一种收发同轴的水下同步扫描成像系统及方法

1.本发明属于光学成像领域，具体涉及一种收发同轴的水下同步扫描成像系统及方法。


背景技术：

2.水下光学成像由于受到水体散射、吸收的影响，成像分辨率、对比度和信噪比明显下降，直接导致水下成像作用距离受限。为克服水体散射、吸收的影响，提升水下成像作用距离，先进水下成像技术应运而生，水下同步扫描是先进水下成像技术的重要分支。该技术利用激光测距原理，通过记录被测物体表面大量密集点的坐标信息和反射率信息，将数据完整地采集到计算机中，进而快速复建出被测目标的三维数据。与常规激光雷达的核心区别在于其利用窄瞬时视场和单元件探测器连续跟踪扫描线上的目标，保证了激光束与探测器瞬时视场之间的同步性，从而减小了水体后向散射范围，提升了水下成像质量和作用距离，具有数据高采样率、高分辨率、高精度、远距离的特点。
3.目前水下同步扫描技术包括双锥体同步扫描与单多棱柱反射镜离轴线扫描。
4.双锥体同步扫描技术所采用的扫描系统由两个背向安置的尺寸不同的四棱锥反射镜组成（dalgleish f, caimi f. synchronous laser line scanners for undersea imaging applications[m]. handbook of optical and laser scanning, second edition, 2011.），如图1所示。通常，该光学系统还包括汇聚物镜、视场光阑和一个光电倍增管。两个四棱锥反射镜沿一条公用轴同步耦合，而每个四棱锥反射镜各自对称对准。公用轴将每个组件耦合到扫描电动机系统上，并使两个组件的旋转轴重合。四棱锥反射镜有4个三角形平面小反射镜，4个小反射镜所在平面相交于一个顶点。工作时沿轴向旋转的两个四棱锥反射镜中，尺寸较小的四棱锥反射镜的每个小反射面将激光束反射向目标区，随着组件旋转，入射到小反射镜的光束以变角度反射，从而形成空间扫描线。尺寸较大的四棱锥反射镜将从目标返回的一部分光束反射至汇聚物镜，并输入到光电倍增管。在汇聚物镜焦点位置设置一个视场光阑，用以控制入射到光电倍增管的光线张角。
[0005]
因同步扫描的技术核心是利用窄瞬时视场，可有效滤除其他区域的后向散射光影响，但上述双锥体同步扫描技术中离轴同步线扫描接收光束在焦平面中的聚焦位置随扫描角度和物像距离变化而变化，因此，对于特定物像距设计的扫描机构只能对在该物距附近的目标进行扫描成像，对于其他物距由于回波光束入射角的变化导致聚焦位置发生偏移，被视场光阑遮挡无法进入探测器，从而导致此种扫描方式景深极小，在水下实用性差。原理说明如图2所示。虽然利用多孔视场光阑可以增加景深范围，但是在两个孔之间存在着间断性盲区，同时对图像后处理带来极大不便，不利于水下使用。
[0006]
单多棱柱反射镜离轴线扫描技术所采用的扫描系统由单多棱柱反射镜和两个反射镜组件组成，以使激光传输光路与通过整个扫描系统返回到光电倍增管的光路同步。当多棱柱反射镜中一个小反射面的位置正好使激光束沿着传输光路传输时，另一小反射面的位置恰好能将沿着探测器信号光路的激光束反射到远心聚光系统和视场光阑孔径，从而控
制接收器的瞬时视场（dalgleish f, caimi f. synchronous laser line scanners for undersea imaging applications[m]. handbook of optical and laser scanning, second edition, 2011.）。其扫描原理如图3所示。此种扫描系统的主要优势在于可以改变多棱柱反射镜的反射面数以提高扫描频率，但其问题在于，多棱柱的每个小反射面是孔径光阑，限制接收器接收的信号强弱，增大反射面的面积，可以提高信号强度，但是较大的反射面将导致多棱柱体积大，出射和接收光束分离角度大，最终导致光学窗口口径超大，耐压差，无法适用于深海扫描探测。同时此种扫描器也存在景深小的问题。
[0007]
目前，也有在双锥体同步扫描基础上，将多棱柱数目减小至一个，目的是实现系统小型化（查冰婷，袁海璐，张合,等. 用于水下航行器的棱锥形激光同步扫描成像装置[p]. 2020.）。其系统结构如图4所示。包括激光发射模块01、棱锥形反射棱镜02、电磁方位检测模块03、主控制模块04、激光接收模块05、透光窗口06、感应磁片07及电机08。但该技术方案仍然是收发离轴的技术方案，也存在着盲区大的问题。且该方案的窗口为柱面窗口，耐压差。


技术实现要素：

[0008]
为了克服现有水下同步扫描技术存在的景深小、盲区大及耐压差等问题，本发明提供一种收发同轴的水下同步扫描成像系统及方法，采用转镜旋转实现水下同轴同步扫描，可减小系统接收盲区，显著降低系统光学窗口，提升水下耐压能力，降低系统体积，保证6000m深海的扫描成像。
[0009]
本发明的技术方案是：一种收发同轴的水下同步扫描成像系统，其特殊之处在于：包括脉冲激光器、小孔反射镜、转镜、耐压罩、接收成像物镜和狭缝探测器；上述转镜为正棱柱多平面反射镜，包括k组反射平面，其中k为大于等于3的整数；上述耐压罩为耐压透光窗口；上述小孔反射镜和转镜依次设置在脉冲激光器的出射光路中，且转镜的旋转轴与脉冲激光器光轴相垂直；上述耐压罩的球心位于转镜的某一反射平面中心，上述某一反射平面为转镜转动过程中，与小孔反射镜平行且靠近小孔反射镜的反射平面；上述接收成像物镜和狭缝探测器依次位于小孔反射镜的反射光路中；工作时，转镜以设定频率转动，脉冲激光器发射脉冲激光，光束通过小孔反射镜的小孔后照射至转镜的反射平面，被反射后的光束通过耐压罩照向水中目标；被目标表面漫反射后返回至耐压罩，后到达转镜同一反射平面，被该反射平面反射后到达小孔反射镜，被反射后经接收成像物镜汇聚成像于狭缝探测器，完成扫描成像。
[0010]
进一步地，上述水下同步扫描成像系统还包括整形系统，上述整形系统位于脉冲激光器的出射光路中，用于将脉冲激光器发射的脉冲激光整形为线状光束。
[0011]
进一步地，为了方便后续图像拼接和处理，上述小孔反射镜与脉冲激光器光轴呈45
°
斜角安装，其小孔大小需保证激光器出射光束无遮挡通过。
[0012]
进一步地，上述小孔反射镜的反射面镀有高反射膜，降低反射镜对回波光束的损耗；所述耐压罩为半球形耐压透光窗口；所述耐压罩的材质为玻璃。
[0013]
进一步地，上述接收成像物镜由多片球面镜片组成，用于将来自物方的漫反射光线汇聚成像于探测器；上述接收成像物镜光轴与激光器光轴垂直，其焦距f
´
由扫描垂直方
向最大成像角度w和狭缝探测器狭缝长度y共同决定，f
´
=y/(2*tanw)。
[0014]
进一步地，上述狭缝探测器可以是条纹相机，也可以是像增强器，利用其可以实现距离选通，从而进一步抑制后向散射光对成像的影响。
[0015]
进一步地，上述整形系统为1个或多个柱透镜；上述整形系统光轴与激光器光轴重合。
[0016]
本发明还提供一种基于上述收发同轴的水下同步扫描成像系统的成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：步骤1、参数设定；根据扫描角度确定转镜反射平面数k；根据帧频和转镜反射平面数k计算转镜旋转速度；根据每帧扫描点数或线数、转镜反射平面数k和帧频计算脉冲激光器重复频率；步骤2、控制反射平面数为k的转镜以设定旋转速度转动，脉冲激光器以重复频率发射脉冲激光；光束通过小孔反射镜的小孔后照射至转镜的反射平面，被反射后的光束通过耐压罩照向水中目标；被目标表面漫反射后返回至耐压罩，后到达转镜同一反射平面，被该反射平面反射后到达小孔反射镜，被反射后经接收成像物镜汇聚成像于狭缝探测器，完成扫描成像。
[0017]
进一步地，步骤2中还可以利用整形系统将脉冲激光器发射的脉冲激光整形为线状光束，线状光束通过小孔反射镜的小孔后照射至转镜的反射平面，被反射后的光束通过耐压罩照向水中目标，在目标表面形成一条扫描线。
[0018]
进一步地，步骤1中，基于下式根据扫描角度确定转镜面数k：；基于下式根据帧频和转镜面数k计算转镜旋转速度： ；基于下式根据每帧扫描点数或线数、转镜面数k和帧频计算激光器重复频率： ；其中，为转镜中每个反射面的实际可用扫描角度。
[0019]
本发明的有益效果是：1、本发明利用小孔反射和转镜旋转实现水下同轴同步扫描，该扫描方式相较于现有技术具有无盲区或小盲区的优势，采用点激光进行逐点扫描时可做到无盲区，采用线激光进行线扫描时其盲区取决于接收成像物镜的景深范围，而非扫描方式，且此盲区远远小于离轴盲区。
[0020]
2、本发明扫描方式相较于现有技术，可以做到小光学收发窗口。由于收发光束光轴不分离，可在增大转镜反射面提升回波接收能量的同时保证较小的光学收发窗口。此外此种扫描由于收发同轴，耐压罩为半球形，其球心位于转镜的反射平面上，在转镜旋转时可保证出射和回波光束均以耐压罩球心为旋转中心旋转，极大程度降低光学设计难度，同时球罩结构在水下具有更好的耐压效果，可保证深海水下的高精度扫描成像。
[0021]
3、本发明扫描方式相较于现有技术，可以做到小体积。由于收发同轴，增加转镜反射平面面积时不会对整个水下扫描器的径向尺寸造成太大的影响，而现有技术的离轴式扫描在增加转镜反射面面积时，由于接收和发射位于转镜左右两侧，导致接收发射分离太宽，增加了整个水下扫描器的径向尺寸，加上水下设备的耐压壳体之后，整机极其庞大。
附图说明
[0022]
图1为现有双锥体同步扫描技术所采用的扫描系统示意图；图2为现有双锥体同步扫描技术扫描原理示意图；图3为现有单多棱柱反射镜离轴线扫描技术所采用的扫描系统示意图；图4为现有棱锥形激光同步扫描成像装置示意图；图5为本发明实施例收发同轴的水下同步扫描成像示意图一；图6为本发明实施例收发同轴的水下同步扫描成像示意图二；图7为本发明实施例收发同轴的水下同步扫描成像示意图三；图中附图标记为：01、激光发射模块；02、棱锥形反射棱镜；03、电磁方位检测模块；04、主控制模块；05、激光接收模块；06、透光窗口；07、感应磁片；08、电机；1、脉冲激光器；2、整形系统；3、小孔反射镜；4、转镜；5、耐压罩；6、目标；7、接收成像物镜；8、狭缝探测器。
具体实施方式
[0023]
以下结合附图对本发明做进一步地描述。
[0024]
本发明利用小孔反射和转镜旋转实现水下同轴同步点扫描或线扫描。点扫描时，通过出射光束的方位和回波光束时间确定目标空间位置，可做到无盲区；线扫描时，在扫描线方向通过接收成像物镜来确定一条线上目标的一维空间位置，虽然接收成像物镜对于物像空间的相似投影有物距范围限制，但是相对于离轴扫描，本发明盲区不受扫描方式限制，仅仅取决于接收成像物镜的景深范围，通过选取大景深接收成像物镜，即可减小盲区，此类盲区远远小于基于离轴扫描方式产生的盲区。
[0025]
如图5所示，本实施例收发同轴的水下同步激光扫描成像系统主要包括脉冲1、整形系统2、小孔反射镜3、转镜4、耐压罩5、接收成像物镜7和狭缝探测器8。为实现水下远距离扫描探测，选用高能量脉冲激光器，输出蓝绿波段激光。整形系统2可采用1个或多个柱透镜，位于脉冲激光器1的出射光路中，且与脉冲激光器1光轴相重合，可以将脉冲激光器1发出的高斯光束整形为线光束。在其他实施例中，也可以不设置该整形系统2，此时可对水下目标6进行点光斑扫描。小孔反射镜3位于整形系统2的出射光路中，当然，当不包括整形系统时，小孔反射镜3可直接置于脉冲激光器1的出射光路中。从图中可以看出，小孔反射镜3与脉冲激光器1光轴呈一定角度设置，图中为45
°
斜角，在其他实施例中还可以采用如30
°
、
60
°
等斜角。需要注意的是，小孔反射镜3的小孔大小需保证脉冲激光器1出射光束无遮挡通过。在其正面可以通过镀高反射膜的方式，来降低小孔反射镜3对回波光束的损耗。转镜4位于小孔反射镜3的出射光路中，采用正棱柱多平面镜，为反射镜（可称为正棱柱多平面反射镜），包括多组反射平面；转镜4的旋转轴与脉冲激光器1光轴相垂直，转镜4的反射平面数量和实际应用过程中最大扫描角度相关，可基于下式确定：式中，k为转镜4的反射平面数量，为最大扫描角度，图5和图7分别为最左和最右扫描光路图的描述，从最左到最右的角度即为最大扫描角度。
[0026]
从图5至图7可以看出，本实施例采用转镜4的反射平面数量等于6，即整体结构为六棱柱，六棱柱的六个侧面即为六个反射平面。在其他实施例中，可以根据最大扫描角度选用其他面数的棱柱。耐压罩5为半球形玻璃窗口，其他实施例中耐压罩的材质还可以为其他耐压透光材料，如可以为蓝宝石、k9玻璃、高硼硅玻璃等；耐压罩5和转镜4的安装位置应保证转镜4的工作面（工作过程中，对光束进行反射的反射平面）与小孔反射镜3的镜面平行时（此时转镜4的工作面和小孔反射镜3与脉冲激光器1的光轴夹角均为45
°
），转镜4的工作面中心位于耐压罩5的球心位置。转镜4的直径由探测距离和探测器灵敏度共同确定，转镜4的直径越大，单个小反射平面面积越大，接收的回波能量也就越大。
[0027]
接收成像物镜7和狭缝探测器8依次位于小孔反射镜3的反射光路中，其中接收成像物镜7由多片球面镜片组成，其作用是将来自物方的漫反射光线汇聚成像于狭缝探测器8。狭缝探测器8可以是条纹相机，也可以是像增强器，利用狭缝探测器8可以实现距离选通，从而进一步抑制后向散射光对成像的影响。
[0028]
工作时，脉冲激光器1发射高能量脉冲激光，经整形系统2整形为线状光束，光束通过小孔反射镜3的小孔后照射至转镜4的小反射平面，被转镜4反射后的光束通过耐压罩5照向水中目标6。在目标6表面形成一条扫描线（当不包括整形系统2时，在目标6表面形成扫描点）。被目标6表面漫反射后返回至耐压罩5，后到达转镜4同一反射平面，被该反射平面反射后到达小孔反射镜3，小孔反射镜3反射后经接收成像物镜7汇聚成像于狭缝探测器8，完成扫描成像。
[0029]
该同轴同步线扫描的核心是利用小孔反射和转镜实现了收发光路同轴同步扫描。
[0030]
按照扫描方向和扫描垂直方向来定义扫描成像范围，在扫描方向，最大扫描角度与转镜4的反射平面数k有关，k面转镜的最大扫描角度为 ，在最大扫描角度给定的情况下，转镜的最小反射平面数为。
[0031]
在扫描垂直方向，最大成像角度w由出射光线发散角决定，而出射光线发散角与整形系统2有关，整形系统2为柱透镜，可将高斯光束在一个方向上进行发散，形成发散线光斑。
[0032]
接收成像物镜7光轴与脉冲激光器1的光轴垂直，其焦距f
´
与扫描垂直方向最大成像角度w和狭缝探测器8狭缝长度y共同决定，f
´
=y/(2*tanw)。
[0033]
该系统的扫描区域范围由目标距离 和扫描方向最大扫描角度 、扫描垂直方
向最大成像角度β共同决定，扫描区域的面积为 。
[0034]
出射激光照射至转镜4两个反射平面的交线位置时会出现扫描范围最左和最右同时照明的问题，因此本实施例在每个反射平面的边缘各留出约5
°
的扫描余量，以避免跳面无法判定回光方向的问题。即每个反射面的实际可用扫描角度为 ，当然在其他实施例中，扫描余量可以根据实际需求进行调整。
[0035]
转镜4的旋转速度由扫描帧频（给定值）和转镜4的反射平面数k共同决定，转镜4的旋转速度；脉冲激光器1的重复频率由每帧扫描点数或线数（给定值）、转镜4的反射平面数k和扫描帧频共同决定，脉冲激光器1的重复频率基于下式计算：例如：对于扫描角度，帧频，每帧扫描线数的扫描成像要求，可计算出棱柱面数为12面，脉冲激光器1的重复频率为12khz，转镜4的旋转速度为2.1r/s。
[0036]
具体成像方法如下：步骤1、参数设定；根据扫描角度确定转镜4的反射平面数k；根据帧频和转镜4的反射平面数k计算转镜4的旋转速度；根据每帧扫描线数、转镜4的反射平面数k和帧频计算脉冲激光器1的重复频率；步骤2、控制反射平面数为k的转镜4以设定旋转速度转动，脉冲激光器1以重复频率发射脉冲激光，经整形系统2整形为线状光束（当为点扫描时，可以不包括整形系统2），光束通过小孔反射镜3的小孔后照射至转镜4的反射平面，被反射后的光束通过耐压罩5照向水中目标6；被目标6表面漫反射后返回至耐压罩5，后到达转镜4的同一反射平面，被该反射平面反射后到达小孔反射镜3，被反射后经接收成像物镜7汇聚成像于狭缝探测器8，完成扫描成像。