水下激光距离选通成像理论及技术研究

激光主动成像理论和技术报告人：许廷发北京理工大学光电学院2011年3月12日主要内容1、国内外研究现状2、水下激光距离选通成像原理3、结束语22020/11/133中国的近代历史表明，侵略者多从海上发起进攻.因此建立强大海上防线对维护本国领海和领土安全具有特殊意义探索海洋的意义1海洋覆盖了地球表面约71%的面积。幅员辽阔，物产丰富，极具开发和利用价值2人口,资源,环境问题日益突出，各国都在积极寻求生存与发展之道,有效开发和利用海洋对可持续发展大计意义重大一、国内外研究现状《国家深海高技术发展专项规划(2009-2020年)》中明确要求显著增加深海高技术自主创新能力，突破并掌握一批深海核心技术与装备。32006年国家863计划“海洋技术”领域“深海探测与作业技术”专题“深海水下运载平台的激光距离选通成像探测技术研究”(2006AA09Z207)探索项目。2020/11/13一、国内外研究现状探测距离近空间分辨率高图像自然直观声学成像光学成像特点成像效果探测距离远空间分辨率低不易辨认水下成像技术分类及特点42020/11/13声光成像特性对比属性特征光学声学物理特性波长450~550nm，横波0.1~1MHz，纵波传播速度≈2.25×105km/s≈1.5km/s海空界面损耗低(T90≈98%)高技术指标单脉冲能量10Mw；10ns→100mJ1Kw；1.3ms→1.3J波束形状自然，2-D电子，1-D方向性5×10-3mrad5mrad相干性好好载波带宽数GHz数十kHz海水介质衰减有变动：5~0.2dB/m≈60dB/km(200kHz)折射率起伏有影响无影响目标探测目标种类点/面/体目标镜面/朗伯面反射及偏振效应分散式目标镜面反射水下成像＝声成像＋光电成像52020/11/13一、国内外研究现状同步扫描技术(空间区分)利用准直点/线阵激光与瞬时视场很窄的接收器间同步扫描成像。距离选通技术(时间区分)利用传输路径上水体绝大部分后向散射光噪声与目标反射光信号在不同时间到达探测器光敏面的特点，通过同步控制照明光源与探测器的选通时间，有选择地接收目标反射光，同时滤除水体后向散射光，实现选通成像效果。条纹管成像技术采用扇形脉冲激光照明，高速时间分辨条纹管接收反射回波信号，通过电磁场偏转，可获得包含目标距离－强度－方位的图像信息。结构光成像技术将一束窄带光束投射到三维目标表面，形成线状照明图案；再利用成像探测器从不同视角采集目标表面线状图像。结合照明与成像系统间的空间位置关系，便可获得目标表面较为准确的三维结构信息。62020/11/13一、国内外研究现状合成孔径共焦成像技术同时利用了合成孔径照明和共焦扫描成像两种技术，在光束由不同方向照射目标场景的同时，成像系统对目标场景按照明方向共焦成像。调制/解调成像技术采用经强度调制的连续或脉冲激光进行照明，并对返回调幅信号进行解调制来去除部分散射光噪声；采用子载波相干探测技术可将时域分散的散射光噪声和目标反射光信号分离开来，从而生成目标剖面图像或距离信息。偏振区分技术当自然光或主动光照明时，利用水体散射光与目标反射光间的偏振信息差异来滤除传输路径上的水体后向散射光；不仅能提高成像对比度，还能修正场景颜色。复原图像的可视距离比原图像提高近一倍。多视角图像重构技术采用多个主动成像系统，使照明与成像系统分离开来，以尽量减小照明与成像视场的重叠区域，可进一步提升系统作用距离。72020/11/13一、国内外研究现状同步扫描与距离选通成像技术8利用同步线扫描技术实现水下大范围搜索利用同步点扫描技术实现水下大范围搜索利用距离选通技术实现水下目标定位和精确打击2020/11/13一、国内外研究现状加拿大(LaserUnderwaterCameraImageEnhancer)LUCIE1LUCIE11990-1996LUCIE21998-2006LUCIE32006-200950-500mW527nm2kHzNd:YLF脉宽7ns门宽7ns700W300Kg2W532nm22.5kHzNd:YVO4脉宽7ns门宽3ns250W45Kg600mW532nm25kHzNd:YVO4脉宽1ns门宽5ns50W5Kg92020/11/13一、国内外研究现状美国1989年美国海军沿海系统中心开发了水下距离选通成像的实验系统；1994年美国SPARTA激光系统实验室研制了水下距离选通成像系统See-Ray；1995年美国研究人员测试了一种门宽低至120ps的选通成像系统；1997年在美国海军支持下，SEO(SchwartzElectro-Optics,Inc.)研制的水下激光距离选通成像系统ULIS。法国1992年，IFREMER研制的水下激光距离选通成像系统。俄罗斯和瑞典俄罗斯TURNLLC公司与瑞典LaserOptonix公司的AquaLynx系统。102020/11/13一、国内外研究现状新加坡2002年以来，南洋理工大学自主搭建了距离选通成像实验平台。丹麦2005年丹麦国防研究所和丹麦科技大学采用距离选通图像重构的方法分别获取了4到5米处的淡水以及盐度为15‰海水中的3-D图像。112020/11/13一、国内外研究现状德国德国交通运输部开发了一套由距离选通成像相机和荧光激光雷达组成的水下激光雷达，用于快速探测、定位和识别海底遗失货柜和有毒化学品。日本日本交通运输部研制了一款名为ULVS的激光距离选通成像系统，用于保障海下安全和对海下作业进行远程监控。122020/11/13一、国内外研究现状国外典型距离选通成像系统性能指标技术指标瑞典AquaLynx加拿大美国丹麦3-D激光雷达新加坡激光雷达成像LUCIELUCIE2See-Ray超短门宽系统激光器YAGYLFYVO4YAGYAGYAGYAG波长(nm)532532532532532532532重频(Hz)0.220002250030×32400×单脉冲能量(mJ)50000.025-0.250.08891001600.0043160平均功率(mW)100050-5002000×300140×脉宽(ns)67760.50.55最小门宽(ns)67350.120.26.1像管类型MCP18mmMCPMCP25mmMCPMCP18mmMCP25mm×最大增益250001,000,0001,000,000××××帧频(Hz)0.2303030×50×探测距离(AL)6.77.35×6.46.5××识别距离(AL)4.84.555.05.6×××132020/11/13一、国内外研究现状国内方面“十五”电子1411所南京理工大学“十五”北京理工大学“863计划”华中科技大学中船717所国产蓝绿脉冲激光器＋进口选通ICCD器件(ANDOR公司)，系统，可达到清水30~40m的作用距离。国产蓝绿脉冲激光器＋自研选通ICCD器件，系统可达到清水50m以上的作用距离。实验测试系统，理论研究142020/11/13一、国内外研究现状照明光源15激光光源成像探测器脉冲激光选通成像探测器选通控制器-=2020/11/13二、水下距离选通成像原理水下光传输和散射理论粒子的光散射特性16单个粒子对入射光的散射分布图瑞利散射米氏散射米氏散射前向和后向散射光呈均匀对称分布.散射光显著趋于前向散射光中的前向散射分量进一步增加.2020/11/13水下光传输和散射理论粒子光散射的解析和近似求解方法工程应用经验散射相函数：由实验或解析方法构建的相函数的经验表达式；其函数形式简单，所含自变量很少。17T矩阵法(TMM)分离变量法(SVM)有限元法(FEM)时域有限差分法(FDTDM)点匹配法(PMM)积分方程法(IEM)反常衍射近似(ADA)几何光学近似(FDTDM)2020/11/13水下光传输和散射理论应用最广泛的三种经验散射相函数2OTHG23/211()4(12cos)gpggOTHG相函数TTHG相函数FF相函数TTGHOTHG1OTHG2()(,)(1)(,)ppgpg2πFF2ππ211113cos1416π(1)4π111vvvvvvpvu18θ为散射角0≤g≤1为常数θ为散射角，0≤g1,g2≤1，0≤α≤1为常数2020/11/13水下光传输和散射理论经验相函数评价方法式中，N为散射角采样个数；pe和pr分别为经验和基准相函数；θmax和θmin为相函数对比的散射角上限和下限；Pe和Pr分别为pe和pr的累积分布函数。评价方法对数平均偏差加权平均偏差累积分布偏差191010121log()log()100NeiripirppNmaxmin22maxmin()()1200sin()()erperppdppmaxmin23maxmin1100[()()]perPPd侧重前向和后向散射角的拟合精度侧重整体散射系数的拟合精度侧重前向散射角的拟合精度2020/11/13水下光传输和散射理论基准相函数的选取清洁和浑浊海水条件下散射相函数的典型值粒径分布已知的4种单组分多分散系的米氏理论相函数200.0010.11010000.1110100p(θ)/sr-1Scatteringangleθ/ºClearseawaterTurbidseawaterJonasz等人对大量实测海水相函数统计平均值01234560.040.4440400Volume(%)ParticleDiam./μmC1C2C3C40.0010.11010000.1110100pMie/sr-1Scatteringangleθ/ºC1C2C3C4悬浮液微粒尺寸分布图微粒集合米氏散射相函数2020/11/13水下光传输和散射理论基准相函数：清洁和浑浊海水的典型相函数值0.0010.11010000.1110100p(θ)/sr-1Scatteringangleθ/ºJonaszFFOTHGTTHGClearseawater(Δp1)0.0010.11010000.1110100p(θ)/sr-1Scatteringangleθ/ºJonaszFFOTHGTTHGTurbidseawater(Δp1)0.0010.11010000.1110100p(θ)/sr-1Scatteringangleθ/ºJonaszFFOTHGTTHGClearseawater(Δp2)0.0010.11010000.1110100p(θ)/sr-1Scatteringangleθ/ºJonaszFFOTHGTTHGTurbidseawater(Δp2)21OTHG、TTHG、FF经验相函数相对海水相函数典型值的最佳拟合曲线(Δp1和Δp2)典型海水OTHGTTHGFFΔp1/Δp2gΔp1/Δp2g1g2αΔp1/Δp2mn清洁3.66*0.963.30*0.990.890.702.63*3.391.0914.60.9612.40.97-0.950.999.483.461.07浑浊3.55*0.952.13*0.990.870.672.11*3.531.085.200.954.950.990.880.652.813.411.11结论1、FF拟合偏差最小；OTHG自变量最少，但拟合偏差最大；2、FF在log-log坐标系中与散射角呈近似线性关系，这与海水典型相函数分布很类似。2020/11/13水下光传输和散射理论基准相函数：单组分多分散系的米氏理论相函数2200.20.40.60.810.1110100P(θ)Scatteringangleθ/ºMieFFOTHGTTHGC4(Δp3)00.20.40.60.810.1110100P(θ)Scatteringangleθ/ºMieFFOTHGTTHGC