專利名稱：基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于水 下光電成像探測技術，特別是一種基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置。
背景技術：
近年來，水下光電成像探測技術因其在水下目標發(fā)現(xiàn)、海面材料探測及海洋地理工程中具有廣泛而重要的應用價值，正受到各國研究者的日益重視。但與我們平常所見空氣中成像技術不同，水介質的特性是強散射效應和快速吸收功率衰減，因此在進行傳統(tǒng)的基于彈性散射的水下光電成像探測時，光線在水中傳輸?shù)暮笙蛏⑸湫獜姡斐蓤D像噪聲大，成像質量差，且系統(tǒng)的作用距離有限，探測靈敏度低等缺陷。為了解決這個問題，基于布里淵散射的水下光電成像探測的概念被提了出來。布里淵散射是由多普勒效應引起的，海水與水下不同目標具有不同的布里淵散射頻移，只要測得布里淵散射光譜發(fā)生的相應的變化，就表明在某處有水下物體的存在。北京師范大學的劉大禾在發(fā)表的《用F-P標準具和ICCD探測水中的布里淵散射信號》文章中提出一種實用的通過探測布里淵散射信號來進行水下目標探測的方法(2008《東北師大學報》(自然科學版)，第40卷第3期)。該方法以F-P干涉儀來采集布里淵散射信號，以ICCD來記錄探測區(qū)域的布里淵散射光譜，通過干涉環(huán)的數(shù)量判斷水下目標的有無。但是由于法布里-珀羅 (F-P)干涉儀接收的立體角非常小，對入射光的平行度要求很高，該方法實際使用起來十分困難。并且由于此條件約束，實際探測成像質量并不高，探測靈敏度也很受影響。對布里淵散射信號的檢測是各類布里淵散射研究的基礎。目前布里淵散射信號的探測除了采用F-P干涉儀外，一般還有采用基于溴、碘分子濾波器的邊緣檢測技術。但此技術需要對溴、碘蒸汽進行恒溫控制，以保證其光譜吸收的穩(wěn)定性，實用性較差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置，當在對水下目標進行激光成像探測時，它能夠有效探測布里淵散射信號，提高成像質量。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為一種基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置，由脈沖發(fā)生器、激光控制器、選通控制器、邏輯處理部件、藍綠激光器、掃描器、布里淵散射濾波器、選通信號接收器、信號處理部件及監(jiān)視器組成，脈沖發(fā)生器分別與激光控制器、選通控制器、邏輯處理部件連接，激光控制器與藍綠激光器連接，掃描器一方面連接藍綠激光器，引導激光照射在探測區(qū)域，另一方面連接包括布里淵散射濾波器、選通信號接收器組成的信號接收裝置，對布里淵散射信號進行同步收集；布里淵散射濾波器、 選通信號接收器、信號處理部件和監(jiān)視器依次相連，選通控制器與選通信號接收器連接，邏輯處理部件與信號處理部件連接；脈沖發(fā)生器中的脈沖發(fā)生器產生工作所需的基準時鐘， 控制激光控制器、選通控制器、邏輯處理部件、掃描器按時序步驟運行；激光控制器在基準時鐘的作用下，產生藍綠激光器工作所需的驅動電源及控制信號，該藍綠激光器輸出布里淵散射水下激光成像探測所需的藍綠激光脈沖信號；藍綠激光脈沖信號在掃描器的作用下，以二維掃描的方式，掃描成像探測所感興趣的水體區(qū)域，藍綠激光脈沖信號與水及水下目標作用，產生響應的布里淵散射信號；含有反射信號、后向彈性散射信號、后向散射的布里淵散射信號的混合信號，經同步掃描器接收，傳輸至布里淵散射濾波器；混合信號經過布里淵散射濾波器后，濾除其他信號，只有水下布里淵散射信號傳輸至選通信號接收器；信號選通接收器在選通控制器的控制下，接收不同距離上的布里淵散射信號，產生相應的電信號傳輸至信號處理部件；信號處理部件在邏輯處理部件的控制下進行噪聲處理，圖像重建生成，產生水體區(qū)域的布里淵散射信號二維空間分布圖像，送達圖像監(jiān)視器供觀察者觀察。本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點(1)使用光子晶體濾波的方法采集布里淵散射信號，替代了目前一般采用的F-P干涉儀，或基于溴、碘分子濾波器的邊緣檢測技術， 既無需因法布里-珀羅(F-P)干涉儀接收的立體角非常小而對入射光的平行度提出很高的要求，又無需因溴、碘分子濾波器光譜吸收的穩(wěn)定性差而對溴、碘蒸汽進行恒溫控制，使用起來簡單便利。(2)由于將選通機制應用于水下激光布里淵散射信號的掃描探測，能提高水下激光布里淵散射信號探測的可靠性和信噪比。( 在掃描成像系統(tǒng)的接收信號前端中加入基于光子晶體濾波的布里淵散射濾波器，利用光子晶體優(yōu)異的光子頻率禁帶特性以及光子晶體缺陷產生很窄的導帶特性，對極窄光譜信號進行濾波，從而克服傳統(tǒng)的F-P干涉儀和基于溴、碘分子濾波器的邊緣檢測技術探測布里淵散射信號時對入射光平行度的要求或對環(huán)境溫度的要求等等諸多約束和不利條件，改善水下激光布里淵散射信號的檢測效果， 提高成像質量。通過檢測布里淵散射信號頻移來判斷水下某處是否有物體存在，光線在水中傳輸?shù)暮笙蛏⑸湫獪p弱，圖像噪聲小，成像質量好，作用距離大，探測靈敏度高(見圖 5-圖8)。對比150m距離處基于F-P干涉儀的布里淵散射水下激光探測像素灰度圖像和基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光探測像素灰度圖像，前者由于對入射光平行度有較高要求，導致檢測誤差大，且受后向散射效應影響，圖像噪聲明顯，后者成像質量明顯高于前者。對比180m距離處基于F-P干涉儀的布里淵散射水下激光探測像素灰度圖像和基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光探測像素灰度圖像，由于受到探測距離限制，前者所得圖像不如后者清晰，表明基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光探測裝置作用距離大且探測靈敏度較高。下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。


圖1是基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置構成。圖2是水下激光布里淵散射頻移。圖3是布里淵散射濾波器光譜透過率曲線。圖4是接收的布里淵散射光子數(shù)與激光脈沖探測距離仿真曲線。圖5是150m距離處基于F-P干涉儀的布里淵散射水下激光探測像素灰度圖像。圖6是150m距離處基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光探測像素灰度圖像。圖7是180m距離處基于F-P干涉儀的布里淵散射水下激光探測像素灰度圖像。圖8是180m距離處基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光探測像素灰度圖像。
具體實施例方式結合圖1，本發(fā)明基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置，在掃描成像系統(tǒng)中加入基于光子晶體濾波的布里淵散射濾波器，利用光子晶體優(yōu)異的光子頻率禁帶特性以及光子晶體缺陷產生很窄的導帶特性，對極窄光譜信號進行濾波，從而克服傳統(tǒng)的F-P干涉儀和基于溴、碘分子濾波器的邊緣檢測技術探測布里淵散射信號時的諸多約束和不利條件，改善水下激光布里淵散射信號的檢測效果，提高成像質量。由脈沖發(fā)生器1、激光控制器2、選通控制器3、邏輯處理部件4、藍綠激光器5、掃描器6、布里淵散射濾波器7、 選通信號接收器8、信號處理部件9及監(jiān)視器組成，脈沖發(fā)生器1分別與激光控制器2、選通控制器3、邏輯處理部件4連接，激光控制器2與藍綠激光器5連接，掃描器6 —方面連接藍綠激光器5，引導激光照射在探測區(qū)域，另一方面連接包括布里淵散射濾波器7、選通信號接收器8組成的信號接收裝置，對布里淵散射信號進行同步收集；布里淵散射濾波器7、選通信號接收器8、信號處理部件9和監(jiān)視器依次相連，選通控制器3與選通信號接收器8連接，邏輯處理部件4與信號處理部件9連接；脈沖發(fā)生器1中的脈沖發(fā)生器產生工作所需的基準時鐘，控制激光控制器2、選通控制器3、邏輯處理部件4、掃描器6按時序步驟運行；激光控制器2在基準時鐘的作用下，產生藍綠激光器5工作所需的驅動電源及控制信號，該藍綠激光器5輸出布里淵散射水下激光成像探測所需的藍綠激光脈沖信號；藍綠激光脈沖信號在掃描器6的作用下，以二維掃描的方式，掃描成像探測所感興趣的水體區(qū)域，藍綠激光脈沖信號與水及水下目標作用，產生響應的布里淵散射信號；含有反射信號、后向彈性散射信號、后向散射的布里淵散射信號的混合信號，經同步掃描器6接收，傳輸至布里淵散射濾波器7 ；混合信號經過布里淵散射濾波器7后，濾除其他信號，只有水下布里淵散射信號傳輸至選通信號接收器8 ；信號選通接收器8在選通控制器3的控制下，接收不同距離上的布里淵散射信號，產生相應的電信號傳輸至信號處理部件9 ；信號處理部件9在邏輯處理部件 4的控制下進行噪聲處理，圖像重建生成，產生水體區(qū)域的布里淵散射信號二維空間分布圖像，送達圖像監(jiān)視器供觀察者觀察。本發(fā)明基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置的選通控制器3 由選通控制電路和距離延時控制開關組成，根據(jù)水下信號傳輸不同距離的時間延遲，累加到基準時鐘上得到不同距離探測點的工作時鐘，通過選通控制電路，得到選通控制脈沖，控制信號選通接收器8工作；該信號選通接收器8由雪崩光電二極管和選通控制電路組成，選通控制器3送來的選通控制脈沖經過選通控制電路改變探測布里淵散射信號的雪崩光電二極管的工作閾值，確定信號選通接收器8接收布里淵散射信號的工作與休眠狀態(tài)，以此進行選通控制。本發(fā)明基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置的掃描器6由光學成像器件、步進電路和步進控制器件構成，光學成像器件一方面引導藍綠脈沖激光照射成像探測所感興趣的水體區(qū)域，產生布里淵散射信號，另一方面匯聚收集布里淵散射信號； 步進電路受基準時鐘的控制，作用步進控制器件，帶動光學成像器件對所感興趣的水體區(qū)域進行掃描；當信號選通接收器8接收的水下布里淵散射信號距離固定時，配合掃描器6便可獲取此固定距離水體斷面的二維布里淵散射信號分布信號。本發(fā)明基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置的邏輯處理部件4與信號處理部件9配合工作，完成對水下布里淵散射信號的二值化，降低噪聲，以及圖像增強，其中邏輯處理部件4接收脈沖發(fā)生器1的控制命令，根據(jù)基準時鐘，形成各步驟信號處理的時序命令，控制信號處理部件9工作；信號處理部件9通過閾值選擇，甄別出海水布里淵散射信號和非海水介質布里淵散射信號，然后設置二維空間區(qū)域內像素灰度值，海水布里淵散射信號，即非目標像素灰度值為O或1 ；非海水介質布里淵散射信號，即目標像素的灰度值為1或0)，這樣就形成了基于布里淵散射頻移的水下成像探測的二值化圖像；選用邊緣保護平滑濾波對圖像進行去噪處理，然后再采用分段直方圖均衡化的處理方式對其進行圖像增強，即邊緣保護平滑濾波基于遞歸有理數(shù)濾波(RRF)，經去噪處理后的圖像首先用一個全局閾值把圖像直方圖分成兩部分，高灰度區(qū)含有絕大部分的目標信息，再對兩部分分別進行均衡化，最后進行不同程度的壓縮以組合成一幅完整的圖像，經分段直方圖均衡化的處理過的圖像提高了圖像對比度，細節(jié)輪廓分明。 本發(fā)明基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置在工作時a.脈沖發(fā)生器1中的脈沖發(fā)生器產生系統(tǒng)工作所需的基準時鐘，控制激光控制器 2、選通控制器3、邏輯處理部件4、掃描器6的運行。b.激光控制器2在基準時鐘的作用下，產生藍綠激光器5工作所需的驅動電源及控制信號，藍綠激光器5輸出布里淵散射水下激光成像探測所需的藍綠激光脈沖信號。c.藍綠激光脈沖信號在掃描器6的作用下，以二維掃描的方式，掃描成像探測所感興趣的水體區(qū)域，藍綠激光脈沖信號與水及水下目標作用，產生響應的布里淵散射信號。d.含有反射信號、后向彈性散射信號、后向散射的布里淵散射信號的混合信號，經同步掃描器6后由光學系統(tǒng)接受，傳輸至布里淵散射濾波器7 ；e.混合信號經過布里淵散射濾波器7后，濾除其他信號，只有水下布里淵散射信號傳輸至選通信號接收器8。f.信號選通接收器8接收一定距離上的布里淵散射信號，產生相應的電信號傳輸至信號處理部件9。g.信號處理部件9進行噪聲處理，圖像重建生成，產生水體區(qū)域的布里淵散射信號二維空間分布圖像，送達圖像監(jiān)視器供觀察者觀察。本發(fā)明基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置的設計思路如下(1)結合水下激光布里淵散射目標與背景特性，通過光子晶體材料、光子晶體濾波器原理研究，設計光子晶體濾波的布里淵散射信號濾波器。其中，水下激光布里淵散射目標與背景特性如下。布里淵散射由多普勒效應引起， 當光與聲子作用發(fā)生散射時，由于聲子運動的多普勒效應而使散射光的頻率發(fā)生變化，會出現(xiàn)頻率大于和小于入射光中心頻率的兩個散射光，其頻率對稱地分布在入射光中心頻率的兩側。海水與水下不同目標的布里淵散射頻移具有各自不同的變化，只要測得布里淵散射光譜發(fā)生的相應的變化，就表明在某處有水下物體的存在。激光水下傳輸時，布里淵散射頻移Yb與聲速Vs滿足如下關系
權利要求
1.一種基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置，其特征在于由脈沖發(fā)生器(1)、激光控制器O)、選通控制器(3)、邏輯處理部件0)、藍綠激光器(5)、掃描器 (6)、布里淵散射濾波器(7)、選通信號接收器(8)、信號處理部件(9)及監(jiān)視器組成，脈沖發(fā)生器(1)分別與激光控制器O)、選通控制器(3)、邏輯處理部件(4)連接，激光控制器(2) 與藍綠激光器( 連接，掃描器(6) —方面連接藍綠激光器(5)，引導激光照射在探測區(qū)域， 另一方面連接包括布里淵散射濾波器(7)、選通信號接收器(8)組成的信號接收裝置，對布里淵散射信號進行同步收集；布里淵散射濾波器(7)、選通信號接收器(8)、信號處理部件 (9)和監(jiān)視器依次相連，選通控制器( 與選通信號接收器(8)連接，邏輯處理部件(4)與信號處理部件(9)連接；脈沖發(fā)生器(1)中的脈沖發(fā)生器產生工作所需的基準時鐘，控制激光控制器O)、選通控制器(3)、邏輯處理部件0)、掃描器(6)按時序步驟運行；激光控制器(2)在基準時鐘的作用下，產生藍綠激光器( 工作所需的驅動電源及控制信號，該藍綠激光器( 輸出布里淵散射水下激光成像探測所需的藍綠激光脈沖信號；藍綠激光脈沖信號在掃描器(6)的作用下，以二維掃描的方式，掃描成像探測所感興趣的水體區(qū)域，藍綠激光脈沖信號與水及水下目標作用，產生響應的布里淵散射信號；含有反射信號、后向彈性散射信號、后向散射的布里淵散射信號的混合信號，經同步掃描器(6)接收，傳輸至布里淵散射濾波器(7)；混合信號經過布里淵散射濾波器(7)后，濾除其他信號，只有水下布里淵散射信號傳輸至選通信號接收器(8)；信號選通接收器(8)在選通控制器(3)的控制下，接收不同距離上的布里淵散射信號，產生相應的電信號傳輸至信號處理部件(9)；信號處理部件(9)在邏輯處理部件(4)的控制下進行噪聲處理，圖像重建生成，產生水體區(qū)域的布里淵散射信號二維空間分布圖像，送達圖像監(jiān)視器供觀察者觀察。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置，其特征在于選通控制器(3)由選通控制電路和距離延時控制開關組成，根據(jù)水下信號傳輸不同距離的時間延遲，累加到基準時鐘上得到不同距離探測點的工作時鐘，通過選通控制電路，得到選通控制脈沖，控制信號選通接收器(8)工作；該信號選通接收器(8)由雪崩光電二極管和選通控制電路組成，選通控制器( 送來的選通控制脈沖經過選通控制電路改變探測布里淵散射信號的雪崩光電二極管的工作閾值，確定信號選通接收器(8)接收布里淵散射信號的工作與休眠狀態(tài)，以此進行選通控制。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置，其特征在于掃描器(6)由光學成像器件、步進電路和步進控制器件構成，光學成像器件一方面引導藍綠脈沖激光照射成像探測所感興趣的水體區(qū)域，產生布里淵散射信號，另一方面匯聚收集布里淵散射信號；步進電路受基準時鐘的控制，作用步進控制器件，帶動光學成像器件對所感興趣的水體區(qū)域進行掃描；當信號選通接收器(8)接收的水下布里淵散射信號距離固定時，配合掃描器(6)便可獲取此固定距離水體斷面的二維布里淵散射信號分布信號。
4.根據(jù)權利要求1所述的基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置，其特征在于置于信號選通接收器(8)前端的布里淵散射濾波器(7)由寬禁帶雙通道窄帶濾光片、金屬支架組成，該寬禁帶雙通道窄帶濾光片由一維光子晶體和缺陷構成，其膜系結構采用異質結結構，選用Ti02和Si02兩種不同折射率的材料作為高、低折射率膜層；其中一維光子晶體為
5.根據(jù)權利要求1所述的基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置，其特征在于邏輯處理部件(4)與信號處理部件(9)配合工作，完成對水下布里淵散射信號的二值化，降低噪聲，以及圖像增強，其中邏輯處理部件⑷接收脈沖發(fā)生器⑴的控制命令， 根據(jù)基準時鐘，形成各步驟信號處理的時序命令，控制信號處理部件(9)工作；信號處理部件(9)通過閾值選擇，甄別出海水布里淵散射信號和非海水介質布里淵散射信號，然后設置二維空間區(qū)域內像素灰度值，海水布里淵散射信號，即非目標像素灰度值為0或1 ；非海水介質布里淵散射信號，即目標像素的灰度值為1或0)，這樣就形成了基于布里淵散射頻移的水下成像探測的二值化圖像；選用邊緣保護平滑濾波對圖像進行去噪處理，然后再采用分段直方圖均衡化的處理方式對其進行圖像增強，即邊緣保護平滑濾波基于遞歸有理數(shù)濾波，經去噪處理后的圖像首先用一個全局閾值把圖像直方圖分成兩部分，高灰度區(qū)含有絕大部分的目標信息，再對兩部分分別進行均衡化，最后進行不同程度的壓縮以組合成一幅完整的圖像，經分段直方圖均衡化的處理過的圖像提高了圖像對比度，細節(jié)輪廓分明。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于光子晶體濾波的布里淵散射水下激光成像探測裝置，由脈沖發(fā)生器、激光控制器、選通控制器、邏輯處理部件、藍綠激光器、掃描器、布里淵散射濾波器、選通信號接收器、信號處理部件及監(jiān)視器組成，脈沖發(fā)生器分別與激光控制器、選通控制器、邏輯處理部件連接，激光控制器與藍綠激光器連接。本發(fā)明使用光子晶體濾波的方法采集布里淵散射信號，替代了目前一般采用的F-P干涉儀，或基于溴、碘分子濾波器的邊緣檢測技術，既無需因法布里-珀羅(F-P)干涉儀接收的立體角非常小而對入射光的平行度提出很高的要求，又無需因溴、碘分子濾波器光譜吸收的穩(wěn)定性差而對溴、碘蒸汽進行恒溫控制，使用起來簡單便利。
文檔編號G01S7/483GK102156286SQ20111000146
公開日2011年8月17日 申請日期2011年1月6日 優(yōu)先權日2011年1月6日
發(fā)明者岳江, 張毅, 徐杭威, 柏連發(fā), 王博, 韓靜 申請人:南京理工大學