水下选通式激光成像中的脉宽与选通时间匹配设计
水导激光波长
水导激光波长引言水导激光是一种利用激光技术在水中传输信息的方法。
在水下通信、水下成像、水下测量等领域具有广泛的应用。
而水导激光波长是指在水中传输的激光的波长，它对于实现高效的水下通信和成像至关重要。
本文将从以下几个方面来讨论水导激光波长：概述、选择因素、应用和发展趋势。
概述在水中传输信息时，由于水分子对不同波长的光吸收和散射特性不同，选择合适的波长可以最大程度地减小信号衰减和传输损耗，提高通信和成像质量。
因此，研究人员一直致力于寻找适合水导激光的波长。
目前常用的水导激光波长主要集中在可见光和红外光区域。
其中，可见光区域包括蓝色（400-500nm）、绿色（500-600nm）和红色（600-700nm），红外光区域包括近红外（700-900nm）和中红外（900-2500nm）。
选择因素选择合适的水导激光波长需要考虑多个因素，包括水的光学特性、传输距离、通信速率和设备成本等。
水的光学特性水分子对不同波长的光有不同的吸收和散射特性。
在可见光区域，蓝色光波长较短，容易被水分子吸收和散射，传输距离较短；红色光波长较长，能够在水中传输更远。
而在红外光区域，近红外光波长相对较短，适用于近距离通信和成像；中红外光波长相对较长，能够在水中传输更远。
传输距离不同应用场景对传输距离有不同要求。
一般来说，在浅海或近海环境下，可见光区域（特别是蓝色和绿色）的激光波长可以满足需求；而在深海或远海环境下，红外光区域的激光波长更适合。
通信速率通信速率是衡量水导激光通信性能的重要指标之一。
根据香农公式，通信速率与信噪比成正比。
而不同波长的光在水中的传输损耗和衰减程度不同，因此选择合适的波长可以提高通信速率。
不同波长的激光器和接收器的制造成本存在差异。
一般来说，可见光区域的设备成本较低，而红外光区域的设备成本较高。
因此，在实际应用中需要综合考虑设备成本和性能需求。
应用水导激光波长在水下通信、水下成像和水下测量等领域有广泛应用。
一种应用距离选通成像技术的微光望远镜
一种应用距离选通成像技术的微光望远镜张跃民;刘晓莉;陈洲;赵路民;张红;张金涛【摘要】利用红外波长的激光对微光系统进行辅助照明,改善目标区域的环境照度和对比度,使目标从视场中凸显出来,提高微光系统的探测距离,改善观察效果.采用距离选通技术,合理匹配激光脉冲与选通像增强器的工作时序,屏蔽目标前后非目标反射光以及来自大气中悬浮微粒产生的杂散光干扰,解决同轴照明后向散射问题,达到只观察选定距离内目标的目的.通过微光选通望远镜的工程实践,将激光距离选通技术成功地运用于微光探测领域中,在无月星光,照度为1×10-3 lx,大气能见度为10 km条件下,对中型坦克或卡车侧面目标的识别距离可达到1 400m.%Under the help of auxiliary lighting on low-light level system by using laser with infrared wavelength,environmental illumination and contrast of object area can be improved,making the object outstand from vision area,which can effectively enlarge the range of lowlight detection and improve the observation effects.Adopting range gating technology,properly arranging the work order between laser pulse and gated image intensifier,shielding the object from troubling by inflected light around the object and stray light from airborne suspended particulates,solving coaxial illumination back scattering problem,the object only from the selected range can be observed.Through engineering practices of laser assistant low-light level binoculars,the range gating technology is successfully applied to low-light detecting area,and the recognizable range for medium tank and the truck broadside is up to 1 400 m under simple background conditions,withoutmoonlight or starlight,with illumination of 1 × 10-3lx and atmosphere visibility of 10 km.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2013(034)004【总页数】5页(P667-671)【关键词】激光照明;微光选通望远镜;距离选通;后向散射【作者】张跃民;刘晓莉;陈洲;赵路民;张红;张金涛【作者单位】河南平原光电有限公司,河南焦作454001;焦作大学机电工程学院,河南焦作454000;河南平原光电有限公司,河南焦作454001;河南平原光电有限公司,河南焦作454001;河南平原光电有限公司,河南焦作454001;河南平原光电有限公司,河南焦作454001【正文语种】中文【中图分类】TN249引言微光望远镜主要用于夜间观察、搜索目标，可利用镜内分划观测炸点位置，修正射击偏差，同时也可作为夜间侦察、监控装备使用。
基于时钟移相相或的高精度脉冲对产生方法
基于时钟移相相或的高精度脉冲对产生方法崔伟;商洁;范松涛;王新伟;周燕【摘要】针对超分辨率三维选通成像中同步控制脉冲对精度低的问题,提出了时钟移相相或的高精度脉冲对产生方法.该方法首先对可编程器件的系统时钟进行等差相位的数字移相产生多路时钟信号,再根据脉冲对中延时值和脉宽值选择对应的两路时钟产生脉宽信号,最后将两路脉宽信号进行相或运算得到高精度的脉冲对信号.实验表明,该方法可以将延时和脉宽的控制精度提高到1 ns,优于传统脉冲产生方法的5 ns精度,使超分辨率三维选通成像系统在直径2.5 m视场内的距离分辨率达到1 cm,为对更小目标进行成像和识别提供技术基础.%A method of clock phase shift and OR operation was put forward for high precision synchronous con-trol pulse-pairs in 3D super-resolution range-gatedimaging.Firstly,multi channel clock signals were generated by shifting phase arithmetically for the system clock.In the next place,two of the clock signals were chosen based on the pulse width and the delay for two pulse signals.Finally,high precision synchronous control signals were generated by the OR operation with the two pulse signals.Experiments results showed that the proposed method could attain the precision of 1 ns for delay and pulse width and the range resolution could reach 1 cm in field of view with 2.5 meters in diameter,which could make it possible to image and identify smaller target for 3D super-resolution range-gated imaging.【期刊名称】《探测与控制学报》【年(卷),期】2017(039)002【总页数】4页(P111-114)【关键词】超分辨率三维选通成像;脉冲对精度;时钟移相相或【作者】崔伟;商洁;范松涛;王新伟;周燕【作者单位】中国辐射防护研究院保健物理研究所,山西太原 030006;中国科学院半导体研究所光电系统实验室,北京 100083;中国辐射防护研究院保健物理研究所,山西太原 030006;中国科学院半导体研究所光电系统实验室,北京 100083;中国科学院半导体研究所光电系统实验室,北京 100083;中国科学院半导体研究所光电系统实验室,北京 100083【正文语种】中文【中图分类】TN249超分辨率三维选通成像技术是一种新型的三维成像技术，利用激光脉冲和选通门脉冲的卷积作用获取目标的空间能量包络，通过相邻两帧切片图像间的像素强度比与距离向能量比之间的映射关系实现目标三维空间信息的快速反演，获取目标的三维图像。
水下光学探测发展综述
一、水下探测技术发展现状光在水中传播，接收器接收的光信息主要由 3 部分组成：从目标反射回来并经水介质光在水中传播，接收器接收的光信息主要由3 部分组成：从目标反射回来并经水介质吸收、散射损耗后的成像光束；光源与目标之间水介质散射的影响图像对比度的后向散射光；目标与接收器之间水介质散射较小角度并直接影响目标细节分辨率的前向散射光。
与大气成像技术相比，水下成像技术的研究重点就是减小水介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对水下通信、成像、目标探测所造成的影响。
目前主要有几种成像技术在实际中得到应用且达到较好的工作效果，它们的工作原理和技术特点如下所述。
1 同步扫描成像同步扫描技术是扫描光束(连续激光)和接收视线的同步，利用的是水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理。
该技术采用准直光束点扫描和基于光电倍增管的高灵敏度探测器的窄视域跟踪接收。
如图1，激光扫描装置器使用窄光束的连续激光器, 同时使用窄视场角的接收器, 探测器与激光扫描装置分开放置，这样使得被照明水体和接收器视场的交迭区域尽量减少, 从而让后向散射光尽量少地进入接收器中,再利用同步扫描技术, 逐个像素点探测来重建图像，有效地提高成像的信噪比和作用距离。
美国Westinghouse 公司为美国海军生产的一种机械同步扫描SM2000 型水下激光成像系统, 其成像距离是普通水下摄像机的3 ～5 倍，有效视场可达70°，在30m 作用距离上可分辨25mm 量级的图像。
该系统的有效视场大约为距离选通技术的5 倍, 成像质量(即分辨率)也比距离选通好。
图1：2、距离选通技术距离选通技术是利用脉冲激光器和选通摄像机，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像。
如图2，采用脉冲激光源照明目标，接收端使用距离选通门，在照射的短脉宽激光的光从目标返回前，相机快门一直关闭，信号光抵达时，快门才打开，这样使得接收器几乎同时接收到整个视场内所有景物的反射光。
水下激光通信
海水的散射特性
海水的散射比大气的散射要复杂得多，海水的散射包括 水本身的瑞利散射和海水中悬浮粒子引起的米氏散射 及透明物质折射所引起的散射。 纯水的散射被当做是一种分子的散射，水分子的直径 比可见光波长小几百倍。而分子半径远小于入射光波长 的分子散射，可以用瑞利散射定律来描述。
瑞利散射（Rayleigh scattering）是由比光波波长还要小 的气体分子质点引起的。散射能力与光波波长的四次方成反 比，波长愈短的电磁波，散射愈强烈；如雨过天晴或秋高气 爽时，就因空中较粗微粒比较少，青蓝色光散射显得更为突 出，天空一片蔚蓝。瑞利散射的结果，减弱了太阳投射到地 表的能量，使地面的紫外线极弱而不能作为遥感可用波段； 使到达地表可见光的辐射波长峰值向波长较长的一侧移动， 当电磁波波长大于1微米时，瑞利散射可以忽略不计。
信道的香农极限（或称香农容量）指的是在会随机发生误码的信道上进 行无差错传输的最大传输速率。它的存在是香农定理在带宽有限的信道 上的一个结论。
由于声波在水中的衰减最小，水声通信适用于中长距离 的水下无线通信。在目前及将来的一段时间内，水声通信是 水下传感器网络当中主要的水下无线通信方式。但是水声通 信技术的数据传输率较低，因此通过克服多径效应等不利因 素的手段，达到提高带宽利用效率的目的将是未来水声通信 技术的发展方向。 水下光通信具有数据传输率高的优点，但是水下光通信 受环境的影响较大。克服环境的影响是将来水下光通信技术 的发展方向。
与水下声学通信技术相比，光学通信技术可以克服水下声学通 信的带宽窄、受环境影响大、可适用的载波频率低、传输的时 延大等不足。 首先，由于光波频率高，其信息承载能力强，可以实现水下大 容量数据传输，目前可见光谱的水下通信实验可以达到传输千 兆(Gbps)量级的码率； 其次，光学通信具有抗干扰能力强，不易受海水温度和盐度变 化影响等特点，具有良好的水下电子对抗特性； 第三，光波具有较好的方向性，如被拦截，会造成通信链路中 断，使用户会及时发现通信链路出现故障，因此具有高度的安 全保密性； 第四，光波波长短，收发天线尺寸小，可以大幅度减少发射与 接受装备的尺寸和重量，并且目前光电器件的转换效率不断提 升，功耗不断降低，这非常适合水下探测系统设计对有效载荷 小型化、轻量化、低功耗的要求。
水下目标探测与识别技术
2.3.5 选通ICCD摄像机的方法
❖ ICCD摄像机主要分为非选通型和选通型两类： ❖ 非选通ICCD摄像机本身没有光快门，不具有快速开关的功能，
主要用于对微弱光图像信号的增强和放大； ❖ 选通ICCD摄像机是由具有快速开关功能的像增强器通过光纤
光在水下的衰减
❖ 水对光谱中紫外和红外部分表现出强烈 的吸收。这是由于水分子在这些谱带上 强烈的共振造成的。紫外共振起因于电 子的激发，红外共振起因于分子激发。
❖ 大部分波段的光在水下传播时都会受到强烈的吸收衰减，只有波长 在 0.5nm 左右波段的蓝绿光在水中的吸收衰减系数最小，穿透能力 最强，而且此波段又处于电磁波的“大气窗口”。
实现方法：
❖ Matlab图像处理函数； ❖ VC6.0以上版本编程； ❖ OpenCV（Open Source Computer Vision Library）专
业图像处理软件，结合Visual Studio 2005以上版本实现； ❖ Kinect ， OpenGL （ Graphics Library ） ， OpenNI
长基线带来的问题：
❖ 但实际上，长基线会引起下面两个问题: ❖ 引起双目系统联合视域缩小。随着基线的增加，区域离双目摄像机
会越来越远，使这个距离内的目标不可见。换用大视角镜头可以克 服这个难题，但同时大视角镜头又会引发严重畸变等其他问题。 ❖ 增加立体匹配的难度。两个摄像机分别从不同角度观察同一目标， 所以观察到的目标有轻微不同，当基线加长，两摄像机观察到的目 标的差异增大，两幅图像的相关性下降，导致立体匹配更加困难。
❖ 在该系统中，非常短的激光脉冲照射物体，照相机快门打开的时间相 对于照射物体的激光发射时间有一定的延迟，并且快门打开的时间很 短，在这段时间内，探测器接收从物体返回的光束，从而排除了大部 分的后向散射光。
距离选通激光成像水体后向散射光能量分布计算
距离选通激光成像水体后向散射光能量分布计算随着光学技术的发展，研究人员开发出了一种有效的技术，即可以扫描水体表面的激光成像，从而测量水中分布的光能量。
这种技术可以提供一种实时获取水下环境信息的方法，从而支持水下监测和分析。
然而，这项技术需要计算水体表面后向散射光能量分布，以便获得更准确的结果。
激光成像水体后向散射光能量分布计算是一种复杂的仿真计算，主要由试验数据、仿真计算和实验验证组成。
首先，要选取合理的光源和水体表面材质，本实验使用激光作为光源，水体表面材质采用非导体材质。
然后，需要构建试验系统，并且进行实验测量，测量水体表面的后向反射能量分布。
接下来，利用获得的实验观测数据，通过仿真计算，得到光能量在水体表面上分布的准确状态，以便比较实验和仿真计算结果的差异。
最后，使用实验和仿真计算结果进行比对，得出激光成像水体后向散射能量分布的精确状态。
激光成像水体后向散射光能量分布的计算，有助于更加准确地测量水下光照度，可以更好地评估海洋水体环境，改善水体质量监测技术，提高水体环境评估的准确性。
这种技术可以更好地应用于渔业科学研究，监测水生动植物生物分布，研究可持续开发策略，等等。
因此，计算激光成像水体后向散射光能量分布具有重要意义。
在实际应用过程中，计算激光成像水体后向散射光能量分布的过程包括：（1）给定海洋水体环境参数；（2）准备激光源和光谱仪；（3）计算光源和海水表面散射后的照度分布特征；（4）通过仿真计算，获得海水表面的精确照度分布；（5）使用实验和仿真计算结果进行比对，得出精确的激光成像水体后向散射光能量分布结果。
在建立激光成像水体后向散射光能量分布计算模型时，需要考虑光源和反射表面的选择，提前准备实验所需的设备，并进行仔细设计实验以测量出水体表面的精确照度分布。
实验结果可以与仿真计算进行对比，以确定计算结果的准确性。
总之，激光成像水体后向散射光能量分布的计算是一项复杂的，但又重要的工作，它有助于更准确地测量水下环境并实施相关的评估。
(5.4.1)--5.4.1选通成像
5.4微光电视系统应用5.4.1 选通成像选通成像大气后向散射 l m l l 0 接收器 照明器 景物 d l 大气后向散射在主动红外成像系统中，照明系统安装在接收器附近，在照射远距离目标时，探照明光轴非常接近系统光轴。
照射光束在大气传输过程中被大气散射，其中一部分后向散射辐射将进入观察视场，在成像面上造成一个附加背景，从而降低成像的对比度和清晰度。
在能见度差的情况下，这一影响是主动红外成像系统性能的一个基本限制因素。
选通技术是利用短脉冲光照明器和选通型ICCD，从时间上分开不同距离上的散射光和目标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在变像管选通工作时到达像管并成像。
由于辐射脉冲在投向目标过程中产生的后向散射辐射到达接收器时，像管处于非工作状态，因而可减小后向散射对成像系统的影响。
选通ICCD的像管通常为静电像管，照明器采用脉冲激光光源，为保证足够的能量有时也采用激光二极管列阵。
通常脉冲脉宽时间为5~200 ns，按光速对应的纵深距离（景深）约为1.5~60m，可有效减小后向散射。
但脉宽的减小，对选通像管的响应时间和选通控制提出更高的要求。
T:发射激光脉冲（∆t），摄像机快门关闭T1:激光脉冲到达目标，摄像机快门关闭T 2:目标反射激光，摄像机快门关闭T 3=T+2τ：反射光到达进入镜头，摄像机快门打开（∆t）水下成像效果应用于军事侦察、搜救、监视、水下探测等选通成像技术的应用北京理工大学水下成像系统无选通加选通MAMA 探测系统类型管型SOHO STIS FUSE像元数360×10241024×1024728×2024(×4)像元尺寸(μm 2)25×2525×2522×16阳极有效面积(mm 2)9.0×25.625.6×25.616×32.4(×4)MCP 有效面积(mm 2)10×2727×2717×33(×4)MCP 通道尺寸(μm 2)12128放大器数105133577(4×144+1)光阴极材料MgF2&KBr CsI&Cs 2Te KBr用于太阳和大气日光层观测(SOHO)、空间望远镜摄谱仪(STIS)和远紫外光谱探测仪(FUSE)的MAMA探测系统有不同形式的结构。
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易知距离ct处的目标反射光通过摄像机快门的时间区段为（2t，2t+τ），要使这个距离处的目标能够成像，即要求（2t，2t+τ）与（2T，2T+η）的交集不为空，我们考虑两种极限情况：
距离选通系统工作时，在能够满足观察范围要求的前提下，应尽可能减小选通深度，选通深度越小，后向散射的负面影响越小，这对提高水下图像的信噪比有显著作用。同时，由于选通深度减小，对于大尺度目标，需要进行分段观察，因此需要配置多台激光器进行分段照明。
3选通深度设计
激光脉宽τ与选通时间η对选通深度有重要影响，设目标离系统的距离为光在T时间内行进的长度，即cT，其中c为光在海水中的传输速度。为了充分利用照明激光脉冲的能量，通常令η≥τ，同时为抑制后向散射，η又不宜过大。下面具体分析系统的选通深度及选通区域内不同距离处物体在靶面上形成的照度。
1选通成像原理
激光器发射强激光短脉冲，激光脉冲传输到目标，对目标进行照射，由目标反射回来的激光返回到摄像机。激光脉冲在往返途中有很强的后向散射光，这时摄像机选通门一直关闭，摄像机这时不会受到后向散射光干扰。当目标反射光到达摄像机的时候选通摄像机，选通门开启，时间和激光脉宽一致，这样形成的图像只与选通时间内的反射光有关。在选通工作时间内后向散射辐射通量减少到最小，因而可在选通像增强器上得到高对比度目标像。所看景物深度与脉冲传播纵深距离有关，如脉冲传播纵深距离为30m，则能观察到目标前后15m的景物。当脉冲宽度很窄的时候，使得只有目标附近的反射光信号才能被接收，消除了大部分的后向散射光，这样就能大大提高系统的信噪比。
1）t≤T且2t+τ=2T
4选通成像距离估算
距离选通成像系统不仅可以用来成像，同时也给出了目标的距离，即具有测距功能。设选通延迟时间为2T，则目标距离的计算公式为s=cT，测距精度（测距误差）即以上提到的选通深度，距离分辨率则主要与选通延迟时间的精确度有关，同时还与门控脉冲的信号质量有关。一般情况下，距离选通成像系统的距离分辨率可以很高，优于数十厘米，这主要由选通延迟时间的精度决定，而测距精度由于目标探测效率的需要而不必要求太高，有时还特意增加选通深度。
3.1激光脉宽τ与选通时间η匹配设计
选通区域指距离选通成像系统工作时在物方空间能够成像的区域，选通区域沿光轴方向的纵深成为选通深度。以激光脉冲发出的时刻为零时刻，则激光脉冲前沿到达目标并被反射回来需时2T，这即是选通延迟时间。摄像机的快门以激光发出时刻为基准延时2T打开，并保持开启时间η，此即选通时间，由此可知，摄像机的快门在时间区段（2T，2T+η）是保持开启的，而cT处的目标反射光通过快门的时间区段为（2T，2T+τ），由于η≥τ，故（2T，2T+η）完全包含（2T，2T+τ），cT处的目标反射光（脉宽为τ）将全部通过摄像机快门并成像。
参考文献
[1]徐阳杨坤涛王新兵等.蓝绿激光雷达海洋探测[ M ] .北京国防工业出版社, 2002
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[3]储开丽,黄有为,金伟其,等.水下激光距离选通成像系统及其实验研究[J].红外与激光工程, 2010, 3
作者简介：
王之海高级工程师硕士研究生主要从事海洋环境测量与水下试验观测技术工作。
水下选通式激光成像中的脉宽与选通时间匹配设计
摘要水下选通式蓝绿激光成像的关键技术是选通深度设计。激光脉宽τ与选通时间η对选通深度有重要影响。匹配是否等当直接影响成像质量，也决定着距离选通式水下激光成像技术的可行性。
关键词激光脉宽选通时间匹配设计
引言
常规光学成像受水环境影响敏感，作用距离近，严重限制其应用范围。蓝绿激光水下传输存在“窗口效应”，利用蓝绿激光水下成像技术可以提高水下成像距离，在海洋工程水下运动目标观测研究中有着迫切的需求。水下选通式激光成像研究表明，发射激光脉宽于与选通时间的匹配设计是水下选通式激光成像的关键技术之一。
2选通深度
距离选通成像系统的一个重要特点是成像选通深度DOG（depth of gating）可调，为了对特定区域的场景目标进行观察，需要对系统相关参数进行设定。
根据距离选通成像原理，对于处于系统视场范围内的目标不一定可见，而只有当目标既处于系统视场范围内，且处于系统的选通深度DOG内时才可见。为了使系统可以观察视场范围目标观察距离L以及选通深度DOG。通过调节选通延迟时间可以改变观察距离L，选通延迟时间越大，目标观察距离L越远，二者成比例关系；选通深度可以通过改变ICCD摄像机的曝光时间长短来调节，曝光时间越长，选通深度越大，二者成线性关系。
在水中激光的传输速度为22.5cm/ns，由于选通成像的激光需要传输一个来回，因此1ns的时间误差会导致11.25cm的距离误差，设选通控制模块的选通时间的精度为5ns，则选通距离的精度为56.25cm，这即是系统的测距精度。
5结束语
水下选通式激光成像技术是利用激光选通深度的设计来克服后向散射的影响，以提高成像距离。水下目标的距离决定直接影响选通深度设计。激光脉宽τ与选通时间η对选通深度有重要影响，因此激光脉宽与选通时间匹配设计必须依据水下观测目标特性进行准确设计，才能保证对水下运动目标的成像。