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科技经济导刊杂志社:一种水下高清晰光学成像方法

点击次数:   更新时间:2015-9-8 14:05:07

一种水下高清晰光学成像方法

 

孙贵新  刘 艳  李彩容         

   (解放军91550部队   辽宁  大连   116023)

 

摘要:水下光学成像的技术瓶颈是制约水下光学测量发展的主要原因。为了克服水下后向散射光的影响,提出了一种基于非均匀光场的水下高清晰度光学成像方法。实验验证,该测量方法可有效消除后向散射光的影响, 提高水下成像的作用距离和成像质量,为后续实现水下高速运动目标的大视角、全景深、高速率观测提供技术支撑。

关键词:水下成像; 非均匀光场;集束光

 

中图分类号:O43  文献标识码:A  文章编号:

 

 

1 前言

水下光学成像技术成像作用距离短,但成像分辨率高、信息含量高、画幅速率高,并且设备体积小[1],特殊情况下能弥补声纳成像的不足。目前,水下光学成像的技术瓶颈包括以下三个方面:一是水体对光能量的吸收作用会损耗照明光束和成像光束的能量,使得超过一定距离的成像光束无法到达像面,或到达像面时过于微弱而被噪声淹没,严重降低了水下成像距离;二是水中杂质的散射作用使光线传播路径产生复杂变化,尤其是照明光与水中杂质产生的后向散射,产生大量噪声,严重影响成像质量,有时甚至无法成像[2];三是若被测目标水下运动时间短,要求成像设备以高采样频率,在短时间内获取足够的图像信息,相应的采样、压缩、存储等技术要求对设备成本、体积等都产生了巨大压力。

原有的水下成像技术采用均匀光场照射,受水下光学成像技术瓶颈的影响,存在着水下光学成像作用距离近、图像质量差、使用环境影响大等问题。本文所提出的水下非均匀光场目标探测的方法,可有效克服散射光的影响,提高成像质量。该测量方法的研究,旨在发展一种无盲区的、消除水下散射背景噪声的目标图像探测技术,使得在保持光功率不变情况下,提高分布光源的最高与最低亮度的比值,就可有效地提高能见距离,改善成像质量。

2 水下光学成像系统的现状

目前,国内外的水下成像技术多采用微光成像技术、水下激光成像技术、水下偏振光成像技术,主要采用均匀光照明技术。

2.1 国外水下光学成像技术的现状

国外已研制出多种水下激光成像系统,有的己经成功地用于海下勘测、搜索和摄像在水下激光成像系统的研制和应用方面,美国处于世界领先地位,加拿大也已取得较大进展。在偏振光水下成像技术方面,国外从20世纪60年代起做了不少模拟实验。英国海军潜水医学研究实验室在游泳池中实验结果表明:在线偏振光源亮度一定的情况下,潜水员戴有检偏器观察时,其视觉锐度及观察距离反而不及不带检偏器观察为好。美海军水下研究及发展中心、海军武器试验站对用圆偏振光照明提高能见度作了模拟实验,取得了肯定结果,并测量了漫射目标及水体的偏振系数。

2.2 国内水下光学成像技术的现状

国内水下成像多采用水下微光成像技术。同时,在水下安装辅助照明系统。在海水能见度较差的情况下,一般采用打开照明系统进行主动照明,通过人工增强拍摄区域背景亮度的方法提高拍摄效果。由于采用的均匀光照明系统,在低透明度,水下杂质多的情况下,近距离目标后向散射形成较强的噪声干扰,远距离的光照被海水吸收殆尽,有时照明强度越高,成像效果越差。

相比微光成像技术,激光具有能量高度集中、投射距离远、水体吸收耗损小的特点,水下激光成像是今后水下成像技术的发展方向。对于水下激光成像技术,国内外进行了大量的研究,较为成熟和可行的技术目前有两种:水下距离选通成像技术和水下激光扫描技术。这两种技术均采用激光主动照明方式增加成像距离,但其都存在明显的不足。水下距离选通成像技术其成像距离受到作为接收器件的CCD(或CMOS)像素灵敏度的限制[3]该技术还有成像灵活性差的缺点。每次成像只能对预设好的距离上目标进行探测成像,如需对其他距离上成像则需重新设置快门。水下激光扫描成像技术由于水体对准直激光束的扩散作用和系统硬件的限制,其成像分辨率较水下距离选通成像技术低[4]。同时由于其多次采样的原因,采样时间较长,难以对快速目标成像。

现有的普通水下微光观测设备虽然能够清晰成像,但是观测距离近,不能满足实际需求,对于水下远距离高速移动的目标更是无法探测。美国由于所处海区水质透明度高,可能采用常规手段即可解决[5]俄罗斯曾经采用在水下平台上安装铁塔的方法,但再多信息无从了解。为了获得远距离、高清晰水下运动目标视频图像,急需研究一种高清晰度水下光学成像的方法。

3 水下高清晰成像方法

在海洋环境中,水下成像系统的作用距离与目标亮度、对比度、水介质条件、成像系统的技术性能及安装平台的运动性能有关[6]。在水介质条件一定的情况下,若获得远距离、高清晰水下图像,单纯地提高目标的亮度并不能获得高清晰的图像。光在水中传播所产生的散射包括纯水本身产生的散射和由悬浮粒子所引起散射两种。散射方式主要有前向散射和后向散射[7]。水下散射光是影响图像质量和探测距离的关键因素[8]用均匀光照明始终无法解决强烈的后向散射光背景噪声和视距受限的问题,即使增加光源功率,对于增大探测距离的效果也不明显,还会带来系统体积、质量和功耗的急剧增大。

非均匀照明光场是在水下三维空间坐标轴上按所在水介质的光衰减规律分布建立的。在近距离范围内,用低能量密度照明,减小近距离后向散射噪声的影响;在远距离目标附近,用高能量密度照明,增强目标信号的强度,目标附近的散射噪声经过长距离传输,被大大衰减,对目标成像效果影响不大。在保持其它成像系统不变的情况下,改变辅助照明系统,可构建非均匀照明光场。该测量方法的关键是建立以集束光光源为核心的集束光水下成像系统。

4 实验室验证结果

4.1实验水池透明度测量

在近海,海水中的溶解物质、悬浮体和各种各样的活性有机体以及河口等浑水区域,水中悬浮颗粒是分层分布的,通常情况下,上层水体水质较为清澈,下层水体水质较为浑浊。使用透明度黑板,把透明度黑板和摄像机放置在同一深度下的水中,透过观测窗观察透明度黑板,并且逐步将透明度黑板向后移动,当看不到透明度黑板时,记录此时的距离,即为海水透明度。这种方法被称为Dutley法则[9]。本文水池透明度为3.5倍衰减长度。在水池中人为地混入泥沙等杂物。使用Duntley的测量方法可以测得水池实验中的透明度为1m

4.2 实验测量结果

利用非均匀光场照明,使用CCD摄像机拍摄距离为0.6倍能见度距离,即距离拍摄物0.6m处和 1倍能见度距离,距离拍摄物1m处进行实验, 可以看出在水体透明度为1m的条件下,使用非均匀光场照明在0.6倍能见度范围所获取的图片分辨率为1mm

在水体透明度为1m的条件下,使用非均匀光场照明在1倍能见度范围所获取的图片分辨率为4mm

4.3实验结果分析

实验前已经测定出实验水体能见度为1m。非均匀光场目标探测试验中,从在不同距离下实验可知:

1)在非均匀光场照明下,使用普通相机,可以在0.6倍能见度距离获取细节分辨率可达1mm

2)在非均匀光场照明下,使用普通相机,可以在1倍能见度距离下获取细节分辨率可达4mm

3)在非均匀光场照明下,使用普通相机,最大探测距离可达到1.65倍能见度距离。

影响原因主要是水体对光的吸收散射,以及硬件无法完全符合集束光源理论

要求。根据此实验数据和非均匀光场设计理论,非均匀光场的有效探测距离应该为1.6倍能见度左右。实验证明,水体中的散射、相机的探测距离和分辨率、标定板精度、近似计算方法与扫描时产生的盲区会影响重建的质量。由此可见非均匀光场可以有效的去除后向散射加性噪声,从而增大探测距离,提高图像质量。

5.结论

采用水下非均匀光场探测技术,有别于普通光、激光等水下均匀光场探测技术,可实现对水下高速运动目标的大视角、全景深、高速率观测,实现水下运动目标运行段轨迹观察。该技术具有克服大范围散射背景的能力,同时提高水下探测距离,解决接收器需要满足大动态范围的问题,与国外技术相比,在同等水质条件下此方法的技术指标高于国外水平。

该方法是一种可广泛使用的水下成像技术,可搭载于潜艇或水下运动设备,应用于搜索和侦察水下目标,勘探海底地貌,绘制水下地形图,监视水下工程作业,检测水下管道、水坝的裂痕,观测海洋平台、海洋基础设施等海底工程结构,测定石油勘探钻井位置,进行生物研究等方面,具有实际应用价值。

 

参考文献

[1] 徐洪梅,水下非均匀光场的目标探测研究[D].青岛:中国海洋大学,2009.

[2] 郑冰,孙晓禾,粟京.一种水下激光成像的新方法[J].中国海洋大学学报,2006,36(l):

 119-122.

[3]蒋鸿旺.水下光电探测系统现状与发展[J].激光与红外,1999,29(3):136-138.

[4]张博,刘智深.水下激光线扫描探测系统的设计及试验[J].中国海洋大学学报,2004,34(4): 655-661.

[5] 金伟其.水下光电成像技术与装备研究进展(下)[J].红外技术,2011,33(3).

[6]刘艳,李卿,等.基于能量传递的水下微光成像系统性能评价[J].弹箭与制导学报,2010,30(5):196-198.

[7] 刘智深,关定华.海洋物理学[M].济南:山东教育出版社,2004:171-238.

[8] 温强,温文,等.基于等相位体概念的水下激光背向散射强度的估算方法[J].海洋学报,2007,29(l):26-30.

[9] 郑冰.混合光场水下光学二维与三维探测研究[D].青岛:中国海洋大学,2013,(05).


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