红外与激光工程
2024, 53(1): 20230372
1 西安邮电大学 电子工程学院, 陕西 西安 710121
2 中国科学院 西安光学精密机械研究所 中国科学院超快诊断技术重点实验室, 陕西 西安 710119
基于单光子探测的距离选通成像系统中，需发射短脉冲激光并进行发射器和接收器之间的同步控制，使探测器工作在光子计数模式并在时间上进行积分，以完成成像操作。为了获得满足系统要求的短脉冲激光，同时减小系统体积、降低系统成本，本文提出将基于射频双极晶体管和基于阶跃恢复二极管SRD(结合短路传输线)两种产生窄脉冲电路应用于单光子距离选通成像系统。介绍了二者的原理与设计方法，进行了仿真验证、实物制作及测试，对脉冲发生器的特点、影响脉宽幅值的因素进行了分析。实物测试结果表明，基于晶体管方式可以产生上升时间为903.5 ps、下降时间为946.1 ps、脉冲宽度为824 ps、幅度为2.46 V的窄脉冲。基于SRD方式可以产生上升时间为456.8 ps、下降时间为458.3 ps、脉冲宽度为1.5 ns、幅度为2.38 V的窄脉冲，二者重复频率皆可达到50 MHz。利用这两种设计方法的任何一种配合外部电流驱动激光二极管都能够获得性能优良的短脉冲激光输出。
距离选通成像 双极性晶体管 阶跃恢复二极管(SRD) 短脉冲激光 range-gated imaging bipolar transistor step recovery diode short pulse laser
1 桂林电子科技大学信息与通信学院, 广西 桂林 541004
2 桂林电子科技大学广西无线宽带通信与信号处理重点实验室, 广西 桂林 541004
激光距离选通的扫描式成像技术具有低成本、能避免多次散射等特点,成像扫描与激光束扫描的同步配合是扫描成像技术的难点。设计了一个基于空间光调制器(SLM)的扫描式距离选通激光雷达系统,保证目标反射光的可靠接收,并在时间上和空间上屏蔽后向散射光。在具有不同衰减长度的光散射环境中对本系统进行了测量,实现二维和三维成像。实验结果表明,本系统能够有效地实现光束扫描与距离选通成像扫描的同步,适用于光散射环境中光学成像的可视距离扩展。
大气光学 扫描激光雷达 距离选通成像 空间光调制器 多次光散射 光学学报
2020, 40(12): 1201001
1 中国科学院半导体研究所 光电系统实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 北京 100049
3 中国科学院大学 电子电气与通信工程学院, 北京 100049
相比传统水下摄像机, 水下距离选通成像的作用距离可提高两三倍, 同时基于该技术可实现快速高分辨率三维成像, 在水底详查、避障导航、海洋科学研究、矿藏开发等方面具有广泛应用前景。虽然距离选通成像可通过空间切片的方式抑制水体的后向散射噪声, 实现感兴趣区较高质量的成像, 但是, 在选通图像中仍不可避免地存在空间切片水体的后向散射噪声, 导致图像信噪比和对比度降低, 尤其是对于远距离目标或低反射率目标。介绍了针对水下距离选通二维成像及三维成像去噪方面的技术研究。在二维成像方面, 一是采用双平台自适应增强算法提高图像对比度, 更好地满足人眼视觉要求; 二是采用参考水体去噪算法实现含目标图像的水体去噪, 提高信噪比。在三维成像方面, 针对距离能量相关三维成像, 一是利用参考水体去噪算法实现去噪三维重建, 二是采用双边滤波法对三维图像中数据空洞进行修复, 提高三维图像质量。所述四种方法可独立或联合用于水下距离选通成像的去噪增强, 提高水下距离选通成像技术的性能。
水下成像 距离选通成像 三维成像 距离能量相关 图像增强 去噪 underwater imaging range-gated imaging three-dimensional imaging range-intensity correlation image enhancement deblurring 红外与激光工程
2020, 49(2): 0203002
海军工程大学兵器工程系, 湖北 武汉 430033
在水下高重复频率距离选通成像系统的基础上，设计了一种全选通成像系统。在空间域中，可将整个探测区域划分为多个相互叠加的改进选通切片，一帧图像积分时间内的激光脉冲按照一定规律分布到各个改进选通切片中；在时间域中，在一帧图像积分时间内按照一定规律实现宽选通门对不同激光脉冲回波的等时差移动，使得一帧图像中包含所有距离的目标信息，实现了全选通实时成像。实验对比了连续光成像系统、传统距离选通成像系统和全选通成像系统的成像质量。实验结果表明，全选通成像系统同时具有连续光成像系统探测范围广和距离选通成像系统探测距离远的优点，探测距离大于4.5H(H为衰减长度)，输出视频的帧率为20 Hz。
海洋光学 距离选通成像 主动成像 成像雷达 中国激光
2016, 43(11): 1101009
1 中国科学院大学, 北京100049
2 中国科学院半导体研究所光电系统实验室, 北京 100083
针对水下距离选通激光成像图像模糊导致自动聚焦难的问题, 提出了多分辨率爬山自动聚焦法, 解决了系统实时聚焦问题, 获得了高清晰度高质量图片。该方法利用图像的多分辨率原理, 通过空间采样处理形成不同分辨率采样层, 减少数据量, 降低图像处理时间, 系统完成聚焦处理时间降低到约为传统方法的一半。进而利用帧间相关性对当前帧和相邻前两帧分别以0.5, 0.3和0.2的加权系数进行加权计算, 获得当前帧的边缘检测清晰度值, 近乎以100%正确率解决爬山法由于局部峰值干扰错误判断可能收敛到局部最大值而导致聚焦失败的问题, 最后利用爬山法实现自动聚焦。针对此方法进行多次选通系统实验验证, 结果证明: 该方法能够保证自动聚焦的速度和精度, 提高系统聚焦判定的实时性、准确性和鲁棒性。
多分辨率爬山法 自动聚焦 距离选通成像 实验验证 multi-resolution MCS auto focus range-gated imaging experimental verification 红外与激光工程
2016, 45(7): 0726003
北京理工大学光电学院“光电成像技术与系统”教育部重点实验室, 北京 100081
水下激光距离选通成像中要对水下距离选通图像进行增强处理。水下图像通常具有噪声大、对比度差、照度不均匀的特点。通过分析水下图像的成像特点, 针对引起图像降质的因素进行增强算法设计, 提出了基于帧叠加去噪与双平台直方图变换相结合的视频增强算法。可实现目标信息增强的同时抑制背景, 将目标和背景区别处理。算法以 Xilinx公司的 XC5VLX50T系列 FPGA芯片为核心, 使用到了软核 Microblaze、片内 BLOCKRAM、外部 SRAM等资源设计硬件系统, 并已在水下选通成像系统中得到有效应用。
水下图像 距离选通成像 实时处理 图像增强 underwater image range-gated real-time processing FPGA FPGA image enhancement
1 武汉第二船舶设计研究所, 湖北 武汉 430064
2 华中科技大学光学与电子信息学院, 湖北 武汉 430074
水下成像技术在诸多领域获得了越来越多的应用,然而由于受到成像器件参数、水体特性等成像系统参数的影响,水下图像的分辨率普遍较低、像质较差。基于包括点扩散函数、衍射极限等水下成像系统模型的图像超分辨率重建技术,能够在提高图像分辨率的同时增强图像质量。为了尽可能提高图像分辨率,建立了基于光束传播理论的超分辨率成像模型,并将其应用于水下脉冲激光距离选通成像结果图像的超分辨率重构。重构实验的结果表明,所提出的方法可以有效地提高水下成像的分辨率和质量。
图像处理 图像超分辨率重建 距离选通成像 点扩散函数 调制传递数 image processing image super resolution reconstruction range-gated imaging point spread function MTF
北京理工大学光电学院，光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081
激光距离选通成像系统与热成像系统组合应用模式已成为国内外关注的发展趋势之一。简要阐述了激光距离选通成像系统的工作原理及技术特点；结合国外最新出现的主/被动成像组合模式，介绍了4种典型实验系统：单纯的激光距离选通成像系统、短波红外距离选通成像＋热成像组合系统、热成像＋激光雷达共光路组合系统、多波段双模成像系统，分析了各组合系统的结构组成、核心器件和技术优势；介绍了相关实验研究结果，着重介绍了两种新的成像模式——非视域成像模式和双基成像模式。分析了激光距离选通成像技术的发展趋势，对发展新型激光距离选通成像技术和装备具有参考价值。
距离选通成像 组合系统 技术进展 Range-gated imaging Combined system State-of-art
北京理工大学光电学院“光电成像技术与系统”教育部重点实验室，北京 100081
激光距离选通成像技术是当前国内外不断发展且应用有效的水下光电成像技术之一，国外20世纪90年代后陆续公开了一些水下光电成像探测系统和实验结果。结合海洋资源勘探、水下救援和侦察等应用领域的需求，全面介绍并对比分析了当前国内外典型水下激光距离选通成像装置和性能水平，讨论了其技术特点，对水下激光距离选通成像技术的发展和装置应用具有意义。
水下成像 距离选通成像 脉冲激光 水下救援 underwater imaging range-gated imaging pulse laser underwater rescue
