激光聚焦成像系统、方法及透过浑浊水体的聚焦成像系统

本发明属于水下光场调控，具体涉及一种激光聚焦成像系统、方法及透过浑浊水体的聚焦成像系统。

背景技术：

1、在过去的几十年里，水下激光传输技术得到了快速发展，并在许多领域中得到了广泛应用，包括水下激光探测、水下光通信、水下成像等。但在对湖泊或海洋等具有一定浑浊度的水体进行水下勘探时，受水体中颗粒和悬浮粒子的散射、吸收作用，传统高斯激光光束的入射光经过水体时会存在光波能量衰减，导致成像清晰度降低，并且，还限制了成像系统的探测距离，难以具备较好的成像效果。为了减轻水下恶劣环境对成像的影响，目前主流的方法有增大激光能量、光场调控等。然而，使用增大激光能量方法，在增大激光入射能量的同时，水体后向散射信号也会相应的增大，导致反射回的目标信号淹没在背景噪声中，其次，水体中光强的衰减呈指数倍增长，增大的激光能量所提升的传输距离有限，因此具有一定的局限性。使用光场调控方法时，涉及到的透镜结构复杂，价格成本昂贵，不具有普适性，并且由于缺乏动态调制特性而受到限制。

2、综上所述，现有的水下成像技术仍然无法解决在浑浊水体中执行探勘时，受水体中颗粒和悬浮粒子的散射、吸收作用，入射光的光波能量衰减，导致成像清晰度差、探测距离短和鲁棒性差等问题。

技术实现思路

1、为了上述问题，本发明提供了一种激光聚焦成像系统、方法及透过浑浊水体的聚焦成像系统。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、第一方面，本发明提供一种激光聚焦成像系统，包括：高斯光束生成模块，用于生成一束准直的高斯光束；无衍射光束生成模块，用于利用调制好的相位图，将所述高斯光束转换为无衍射光束；所述无衍射光束用于透过液体聚焦到预设位置，并且，所述无衍射光束在所述预设位置处的光束强度大于或等于第一预设强度；所述调制好的相位图是通过对初始相位图进行迭代调制获得，所述初始相位图是结合所述液体的水体信息生成的。

3、在一些实施例中，所述激光聚焦成像系统还包括：水体信息获取模块和光强获取模块；所述水体信息获取模块，用于获取所述液体的水体信息，并将所述水体信息发送给所述无衍射光束生成模块；所述光强获取模块，用于获取多个无衍射光束在所述预设位置处的光束功率分布，得到多组光束功率分布，并将所述多组光束功率分布发送给所述无衍射光束生成模块；其中，一个无衍射光束对应一组光束功率分布，并且，所述多个无衍射光束的光束强度不同；所述无衍射光束生成模块，还用于接收所述水体信息和所述多组光束功率分布，并根据所述水体信息和所述多组光束功率分布，对所述初始相位图进行迭代调制，得到所述调制好的相位图。

4、在一些实施例中，每组光束功率分布中包括多个光束功率值，所述无衍射光束生成模块包括：信息接收模块，用于接收所述水体信息和所述多组光束功率分布；相位图生成模块，用于在接收到的第i组光束功率分布中的最大值小于第二预设强度时，利用所述第i组光束功率分布，更新第i-1个相位图中的相位分布，生成第i个相位图，利用所述第i个相位图，将所述高斯光束转换为第i个无衍射光束，在接收到的所述第i个无衍射光束对应的第i+1组光束功率分布中的最大值小于所述第二预设强度时，利用所述第i+1组光束功率分布，更新所述第i个相位图中的相位分布，得到第i+1个相位图，如此迭代，直至接收到的一组光束功率分布中的最大值大于或等于所述第二预设强度时，停止更新，获得所述调制好的相位图，i为大于1的正整数。

5、在一些实施例中，每个相位图对应一个相位函数；所述相位图生成模块，还用于在生成所述第i个相位图时，利用所述第i组光束功率分布中的最大值，调整所述第i-1个相位图对应的相位函数的参数值，得到所述第i个相位图。

6、在一些实施例中，所述调制好的相位图包括：单个无衍射光束相位图，以及多个无衍射光束相位图叠加形成的相位图。

7、在一些实施例中，所述光强获取模块包括：孔径光阑和光功率计；所述孔径光阑，用于允许所述无衍射光束中心处的光束通过；所述光功率计，用于每次获取所述一个无衍射光束在所述预设位置处的光束功率分布，对应得到所述一组光束功率分布，通过对所述多个无衍射光束在所述预设位置处的光束功率分布的获取，得到所述多组光束功率分布，并将所述多组光束功率分布发送给所述无衍射光束生成模块。

8、第二方面，本发明提供一种激光聚焦成像系统，包括：生成一束准直的高斯光束；利用调制好的相位图，将所述高斯光束转换为无衍射光束；所述无衍射光束用于透过液体聚焦到预设位置，并且，所述无衍射光束在所述预设位置处的光束强度大于或等于第一预设强度；所述调制好的相位图是通过对初始相位图进行迭代调制获得，所述初始相位图是结合所述液体的水体信息生成的。

9、在一些实施例中，所述调制好的相位图通过以下方式获得：获取所述液体的水体信息；获取多个无衍射光束在所述预设位置处的光束功率分布，得到多组光束功率分布，其中，一个无衍射光束对应一组光束功率分布，并且，所述多个无衍射光束的光束强度不同；根据所述水体信息和所述多组光束功率分布，对所述初始相位图进行迭代调制，得到所述调制好的相位图。

10、在一些实施例中，所述根据所述水体信息和所述多组光束功率分布，对所述初始相位图进行迭代调制，得到所述调制好的相位图，包括：在接收到的第i组光束功率分布中的最大值小于第二预设强度时，利用所述第i组光束功率分布，更新第i-1个相位图中的相位分布，生成第i个相位图，利用所述第i个相位图，将所述高斯光束转换为第i个无衍射光束，在接收到的所述第i个无衍射光束对应的第i+1组光束功率分布中的最大值小于所述第二预设强度时，利用所述第i+1组光束功率分布，更新所述第i个相位图中的相位分布，得到第i+1个相位图，如此迭代，直至接收到的一组光束功率分布中的最大值大于或等于所述第二预设强度时，停止更新，获得所述调制好的相位图，i为大于1的正整数。

11、第三方面，本发明提供一种透过浑浊水体的聚焦成像系统，包括：水箱和如第一方面所述的激光聚焦成像系统；所述水箱，两侧对称设置有入光孔和出光孔，并且所述水箱内盛放有浑浊水体；所述激光聚焦成像系统，用于利用调制好的相位图，生成无衍射光束，并利用所述无衍射光束透过所述入光孔照射所述浑浊水体，随后从所述出光孔射出，其中，射出的所述无衍射光束的光束强度大于或等于第一预设强度，所述调制好的相位图是通过对初始相位图进行迭代调制获得，所述初始相位图是结合所述浑浊水体的水体信息生成的。

12、本发明具有如下有益技术效果：针对现有的水下成像技术仍然无法解决在浑浊水体中执行探勘时，受水体中颗粒和悬浮粒子的散射、吸收作用，入射光的光波能量衰减，导致成像清晰度差、探测距离短和鲁棒性差等问题，本发明提供了一种激光聚焦成像系统、方法及透过浑浊水体的聚焦成像系统，基于本发明提出的激光聚焦成像系统，其利用高斯光束生成模块生成一束准直的高斯光束，再对结合水体信息生成的初始相位图进行迭代调制，以利用调制好的相位图将高斯光束转换为具有大于或等于第一预设强度的无衍射光束，利用无衍射光束进行水下探测，相较于高斯光束，受到的散射和光吸收影响更小，检测精度更高，并且能够有效提高成像清晰度，极大减弱水体特征对入射的无衍射光束的干扰，可有效提高成像鲁棒性。并且相较于传统复杂光场调控装置，本发明提出的激光聚焦成像系统结构简单，操作方便，可实用性极高。并且将本发明提供的激光聚焦成像系统应用于浑浊水体时，该系统无需多种繁杂的透镜等光学矫正器参与，以及无需校正像差等过程，能够根据实时获取的水体信息动态调制相位图，极大降低水下颗粒和悬浮粒子散射吸收、浑浊水体湍流扰动等干扰，减轻光波能量衰减幅度，获得鲁棒性高且清晰度极佳的成像效果。

13、以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。