的建立将为系统设计和系统参量的优化选择提供理论依据。     

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。     

距离选通在水下激光成像系统中的应用

介绍了距离选通水下激光成像技术的原理及其技术进展,并具体设计与实现了一种新型的水下激光成像系统。距离选通成像方式是一种减小水介质后向散射的有效方法,利用水介质对可见光光谱的低损耗窗口效应,采用蓝绿波长的脉冲激光器提供主动照明,CCD作为接收器,可在提高目标场景照度的同时,减小后向散射的影响,实现水下距离选通激光成像。实验证明,水下距离选通激光成像技术可以克服传统水下成像的缺点,具有成像清晰,对比度高,不受环境光源的影响等优点,已成为国内外重点研究的关键技术。     

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。     

一种用于水下距离选通成像的变步长扫描方法

为了扫描时既减少"切片"数目又保证图像质量,采用一种用于距离选通水下激光成像的变步长的延迟递增方法,首先通过辐射探测理论和景深原理确定接收镜头的焦距和对焦位置以及系统需要扫描的范围,再依据水下激光脉冲时域展宽理论确定延迟递进的步长和相应的选通门宽,最后进行了仿真计算和实验.结果表明,在保证图像质量的同时,基于该方法的距...     

激光距离选通成像关键技术

距离选通技术是克服激光后向散射、提高激光距离选通成像系统信噪比的有效方法.阐述了激光距离选通成像原理,详细分析了距离选通关键技术,指出传统的距离选通同步控制系统的缺点,并提出一种改进的距离选通同步控制方案.     

水下二维及三维距离选通成像去噪技术研究

相比传统水下摄像机,水下距离选通成像的作用距离可提高两三倍,同时基于该技术可实现快速高分辨率三维成像,在水底详查、避障导航、海洋科学研究、矿藏开发等方面具有广泛应用前景。虽然距离选通成像可通过空间切片的方式抑制水体的后向散射噪声,实现感兴趣区较高质量的成像,但是,在选通图像中仍不可避免地存在空间切片水体的后向散射噪声,导致图像信噪比和对比度降低,尤其是对于远距离目标或低反射率目标。介绍了针对水下距离选通二维成像及三维成像去噪方面的技术研究。在二维成像方面,一是采用双平台自适应增强算法提高图像对比度,更好地满足人眼视觉要求;二是采用参考水体去噪算法实现含目标图像的水体去噪,提高信噪比。在三维成像方面,针对距离能量相关三维成像,一是利用参考水体去噪算法实现去噪三维重建,二是采用双边滤波法对三维图像中数据空洞进行修复,提高三维图像质量。所述四种方法可独立或联合用于水下距离选通成像的去噪增强,提高水下距离选通成像技术的性能。     

基于水体退化函数补偿方法的水下傅里叶单像素成像

水下光学成像的探测环境相对复杂。前向散射、后向散射和吸收极大地降低了水下光学成像的成像质量。单像素成像因其较高的抗噪声性而被认为是一种适合于水下光学成像的技术。对于水下单像素成像系统,目前存在的问题是需要采用结构光进行照明,当散斑在水下传播时,前向散射会使预先生成的散斑发生畸变。因此,重建结果的分辨率降低,重建结果模糊不清。为了减小前向散射对单像素成像系统的影响,对傅里叶单像素成像的重建过程进行改进。在空间谱域傅里叶单像素成像系统的水下退化函数进行估计,然后根据估计的退化函数实现目标空间谱反演。最后利用傅里叶变换对反演后的目标空间谱进行变换,最终获得目标的强度图像。理论分析和实验结果证明了该方法的有效性。利用该方法,能够有效地减小前向散射对成像质量的影响,提高了水下傅里叶单像元成像的重建结果质量。