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(duì)激光傳輸?shù)挠绊戄^大，為了更加有效地實(shí)現(xiàn)距離選通功能，該同步控制電路的設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)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(shí)間和ICCD門延遲時(shí)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(lán)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(hào)，獲取目標(biāo)的圖像信息。由于藍(lán)綠激光成像系統(tǒng)的高分辨率和較遠(yuǎn)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(duì)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(yán)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(jī)組成。
同步控制技術(shù)主要是通過一個(gè)同步控制裝置，完成脈沖激光器和ICCD攝像機(jī)同步工作，通過精確控制ICCD選通門的開肩和關(guān)閉來實(shí)現(xiàn)距離選通功能。為了有效同步，本設(shè)計(jì)使用高性能的FPGA產(chǎn)生納秒級(jí)的選通脈沖選通ICCD攝像機(jī)，并且將測距的思想加入到電路中，對(duì)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(shí)間和門延遲時(shí)間，提高了電路的穩(wěn)定性和精確度，滿足設(shè)計(jì)要求。

1 水的光學(xué)特性對(duì)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(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)光的吸收造成光能量的損失，對(duì)于稍長距離的目標(biāo)成像，應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)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(huì)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(shí)域上表現(xiàn)為脈沖的展寬。脈沖展寬對(duì)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(shí)間等于激光脈沖寬度，而激光在水下傳輸時(shí)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(jìn)行估算，但它們都具有局限性，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中只具有參考價(jià)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(jī)在時(shí)序上正確配合，根據(jù)散射光返回的時(shí)間與目標(biāo)反射光返回的時(shí)間不同，將攝像機(jī)的選通時(shí)刻正好設(shè)置在目標(biāo)反射信號(hào)剛好到達(dá)ICCD攝像機(jī)時(shí)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(qiáng)的短脈沖，通過擴(kuò)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(jī)，當(dāng)激光脈沖在往返途中時(shí)，ICCD攝像機(jī)選通門關(guān)閉，這樣可以擋住后向散射光。當(dāng)反射光到達(dá)ICCD攝像機(jī)時(shí)選通門開啟，讓來自目標(biāo)的有用信號(hào)進(jìn)入ICCD攝像機(jī)。選通門延遲時(shí)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(hào)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(jì)思路
水下激光成像系統(tǒng)中，由于水下的吸收嚴(yán)重，通常選用超短激光脈沖，又因?yàn)閹瑨呙柚芷跒閹资撩耄瑹o法與激光器同步，因此選用在CCD攝像機(jī)前加裝選通像增強(qiáng)器，可以實(shí)現(xiàn)納秒級(jí)選通。為了產(chǎn)生納秒級(jí)的選通脈沖，需要有高頻時(shí)鐘信號(hào)，考慮到高頻電路容易受外界噪聲干擾及內(nèi)部延時(shí)要小等問題，因此選用FPGA來完成設(shè)計(jì)。
理論上，假定距離延遲時(shí)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(duì)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?？墒牵捎谒颅h(huán)境比較復(fù)雜，要得到準(zhǔn)確的相對(duì)折射率值很困難，同時(shí)，從前面分析可知，激光脈沖在水下傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生展寬，所以不能直接通過計(jì)算得到準(zhǔn)確的距離延遲和門延遲。