[发明专利]水下成像与非成像复合的激光雷达

权利要求书

1.一种水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于包括激光发射单元、光电成像单元、激光测距单元、信号/图像处理单元和监视器；其中激光发射单元根据信号/图像处理单元输出的控制信号发射激光脉冲以照明目标，激光发射单元还用于接收激光脉冲并形成相应的电脉冲信号输出至信号/图像处理单元；光电成像单元用于接收目标反射光并形成相应的电子图像，将电子图像输出至信号/图像处理单元；激光测距单元用于接收目标反射光将其放大后输入信号/图像处理单元；信号/图像处理单元根据电脉冲信号和目标反射光信号控制光电成像单元的选通切片；信号/图像处理单元优化电子图像后将其输出至监视器；

所述信号/图像处理单元基于激光发射单元发射激光脉冲的时间生成基准时刻；信号/图像处理单元对通过激光测距单元接收到的目标反射光进行预处理，采用背景差分法或者背景建模法去除水体后向散射噪声影响，然后提取目标回波信号，按照基准时刻计算延迟时间并生成触发信号，将触发信号发送至光电成像单元；信号/图像处理单元接收光电成像单元输出的图像数据，对输入图像进行去噪、增强处理后生成电子图像发送至监视器显示；

所述光电成像单元包括门控电路和增强电荷耦合器件，增强电荷耦合器件用于接收目标反射光并形成相应的电子图像，将电子图像输出至信号/图像处理单元；门控电路用于接收来自信号/图像处理单元的触发信号；门控电路将触发信号与内部参考时钟相比较，并输出经过调整后的脉冲信号，控制增强电荷耦合器件的开门及关门时间和选通切片的功率分配；

在目标反射光到达增强电荷耦合器件时，增强电荷耦合器件的快门打开接收信号，其余时间增强电荷耦合器件的快门关闭抵制水体后向散射噪声；增强电荷耦合器件的快门的打开与关闭由门控电路生成控制信号进行控制；控制信号包含两个信息，分别为开门时刻跟开门的持续时间；其中，开门时刻由测量的目标回波信号的前沿与基准时刻相减得到，持续时间为目标回波信号的前沿后沿差。

2.根据权利要求1所述的水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于所述激光发射单元包括脉冲激光器、扩束镜、分光板和PIN管；信号/图像处理单元通过驱动电路与脉冲激光器连接，控制脉冲激光器输出功率；脉冲激光器发射激光脉冲，经扩束镜扩束后照明目标；发射的激光脉冲经分光镜分光后的一小部分被PIN管接收并转化为电脉冲信号并发送至信号/图像处理单元；所述分光板和PIN管分别设置于扩束镜输出端口的两侧。

3.根据权利要求2所述的水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于所述激光测距单元包括PMT管和前置放大电路；PMT管用于将接收到目标反射光并经前置放大电路放大后发送至信号/图像处理单元。

4.根据权利要求3所述的水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于所述信号/图像处理单元中设定的基准时刻是指激光发射出去的时间，根据激光测距单元反馈的目标反射光的接收时间计算延迟时间，并根据延迟时间按照公式换算得到目标距离；所述信号/图像处理单元根据延迟时间生成触发信号控制增强电荷耦合器件的开门，然后按照设定的选通切片宽度控制增强电荷耦合器件的关门；信号/图像处理单元根据目标回波宽度设定选通切片宽度。

5.根据权利要求4所述的水下成像与非成像复合的激光雷达，其特征在于：

脉冲激光器发射激光脉冲后，其中一小部分脉冲激光通过分光板反射由PIN管接收，经过光电转换后该信号输入数据信号/图像处理单元的第一通道，该信号为飞行时间测量开始信号，并触发数据信号/图像处理单元的第二通道进行数据采集；剩余激光透过发射窗口进入水中射向目标，经距离R到达目标后被反射，目标回波信号和水体散射信号被PMT管接收并进行光电转换和放大，输入数据信号/图像处理单元的第二通道；数据信号/图像处理单元提取出的目标回波脉冲信号作为计时结束信号；数据信号/图像处理单元计算开始信号和计时结束信号的时间间隔，并根据该时间间隔T计算得出目标距离R，该计算公式表示为：

其中，c是光速，c_w是水中光速，n_w是水体折射率，t₀和t_T分别是计时开始时刻和停止时刻。