水下激光成像距離選通同步控制電路設計

陳 睿 ， 陳名松， 王 斌

（桂林電子科技大學 信 息與通信學院，廣西 桂 林541004）

水下激光成像技術是基于藍綠激光處于水下的傳輸“窗口”而發展起來的[1]。激光器向水下目標發射脈沖激光，測量從目標反射回來的信號，獲取目標的圖像信息。由于藍綠激光成像系統的高分辨率和較遠的作用距離，除了可以應用于軍事領域之外還廣泛應用于水下監測、海洋生物遙測和石油開采等領域，因此對其研究是非常有意義的。由于水下溶解物質和懸浮體的存在，使得水下比較渾濁，產生后向散射影響比較嚴重，造成成像質量急劇下降。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[2]。

水下距離選通成像系統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選通門的開啟和關閉來實現距離選通功能。為了有效同步，本設計使用高性能的FPGA產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，提高了電路的穩定性和精確度，滿足設計要求。

1 水的光學特性對成像的影響

水的光學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[3]。在實驗中，常用Nd：YAG脈沖激光器，輸出波長為1.064 μm經過調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成像，應適當加強激光器的功率。

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生展寬，因此需要知道具體展寬的程度。采用小角度逼近法[4]和唯像法[5]分別進行估算，但它們都具有局限性，對于實際應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，根據散射光返回的時間與目標反射光返回的時間不同，將攝像機的選通時刻正好設置在目標反射信號剛好到達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，激光器發射很強的短脈沖，通過擴束，將目標的全部或者目標的關鍵特征部位照亮，由目標反射的激光返回到ICCD攝像機，當激光脈沖在往返途中時，ICCD攝像機選通門關閉，這樣可以擋住后向散射光。當反射光到達ICCD攝像機時選通門開啟，讓來自目標的有用信號進入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[2]。

圖1 水下同步控制距離選通成像原理圖

3 水下距離選通激光成像同步控制裝置

3.1 設計思路

水下激光成像系統中，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，可以實現納秒級選通[7]。為了產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部延時要小等問題，因此選用FPGA來完成設計。

理論上，假定距離延遲時間為T，激光脈沖在水下到目標并且從目標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；門延遲預設值為激光脈沖寬度[6]?？墒?，由于水下環境比較復雜，要得到準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生展寬，所以不能直接通過計算得到準確的距離延遲和門延遲。

本設計對上述問題提出解決方案，其工作原理圖如圖2所示。工作時，激光器首先向水下目標發射脈沖激光束，由2個PIN管探測到的信號分別作為選通的起始信號和結束信號，該計數值可以通過電路中的數碼管直觀看出。當第二次發射激光束時，以第一次測得的距離延遲為計數初值，還應考慮PIN管的響應時間、觸發電路的延時和像增強器驅動電路的延時，提前輸出選通脈沖。由于在水下傳輸過程中激光脈沖發生展寬，對于門延遲時間置數在未經傳輸前激光脈寬的基礎上，不斷增加門延遲計數初值，當得到滿意的選通圖像時，系統復位。

圖2 系統工作原理圖

3.2 設計過程

根據上述的設計思路，在實現過程中，選用了脈沖寬度為6 ns，重復頻率為1 kHz的激光器，有效選通脈寬小于等于40 ns的像增強器，通過光錐耦合方式與CCD相連的ICCD，速率可達到500 MHz的Altera StratixⅢ系列的FPGA，它是一種低功耗高性能的FPGA，步長可達到2 ns。同步控制的原理圖如圖3所示，該設計包含2個模塊，第1個模塊實現測距和定時計數的功能并且輸出門開啟脈沖，第2個模塊實現定時功能產生門關閉脈沖。

圖3 同步控制電路原理圖

當激光器發射第一個脈沖激光束時，經分光器分光后一小部分光被PIN管接收，將光信號經觸發電路形成高電平信號，開始啟動第一個模塊的測距功能，其中一個計數器進行加計數而另一個計數器暫不工作。當從目標反射回來的光剛到達接收端時，放置在接收端的PIN管接收到信號，并通過觸發產生測距停止的信號，測距的結果可通過數碼管直觀看出。

當激光脈沖發射第二個脈沖激光束時，由觸發電路產生的高電平信號繼續啟動第一個模塊工作，其中一個計數器以第一次計數值為初值開始做遞減計數，當計數器減到零時，輸出高電平脈沖作為選通脈沖，打開ICCD選通門，而另外一個計數器將做第二次測距工作，進行遞加計數，作為下一次選通計數的初值。

當選通脈沖到來的同時啟動第二個模塊，由程序控制設定的計數初值作為起始值，計數器進行減計數，當計數減到零時，輸出高電平脈沖關閉ICCD選通門，一次選通過程結束，等待下一個脈沖的到來。

3.3 仿真與分析

本設計仿真在Altera公司的開發軟件QuartersⅡ8.0中完成，使用Verilog語言對模塊進行編輯。本文分別對兩個模塊進行仿真，仿真結果如圖4所示。

時鐘周期為2 ns，pulse為觸發脈沖，cnt為模塊中一個計數器的計數值，cnt1為模塊中另一個計數器的計數值。o_pulse為選通脈沖。程序中假定測出的距離延遲時間為8個周期。由圖4可看出，cnt和cnt1不斷實現測距和計時功能，第一個觸發脈沖到來，cnt計數完成測距功能而cnt1不工作，當接收到目標反射回來的觸發脈沖時，cnt實現計時功能而cnt1完成測距工作。此功能在程序中采用的狀態機的方法實現。此仿真還考慮到觸發延時和ICCD的開機延時，這些延時都可通過實驗測得，在這里假定延遲為一個周期，如果沒有考慮延遲，當cnt等于0時刻將輸出一個開機脈沖，由圖4可看出：該脈沖提前一個周期輸出，實現精確計時。

圖5為門延遲模塊仿真圖。從圖5可以看出，Pulse為開機脈沖，cnt1為門延遲計時，當脈沖來，計數器開始計時。在仿真中考慮到脈沖在水下傳輸的延遲問題，因此門延遲的計數初值為基準，每來一個脈沖，計數初值加1，直到得到滿意的選通圖像為止。為了更加精確，程序中可采用阻塞賦值的方法產生微小延遲。

圖4 距離延遲模塊仿真圖

圖5 門延遲模塊仿真圖

該設計將預置初值和計時統一起來，簡化在實際過程中的人為操作，一旦脈沖激光束發射將自動完成選通工作。設計中使用的邏輯資源少，可以大大減小信號傳輸延時，對電路的穩定性能有較大提高。

4 結論

距離選通技術可以減小因后向散射產生的背景噪聲，提高成像系統的信噪比，使成像質量得到較大提高，但需要嚴格控制時序才能有效實現。通過水下環境對成像質量的分析，闡述了在水下對激光成像中存在的問題。為了提高同步控制的精確度，采用了高性能的FPGA，產生納秒級選通脈沖選通ICCD攝像機。傳統的同步控制電路中，常采用預置和計數分開，將理論計算值作為延遲計數值等，對于環境比較復雜的情況下將出現較大誤差。

本設計將測距思想引入該裝置中，對于未知距離的目標以及不定距離的目標均能自動成像，廣泛應用于對水下目標的探測和成像系統中。

[1]陳名松，張德琨，周勝源.距離選通激光水下成像系統中同步控制裝置的設計[J].桂林電子工業學院學報，2001（21）：6-9.

[2]Swartz Barry A，James D.Cummings laser range gated underwater imaging including polarization discrimination[J].SPIE，1991，37（15）：42-56.

[3]孫傳東，陳良益，高立民.水的光學特性及其對水下成像的影響[J].應用光學，2000，21（4）：39-46.

[4]賀細順，朱曉，譚雪松.海水散射引起激光脈沖傳輸延遲的研究[J].激光與紅外，2001，31（1）：19-21.

[5]章正宇，周守桓，眭曉林.激光脈沖水下傳輸時域展寬特性的分析計算[J].光學學報，2003，23（7）：850-854.

[6]HE Duo-min，Gerald G L.Divergent-beam lidar imaging in turbid water[J].Optics and Lasers in Engineering，2004（41）：217-231.

[7]徐效文，郭勁，于前洋.激光距離選通成像關鍵技術[J].激光技術，2003，27（6）：603-605.