水下激光成像距離選通同步控制電路設(shè)計

摘要：在水下激光成像系統(tǒng)中，由于復(fù)雜的水下環(huán)境對激光傳輸?shù)挠绊戄^大，為了更加有效地實現(xiàn)距離選通功能，該同步控制電路的設(shè)計選用高性能的Altera Stratix III系列的FPGA。電路分為距離延遲和門延遲2個模塊，創(chuàng)新地將激光測距思想加入距離延遲模塊中，解決距離延遲時間較難精確獲取的問題，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(jié)果表明，距離延遲時間和ICCD門延遲時間可精確到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)展起來的。激光器向水下目標(biāo)發(fā)射脈沖激光，測量從目標(biāo)反射回來的信號，獲取目標(biāo)的圖像信息。由于藍綠激光成像系統(tǒng)的高分辨率和較遠的作用距離，除了可以應(yīng)用于軍事領(lǐng)域之外還廣泛應(yīng)用于水下監(jiān)測、海洋生物遙測和石油開采等領(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(tǒng)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)主要是通過一個同步控制裝置，完成脈沖激光器和ICCD攝像機同步工作，通過精確控制ICCD選通門的開肩和關(guān)閉來實現(xiàn)距離選通功能。為了有效同步，本設(shè)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(biāo)成像都可以精確控制距離延遲時間和門延遲時間，提高了電路的穩(wěn)定性和精確度，滿足設(shè)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(qū)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。在實驗中，常用Nd：YAG脈沖激光器，輸出波長為1．064μm經(jīng)過調(diào)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，對于稍長距離的目標(biāo)成像，應(yīng)適當(dāng)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(tǒng)中常采用脈沖激光，該激光脈沖在水下傳輸中會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，在時域上表現(xiàn)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，門延遲時間等于激光脈沖寬度，而激光在水下傳輸時發(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行估算，但它們都具有局限性，對于實際應(yīng)用中只具有參考價值。

2 水下距離選通同步控制原理
距離選通技術(shù)是通過脈沖激光器和選通ICCD攝像機在時序上正確配合，根據(jù)散射光返回的時間與目標(biāo)反射光返回的時間不同，將攝像機的選通時刻正好設(shè)置在目標(biāo)反射信號剛好到達ICCD攝像機時刻，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，通過擴束，將目標(biāo)的全部或者目標(biāo)的關(guān)鍵特征部位照亮，由目標(biāo)反射的激光返回到ICCD攝像機，當(dāng)激光脈沖在往返途中時，ICCD攝像機選通門關(guān)閉，這樣可以擋住后向散射光。當(dāng)反射光到達ICCD攝像機時選通門開啟，讓來自目標(biāo)的有用信號進入ICCD攝像機。選通門延遲時間與反射回來的激光脈沖一致，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(shè)計思路
水下激光成像系統(tǒng)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，可以實現(xiàn)納秒級選通。為了產(chǎn)生納秒級的選通脈沖，需要有高頻時鐘信號，考慮到高頻電路容易受外界噪聲干擾及內(nèi)部延時要小等問題，因此選用FPGA來完成設(shè)計。
理論上，假定距離延遲時間為T，激光脈沖在水下到目標(biāo)并且從目標(biāo)返回到接收器的距離為L，水下的相對折射率為n，光速為C，于是可得到T=nL／C；門延遲預(yù)設(shè)值為激光脈沖寬度?？墒?，由于水下環(huán)境比較復(fù)雜，要得到準(zhǔn)確的相對折射率值很困難，同時，從前面分析可知，激光脈沖在水下傳輸時會發(fā)生展寬，所以不能直接通過計算得到準(zhǔn)確的距離延遲和門延遲。