水下光學(xué)探測發(fā)展綜述[文書特制]

1、 一、水下探測技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀光在水中傳播，接收器接收的光信息主要由3 部分組成：從目標(biāo)反射回來并經(jīng)水介質(zhì)光在水中傳播，接收器接收的光信息主要由3 部分組成：從目標(biāo)反射回來并經(jīng)水介質(zhì)吸收、散射損耗后的成像光束；光源與目標(biāo)之間水介質(zhì)散射的影響圖像對比度的后向散射光；目標(biāo)與接收器之間水介質(zhì)散射較小角度并直接影響目標(biāo)細(xì)節(jié)分辨率的前向散射光。與大氣成像技術(shù)相比，水下成像技術(shù)的研究重點就是減小水介質(zhì)所具有的強散射效應(yīng)和快速吸收功率衰減特性對水下通信、成像、目標(biāo)探測所造成的影響。目前主要有幾種成像技術(shù)在實際中得到應(yīng)用且達(dá)到較好的工作效果，它們的工作原理和技術(shù)特點如下所述。 1 同步掃描成像 同步掃描技術(shù)是掃描

2、光束(連續(xù)激光)和接收視線的同步，利用的是水的后向散射光強相對中心軸迅速減小的原理。該技術(shù)采用準(zhǔn)直光束點掃描和基于光電倍增管的高靈敏度探測器的窄視域跟蹤接收。如圖1，激光掃描裝置器使用窄光束的連續(xù)激光器, 同時使用窄視場角的接收器, 探測器與激光掃描裝置分開放置，這樣使得被照明水體和接收器視場的交迭區(qū)域盡量減少, 從而讓后向散射光盡量少地進(jìn)入接收器中,再利用同步掃描技術(shù), 逐個像素點探測來重建圖像，有效地提高成像的信噪比和作用距離。 美國Westinghouse 公司為美國海軍生產(chǎn)的一種機(jī)械同步掃描SM2000 型水下激光成像系統(tǒng), 其成像距離是普通水下攝像機(jī)的3 5 倍，有效視場可達(dá)70，在

3、30m 作用距離上可分辨25mm 量級的圖像。該系統(tǒng)的有效視場大約為距離選通技術(shù)的5 倍, 成像質(zhì)量(即分辨率)也比距離選通好。圖1： 2、距離選通技術(shù) 距離選通技術(shù)是利用脈沖激光器和選通攝像機(jī)，以時間的先后分開不同距離上的散射光和目標(biāo)的反射光，使由被觀察目標(biāo)反射回來的輻射脈沖剛好在攝像機(jī)選通工作的時間內(nèi)到達(dá)攝像機(jī)并成像。如圖2，采用脈沖激光源照明目標(biāo)，接收端使用距離選通門，在照射的短脈寬激光的光從目標(biāo)返回前，相機(jī)快門一直關(guān)閉，信號光抵達(dá)時，快門才打開，這樣使得接收器幾乎同時接收到整個視場內(nèi)所有景物的反射光。在該系統(tǒng)中, 非常短的激光脈沖照射目標(biāo)物體，照相機(jī)快門打開的時間相對于照射目標(biāo)的激光發(fā)

4、射時間有一定的延遲, 并且快門打開的時間很短, 在這段時間內(nèi), 探測器接收從目標(biāo)返回的光束, 從而排除了大部分的后向散射光。此種方法對解決由海水中的懸浮顆粒引起的后向散射問題很有力。系統(tǒng)的距離分辨率由激光脈沖寬度和探測器選通門寬度決定，寬度為1ns 激光脈沖和寬度為1ns 成像儀結(jié)合，能提供30 60cm 的距離分辨率。如果選通脈沖寬度和激光脈沖寬度都很窄，使得只有目標(biāo)附近的反射光才能到達(dá)攝像機(jī)，那么就能大大提高回波信號的信噪比，該系統(tǒng)典型視場為1213。距離選通技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)是一種較為成熟的技術(shù)，在實用化系統(tǒng)中證明了6 倍衰減長度的距離上該成像技術(shù)具有成像識別目標(biāo)的能力，能在大于10 個衰減長

5、度的距離上探測到目標(biāo)。圖2目前典型的水下距離選通光電成像系統(tǒng)主要有：目前典型的水下距離選通成像系統(tǒng)是加拿大DRDC Valcartier（國防研究所）的 LUCIE （Laser Underwater Camera Image Enhancer LUCIE）系列產(chǎn)品，裝載在 ROV 上可工作在 200 m 的海下，對港口和深海進(jìn)行探測和監(jiān)測。該產(chǎn)品至今已發(fā)展了三代。第三代手持式 LUCIE（20062009）由 DRDC & NSS 聯(lián)合開發(fā)，用于搜救。LUCIE2 系統(tǒng)可在 7.35衰減長度（AL：輻射衰減到 1/e 時的傳輸距離）距離對豎條紋靶成像；在 5.0 AL 處可分辨 16 mm/

6、lp 的分辨力靶圖；并可與高頻成像聲納形成融合圖像。新加坡：水下激光雷達(dá)成像南洋理工大學(xué)研制了一款距離選通成像系統(tǒng)。主動光源采用 5 ns 脈寬 532 nm YAG激光器，單脈沖能量 160 mJ，接收器采用 ICCD。Andrzej Sluzek 等利用該系統(tǒng)進(jìn)行選通圖像的自適應(yīng)融合，獲得所有成像路徑上的目標(biāo)圖像，增大了距離選通系統(tǒng)的影深。瑞典：Aqua Lynx 水下距離選通相機(jī)。瑞典國防研究所的H. M. Tulldahl等2006年利用該系統(tǒng)在清水和濁水中進(jìn)行了實驗。 實驗所用清水的衰減系數(shù)c0.45 m1后向散射系數(shù) bb0.0055 m1。濁水 c1.75 m1，b0.03 m1

7、。衰減和后向散射系數(shù)采用標(biāo)定的 HobLabs公司的c-Beta 透射計測得。實驗結(jié)果表明，距離選通系統(tǒng)的探測距離是傳統(tǒng)攝像機(jī)的 2 倍，識別距離是傳統(tǒng)攝像機(jī)的 1.5 倍。中國：北京理工大學(xué)水下距離選通相機(jī) “十五”期間北京理工大學(xué)與北方夜視公司合作，研制成功適合水下激光成像系統(tǒng)用的高性能 ns 級選通型超二代微光 ICCD器件，突破了距離選通成像小型程控電源及其控制技術(shù)，成功進(jìn)行了水下和陸上的選通成像實驗。2006年獲得國家 863 計劃“海洋技術(shù)”領(lǐng)域“深海探測與作業(yè)技術(shù)”專題“水下運載技術(shù)”方向“深海水下運載平臺的激光距離選通成像探測技術(shù)研究” （2006AA09Z207）的支持，開展

8、水下脈沖激光距離選通成像技術(shù)研究，采用 5 ns 脈寬的距離選通ICCD成像系統(tǒng)和DPL Nd:YAG大功率脈沖激光器，研制成水下距離選通成像實驗系統(tǒng)，進(jìn)行了實際水下成像實驗，連續(xù)實時上傳的水下視頻圖像具有較好的成像效果。3、偏振成像技術(shù) 偏振成像技術(shù)是利用物體的反射光和后向散射光的偏振特性的不同來改善成像的分辨率。激光波長與海水及海水中懸浮顆粒和有機(jī)物分子的尺寸相當(dāng)，其相對折射率為1.00 1.15，一般遵從瑞利或米氏散射理論。根據(jù)散射理論, 懸浮粒子后向散射的退偏振度小于物體后向散射光的退偏振度。如果在水下用偏振光源照明, 則大部分后向散射光也將是偏振的, 如果采用適當(dāng)取向的檢偏器對后向散

9、射光加以抑制，從而可使圖像對比度增強。如當(dāng)檢偏器的偏振方向與光源的偏振方向平行, 物體反射光能量和散射光能量大約相等, 對比度最小, 圖像模糊; 而當(dāng)兩者偏振方向垂直時, 接收到的物體反射光能量則遠(yuǎn)大于光源的散射光能量, 對比度最大, 圖像清晰。在近幾年的科研中以色列理工大學(xué)在水下偏振光成像技術(shù)中取得了顯著的成果2005年以色列理工的Nir karrpel 和Yoar Y.Schechner開發(fā)了便攜式偏振水下成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)有如下特點：1、有已知的線性輻射響應(yīng)2、較低的噪聲影響3、便攜無需外部設(shè)備和外接電源。其設(shè)備如圖：2009年以色列理工大學(xué)的Tali Treibitz發(fā)表了關(guān)于主動偏振去

10、除后向散射的方法。運用主動場景輻射在人工照明場構(gòu)成圖像。根據(jù)重構(gòu)模型，提出恢復(fù)被測物體的信息的方法。該方法也可以提取粗略的3D場景信息。這種方法的原理是：相機(jī)配備有一個偏振分析儀器，當(dāng)分析儀器和光源偏振鏡處于不同偏振狀態(tài)時，立刻提取兩幀場景圖。根據(jù)獲取的圖像運用相應(yīng)的重構(gòu)算法來恢復(fù)圖像。如圖：重構(gòu)效果:4水下激光三維成像技術(shù) （1） 條紋管成像激光雷達(dá)可提供很好的三維信息，其原理是通過測量短脈沖激光在發(fā)射機(jī)與目標(biāo)之間的往返時間，來還原出目標(biāo)的距離像。目標(biāo)的距離信息首先轉(zhuǎn)換成為回波信號的時間信息，即回波的時間先后，然后又通過條紋管轉(zhuǎn)換成為條紋像的空間信息。 該技術(shù)使用脈沖激光發(fā)射器和時間分辨條紋

11、管接收器。如圖3，反射的回波信號（激光束）由接收光學(xué)系統(tǒng)靜電聚焦到條紋管的狹縫光電陰極上，進(jìn)入兩平行板之間，平行板電極上加有隨時間線性變化的斜坡電壓，由于不同時刻進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子受到不同偏轉(zhuǎn)電壓的作用，電子束到達(dá)熒光屏?xí)r，將沿垂直于狹縫的方向展開。條紋管在此方向上分成了多個時間分辨的通道，不同時間到來的回波信號在條紋管的屏幕上顯示的條紋位置不同，利用屏幕上條紋的相對位置就可以分辨出目標(biāo)的距離信息。另外還可以根據(jù)目標(biāo)表面的反射率的不同得到目標(biāo)的強度信息。這樣在條紋管的熒光屏上就可以得到目標(biāo)的距離- 強度- 方位角的圖像信息，并由耦合在條紋管熒光屏上的CCD圖像讀出系統(tǒng)讀出。目標(biāo)輸出圖像中每行代

12、表不同時間的條紋圖像,每列代表一個可時間分辨的通道。 在STIL 結(jié)構(gòu)中, 每個激光脈沖在整個扇形光束產(chǎn)生一個圖像，可以提供更大的掃描寬度。因此，使用當(dāng)前激光器和CCD 技術(shù)所能達(dá)到的相對適中的脈沖重復(fù)頻率就能得到較高的搜索速度。STIL 具有距離精度高(小于5cm)、方位視場角大(大于30)、空間分辨力高(高于512 像素)等優(yōu)點。 近年水下激光三維成像技術(shù)被廣泛運用于水下探測領(lǐng)域。2002年Karl D. Moore 和 Jules S. Jaffe發(fā)表關(guān)于使用三維激光線性掃描系統(tǒng)測量海底高分辨率地形的論文。研究人員通過在墨西哥灣的實驗獲取了高分辨率水深資料：覆蓋兩個沙波周期獲取一個長為1

13、.35米的一維橫斷面；同樣該系統(tǒng)也可以用來測量反射率和產(chǎn)生三維底部探測區(qū)域圖。實驗原理如圖：2006年日本靜岡大學(xué)的Atsushi Yamashita, Shinsuke Ikeda 等發(fā)表了運用激光測距儀對未知水生環(huán)境進(jìn)行三維測量的論文。文中針對淺水測量中由于水汽交界面引起折射造成的圖像失真進(jìn)行了分析和復(fù)原。如圖：2010年Roger Stettner研發(fā)的3D閃存激光雷達(dá)。該技術(shù)僅用一個激光脈沖便可獲取整個畫面的三維信息。其特點是有極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，通過增加相關(guān)的三維焦平面陣列（FPA）能夠大大提高數(shù)據(jù)的傳輸速率其原理如下圖：5、 使用結(jié)構(gòu)光技術(shù)結(jié)構(gòu)光技術(shù)(Structured Ligh

14、t)是一種主動式三角測量技術(shù)，其基本原理是：由激光投射器投射可控制的光點、光條或光面到物體表面形成特征點，并由CCD攝像機(jī)拍攝圖像，得到特征點的投射角，然后根據(jù)標(biāo)定出的空間方向、位置參數(shù)，利用三角法測量原理計算特征點與CCD 攝像機(jī)鏡頭主點之間的距離。卡耐基梅隆大學(xué)的S.G.Narasimhan使用距離補償技術(shù)如圖：該系統(tǒng)使用投影機(jī)創(chuàng)造機(jī)構(gòu)光模型。該系統(tǒng)所獲得的圖像對比度明顯優(yōu)于寬視角照明系統(tǒng)。進(jìn)一步處理可獲得被測物體深度圖。 另一種方法是合成孔徑法。M.Levoy使用星群照明光源。每個亮點攝像特點的方位。當(dāng)不同設(shè)置的光照明源活動時可獲取多個框架。其中每個組合產(chǎn)生不同的照明模式。這些獲得的框架

15、包含類似于通過泛光燈照明中得到的反向散射。當(dāng)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)處理時，統(tǒng)計了基于這組框架的后向散射，這些后向散射被去除以提高圖象的質(zhì)量。 其它方法依賴于空間的相干性，比如那些使用結(jié)構(gòu)化照明完成物體形狀的復(fù)原和運動幅度的成像的構(gòu)思，由于受限制于所需光學(xué)的實際大小，并且由于場景的合理大小的現(xiàn)實實際問題，這些構(gòu)思沒被研究。6、多個視角的圖像建設(shè) 所獲取的一個圖像場景收集了從不同的位置的圖像信息。利用這些信息進(jìn)行三維重建。 這可以通過對所需區(qū)域進(jìn)行高分辨率的光學(xué)探測而完成，使用單一的成像系統(tǒng)，或使用多個成像系統(tǒng)，讓探測工作在很短時間內(nèi)進(jìn)行。當(dāng)多個系統(tǒng)的技術(shù)使用分開照明形成的圖象形成過程時，圖象可以捕獲

16、由于降低后向散射而增加的距離。例如不同配置的照明和相機(jī)，如下圖所示，該構(gòu)想已被模擬。伍茲霍爾海洋研究所的研究人員，正在實驗一個改進(jìn)的技術(shù)，他們使用了兩個水下機(jī)器人的合作，來描述北極海底。不同之處就在于，兩個水下機(jī)器人相繼啟動不同的目標(biāo)物。第一個水下機(jī)器人Puma或plume mapper,啟動本地化的化學(xué)和通過熱液溫口的溫度信號；另一個水下機(jī)器人Jaguar，被發(fā)送到那些地方使用高分辨率的攝相機(jī)和海底繪測聲納去描述海底圖象。7、 線性激光掃描法（LLS） 激光線性掃描系統(tǒng)是一種用激光掃描出一條狹窄的瞬時視場，同時在一個很大的角度上有一個很高的校準(zhǔn)激光源線性的氣溶膠接收器。有顯示表明,光學(xué)傳遞函

17、數(shù)的這一系統(tǒng)可以接近衍射極限。 盡管線性激光掃描系統(tǒng)能夠有效地去除散射光。但是LLS系統(tǒng)依然受限于源于目標(biāo)返回和體積散射引起的接收器散粒噪聲。為了使作用范圍達(dá)到最大化，CW LLS 系統(tǒng)（連續(xù)波線性激光掃描系統(tǒng)）使用增強的光源-接收器分離裝置從而減少近場多次散射造成的不利影響。通過計算機(jī)模擬，證明該系統(tǒng)能夠在衰減深度為6的條件下獲取較清晰的圖像。 另一種技術(shù)使用高頻率脈沖激光接受選通器（PULSED LASER LINE SCAN ）能夠減少光束重疊帶來的影響，從而可以使系統(tǒng)能夠在衰減深度為7的條件下獲取較清晰圖像。經(jīng)過改進(jìn)的PPL系統(tǒng)使用特定高頻（357KHz）高功率綠色激光（6-7半高全寬

18、）其水池實驗表明時間選通激光脈沖掃描系統(tǒng)TG PLLS）在信噪比和對比度上都要優(yōu)于連續(xù)波線性激光掃描系統(tǒng)（CW LLS）如下圖： 8、 使用調(diào)制解調(diào)技術(shù)去除后向散射光調(diào)制技術(shù)能夠有效的提高接收器的信噪比。早期的水下連續(xù)探測技術(shù)表明：當(dāng)使用CW LLS(連續(xù)波線性激光掃描)已調(diào)制光對被測物體進(jìn)行探測，后向散射和目標(biāo)反射的光子同時被接收器接收后由一個光電倍增管放大，再使用AM解調(diào)。這樣能夠有效地去除后向散射光影響。2007年 佛羅里達(dá)州弗特皮斯海洋（HBOI）研究院測試了美國海軍(NAVAIR)研發(fā)使用調(diào)制技術(shù)改進(jìn)的CW LLS系統(tǒng)。結(jié)果證明經(jīng)過調(diào)制的CW LLS 系統(tǒng)的對比度遠(yuǎn)勝于未經(jīng)調(diào)制的CW

19、 LLS系統(tǒng)。如圖： 二、本實驗室研究成果1、水下非均勻光場探測系統(tǒng)：我們設(shè)計的非均勻光場中, 其能量分布與水下三維空間坐標(biāo)軸上按所在水介質(zhì)光衰減規(guī)律相匹配, 如圖, 對近距離目標(biāo)用弱光場照明, 以盡可能減小后向散射噪音的影響; 遠(yuǎn)距離目標(biāo)用強光場照明, 來提高目標(biāo)信號的強度, 同時較強的后向散射光經(jīng)過長距離的傳輸?shù)竭_(dá)接收器時也會降低。為了實現(xiàn)非均勻光場的光場分布, 構(gòu)建了以集束式光源為核心的集束光水下圖像系統(tǒng), 其結(jié)構(gòu)如圖為了驗證所設(shè)計集束光水下圖像系統(tǒng)的成像性能, 進(jìn)行了相關(guān)的水池實驗. 實驗中所用接收系統(tǒng)的視角為8365, 水池透明度為3. 5倍衰減長度, 觀測目標(biāo)為40. 5cm50.

20、 5cm矩形分辨率板, 如圖7. 圖8給出了c=7m-1的情況下( 透明度50cm) ,在不同觀測距離上的實驗圖片. 由觀測結(jié)果可以看出, 集束光水下圖像系統(tǒng)所產(chǎn)生的非均勻光場, 在水池中距離30cm( 0. 6倍能見度) 的情況下, 可以清晰分辨1mm細(xì)節(jié); 距離50cm( 1倍能見度) 時, 可分辨目標(biāo)輪廓; 距離75cm( 1. 5倍能見度) , 可探測到目標(biāo). 在目前電功率150W情況下, 最大視距可達(dá)1. 65倍能見度.2、 基于雙激光的水下測距技術(shù) 單點式激光三角測距是基于激光束入射到被測物體后產(chǎn)生反射，入射光與反射光構(gòu)成了一個光三角形，它的基本原理是來源于平面三角幾何原理，根據(jù)反射光束的位置便可以確定被測工件的尺寸及公差、位