一种用于水下激光成像的光学系统设计

王四林，陈志凌

（华中光电技术研究所 武汉光电国家实验室，湖北 武汉 430074）

水下激光同步扫描成像是一种主动式的水下观察、测距和成像技术，具有目标图像信息直观，分辨率高，并可进行大面积探测等优点，是非常有发展前途的水下信息探测技术，可对水下目标进行搜索、侦察、监视，有利于提高水下航行的安全性，并可在水雷对抗，水下勘测、海洋开发、救生打捞等方面发挥重要作用。

1 系统原理及组成

同步扫描技术能有效地抑制海水的后向散射，对提高水下成像质量和作用距离有显著效果，它将激光器与光接收器之间拉开一定距离，采用点扫描照射方式和同步跟踪接收，尽量减少后向散射进入接收器。激光束经旋转反射镜对场景逐行扫描，接收器同步接收场景的反射光，通过载体平移扩展纵向视场，可得到高分辨率的二维场景图像。

水下激光同步扫描成像系统主要由激光发射系统、激光接收系统、同步扫描机构、图像处理系统等几部分组成。

激光器发射激光照射到扫描反射镜上，扫描反射镜的旋转使反射激光束透过出射窗在一定距离处的目标上扫描。同时，接收反射镜与扫描反射镜同步旋转。扫描光束经目标漫反射后，一部分光线经入射窗口、接收反射镜后进入光学系统。光学系统将目标光线汇聚到光电倍增管上得到目标的像点。通过垂直于载体运动方向的横向扫描，扫描出一组平行的线段，经图像处理后即得到目标区域的二维图像。

2 难点分析及解决措施

由于水下环境的特殊性以及水介质光学特性的影响，水下激光同步扫描成像与一般的大气中成像情形大不相同。同时，激光束的出射与接收都是通过同步旋转的反射镜来实现，成像光路的分析比普通成像系统困难。

2.1 水对光线的散射和吸收

水对光线的吸收使光在水中传输的能量随距离增加按指数规律迅速衰减，光束的传输距离受到限制。水对光线的散射使背景杂光增大，降低图像的对比度。

如果要增大传输距离和提高成像质量，就要适当提高激光出射光束的初始能量，且激光束发散角度要小。同时，增大激光发射和接收系统之间的距离，压缩探测器的接收视场，以减小照明视场与接收视场的共用水域面积，最大限度地抑制后向散射。

2.2 光线在水、玻璃、空气界面的折射

设目标点A距窗口下表面的距离为L 0，经窗口下表面、上表面反射后的虚像点C、B距窗口下表面的距离分别为L1、L2，玻璃窗口厚度为d，如图1所示。

图1 窗口折射示意图

由于目标点A及其像点B、C与窗口距离远大于各自出射光线在窗口界面上的出射点的水平方向偏移量，即出射光线与窗口法线的夹角足够小，可得：L1n1＝L0n2；（L1+d）n3=（L2+d）n2则 L1=9/8 L0，L2=3/4 L0-1/3 d。可见，经水－玻璃－空气折射后，虚像点相对目标点向窗口靠近了，靠近的距离为：

一般L≥d，可取Δ=L0/4，即水中目标点相对光学镜头物距缩短了L0/4，光学系统在水下的视场减小。为克服窗口折射的影响，需要合理设计窗口的结构，并对窗口的像差进行分析，将窗口与接收光学系统进行系统的优化设计。

2.3 光束在扫描反射镜上的旋转

设扫描反射镜与扫描轴的夹角为α（0<α<90°），水下激光同步扫描成像系统在扫描过程中入射光线方向不变，始终沿x轴正方向入射，则对应矢量为：A 0=[100];

对应的反射作用矩阵为：

即当扫描角度为0时，出射光线在X Y平面内，且与x轴正向的夹角为2 α。

当扫描角度为θ时，对应的反射作用矩阵为

对应的出射光线方向矢量为：

可以看出，当反射镜与扫描轴角度确定即α为定值时，任意扫描角度时出射光线与y z平面成一固定角度，即90°-2 α。

根据水下激光同步扫描成像系统的原理及要求，出射光束应始终垂直于扫描轴，即在y z平面上，由90°-2 α＝0可得α＝45°。

当α＝45°时，在任意扫描角度

对应的出射光线方向矢量为：A謖=R0A0[0 c o s θ s i n θ]

即出射光线在扫描轴向没有偏移，且出射光线与反射镜同方向同转速旋转，相对y轴的转角为θ。因此，为保证反射镜扫描过程中出射光束始终垂直于扫描轴且与反射镜转过相同的角度，出射反射镜与扫描轴的夹角确定为45°。

2.4 出射与入射光学窗口的设计

出射与入射光学窗口是激光成像光学系统的一部分，也是激光成像系统直接与海水接触的壳体的重要组成部分。经综合分析和比较后，水下激光同步扫描成像系统中出射窗口和入射窗口均设计成柱面结构。任一时刻的扫描平面内的出射柱面窗口可看成平行平板，且激光束总是沿平板的法线方向正入射，光束无偏折地穿过出射窗口。但是，任一扫描时刻，目标的漫反射光束总是经入射窗口大面积透射后再到达接收反射镜，对应的入射窗口柱面的径向曲率变化对光束有较大的发散作用，因此不能看作平行平板，其折射情况要根据扫描距离进行计算。光学镜头也要根据实际情况设计对应的透镜矫正折射引起的像差。

3 光学系统的设计结果

图2 光学系统总图

根据以上分析，设计了相应的水下光学系统。取系统的扫描距离为3.5 m～50 m，扫描角度为70°，聚光镜系统的口径D=53 m m，视场2 w=24°，焦距f′=100 m m，扩束镜系统焦距为f′=-100 m m。聚光镜系统和扩束镜系统均由两片球面透镜组成，透镜的最大有效口径为φ108 m m。

水下激光同步扫描成像系统的光学系统总图如图2所示。

不同扫描距离时，光阑处弥散圆情况如图3所示。

图3 光阑处光斑变化

图4 探测器上的能量分布

不同扫描角度时，探测器上能量分布如图4所示。

由此可见，不同扫描距离时，如果光阑处弥散圆足够小且斑点尺寸基本不变，将有利于光阑孔径的设计。不同扫描角度时，探测器上能量变化不大，且分布比较均匀，能够满足图像处理的要求。

4 结语

文章根据水下激光同步扫描成像的原理，在深入分析水下激光同步扫描成像光学系统的难点和特点的基础上，提出了克服水对光线的散射、光学窗口对光线的折射、旋转反射镜对光线的偏转等难点的解决方法，设计了满足要求的开普勒望远型光学系统。

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