水下光学探测发展综述

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1、 一、水下探测技术发呈现状光在水中传播，接受器接受的光信息重要由3 部分构成：从目的反射回来并经水介质光在水中传播，接受器接受的光信息重要由3 部分构成：从目的反射回来并经水介质吸取、散射损耗后的成像光束；光源与目的之间水介质散射的影响图像对比度的后向散射光；目的与接受器之间水介质散射较小角度并直接影响目的细节辨别率的前向散射光。与大气成像技术相比，水下成像技术的研究重点就是减小水介质所具有的强散射效应和迅速吸取功率衰减特性对水下通信、成像、目的探测所导致的影响。目前重要有几种成像技术在实际中得到应用且达到较好的工作效果，它们的工作原理和技术特点如下所述。 1 同步扫描成像 同步扫描技术是扫描

2、光束(持续激光)和接受视线的同步，运用的是水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理。该技术采用准直光束点扫描和基于光电倍增管的高敏捷度探测器的窄视域跟踪接受。如图1，激光扫描装置器使用窄光束的持续激光器, 同步使用窄视场角的接受器, 探测器与激光扫描装置分开放置，这样使得被照明水体和接受器视场的交迭区域尽量减少, 从而让后向散射光尽量少地进入接受器中,再运用同步扫描技术, 逐个像素点探测来重建图像，有效地提高成像的信噪比和作用距离。 美国Westinghouse 公司为美国海军生产的一种机械同步扫描SM 型水下激光成像系统, 其成像距离是一般水下摄像机的3 5 倍，有效视场可达70，在30m

3、作用距离上可辨别25mm 量级的图像。该系统的有效视场大概为距离选通技术的5 倍, 成像质量(即辨别率)也比距离选通好。图1： 2、距离选通技术 距离选通技术是运用脉冲激光器和选通摄像机，以时间的先后分开不同距离上的散射光和目的的反射光，使由被观测目的反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内达到摄像机并成像。如图2，采用脉冲激光源照明目的，接受端使用距离选通门，在照射的短脉宽激光的光从目的返回前，相机快门始终关闭，信号光达到时，快门才打开，这样使得接受器几乎同步接受到整个视场内所有景物的反射光。在该系统中, 非常短的激光脉冲照射目的物体，照相机快门打开的时间相对于照射目的的激光发射时间有

4、一定的延迟, 并且快门打开的时间很短, 在这段时间内, 探测器接受从目的返回的光束, 从而排除了大部分的后向散射光。此种措施对解决由海水中的悬浮颗粒引起的后向散射问题很有力。系统的距离辨别率由激光脉冲宽度和探测器选通门宽度决定，宽度为1ns 激光脉冲和宽度为1ns 成像仪结合，能提供30 60cm 的距离辨别率。如果选通脉冲宽度和激光脉冲宽度都很窄，使得只有目的附近的反射光才干达到摄像机，那么就能大大提高回波信号的信噪比，该系统典型视场为1213。距离选通技术目前已经是一种较为成熟的技术，在实用化系统中证明了6 倍衰减长度的距离上该成像技术具有成像辨认目的的能力，能在不小于10 个衰减长度的距

5、离上探测到目的。图2目前典型的水下距离选通光电成像系统重要有：目前典型的水下距离选通成像系统是加拿大DRDC Valcartier（国防研究所）的 LUCIE （Laser Underwater Camera Image Enhancer LUCIE）系列产品，装载在 ROV 上可工作在 200 m 的海下，对港口和深海进行探测和监测。该产品至今已发展了三代。第三代手持式 LUCIE（）由 DRDC & NSS 联合开发，用于搜救。LUCIE2 系统可在 7.35衰减长度（AL：辐射衰减到 1/e 时的传播距离）距离对竖条纹靶成像；在 5.0 AL 处可辨别 16 mm/lp 的辨别力靶图；并

6、可与高频成像声纳形成融合图像。新加坡：水下激光雷达到像南洋理工大学研制了一款距离选通成像系统。积极光源采用 5 ns 脉宽 532 nm YAG激光器，单脉冲能量 160 mJ，接受器采用 ICCD。Andrzej Sluzek 等运用该系统进行选通图像的自适应融合，获得所有成像途径上的目的图像，增大了距离选通系统的影深。瑞典：Aqua Lynx 水下距离选通相机。瑞典国防研究所的H. M. Tulldahl等运用该系统在清水和浊水中进行了实验。 实验所用清水的衰减系数c0.45 m1后向散射系数 bb0.0055 m1。浊水 c1.75 m1，b0.03 m1。衰减和后向散射系数采用标定的

7、HobLabs公司的c-Beta 透射计测得。实验成果表白，距离选通系统的探测距离是老式摄像机的 2 倍，辨认距离是老式摄像机的 1.5 倍。中国：北京理工大学水下距离选通相机 “十五”期间北京理工大学与北方夜视公司合伙，研制成功适合水下激光成像系统用的高性能 ns 级选通型超二代微光 ICCD器件，突破了距离选通成像小型程控电源及其控制技术，成功进行了水下和陆上的选通成像实验。获得国家 863 筹划“海洋技术”领域“深海探测与作业技术”专项“水下运载技术”方向“深海水下运载平台的激光距离选通成像探测技术研究” （AA09Z207）的支持，开展水下脉冲激光距离选通成像技术研究，采用 5 ns

8、脉宽的距离选通ICCD成像系统和DPL Nd:YAG大功率脉冲激光器，研制成水下距离选通成像实验系统，进行了实际水下成像实验，持续实时上传的水下视频图像具有较好的成像效果。3、偏振成像技术 偏振成像技术是运用物体的反射光和后向散射光的偏振特性的不同来改善成像的辨别率。激光波长与海水及海水中悬浮颗粒和有机物分子的尺寸相称，其相对折射率为1.00 1.15，一般遵从瑞利或米氏散射理论。根据散射理论, 悬浮粒子后向散射的退偏振度不不小于物体后向散射光的退偏振度。如果在水下用偏振光源照明, 则大部分后向散射光也将是偏振的, 如果采用合适取向的检偏器对后向散射光加以克制，从而可使图像对比度增强。如当检偏

9、器的偏振方向与光源的偏振方向平行, 物体反射光能量和散射光能量大概相等, 对比度最小, 图像模糊; 而当两者偏振方向垂直时, 接受到的物体反射光能量则远不小于光源的散射光能量, 对比度最大, 图像清晰。在近几年的科研中以色列理工大学在水下偏振光成像技术中获得了明显的成果以色列理工的Nir karrpel 和Yoar Y.Schechner开发了便携式偏振水下成像系统。该系统有如下特点：1、有已知的线性辐射响应2、较低的噪声影响3、便携无需外部设备和外接电源。其设备如图：以色列理工大学的Tali Treibitz刊登了有关积极偏振清除后向散射的措施。运用积极场景辐射在人工照明场构成图像。根据重构

10、模型，提出恢复被测物体的信息的措施。该措施也可以提取粗略的3D场景信息。这种措施的原理是：相机配备有一种偏振分析仪器，当分析仪器和光源偏振镜处在不同偏振状态时，立即提取两帧场景图。根据获取的图像运用相应的重构算法来恢复图像。如图：重构效果:4水下激光三维成像技术 （1） 条纹管成像激光雷达可提供较好的三维信息，其原理是通过测量短脉冲激光在发射机与目的之间的来回时间，来还原出目的的距离像。目的的距离信息一方面转换成为回波信号的时间信息，即回波的时间先后，然后又通过条纹管转换成为条纹像的空间信息。 该技术使用脉冲激光发射器和时间辨别条纹管接受器。如图3，反射的回波信号（激光束）由接受光学系统静电聚

11、焦到条纹管的狭缝光电阴极上，进入两平行板之间，平行板电极上加有随时间线性变化的斜坡电压，由于不同步刻进入偏转系统的电子受到不同偏转电压的作用，电子束达到荧光屏时，将沿垂直于狭缝的方向展开。条纹管在此方向上提成了多种时间辨别的通道，不同步间到来的回波信号在条纹管的屏幕上显示的条纹位置不同，运用屏幕上条纹的相对位置就可以辨别出目的的距离信息。此外还可以根据目的表面的反射率的不同得到目的的强度信息。这样在条纹管的荧光屏上就可以得到目的的距离- 强度- 方位角的图像信息，并由耦合在条纹管荧光屏上的CCD图像读出系统读出。目的输出图像中每行代表不同步间的条纹图像,每列代表一种可时间辨别的通道。 在STI

12、L 构造中, 每个激光脉冲在整个扇形光束产生一种图像，可以提供更大的扫描宽度。因此，使用目前激光器和CCD 技术所能达到的相对适中的脉冲反复频率就能得到较高的搜索速度。STIL 具有距离精度高(不不小于5cm)、方位视场角大(不小于30)、空间辨别力高(高于512 像素)等长处。 近年水下激光三维成像技术被广泛运用于水下探测领域。Karl D. Moore 和 Jules S. Jaffe刊登有关使用三维激光线性扫描系统测量海底高辨别率地形的论文。研究人员通过在墨西哥湾的实验获取了高辨别率水深资料：覆盖两个沙波周期获取一种长为1.35米的一维横断面；同样该系统也可以用来测量反射率和产生三维底部

13、探测区域图。实验原理如图：日本静冈大学的Atsushi Yamashita, Shinsuke Ikeda 等刊登了运用激光测距仪对未知水生环境进行三维测量的论文。文中针对浅水测量中由于水汽交界面引起折射导致的图像失真进行了分析和复原。如图：Roger Stettner研发的3D闪存激光雷达。该技术仅用一种激光脉冲便可获取整个画面的三维信息。其特点是有极高的数据传播速率，通过增长有关的三维焦平面阵列（FPA）可以大大提高数据的传播速率其原理如下图：5、 使用构造光技术构造光技术(Structured Light)是一种积极式三角测量技术，其基本原理是：由激光投射器投射可控制的光点、光条或光面到

14、物体表面形成特性点，并由CCD摄像机拍摄图像，得到特性点的投射角，然后根据标定出的空间方向、位置参数，运用三角法测量原理计算特性点与CCD 摄像机镜头主点之间的距离。卡耐基梅隆大学的S.G.Narasimhan使用距离补偿技术如图：该系统使用投影机发明机构光模型。该系统所获得的图像对比度明显优于宽视角照明系统。进一步解决可获得被测物体深度图。 另一种措施是合成孔径法。M.Levoy使用星群照明光源。每个亮点摄像特点的方位。当不同设立的光照明源活动时可获取多种框架。其中每个组合产生不同的照明模式。这些获得的框架涉及类似于通过泛光灯照明中得到的反向散射。当对这些数据进行后续解决时，记录了基于这组框

15、架的后向散射，这些后向散射被清除以提高图象的质量。 其他措施依赖于空间的相干性，例如那些使用构造化照明完毕物体形状的复原和运动幅度的成像的构思，由于受限制于所需光学的实际大小，并且由于场景的合理大小的现实实际问题，这些构思没被研究。6、多种视角的图像建设 所获取的一种图像场景收集了从不同的位置的图像信息。运用这些信息进行三维重建。 这可以通过对所需区域进行高辨别率的光学探测而完毕，使用单一的成像系统，或使用多种成像系统，让探测工作在很短时间内进行。当多种系统的技术使用分开照明形成的图象形成过程时，图象可以捕获由于减少后向散射而增长的距离。例如不同配备的照明和相机，如下图所示，该设想已被模拟。伍

16、兹霍尔海洋研究所的研究人员，正在实验一种改善的技术，她们使用了两个水下机器人的合伙，来描述北极海底。不同之处就在于，两个水下机器人相继启动不同的目的物。第一种水下机器人Puma或plume mapper,启动本地化的化学和通过热液温口的温度信号；另一种水下机器人Jaguar，被发送到那些地方使用高辨别率的摄相机和海底绘测声纳去描述海底图象。7、 线性激光扫描法（LLS） 激光线性扫描系统是一种用激光扫描出一条狭窄的瞬时视场，同步在一种很大的角度上有一种很高的校准激光源线性的气溶胶接受器。有显示表白,光学传递函数的这一系统可以接近衍射极限。 尽管线性激光扫描系统可以有效地清除散射光。但是LLS系

17、统仍然受限于源于目的返回和体积散射引起的接受器散粒噪声。为了使作用范畴达到最大化，CW LLS 系统（持续波线性激光扫描系统）使用增强的光源-接受器分离装置从而减少近场多次散射导致的不利影响。通过计算机模拟，证明该系统可以在衰减深度为6的条件下获取较清晰的图像。 另一种技术使用高频率脉冲激光接受选通器（PULSED LASER LINE SCAN ）可以减少光束重叠带来的影响，从而可以使系统可以在衰减深度为7的条件下获取较清晰图像。通过改善的PPL系统使用特定高频（357KHz）高功率绿色激光（6-7半高全宽）其水池实验表白时间选通激光脉冲扫描系统TG PLLS）在信噪比和对比度上都要优于持续

18、波线性激光扫描系统（CW LLS）如下图： 8、 使用调制解调技术清除后向散射光调制技术可以有效的提高接受器的信噪比。初期的水下持续探测技术表白：当使用CW LLS(持续波线性激光扫描)已调制光对被测物体进行探测，后向散射和目的反射的光子同步被接受器接受后由一种光电倍增管放大，再使用AM解调。这样可以有效地清除后向散射光影响。 佛罗里达州弗特皮斯海洋（HBOI）研究院测试了美国海军(NAVAIR)研发使用调制技术改善的CW LLS系统。成果证明通过调制的CW LLS 系统的对比度远胜于未经调制的CW LLS系统。如图： 二、本实验室研究成果1、水下非均匀光场探测系统：我们设计的非均匀光场中,

19、其能量分布与水下三维空间坐标轴上按所在水介质光衰减规律相匹配, 如图, 对近距离目的用弱光场照明, 以尽量减小后向散射噪音的影响; 远距离目的用强光场照明, 来提高目的信号的强度, 同步较强的后向散射光通过长距离的传播达到接受器时也会减少。为了实现非均匀光场的光场分布, 构建了以集束式光源为核心的集束光水下图像系统, 其构造如图为了验证所设计集束光水下图像系统的成像性能, 进行了有关的水池实验. 实验中所用接受系统的视角为8365, 水池透明度为3. 5倍衰减长度, 观测目的为40. 5cm50. 5cm矩形辨别率板, 如图7. 图8给出了c=7m-1的状况下( 透明度50cm) ,在不同观测

20、距离上的实验图片. 由观测成果可以看出, 集束光水下图像系统所产生的非均匀光场, 在水池中距离30cm( 0. 6倍能见度) 的状况下, 可以清晰辨别1mm细节; 距离50cm( 1倍能见度) 时, 可辨别目的轮廓; 距离75cm( 1. 5倍能见度) , 可探测到目的. 在目前电功率150W状况下, 最大视距可达1. 65倍能见度.2、 基于双激光的水下测距技术 单点式激光三角测距是基于激光束入射到被测物体后产生反射，入射光与反射光构成了一种光三角形，它的基本原理是来源于平面三角几何原理，根据反射光束的位置便可以拟定被测工件的尺寸及公差、位移等信息，该措施构造简朴，具有较强的实际应用性。我们

21、再此基本上改善了措施提出双激光的水下测距技术。其设计方案，是在相机的两侧各放置一种激光器，平行于相机的光轴，在照片中得到两个激光斑点，根据这两个激光光斑点之间的像素个数即可求出目的物体的距离。测距示意图如下图所示 Y 目的物体 O X 激光器L/2激光器 接受器f 通过水下实验得到测量成果如下表：表5-3水下验证成果距离（cm）未校正数据校正数据像素距离计算距离（cm）误差(cm)误差比例像素距离计算距离（cm）误差(cm)误差比例459845.49460.49461.09910044.7714-0.22860.508756074.3078-0.69220.92296074.619-0.381

22、0.50810543103.6853-1.31471.252143104.1195-0.88050.8386经验证可以阐明我们在水下实验中标定的参数仍然是有效地。虽然由于水下光线的散射和反射等因素，在水下测量的有效范畴相对于空气中的较小，但也阐明通过双激光进行水下测量的措施是有效地、可行地。3、 激光差频扫描探测 我们实验室提出了激光差频扫描三维图像信息高速获取术以及实时显示多点深度信息的人机交互界面措施。其原理图如下：进行了辨别率测试，以及通过水池实验对多点三维信息实时图像显示措施进行了实验验证。如图：实验成果表白激光差频扫描三维视觉技术具有高速采集多点三维目的图象信息的能力，在水下作业时能实现实时控制、在二维图象中能实时显示目的深度信息，适于水下实际应用。