水下激光成像距离选通同步控制电路设计

摘要：在水下激光成像系统中，由于复杂的水下环境对激光传输的影响较大，为了更加有效地实现距离选通功能，该同步控制电路的设计选用高性能的Altera Stratix III系列的FPGA。电路分为距离延迟和门延迟2个模块，创新地将激光测距思想加入距离延迟模块中，解决距离延迟时间较难精确获取的问题，并且在考虑各种延迟的情况下输出精确的选通脉冲。仿真结果表明，距离延迟时间和ICCD门延迟时间可精确到2 ns，误差最大为1 ns。
关键词：水下激光成像；距离选通；同步控制；激光测距

水下激光成像技术是基于蓝绿激光处于水下的传输“窗口”而发展起来的。激光器向水下目标发射脉冲激光，测量从目标反射回来的信号，获取目标的图像信息。由于蓝绿激光成像系统的高分辨率和较远的作用距离，除了可以应用于军事领域之外还广泛应用于水下监测、海洋生物遥测和石油开采等领域，因此对其研究是非常有意义的。由于水下溶解物质和悬浮体的存在，使得水下比较浑浊，产生后向散射影响比较严重，造成成像质量急剧下降。为了有效地克服后向散射的影响，常选用距离选通成像技术。
水下距离选通成像系统主要由窄脉冲激光器、同步控制装置、选通型ICCD摄像机组成。
同步控制技术主要是通过一个同步控制装置，完成脉冲激光器和ICCD摄像机同步工作，通过精确控制ICCD选通门的开肩和关闭来实现距离选通功能。为了有效同步，本设计使用高性能的FPGA产生纳秒级的选通脉冲选通ICCD摄像机，并且将测距的思想加入到电路中，对于固定距离和不定距离的水下目标成像都可以精确控制距离延迟时间和门延迟时间，提高了电路的稳定性和精确度，满足设计要求。

1 水的光学特性对成像的影响
水的光学特性包括水的吸收特性和散射特性。水对光的吸收程度在不同光谱区域是不同的，具有明显的选择性。研究表明，沿岸海水的光谱透射窗口为520 nm。在实验中，常用Nd：YAG脉冲激光器，输出波长为1．064μm经过调Q倍频得到532 nm的绿光。由于水对光的吸收造成光能量的损失，对于稍长距离的目标成像，应适当加强激光器的功率。
水的散射包括水本身的散射和水中悬浮颗粒引起的散射。水下成像系统中常采用脉冲激光，该激光脉冲在水下传输中会受到散射作用的影响，由于同一束光的光子在水体中的传输路径不同，引起了传输延迟，在时域上表现为脉冲的展宽。脉冲展宽对于单脉冲距离选通成像的影响较大，距离选通的要求之一，门延迟时间等于激光脉冲宽度，而激光在水下传输时发生展宽，因此需要知道具体展宽的程度。采用小角度逼近法和唯像法分别进行估算，但它们都具有局限性，对于实际应用中只具有参考价值。

2 水下距离选通同步控制原理
距离选通技术是通过脉冲激光器和选通ICCD摄像机在时序上正确配合，根据散射光返回的时间与目标反射光返回的时间不同，将摄像机的选通时刻正好设置在目标反射信号刚好到达ICCD摄像机时刻，选通后成像。水下同步控制距离选通成像原理图如图1所示，激光器发射很强的短脉冲，通过扩束，将目标的全部或者目标的关键特征部位照亮，由目标反射的激光返回到ICCD摄像机，当激光脉冲在往返途中时，ICCD摄像机选通门关闭，这样可以挡住后向散射光。当反射光到达ICCD摄像机时选通门开启，让来自目标的有用信号进入ICCD摄像机。选通门延迟时间与反射回来的激光脉冲一致，这样就可以大大减少后向散射的影响，提高回波信号信噪比。

3 水下距离选通激光成像同步控制装置
3．1 设计思路
水下激光成像系统中，由于水下的吸收严重，通常选用超短激光脉冲，又因为帧扫描周期为几十毫秒，无法与激光器同步，因此选用在CCD摄像机前加装选通像增强器，可以实现纳秒级选通。为了产生纳秒级的选通脉冲，需要有高频时钟信号，考虑到高频电路容易受外界噪声干扰及内部延时要小等问题，因此选用FPGA来完成设计。
理论上，假定距离延迟时间为T，激光脉冲在水下到目标并且从目标返回到接收器的距离为L，水下的相对折射率为n，光速为C，于是可得到T=nL／C；门延迟预设值为激光脉冲宽度。可是，由于水下环境比较复杂，要得到准确的相对折射率值很困难，同时，从前面分析可知，激光脉冲在水下传输时会发生展宽，所以不能直接通过计算得到准确的距离延迟和门延迟。