水下激光成像距離選通同步控制電路設(shè)計

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，距離延遲時間和ICCD門延遲時間可精確到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，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)計使用高性能的FPGA產(chǎn)生納秒級的選通脈沖選通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間和門延遲時間，提高了電路的穩(wěn)定性和精確度，滿足設(shè)計要求。

1 水的光學(xué)特性對成像的影響
    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。由于水對光的吸收造成光能量的損失，對于稍長距離的目標(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，在時域上表現(xiàn)為脈沖的展寬。脈沖展寬對于單脈沖距離選通成像的影響較大，距離選通的要求之一，門延遲時間等于激光脈沖寬度，而激光在水下傳輸時發(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，對于實(shí)際應(yīng)用中只具有參考價值。

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)在時序上正確配合，根據(jù)散射光返回的時間與目標(biāo)反射光返回的時間不同，將攝像機(jī)的選通時刻正好設(shè)置在目標(biāo)反射信號剛好到達(dá)ICCD攝像機(jī)時刻，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，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)時選通門開啟，讓來自目標(biāo)的有用信號進(jìn)入ICCD攝像機(jī)。選通門延遲時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，又因為幀掃描周期為幾十毫秒，無法與激光器同步，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)納秒級選通。為了產(chǎn)生納秒級的選通脈沖，需要有高頻時鐘信號，考慮到高頻電路容易受外界噪聲干擾及內(nèi)部延時要小等問題，因此選用FPGA來完成設(shè)計。
    理論上，假定距離延遲時間為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?，由于水下環(huán)境比較復(fù)雜，要得到準(zhǔn)確的相對折射率值很困難，同時，從前面分析可知，激光脈沖在水下傳輸時會發(fā)生展寬，所以不能直接通過計算得到準(zhǔn)確的距離延遲和門延遲。

    本設(shè)計對上述問題提出解決方案，其工作原理圖如圖2所示。工作時，激光器首先向水下目標(biāo)發(fā)射脈沖激光束，由2個PIN管探測到的信號分別作為選通的起始信號和結(jié)束信號，該計數(shù)值可以通過電路中的數(shù)碼管直觀看出。當(dāng)?shù)诙伟l(fā)射激光柬時，以第一次測得的距離延遲為計數(shù)初值，還應(yīng)考慮PIN管的響應(yīng)時間、觸發(fā)電路的延時和像增強(qiáng)器驅(qū)動電路的延時，提前輸出選通脈沖。由于在水下傳輸過程中激光脈沖發(fā)生展寬，對于門延遲時間置數(shù)在未經(jīng)傳輸前激光脈寬的基礎(chǔ)上，不斷增加門延遲計數(shù)初值，當(dāng)?shù)玫綕M意的選通圖像時，系統(tǒng)復(fù)位。
3．2 設(shè)計過程
    根據(jù)上述的設(shè)計思路，在實(shí)現(xiàn)過程中，選用了脈沖寬度為6 ns，重復(fù)頻率為1 kHz的激光器，有效選通脈寬小于等于40 ns的像增強(qiáng)器，通過光錐耦合方式與CCD相連的IC-CD，速率可達(dá)到500 MHz的Ahera Stratix III系列的FPGA，它是一種低功耗高性能的FPGA，步長可達(dá)到2 ns。同步控制的原理圖如圖3所示，該設(shè)計包含2個模塊，第1個模塊實(shí)現(xiàn)測距和定時計數(shù)的功能并且輸出門開啟脈沖，第2個模塊實(shí)現(xiàn)定時功能產(chǎn)生門關(guān)閉脈沖。

    當(dāng)激光器發(fā)射第一個脈沖激光束時，經(jīng)分光器分光后一小部分光被PIN管接收，將光信號經(jīng)觸發(fā)電路形成高電平信號，開始啟動第一個模塊的測距功能，其中一個計數(shù)器進(jìn)行加計數(shù)而另一個計數(shù)器暫不工作。當(dāng)從目標(biāo)反射回來的光剛到達(dá)接收端時，放置在接收端的PIN管接收到信號，并通過觸發(fā)產(chǎn)生測距停止的信號，測距的結(jié)果可通過數(shù)碼管直觀看出。
    當(dāng)激光脈沖發(fā)射第二個脈沖激光束時，由觸發(fā)電路產(chǎn)生的高電平信號繼續(xù)啟動第一個模塊工作，其中一個計數(shù)器以第一次計數(shù)值為初值開始做遞減計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器減到零時，輸出高電平脈沖作為選通脈沖，打開ICCD選通門，而另外一個計數(shù)器將做第二次測距工作，進(jìn)行遞加計數(shù)，作為下一次選通計數(shù)的初值。
    當(dāng)選通脈沖到來的同時啟動第二個模塊，由程序控制設(shè)定的計數(shù)初值作為起始值，計數(shù)器進(jìn)行減計數(shù)，當(dāng)計數(shù)減到零時，輸出高電平脈沖關(guān)閉ICCD選通門，一次選通過程結(jié)束，等待下一個脈沖的到來。
3．3 仿真與分析
    本設(shè)計仿真在Ahera公司的開發(fā)軟件QuartersⅡ8．0中完成，使用Verilog語言對模塊進(jìn)行編輯。本文分別對兩個模塊進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4所示。時鐘周期為2 ns，pulse為觸發(fā)脈沖，cnt為模塊中一個計數(shù)器的計數(shù)值，cntl為模塊中另一個計數(shù)器的計數(shù)值。o_pulse為選通脈沖。程序中假定測出的距離延遲時間為8個周期。由圖4可看出，cnt和cntl不斷實(shí)現(xiàn)測距和計時功能，第一個觸發(fā)脈沖到來，cnt計數(shù)完成測距功能而cnt1不工作，當(dāng)接收到目標(biāo)反射回來的觸發(fā)脈沖時，cnt實(shí)現(xiàn)計時功能而cntl完成測距工作。此功能在程序中采用的狀態(tài)機(jī)的方法實(shí)現(xiàn)。此仿真還考慮到觸發(fā)延時和ICCD的開機(jī)延時，這些延時都可通過實(shí)驗測得，在這里假定延遲為一個周期，如果沒有考慮延遲，當(dāng)cnt等于O時刻將輸出一個開機(jī)脈沖，由圖4可看出：該脈沖提前一個周期輸出，實(shí)現(xiàn)精確計時。

    圖5為門延遲模塊仿真圖。從圖5可以看出，Pulse為開機(jī)脈沖，cntl為門延遲計時，當(dāng)脈沖來，計數(shù)器開始計時。在仿真中考慮到脈沖在水下傳輸?shù)难舆t問題，因此門延遲的計數(shù)初值為基準(zhǔn)，每來一個脈沖，計數(shù)初值加l，直到得到滿意的選通圖像為止。為了更加精確，程序中可采用阻塞賦值的方法產(chǎn)生微小延遲。
    該設(shè)計將預(yù)置初值和計時統(tǒng)一起來，簡化在實(shí)際過程中的人為操作，一旦脈沖激光束發(fā)射將自動完成選通工作。設(shè)計中使用的邏輯資源少，可以大大減小信號傳輸延時，對電路的穩(wěn)定性能有較大提高。

4 結(jié)論
    距離選通技術(shù)可以減小因后向散射產(chǎn)生的背景噪聲，提高成像系統(tǒng)的信噪比，使成像質(zhì)量得到較大提高，但需要嚴(yán)格控制時序才能有效實(shí)現(xiàn)。通過水下環(huán)境對成像質(zhì)量的分析，闡述了在水下對激光成像中存在的問題。為了提高同步控制的精確度，采用了高性能的FPGA，產(chǎn)生納秒級選通脈沖選通ICCD攝像機(jī)。傳統(tǒng)的同步控制電路中，常采用預(yù)置和計數(shù)分開，將理論計算值作為延遲計數(shù)值等，對于環(huán)境比較復(fù)雜的情況下將出現(xiàn)較大誤差。
    本設(shè)計將測距思想引入該裝置中，對于未知距離的目標(biāo)以及不定距離的目標(biāo)均能自動成像，廣泛應(yīng)用于對水下目標(biāo)的探測和成像系統(tǒng)中。