一種用于水下激光成像的光學系統(tǒng)設(shè)計

王四林，陳志凌

（華中光電技術(shù)研究所 武漢光電國家實驗室，湖北 武漢 430074）

水下激光同步掃描成像是一種主動式的水下觀察、測距和成像技術(shù)，具有目標圖像信息直觀，分辨率高，并可進行大面積探測等優(yōu)點，是非常有發(fā)展前途的水下信息探測技術(shù)，可對水下目標進行搜索、偵察、監(jiān)視，有利于提高水下航行的安全性，并可在水雷對抗，水下勘測、海洋開發(fā)、救生打撈等方面發(fā)揮重要作用。

1 系統(tǒng)原理及組成

同步掃描技術(shù)能有效地抑制海水的后向散射，對提高水下成像質(zhì)量和作用距離有顯著效果，它將激光器與光接收器之間拉開一定距離，采用點掃描照射方式和同步跟蹤接收，盡量減少后向散射進入接收器。激光束經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡對場景逐行掃描，接收器同步接收場景的反射光，通過載體平移擴展縱向視場，可得到高分辨率的二維場景圖像。

水下激光同步掃描成像系統(tǒng)主要由激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、同步掃描機構(gòu)、圖像處理系統(tǒng)等幾部分組成。

激光器發(fā)射激光照射到掃描反射鏡上，掃描反射鏡的旋轉(zhuǎn)使反射激光束透過出射窗在一定距離處的目標上掃描。同時，接收反射鏡與掃描反射鏡同步旋轉(zhuǎn)。掃描光束經(jīng)目標漫反射后，一部分光線經(jīng)入射窗口、接收反射鏡后進入光學系統(tǒng)。光學系統(tǒng)將目標光線匯聚到光電倍增管上得到目標的像點。通過垂直于載體運動方向的橫向掃描，掃描出一組平行的線段，經(jīng)圖像處理后即得到目標區(qū)域的二維圖像。

2 難點分析及解決措施

由于水下環(huán)境的特殊性以及水介質(zhì)光學特性的影響，水下激光同步掃描成像與一般的大氣中成像情形大不相同。同時，激光束的出射與接收都是通過同步旋轉(zhuǎn)的反射鏡來實現(xiàn)，成像光路的分析比普通成像系統(tǒng)困難。

2.1 水對光線的散射和吸收

水對光線的吸收使光在水中傳輸?shù)哪芰侩S距離增加按指數(shù)規(guī)律迅速衰減，光束的傳輸距離受到限制。水對光線的散射使背景雜光增大，降低圖像的對比度。

如果要增大傳輸距離和提高成像質(zhì)量，就要適當提高激光出射光束的初始能量，且激光束發(fā)散角度要小。同時，增大激光發(fā)射和接收系統(tǒng)之間的距離，壓縮探測器的接收視場，以減小照明視場與接收視場的共用水域面積，最大限度地抑制后向散射。

2.2 光線在水、玻璃、空氣界面的折射

設(shè)目標點A距窗口下表面的距離為L 0，經(jīng)窗口下表面、上表面反射后的虛像點C、B距窗口下表面的距離分別為L1、L2，玻璃窗口厚度為d，如圖1所示。

圖1 窗口折射示意圖

由于目標點A及其像點B、C與窗口距離遠大于各自出射光線在窗口界面上的出射點的水平方向偏移量，即出射光線與窗口法線的夾角足夠小，可得：L1n1＝L0n2；（L1+d）n3=（L2+d）n2則 L1=9/8 L0，L2=3/4 L0-1/3 d。可見，經(jīng)水－玻璃－空氣折射后，虛像點相對目標點向窗口靠近了，靠近的距離為：

一般L≥d，可取Δ=L0/4，即水中目標點相對光學鏡頭物距縮短了L0/4，光學系統(tǒng)在水下的視場減小。為克服窗口折射的影響，需要合理設(shè)計窗口的結(jié)構(gòu)，并對窗口的像差進行分析，將窗口與接收光學系統(tǒng)進行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

2.3 光束在掃描反射鏡上的旋轉(zhuǎn)

設(shè)掃描反射鏡與掃描軸的夾角為α（0<α<90°），水下激光同步掃描成像系統(tǒng)在掃描過程中入射光線方向不變，始終沿x軸正方向入射，則對應(yīng)矢量為：A 0=[100];

對應(yīng)的反射作用矩陣為：

即當掃描角度為0時，出射光線在X Y平面內(nèi)，且與x軸正向的夾角為2 α。

當掃描角度為θ時，對應(yīng)的反射作用矩陣為

對應(yīng)的出射光線方向矢量為：

可以看出，當反射鏡與掃描軸角度確定即α為定值時，任意掃描角度時出射光線與y z平面成一固定角度，即90°-2 α。

根據(jù)水下激光同步掃描成像系統(tǒng)的原理及要求，出射光束應(yīng)始終垂直于掃描軸，即在y z平面上，由90°-2 α＝0可得α＝45°。

當α＝45°時，在任意掃描角度

對應(yīng)的出射光線方向矢量為：A謖=R0A0[0 c o s θ s i n θ]

即出射光線在掃描軸向沒有偏移，且出射光線與反射鏡同方向同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，相對y軸的轉(zhuǎn)角為θ。因此，為保證反射鏡掃描過程中出射光束始終垂直于掃描軸且與反射鏡轉(zhuǎn)過相同的角度，出射反射鏡與掃描軸的夾角確定為45°。

2.4 出射與入射光學窗口的設(shè)計

出射與入射光學窗口是激光成像光學系統(tǒng)的一部分，也是激光成像系統(tǒng)直接與海水接觸的殼體的重要組成部分。經(jīng)綜合分析和比較后，水下激光同步掃描成像系統(tǒng)中出射窗口和入射窗口均設(shè)計成柱面結(jié)構(gòu)。任一時刻的掃描平面內(nèi)的出射柱面窗口可看成平行平板，且激光束總是沿平板的法線方向正入射，光束無偏折地穿過出射窗口。但是，任一掃描時刻，目標的漫反射光束總是經(jīng)入射窗口大面積透射后再到達接收反射鏡，對應(yīng)的入射窗口柱面的徑向曲率變化對光束有較大的發(fā)散作用，因此不能看作平行平板，其折射情況要根據(jù)掃描距離進行計算。光學鏡頭也要根據(jù)實際情況設(shè)計對應(yīng)的透鏡矯正折射引起的像差。

3 光學系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果

圖2 光學系統(tǒng)總圖

根據(jù)以上分析，設(shè)計了相應(yīng)的水下光學系統(tǒng)。取系統(tǒng)的掃描距離為3.5 m～50 m，掃描角度為70°，聚光鏡系統(tǒng)的口徑D=53 m m，視場2 w=24°，焦距f′=100 m m，擴束鏡系統(tǒng)焦距為f′=-100 m m。聚光鏡系統(tǒng)和擴束鏡系統(tǒng)均由兩片球面透鏡組成，透鏡的最大有效口徑為φ108 m m。

水下激光同步掃描成像系統(tǒng)的光學系統(tǒng)總圖如圖2所示。

不同掃描距離時，光闌處彌散圓情況如圖3所示。

圖3 光闌處光斑變化

圖4 探測器上的能量分布

不同掃描角度時，探測器上能量分布如圖4所示。

由此可見，不同掃描距離時，如果光闌處彌散圓足夠小且斑點尺寸基本不變，將有利于光闌孔徑的設(shè)計。不同掃描角度時，探測器上能量變化不大，且分布比較均勻，能夠滿足圖像處理的要求。

4 結(jié)語

文章根據(jù)水下激光同步掃描成像的原理，在深入分析水下激光同步掃描成像光學系統(tǒng)的難點和特點的基礎(chǔ)上，提出了克服水對光線的散射、光學窗口對光線的折射、旋轉(zhuǎn)反射鏡對光線的偏轉(zhuǎn)等難點的解決方法，設(shè)計了滿足要求的開普勒望遠型光學系統(tǒng)。

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