水下激光成像系统研究及MATLAB仿真

  第一章绪论

  近年来,随着全球经济和军事环境的不断变化和发展,资源日益短缺,海洋成为世界关注的焦点。海洋光学、水下成像技术和水下目标探测技术的研究,对于海洋资源的勘探和开发、海洋环境的监测、海洋军事的应用等都具有重要的意义。。然而水介质拥有特殊的物理性质,海水会对光产生吸收和散射效应,使得光能量的传播距离大大缩减,我们需要采用相应的特殊方法来实现水下探测。激光技术的发展为水下光电探测目标开辟了一条新的途径。研究表明,蓝绿激光处于水下的传输“窗口”,对海水的穿透能力很强。因此,采用蓝绿激光作光源的水下光电探测系统,配合距离选通技术,可以显著增加水下激光探测距离。

  1.1海洋光学的研究和应用背景

  随着人口的不断增长和经济的快速发展,陆地上的各种资源巳不能满足人类
  曰益增长的需要。从古至今,人类一直在不断地探索如何利用陆地以外的资源。
  海洋面积占地球表面积的71%,海洋中蕴藏着丰富的矿物、石油和天然气。
  它对国民经济、军事和人民生活都具有重要的意义和价值。。光学是一门古老的学科,但海洋光学确是在近20世纪发展起来的一门学科。19世纪初,研究人员用透明圆盘测量了海水中自然光的垂直衰减。20世纪30年代,瑞典等国家的科学家设计了能够测量海水衰减系数、体积散射函数和水下光辐射分布的海洋光学仪器,并进行了一系列的野外测量。在第二次世界大战期间,海上的竞争变得越来越激烈。各国积极研究海洋光学、海洋生物、海洋生态学等领域。英国、美国、苏联等国家也建立了海上实验基地。系统地研究了海水表面的观光特性与本征光学参数的关系。20世纪60年代以来,随着现代光学、激光技术、计算机技术、遥感技术和信息技术的发展,海洋领域的研究不断深入。将光学传输方程与各种方程的求解结合起来,可以直接计算海水的光辐射分布、视观光特性与其固有光学性质之间的关系。海洋领域的研究已经从现象学研究转向物理层面和技术层面的进一步研究。海洋光学主要研究海洋的光学特性、光在海水中的传播和海洋环境的探测方法。[1]

  1.2水下成像技术的研究现状

  由于衰减和散射的影响,清澈海水中的水下能见度一般为20m,而浑浊的海水的水中的能见度一般只有5m。光在水中的吸收现象和散射现象很大程度限制了水下成像系统的表现。前向散射造成图像细节的模糊;后向散射则造成图像对比度的降低,在图像表面形成一层雾的效果。另外,由于光衰减的波长相关性,随着距离的增大,颜色丢失和失真越来越严重。由于具有较短的波长,蓝光在水中传的最远,所以水下图像往往呈现蓝色的色调。总之,水下成像时可见距离较近,水下图像具有对比度低、光照不均勻、细节模糊、颜色退化和噪点多等特点。Zaneveld等研究发现,水下成像水平方向对比度的降低直接取决于光的衰减系数。
  水下成像的计算机仿真与分析是建立水下成像光学模型的基础。1979年,McGlamery提出了经典水下成像系统的计算机模型。他指出,成像系统接收到的光辐射由三部分组成:直接衰减的场景辐射、散射的场景辐射和后向散射背景光。模型的输入参数包括成像系统的坐标关系、光源参数、水体光学参数等。在此基础上,Jaffe等人提出了水下成像仿真的计算机模型。该模型考虑了水体的固有光学参数和视观光参数,研究了光照条件对水下成像的影响。提出了水下主动照明成像的计算机模型。该模型基于该模型,可用于研究光照光束特性对成像的影响。建立了水下图像在人工光照下的仿真模型。分析了摄像机响应函数、离散点个数和水体光学参数对成像结果的影响。。
  FUNK和Bon设计了完整的水下场景成像系统的方案。由于水下图像的退化主要是由光散射效应引起的,许多学者对光散射对成像的影响进行了研究。光散射对雾图像的成像有很多研究。王直等人研究了以近红外激光为照明光源的激光主动照明。
  成像技术,在低照度情况下,对远距离目标进行探测成像。通过对大气后向散射对成像系统的影响分析,得出用距离选通技术可大大增加目标探测能力和探测距离的结论。杨玉兰等利用大气后向散射几何模型,推导出后向散射累积效应的近似表达式[6]。计算结果表明,50m范围内的后向散射光占光学系统可接收后向散射光能量的80%。针对后向散射光主要集中于近距离范围的特点,提出了采用双通道光学接收系统处理后向散射光的方法。吴亚平等从主动光学成像系统的照明模型出发,研究了大视场情况下的目标和景物成像特点,分析了传输介质对照明和成像光束的衰减作用,得出了光学成像系统像面照度的数学模型,并对其比传递特性和视场大小对成像的影响进行了详细的分析[7]。等提出了一种基于光学瑞流强度和散射强度的水下图像质量评定标准,定量评估了散射对水下图像退化的影响”。Tan等对水下距离选通近距离景物成像进行了建模和仿真分析,发现距离大于4.2倍光学衰减长度的多重散射是造成后向散射噪声的主要原因。黄有为等提出了一种基于空间展宽的水下前向散射成像模型,其空间展宽采用wells提出的调制传递函数来表示,并考虑了水体散射光对成像面照度的贡献[10]

  1.3水下探测技术的研究现状

  1.3.1声纳探测
  实验证实,在人们所熟知的各种辐射信号中,以声波在海水中的传播性能为最佳。正因为如此人们利用声波在水下可以相对容易地传播及其在不同介质中传播的性质不同,研制出了多种水下测量仪器、侦察工具和武器装备,即各种“声纳”设备。声纳技术不仅在水下军事通信、导航和反潜作战中享有非常重要的地位,而且在和平时期己经成为人类认识、开发和利用海洋的重要手段。
  声纳系统一般是由发射机、换能器水听器、接收机、显示器和控制器等几个
  部件组成[11]。声纳系统的基本原理是,发射机产生需要的电信号,来激励换能器将电信号转变为声信号向水中发射,水声信号如果遇到潜艇、水雷和鱼群等目标将会被反射,然后以声纳回波的形式返回到换能器水听器,水听器接收后又将其转变为电信号。电信号经接收机放大和各种处理,再将处理结果反馈至控制器或显示系统。最后根据这些处理的信息可测出目标的位置,判断出目标的性质等,从而完成声纳的使命最后根据这些处理的信息可测出目标的位置,判断出目标的性质等,从而完成声纳的使命。如图1.3.1所示,这是常见的“主动声纳”工作原理。还有“被动声纳”和“主、被动综合声纳”。“被动声纳”是利用目标辐射的声波,因此声波在海水中只是单程传播,系统的核心部件是用来测听目标声波的水听器。而现代舰艇都采用“主、被动综合声纳”来进行水下通信、遥测和控制等,这种综合声纳系统在水下声学通信信道两端都有发射换能器和接收换能器。这些声纳的水部分都是以电子计算机为斗,心的数据采集、处理、图像显示等设备,水下部分则是水声换能器或基阵。
  水声换能器是声纳系统的重要部件。根据工作状态的不同,可分为两类一类称为发射换能器,它将电能转换为机械能,再转换为声能另一类称为接收换能器,它将声能转换为机械能,再转换为电能。实际应用中的水声换能器兼有发射和接收两种功能。现代声纳技术对水声发射换能器的要求是低频、大功率、高效率以及能在深海中工作等特性。根据水声学的研究,人们发现用低频声波传递信号,对于远距离目标的定位和检测有着明显的优越性,因为低频声波在海水中传播时,被海水吸收的数值比高频声波要低,故能比高频声波传播更远的距离,这对增大探测距离非常有益。
  声纳系统在军用和民用方面都有着重要的作用,在军事方面,声纳是舰艇的‘‘眼睛’’和‘‘耳朵’’,利用舰艇上的声纳可以发现并识别周围目标,以便打击对方或隐藏自己。同时由声纳系统构成所谓的“水下通信仪”或称“水下电话”,可作为舰艇之间的通信工具。在民用方面,声纳可用于鱼群探测和渔业管理。“探鱼仪”是一种可用于发现鱼群的动向、鱼群所在地点、范围的声纳系统,利用它可以大大提高捕鱼的产量和效率“助鱼声纳设备”可用于计数、诱鱼、捕鱼、或者跟踪尾随某条鱼等海水养殖场已利用“声学屏障”防止鳖鱼的入侵,以及阻止龙虾鱼类的外逃[12]。但水下声纳探测的缺点是易受噪声干扰、分辨率低、设备复杂、速度慢和无法工作在浅水区域等缺点,因此,需要发展其它更为方便、快速和精确的水下目标探测技术,以适应新的军事和民事上的需要。
  1.3.2光电技术探测
  Duntley等于1963年发现海水对于波长范围450-550nm的蓝绿光衰减比其它波段内的光衰减要小很多[13]。因此,采用光电技术对水下目标进行探测引起了各国的重视。使用蓝绿激光是因为海水对光波段的蓝绿激光传输性最优。光电水下目标探测面临两个问题,一是如何去除水体的后向散射,提高成像对比度;二是如何克服海水对光能量的快速衰减。世纪年代开始,美国、俄罗斯、澳大利亚等国在利用激光进行水下环境勘测和水下目标探测方面进行了大量的研究,提出了许多提高水下成像对比度和探测深度与距离的理论和方法[14-16]。成像是利用激光束对水下目标进行成像[17]。成像时的激光脉冲发射器一般采用ND:YAG激光器,接收设备一般采用增强CCD摄像机。首先将激光束发射的激光束扩展为宽光束,从而可照亮整个目标区域,然后用增强CCD摄像机接收水下目标反射回的光信号,再经过光电转换和计算机处理即可得到目标的图像。
  由于光在水中传输时的衰减和散射特性,水下目标在成像过程中会丢失其原有的部分信息,从而对目标检测带来困难。在近海海域中,浑浊的水质严重降低了水下的能见度。传统的非结构和非相干光照,可多视角、多光谱照明且易于实现,但成像效果却不理想。因此,研究者们提出了激光距离选通成像技术[18,19],来抑制背景散射光,提高成像对比度[20-21]。距离选通技术是控制激光信号和相机快门的开关时间,使光信号到达相机时快门刚好打开。此方向可有效减小后向散射问题的影响。1995年McLean等采用半带宽为0.5ns的532nm脉冲激光和选通调制相机记录了水槽中的金字塔形靶图像[22]。2005年丹麦理工大学的Busck等采用短脉冲激光距离选通成像技术对清水和海水中的目标进行了成像,并根据二维图像序列进行了三维场景重建[23]。瑞典国防研究院对距离选通技术在陆上和水下进行目标探测方面做了大量的研究工作,其设计的LSV-W Aqua Lynx距离选通成像系统采用的激光脉冲脉宽为7~10ns,脉冲能量26~29mJ,像增强器增益为25,000倍,最小选通宽度10ns。该系统在4~5倍的光学衰减长度上具有识别目标的能力,在大于6倍光学衰减长度上探测标,达到了实用化的水平。
  国内对距离选通成像像技术的研究也较多。如北京理工大学采用国产DPL ND:YAG大功率脉冲激光器和1XZ18/18WHS高性能超二代像增强器研制了最小选通脉冲宽度5ns的水下距离选通成像系统[24]。西安应用光学研究所利用自行设计的水下距离选通探测装置实现了二代像增强器的10ns选通和三代像增强器的3.3ns选通[25,26]。海军工程大学对脉宽7~50ns下的不同开门时刻获得的水下目标图像进行了分析和研究[27]。华中科技大学利用距离选通对船池中5m到23深度的景物进行了成像,获得的图像信噪比高达10dB[28]

  1.4论文的主要工作

  1.在调研、文献检索基础上,掌握了水下成像领域国内外的最新动态,进一步
  明确了项目开展的思路。
  2.对水下激光成像系统以及水下传输模型进行详细的介绍
  3.用matlab对水下激光成像系统进行仿真,激光从水上传输到水下,碰到物体返回水面上的相机镜头,最终到达相机,通过相机镜头后,还有多少光能量,是否低于相机阈值。可以估算水下激光成像系统的极限距离。也可以根据所需传输距离,来反推需要的激光器功率大小及脉冲宽度,相机口径的大小,和最低可探照度。
  4.把浊度与水体的衰减度联系到一起,由于水体的衰减度不好测量,可以通过浊度计测出浊度来大概估计一下水体的衰减度。

  第二章水下成像关键理论分析

  2.1水下辐射衰减特性

  光进入海中,受到海水的作用导致衰减。这种衰减作用在水中是是很严重的,即使在最纯净的水中,也无法避免。引起衰减的物理过程有两个,吸收和散射。光能量在水中损失的过程就是吸收。吸收也可分为两个不同的物理过程,有些光子是它的能量转化为热能损失了,有些光子被吸收后,波长发生了改变,变化为为了另一种波长的光。发生散射时,光子没有消失,只是光子的前进方向发生了变化。
  单色准直光束通过水介质时,衰减符合经验定律,即光束的衰减与传输距离呈指数关系,假设水介质是均匀的[29]。
  E(r)=E(0)exp(-ɑr)
  其中为海水衰减系数,清彻海水、近海海水、浑浊海水中典型的衰减系数分别为0.05,0.2和0.33m-1。=a+b,a是吸收系数,b是散射系数,吸收系数和散射系数的大小都与水中粒子的分布、大小和密度有关。E(r)和E(0)分别为初始光强与在水中传输r距离后的光强。

  2.2水下辐射光谱特性

  不同波长的光对于水介质的穿透能力是不同的[12]。以海水为例(图2.2.1给出了0.200一0.800um波长范围内的海水光谱衰减分布),海水对于光谱具有一个很狭的窗口,通常认为沿岸海水的光谱透射窗口(即在此波段光在海水中的衰减最小,透射最大),体积衰减系数约为0.2一0.6m-1,,其衰减长度约为1.2一5m。大洋清洁水的光谱透射窗口为0.480um,体积衰减系数约为0.05m-1,其衰减长度约为20m。
  此外,由于海水类型的不同(盐度,浑浊度,温度等的不同),也会一定程度上
  影响传输窗口的值。表2.2.1给出了各种不同类型海水的传输窗口数值
  海水类型漫射衰减系数K()衰减()波长(nm)
  特别清澈的海水0.02~0.03 0.09~0.13 430~470
  公海海水0.04~0.07 0.17~0.3 470~490
  大陆架的海水0.09~0.12 0.39~0.45 490~510
  海滩的海水0.14~0.18 0.65~0.75 510~550
  近海和港口的海水0.37~0.43 1.38~1.75 550~570
  表2.2.1不同类型海水传输窗口数值
  海水光谱透射窗口的存在,使得蓝绿光成为水下成像系统最佳的光源。

  2.3光在水下的吸收

  对光起吸收作用的成分包括纯海水、黄色物质、浮游植物和非色素颗粒等[30]。因此,海水的总吸收系数可以表示为各不同成分吸收系数的和:
  其中,下标w,y,p,nap分别表示纯海水、黄色物质、浮游植物和非色素颗粒。
  对自然水体中光谱吸收系数的直接测量是较为困难的。首先,水在波长较短
  波段如近紫外和蓝光波段的吸收系数非常小,因此需要非常精确的仪器才能测量
  出微弱的光吸收;另外,吸收系数的测量易受到水体散射的干扰,因此在测量吸
  收系数时必须考虑测量中散射作用造成的光辐射能量损失。
  黄色物质对蓝色光波段的光具有强烈的吸收,随着波长的增大,其吸收作用
  迅速减小。黄色物质的光谱吸收系数可用Bricaud等的模型描述[31]:
  其中是参考波长,通常取400nm或440nm,为参考波长下的黄色物质光谱吸收系数,为指数衰减光谱斜率,不同水体中的斜率参数不同,其变化范围为0.01~0.02nm-1。
  浮游植物细胞对可见光具有强烈的吸收作用,在决定自然水体中的光吸收特
  性中扮演着重要的作用。许多学者研究了水体光吸收系数与吁绿素浓度间的关系,并试图建立直接的物理模型来表征这一关联[32,33]。Bricaud等测量了i类水体中光谱吸收系数变化与浮游植物叶绿素浓度的关系,发现光谱吸收系数随叶绿素浓度的变化而变化,随着叶绿素浓度的增加,光谱吸收系数及蓝光与红光吸收系数的比值减小;通过对光谱范围内的吸收系数进行最小乘拟合分析,Bricaud等得出了浮游植物光谱吸收系数与叶绿素浓度间的经验关系式[34]:
  其中和为波长的函数。浮游植物对光吸收的一般特征为:波长
  440nm和675nm附近有明显的吸收峰,且由于辅助色素对蓝光吸收的贡献,蓝光波段的吸收峰为红光波段的吸收峰的一到三倍;400~700nm波段的吸收很少,接近600nm处达到吸收的最低值,是蓝光波段吸收峰值的10%~30%。
  非色素颗粒主要包括有机碎屑和无机悬浮颗粒等。与黄色物质对光的吸收类
  似,其对光的吸收系数也可以表示为指数函数的形式[35,36]
  :
  其指数衰减因子比黄色物质的衰减因子要小,不同水体中的变化范围为0.006~0.014.

  2.4光在水中的散射

  水体中的光散射可以看作是随机分子运动造成的小规模密度波动,对光辐射
  具有散射作用的水体组分包括纯海水和各种悬浮颗粒等。因此,海水的总散射系
  数b可以表示为:
  其中,下标w、spm分别表示纯海水和悬浮颗粒。
  Smoluchowski和Einstein的起伏理论适用于解释水体中的散射问题。起伏理论认为:散射是由于液体的小体积元内密度或浓度的起伏所引起,同时彼此相邻的体积元内的起伏又是相互独立的纯海水中,不同离子浓度的随机波动造成了折射率的较大波动,因此产生了较大的散射。基于对起伏理论的分析,得出了纯海水的体积散射函数可表示为[37]:
  另外,分子的瑞利散射函数为:
  由于纯海水的体积散射函数与分子瑞利散射体积散射函数十分类似,因此,在水体辐射传输计算中,纯海水的散射常被当作分子瑞利散射考虑。
  悬浮颗粒对光的散射与粒子的大小有关。对于颗粒散射的总散射系数,已有
  许多模型来描述,最早的有Gordon和Morel于1983年提出的生物光学模型[38]:
  其中C是以为单位的叶绿素浓度。Gould等的研究表明,在大洋开阔水体中中该模型与实测结果符合结果较好,而在浑浊度较高的水体中,如近岸,河口,浅海,由于高深度悬浮沉积物对散射的巨大贡献,用该模型预测的结果比真实值低[39]。
  Kopelevich等从统计的角度出发,提出了散射系数的物理模型[40]:
  其中表示小粒子的体积浓度(单位为mg/L),表示大粒子的体积浓度(单位为mg/L):
  其中为颗粒体积散射函数。Haltrin和Kattawar给出的扩展形式[41]:
  其中和为以为单位的小粒子和大粒子浓度。
  由于体积散射函数的直接测量较为困难,在进行水下光场计算时,更多的是
  使用散射相函数模型。不同的散射相函数对于水下福射率、福照度和反射率的计
  算结果有较大影响[41]。海洋光辐射的研究中经常使用到的散射相函数有:
  1.Petzold平均粒子相函数[42],该相位函数是由根据Mobley从圣地亚哥海港测得的三种体积散射函数导出的。根据Mobley给出的相位函数和散射角之间的对数关系,利用三次样条拟合就可以得出任何散射角下的相位函数。当对90°~180°积分时,可得到粒子的后向散射概率Bp=0.0183。该相位函数常用来作为其它相位函数的测试基准,来评估其它相位函数的准确性。
  2.Fournier-Forand相位函数[43]。Fournier和Forand通过对粒子尺寸服从双曲线分布的海水介质研究,假设每个粒子的散射都近似符合精确的米氏理论,从而推导出一个解析形式的相位函数表达式。其最新形式为[44]:
  其中:
  这里是双曲线分布的斜率系数,n是散射粒子相对于海水的折射率,是
  =时的值。
  3.单参数Henyey-greenstein相函数[45]:
  其中g为不对称参数,通过调整g的值可以调整前向散射和后向散射的相对大小。g=0表示各方向的散射相同,g=1表示散射角为0°方向上的散射光强为极大值。
  另外,直接对光散射系数的研究也形成了一些数学模型。Gould通过对大洋清洁海水和沿岸浑浊海水中的散射系数的测量和研究发现,其散射系数与光波长近似成线性关系[46]。通过这个关系式,就可以用测量的单一波长的散射系数为计算其余波长的散射系数。线性关系式的斜率随水体散射的增强、水质的浑浊度增大而减小。线性关系表达式为:

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