（光学工程专业论文）水下微光成像技术与系统研究.pdf

南京理t人学硕 十 论文水下微光成像技术 ， 系统研究 ab s t r a c t u n der phot oel e c t ri c i m agi n g i s ane ffectc o m p l e m e n t o f s o n ard e te c t i o n . d u e toth e b ac k w 田 月sc a tt e ri n g o f u n d e 卜 w a l e r in i t i at i vei m a gi n g ， d et e c t i n g d i s tancei s l i m it e d ， a n d con v e n t i o nal g ate一 r ang edi m agi n g o 川 y g e t t hei m 眼e o f ce 州 刁 i n d i s ta n c e ， th u s th e d etect i n g range i s re s tric t ed， i t i s d l s a d v an仁 唱 e fo r ta rg e t d etec t i 吃 andi d e n t i fy i n g . i nth i s arti c l e se v e ra 】 m ec h ani s m s w ere a p p l i ed ， s u c ha s th ebes t s pec t ru mt ech n o l o g yre s e ar c hfo r und e r- w ater i l l u m i n at i o 几t h em at c h i n gre s e ar c hbet wee np h ot o s o u re e s p e c tr u man di m a 罗 万nteo 5 1五 。 ， unde卜 认 尸a 加 r l o 补i ight 一 ! eve l i m 祀e s ) rs 记 rnre se archgat 卜 ra n 召 e ds rs 化 mfor und e r . w at e r l o w 一 l i ght 一 l e v e l im a g i n g a n d t wo kj n d s o f c o n t r o 1 c i r c u i t s fo r s y s t e mt e stwere d e s l gned. sowas th e e q u i p m e n t ; 肠。 u n d e x p e ri m e n t s fo r l o w 一 i i g h t 一 i e v 早 1八 aser g at e 一 r ang e d im agi ngweredon e and t h e e x p e n m e n t s p ro v i d e d pe到 触 c t re s u l ts. k e 外10 r d s :b ack s c atte ri n g g at e 一 rang edc irc u l at e d s te p adv anc in g d e l ay 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名: 2 拭 祥 ) 月 夕 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向 有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。 对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研 究 生 签 名 :虑 玄 。 之 石 ) 年 ) 月 夕 日 南京理下人学娘 卜 论文 水 下微 光成 像技 术 j 系统 研 究 .绪论 水下成像技术在水下 目 标发现、 海面材料探测及海洋地理工程中具有广泛而重要 的应用价值，正受到各国研究者的日益重视。由于水介质特殊的物理性质， 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。 利用激光独特的光谱特性、 时间 特性和空间 特性， 可以减少海水的吸收 和散射效应。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， 配合相应的技术措施，可以显 著增加水下激光探测距离。 水下微光成像技术凭借其自身的优越性，已经成为水下探 测的重要手段。 1 . 1发展水下探测技术的意义 微光电视技术的发展为视频技术在诸多特定场合的应用提供可能， 而水下微光成 像 ( 探测) 技术的研究也是在此基础上发展起来的。 水下特别是深海由于光照度很低 乃至接近于零而使得一般的视觉系统无法正常获取目标信息， 这对于海战、 海上反恐 以及水下检测等领域的需要都是非常不利的。 解决这 一 问题的唯一办法是研究光源发 光光谱特性， 选择一种既能较好为微光摄像机所响应、 所发光又不至于被水介质大量 反射而能够较好照射 目 标的方法， 并配以选通成像及实时图像处理技术， 使得微光电 视系统能在水下较好发现识别目标。因此，水 f 探测技术的研究，要求能够在水下探 测与目 标识别等方面有所突破。 水下光电探测系统可广泛地应用于军事领域和非军事领域。 在军事领域， 水下光 电探测系统可以安装在潜艇、 灭雷具、 水下机器人等水下载体上， 用于水中目 标侦察、 探测、识别等，可实施探雷、 探潜、反潜网探测和潜艇导航避碰等。 在民用领域，水 下光电探测系统可用于水下工程安装、 检修， 水下环境监测、救生打捞、 海底地貌勘 探、石油勘探钻井位置测定、生物研究等海洋开发。 可见， 水下 微光探测技术的发 展具有重大理论与 现实 意义。 今天， 水下成像 技术 是集微光夜视技术、 水下探测技术、 信息处理技术等交叉融合的一项综合性高新技术， 已成为光电信息领域发展的一个重要方面。 1 . 2水下探测技术的发展现状 早 在60年代初，国 外就开始探索激光探潜的 可行性。 在1 9 631 9 6 7 年，美国 俄 亥俄州 大学科学实验室为 空军航空电 子实 验室 进行了一系列实验和理论研究，目的 i 南京理t人学硕 卜 论文水下微光成像技术 j 系统研究 是确定机载光雷达探测水下目标 (如潜艇)的可行性和优化设计需要的参数。在 1 987年，美国国 际研究 远景规划局 将蓝绿激光探潜列为正 在进行的几项非声波探 潜 技术计划之一。在 1 9 9 0 1 9 91 年海湾战争期间，美国海军将命名为 “ 魔灯”的 m l ee3 o 型蓝绿 激光探测系统装在 “ 弗里 兰” 号护卫舰上的sh一zf “ 海 妖” 直升机上， 在海湾进行探水雷试验. 之后.美国海军将 “ 魔灯”蓝绿激光系统更为发展探测水 雷设备 “ 辛勤吃鱼狗”计划中的首项发展设备。 在1 9 91年年 末，美国 海军投资10 60 万美元 研制比m l 一30 更先进的ml一 9 0 型“ 魔灯” 蓝绿激光系统，并计划在1 9 93 年 夏季进行试验。 与此同时，美国海军陆战队为实现对海滩和两栖登陆区域的雷场警戒， 投资1 2 60万美元 研制可装在战斗机、 直升 机以 及无人驾驶飞 机上的 “ 魔灯” 改 进型 ， 亦即m l ( a) 型的蓝绿激光探测系统。 前苏联也是较早研究蓝绿激光探潜技术的国家 之一。早在 80 年代就有报道称前苏联己能从时速为每小时 160 千米的低空飞行的飞 机上利用激光扫描技术探测水下目标。在 1 9 9 3 年，美国 世界武器评论报道: 俄 罗斯己在图 95 “ 熊w”型轰炸机的头部安装了蓝绿激光潜艇探测系统，以搜索沿海 潜艇、小型潜艇和水雷。 可 见美、 俄两 国己 逐渐完成了 蓝绿激光探潜 / 探雷系 统的原理研究， 有小批量该类 设备形成装备， 投入部队使用。 近几年来，国外关于水下光电成像探测用于目标发现 与跟踪以及智能兵器测控的技术与系统研发报导，更是显著增加，表 1 . 2 ， 1 列举了国 外 几 种 水 下 光 电 探 测 系 统【1 。 表 1 . 2 . 1国外儿种水 下 激光探测系统 水 卜 激光探测系统名称成像方式撇光器及性能 关国s p arta 水 卜 激光探测系统距离选通 n d :yag 。 波长0 石 3 林 m ， 脉宽 1 0 n s ， 重复 频率i o h z 美国l l n l 水卜 激光探测系统同步扫描氛离子激光器，输出功率人于7 w，转换效 率低于0 . 1 % 美国s m 2 0 00水卜 激光探测系 统 同步扫描 氛离子激光器输出功率 1 . s w，成像距离为 3 一 5 倍普通摄像机 美国应用遥测技术公司探测系统同步于 描氛离子激光器输出功率小于3 w 美国下 v i 水 卜 激光探测系统同步于 1 描h e 一 n e激 光器，输出功率 6 mw，波 长 0 .6 3 2 8 林 m 加拿大l u a a激光 水 卜 探测系统距离选通n d :ya g 激光，输出功率 80m w，波 长 0 5 3 2 林 m 位于美国 圣地亚哥的西屋水下激光系统公司， 应用遥测技术公司以 及 s pa r ta公 司 等三家公司 在激光水下成像系统方面己 经都取得了 很大的 进展。 西屋水下激光系统 公司和应用遥测技术公司分别研制成功了各自的同步扫描激光水下成像系统， 其中西 南京理t大学硕 卜 论文水下微光成像技术 j 系统研究 屋公司的水下成像系统以0 . l ms 的时间扫描 70 度的有效视场，该系统被布设在潜艇 下面 或者 拖曳 在水下 舰船的 后面， 当 船向前航 行时 ， 该系 统就成像出 海底的二维图像， 水下观测距离可以达到 4个衰减长度。 应用遥测技术公司的同步扫描成像距离可以达 到 5个衰减长度，该系统采用氨离子激光器，输出功率可以到达 3 w 。它使用快速旋 转的 棱镜来控制激光 扫描， 这 种同步 扫描的 激光水下成像系统己 经装备潜艇。 s par ta 公司 研制成功的距离选通激光水下成 像系统， 采用闪光 灯泵浦nd: y ag激光器， 其激 光输出 经倍频后产生5 3 2 n m 的绿光，重复工作为 频率为 10 hz，转换成绿光的电效率 为 1 %，功耗 250w，系统视场可达 12r. 。 英国科学家正在研制一种供潜水员使用的水下成像系统， 利用它可看到深水中更 远的地方. 通常潜水员在深水中观测周围环境时需要使用探照灯， 但由于灯光照射到 水中的浮游生物、沙子等时会产生漫射，影响了潜水员的观测。通常在水下 30 米时 潜水员 利用探照灯只能看到约8 米远的地方。 针对水 卜 的这一特殊 环境， 英国克 林费 尔德大学的一个科研小组研制的这种新型成像系统利用了只有铅笔粗细的激光作为 深照光 源， 激光通过两个反 射镜调节方向 ， 当潜水员想要 观看某一方向 时， 成像系统 中的计算机指挥 2个反射镜调节激光束的方向， 远处的物体反射回来的激光被成像系 统中的摄像机拍摄下来存到计算机中，计算机再将拍摄下来的图像中的漫射光除去， 形成一小幅清晰的图像。 然后计算机再指挥 2 面反射镜调节激光束的方向， 使之逐渐 扫描完 潜水员想看的区域， 然后将一 幅幅小图像 合成为 一幅大图像， 在潜水员的 面前 显示出来。这样潜水员就可以比利用普通探照灯看得更远、更清晰。这一系统直径 2 5 厘米，长80厘米，每秒可形 成 10幅大范围 的图像。 国内对水下探测的研究尚处于初级阶段，1 9 9 5年华中光电技术所报道研制出一 种电光效率高、 输出功率大、 成本低的小型蓝绿激光器:同年华中理工大学研究报道 了消除激光水下目标探测中后向散射的方法问题;1 9 97 年中科院安徽光机所报道了 水下物体激光圆 偏振成像实验;1 9 99 年东南大学 报道了同 步扫描水下激光成 像系 统 主要光学参数的理论分析;2 0 01 年华中科技大学开展了连续线偏振激光在水下探测 中的应用。由于自身专业的局限性，很难从微光像增强器响应光谱匹配及选通成像、 水下 微光探测成像整机系统研制、水下微光图像噪声实时 处理等多方面进行深入研 究，因 此非常有必要立即 开展实用 化水下微光选通成像系统技 术研究. 1 . 3水下微光成像技术的前景 目前， 一些先进的识别技术， 如距离编码、 极化滤波和图 像提取技术等己成 功地 应用于激光水下成像系统中。 而对于海底摄像来说， 色度识别始终是一项极为重要和 进一步研究的课题。 尽管从激光的技术角度来看， 用非线性技术无疑可以产生红、 绿、 南京理工人学硕 二 论文 水下微光成像技术与 系统研究 蓝三色光输出， 并通过配色能获得满意的彩色图像， 但是水下彩色成像的主要障碍是 水对红光的吸收衰减极为严重。因此， 水下成像的图像往往届得红光不足， 而蓝、 绿 光较浓. 这一关键技术目前国外己受到科学界、 军方和研制单位的高度重视， 并已列 入重要研究课题。 1 . 4论文的主要工作 水下微光成像系统研究是一项颇具规模的工程， 涉及众多关键技术， 如水下辐射 衰减特性，水下辐射光谱特性， 水下辐射背向散射，成像光谱匹配， 选通技术，三维 信息获得方法与技术，多谱信息融合算法与技术， 运动效应，密封技术等。 要完善这 项工作必然要求有合理的解决方案。针对自身特点，本文主要的工作有: 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 .在己有理论基础之上，吸收并合理应用了适合水下照明的最佳光谱技术和光 源光谱与微光像增强器光谱匹配理论、选通微光成像技术，确定了总体方案。 3 . 设计了水下微光选通成像系统，针对不同的思路进行了步进延时距离选通同 步控制电路研制，并建立了水下微光选通成像系统原理实验装置。 4 . 采用研制的水下微光/ 激光跟离选通成像实验验证装置， 在地面环境多次进行 了 微光/ 激光距离选通成像实验。在不同延时情况下，对同一 场景进行不同距离上的 选通成像，取得明显距离选通效果。 南京理工人学硕 卜 论文水下微光成像技术勺系统研究 2 .水下探测技术 2 . 1水下声纳探测技术 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。 2 . 1 . 1声纳技术 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121 。发 射机用于产生需要的电信号， 以便激励换能器将电信号转变为声信号 向 水中发 射， 水声信号若遇到潜艇、 水雷和鱼群等目 标会被反 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。 如图 2 . 1 . 1 . 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。 这些声纳的水上部分都是以电子计算机为中心的数据采集、 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。 南京理t人学硕 卜 论文 水下微光成像技术 j 系统研究 图 2 . 11 . 1土动声纳示意图 2 . 1 . 2声纳技术的应用 2 . 1 . 2 . 1声纳的民事应用 对声纳的非军事应用， 人们最初只是用于测深， 后来其用途愈来愈广泛。 主要有以 下 几 个 方 面 2 : ( 1) 水下测深和测距。 通常分为常规测深仪、 底层剖面仪和旁视声纳三类。“ 常 规测深 仪”即 一般的 “ 回声测深仪”( 主 动式)， 它是通过向 水下发射短 脉冲， 并测 量 海底回波的到达时间来随时测量舰船所处的海深;“ 底层剖面仪”是为了发射声波穿 入海底 ， 采用低频大功率脉冲声源的一种主 动声纳，它除了 测量海深 之外主 要是为了 测量、 了解海底的结构和性质。 其原理是根据掠过各层介质的入射声波和回波的形状、 性质来确定海底的反射系数， 从而可以反推出海底的结构和性质。 另外， 它还可用来探 视 0 海底 沉船和暗礁等; “ 旁视声纳”是用来 探测包括垂直于舰船航速方向 的海底， 以 便绘制海底地图。 (2 )多普勒测速仪。这种声纳系统使用一对装在船底倾斜向下的指向性换能器， 由海底 回波中的多普勒频移可以得到 舰船相对于海 底的航速;另一方面， 若将声纳固 定在流动的海域中， 它可以自 动检测和记录海水的流动速度及方向。 (3 )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:海水养殖场己 利用 “ 声学屏障” 防止鳖鱼的入侵， 以及阻止龙虾鱼类的外逃。 ( 4 )助潜设备。 这是潜水员必备的用于水下定位探测的手提式小型声纳。 (5)用于水下和水面的“ 定位标指” 。 这种小型声纳一般置于水面、 水中或海底。 南京理工人学硕 十 论文水下微光成像技术 j 系统研究 其中一种是作为 “ 信标”( 不断地发射信号);另一种是作为“ 应答器”( 仅在适当的 询问时刁 发射信号)。 (6)用于通信和遥测。利用声纳系统在水下可代替导线的连接， 使用声束来传递 信息. 实现舰艇之间的通信和交流。 2 . 1 . 2 . 2声纳的军事应用 ( 1) 声纳是舰艇的“ 眼睛” 和“ 耳朵”。 舰艇利用所装备的声纳设备搜索有无目 标并且识别目标的类型、 吨位、 航速等， 以便一方面更有效地打击目标， 另一方面尽可 能地隐藏自己， 以免受到对方的袭击。现代各种舰船和潜艇， 从航空母舰到小炮艇， 都 装备了各种高性能的声纳系统( 如侦察声纳、 探雷声纳等) ， 这些声纳不仅在舰船的前 方、两侧可以探测和搜寻， 而且还能在舰尾进行搜寻. (2 )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。这种声纳系统能够发射各种长短不等的声波信号，组成电报密码， 确保 舰艇之间在水下进行通信联络。 ( 3) 现代各种水雷、 鱼雷武器都装配有不同的声纳系统。 如 “ 压敏水雷” 中就有 对低频分量特别敏感的压力换能器。 而“ 音响水雷” 中的声纳系统对舰船辐射出来的 噪声很敏感， 当其通带内的声压超过一定值时就会爆炸;“ 主动攻击性水雷” 和“ 主、 被动制导鱼雷”上面的声纳系统性能更高， 它们能自 动检测目 标并进行跟踪打击。 (4 )“ 声纳浮标”。 这是一种用飞机投放于海上的小型声纳装置， 可用作在空中 对水下目 标进行测听和定位。 图2 . 1 . 2 . 2 . 1所示的“ 飞机猎艇”就是为了迅速、 大 面积地搜索某海区有无潜艇活动， 利用飞机投放声纳浮标进行搜索，一般需投放多个 声纳浮标同时监视。声纳浮标内装有一台微型发射机， 将水听器测听的信号接力传递 给空中飞机或地面控制中心， 以便通过空中飞机更有效地打击对方的水下目标. 南京理t人学硕 论文水下微光成像技术与系统研究 图2 . 1 . 2 . 2 . 1 七 机猎潜 2 . 2水下光电探测 根据海洋声学的基本特性， 海水中声波的传播速度受海水的温度、盐度和水压等 环境因素影响较大， 这对声纳探测， 特别是测深的影响非常大， 它直接改变海水中声波 传播轨迹:声速变化为正梯度时， 水下声源发出的声线向海面弯曲;声速变化为负梯 度时， 声线向海底方向弯曲。声线轨迹改变的大小程度受声速梯度分布影响很大。 由于海洋介质的不均匀性和多变性导致声速分布规律非常复杂， 所以声波在海洋 中的传播规律不仅取决于海洋的边界条件， 海水的温度、 盆度分布， 海水中含有成分变 化等， 还受到海洋动力因素和时空变化的制约。 因此， 声纳在进行水下探测时， 可能会 造成较大的定位和方向偏差:再者，海洋环境中存在复杂的噪声， 除了海洋介质本身 运动的发声外， 还包括大部分海洋生物发出的声音， 对探测造成极大的干扰， 这些干扰 不仅覆盖了整个声波频段， 而且波形从脉冲波到正弦波都有， 其空间分布是无规律的。 由 于海洋中声波的长距离传播能力， 各种噪声都会对声纳探测构成千扰， 使之难以捕 获和辨认目 标， 特别是小目 标。 另外， 声波传输在通过空气一水界面时反射损耗大。 由于 夕 值的限制， 声纳在直接 二维成像方面也存在难以克服的缺陷， 目前正 在研究的成像声纳只能利用阴影方式对 目 标轮廓进行粗略估算。所以利用其他手段( 如电磁波)来弥补声纳探测的不足成为 完善水下目 标探测系统研究的重要课题。 光波与声波相比， 由于在水介质中的散射大， 传播距离要短得多， 但它在其他方面 弥补了声波的不足。 首先， 在水中光速受温度和盐度变化的影响较小， 所以探测方向性 好， 定位较准确: 同时根据电 磁波成像的衍射理论， 光波具有能直 接二 维强度成像、 多 光谱摄像以 及图像分辨率高等特点 ， 这对于自 动、 快速识别目 标具有重要意义。 特别 8 南京理t人学硕 : 论文水下微光成像技术与 系统研究 是激光问世后， 其亮度高、脉冲短、准直度高等优点用于水下目 标， 特别是小目 标， 如 水雷等的探测， 可以获得声纳难以实现的成像、 测距和定位效果; 另外， 激光的高亮度 使得日 光、 生物光和其他海洋光噪声均可以被有效滤除: 激光的相千和偏振使制作两 维空间滤波器成为可能， 这种滤波器可用来提高图像衬比度及探测信噪比:作为系统 载体方式来说， 在空气一水界面传播时的高透过率和高准直度也使得激光不仅在水下 探测， 而且在机载或星载( 空对水) 探测中都具有广泛的应用。 作为一种新兴的技术手段， 激光测距和成像将在水下目标探测中发挥越来越重要 的作用， 它与声纳探测互相补充， 从空中到水面、 到浅水、 到深水， 从近距离到远距离， 从粗测到准确定位、 直接成像， 直到自 动识别目 标等， 形成一种无缝式水下目 标的探测 能力。目前， 一些发达国家如美国、加拿大、澳大利亚、瑞典、意大利、日本和法国 都建立了各自的水下光电探测研究系统。自20世纪90年代以来， 一些激光水下探测系 统， 越来越多地被用于军事和民用领域。 2 . 3其他水下探测技术 随着减声降噪技术的不断发展，声纳探测遇到了新的挑战， 而且由于复杂的海洋 环境， 声纳探测的灵敏度受到一定的限制， 同时， 声纳探测技术还有自身的局限，探测 海洋中 的运动物体( 以 潜艇为例) 和海洋资源， 非声 探测技术将发 挥重要的作用。 其中 正在研究的几种非声探测技术有: 放射性探测技术、尾流探测技术、 温度探测技术、 核 磁 感 应 探 测 技 术 13 。 ( 1)放射性探测技术。 核潜艇尾流中的放射性物质由两部分组成， 一是核潜艇内产 生的少量高浓度的放射性排出物， 包括:液态排出流中的放射性核素、气载排出流中 的放射性核素、 放射性气溶胶等。 另一部分是核潜艇反应堆的外部核辐射。这些核辐 射又会与海水中的物质发生相互作用， 引起能态的激发或不同的核反应，改变海水的 原始状态产生放射性污染， 这些都会对周围的环境造成严重的生态影响 ， 在海洋中核 潜艇留下了自身可被探测的痕迹。核潜艇可被看做一个放射源， 其内部会产生高浓度 的放射性排出物。 核潜艇还可被看做一个中子源， 辐射出不同能级的中子， 使海水活化， 产生放射性物质。这些放射性物质可做为探测的对象， 用以跟踪发现核潜艇。 ( 2)尾流探测技术。潜艇尾流分海面尾流和水中尾流。海面尾流的宽度随尾流向 后延伸呈线性发散， 发散角在5 。10。之间。水中尾流截面由圆形逐渐变为椭圆形。 潜艇水中尾流的大小与潜艇的航速， 下潜深度、 艇宽、 艇型等因素有关。潜艇的水中 尾流能够保持相当长的一段时间， 还将引起压力场的变化，这也是潜艇可被探测到的 原因。 (3 ) 温度探测技术。 潜艇会向周围发出强烈的辐射场， 各种辐射都会与周围的海水 南京理工大学硕 卜 论文水下微光j 戊 像技术与系统研究 发生相互作用而将其能量耗尽， 并产生一定的热量。常规潜艇在水面状态及通气管状 态航行或充电时， 推进系统排出的热废气、 热冷却水所留下的热踪迹， 即使在潜艇转入 水下状态后仍难以消失， 核潜艇即使在相当 深的水下潜航，反应堆排出的 热水经一 段 时间浮到海面， 一般要高于周围海水0 . 050 . 5。且持续时间长达 5 6小时， 呈 现一种高温轨迹特有现象。潜艇在水中航行与周围海水产生的摩擦及搅动海水， 使处 于不同深度、 具有不同温度的海水改变其原来的状态， 都会形成 “ 热尾流” ， 作为被探 测的对象。 (4) 核磁感应探测技术。 这种技术利用特殊波长的光， 将某些物质的原子激发到高 能态， 再用 射频技术将其转变到 较低的量 子激发态。原子的退激发取决于周 围的磁 场 强度， 测量这种退激发过程即可测得周围磁场的状况.利用这种原理研制的仪器在国 外己用于海洋工程地质调查，近海磁背景场调查， 可用于反潜、扫雷、航道安全、搜 索水下目 标、磁噪声测量、水下管线探测等。 南京理丁大学硕 ! : 论文水下微光 成像拄术 j 系统研究 3 .水下微光成像关键理论 由于水下工作的独特环境，水下光电成像探测研究涉及到了以下几个关键问题 水下辐射衰减特性，水下辐射光谱特性，水下辐射背向散射，水下微光成像理论等 3 . 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。 即使最纯净的水， 这种衰减也是很严重 的。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。 吸收也存着不同的物理过程: 有些光子是在它的能量变为热能时损失了， 有些光子被 吸收后由 一种波长变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. 单色准直光束通过海水介质，辐射能呈指数衰减变化 l ( r ) 二l ( 0 ) e x p ( 一 a r )，( 3 . 1 . 1 ) 其中。 为海水衰减系数( m 一 今 。r 为光的传输距离。l ( 0)为坐标0 点沿r 方向的辐亮 度;l ( r)为路径r 处沿r 方向的辐亮度。当通过路程r 二 1 且a4 1 = 1 时，辐亮度衰减到 原来的e 一 ， ，则称此路程r = 1 为水的衰减长度( m)，这时l ( r)为l ( 0)的e 一 ， 。光因在水中 受到散射和吸收而衰减，所以 “=。+b( 3 . 1 . 2 ) 式中a 为体积吸收系数， 它表征准直光束通过海洋水体单位路程后吸收的大小。 b 为体积散射系数，体积衰减系数是波长的函数。 3 . 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。以海水为例 ( 图3 . 2 ， 1 给出了 0 . 200 0 . 8 0 0 p m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)为0 . 5 2 0 “ m ，体积衰减系数约为0 . 2 0 . 6m 一 ， ，其衰减长度约为1 . 2 一sm 。大 洋清洁水的光谱透射窗口 为04 8 0 “ m ， 体积衰减系数约为0 . 05m 一 ， ， 其衰减长度约为 2 0 m 。 南京理t人学硕 卜 论文水下微光成像技术勺 系 统研究 众(1滋)。- 0 3 00 4 00 5 00 6 0 d 7 0 0 8 0 认 佰 ? d 即砂 h 加泊 ) 图 3 之1海水衰 减系数的 光 谱分 布( 升e atte n uatio n c oe 用 ce n t o f t h e s e a ) 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3 . 2 . 1 给出了各种不同类型海水的传输窗口数值。 表1 2 . ! 各种类型海水的传输窗口 数值 海水 类 型 没 剖 哀 减 系 数k ( m 一 ) 衰减( 旧 m)波长( 川 刀 特3fj洁撤的掬水 0 . 0 之 00 3009 、0 . 1 34 王 0、4 7 0 公句的梅水0 . 0 400 70 1 7、0 34 7 0、4 夕 q 人 犯架 的向水 0 . 0 9o l z0 3 9、0 4 5礴 9 0、5 1 0 海: 有 的海水0 ， 1 4、0 1 名0 6 5、0 7 55 1 0、5 5 0 近向和港1 的 御水0 . 3 7 04 33 名、17 5 5 5 0、5 7 0 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。 3 . 3水下辐射后向散射 除了海水的吸收外， 还有散射， 导致水中光束能量的衰减。 海水中引起光散射的 因素很多， 主要有水分子和各种粒子， 包括悬移质粒子、 浮游植物及可溶有机物粒子 等。散射的机制主要有两种:瑞利散射和米氏散射。水分子散射遵从瑞利散射规律; 粒子的散射遵从米氏散射规律。 清洁大洋水主要是水分子散射， 沿岸混浊水主要是大 粒子散射。 当一束光入射到海水的一小体积上发生散射后， 它的能量将分布于很宽的 角 度范 围， 即 散射光的强 度随散 射角而发生 变 化。 这种 变化用海水散射函数。 (6 ， 中 ) 来表示. 海水的散射主要集中于前向散射， 一般占 总散射的9 0 %以上， 后向散射只占小部 分， 通常小于10%。另外， 沿光线前 进方向的散射最强， 而垂直方向最弱;与光前 进 相反的方向的散射强度比前进方向附近的散射强度小3 一4 个量级。 南京理t大学硕 1丁 论文水下微光成像技术与系统研究 3 . 4 水下微光成像理论 3 . 4 . 1主要性能与技术参数 采取激光脉冲选通微光增强水下激光探测一般采取下述两个方案: 泛束系统 ( 图 3 . 4 . 1 . 1) 和扇束系统 ( 图 3 . 4 . 1 . 2 ) 。 水下 光电成像探 测系统的核心技术参数主要有: 脉冲激光单脉冲能量p ，脉宽 ? 与重发周期t ;微光像增强器灵敏度 ，选通门有效宽 度。，以及介质散射造成的成像对比恶化系数日: 对于扇束扫描系统而言，尚还有扇 束相对于泛束的压缩比 毛 。 1下.j，. 门口、/ 泛束脉冲激光 像增强器 选通 控制 反射脉冲激光 视频输 出 水介质 图3 . 4 . 1 . 1泛束系统框图 水介质 南京理t人学硕 卜 论文 水下微光成像技术与系统1 叮 究 图3 . 4 . 1 . 2扇束系统框图 3 . 4 . 1 . 1观察距离l 与观察景深 l 在准确同步选通工作状态下， 系统观察距离l 取决于激光脉冲发射前沿瞬间与( 经 观察目标反射后)返转激光脉冲前沿到达系统接收端瞬间 ( 此时正好选通门开启) 的 时间差 t ，若设在给定介质中的光速为c ，则 l 二 c 叹( 3 4 1 1 1 ) 而系统的观察景深则取决于激光脉冲的宽度 t ，即有 配= c r( 3 . 4 . 1 . 12 ) 换言 之，对于 给定的观察距离 l ， 应调整选 通门 控制电路的延 迟时间 t 为 “ = 2 兄( 3 月 ， 1 3 ) 而对于所希望的观察景深l ，应保证激光脉冲宽度 ! 为 r = 叹( 3 4 1 1 4 ) 这样，例如预定观察距离为3 0m，观察景深为3 m ，则相应于应调整像增强器选通门开 启瞬间相对于激光脉冲发射前沿瞬间的延迟时间t 为2 0 0 n s ， 而激光脉冲宽度 下 则应 为1 0 n s 。 3 . 4 . 1 . 2成像性能 a .信噪比s n r 在像增强器与视频器件 ( c cd或c m os)光电参数特别是灵敏度与噪声指数预先优 选的情况下， 光电成像探测系统工作状态下给出的实际信噪比主要取决于激光辐射在 往返途径中经介质衰减，返转至接收系统敏感表面上的有效成像辐射通量凡 ( 连续 工 作 状 态 ) 或岛 ( 脉 冲 工 作 状 态 ) 。 这将对 连续 激光器的 功率p ( 辐射强度1) 以 及脉 冲激光 器的单 脉冲能量p 和重发 频 率几提 出 相 应 严 格 的 要 求。 b . 方 波响 应; 、 ( n ) 光电成像探 测系统本身的方 波响应， 主要取决 于像增强器与视频器件， 同时也与 中继光学元件的质量有关。 传播介质 对激 光辐射的散 射作用使像质恶 化， 成像对比 下降， 对比恶化系数p 可 相 应换算为相应的 介质方波响 应r 、 ， 刀 ) 。 南京理t人学硕 卜 论文水下微光成像柱术与系统研究 3 . 4 . 1 . 3扇束压缩比 在扇束系统中. 扇束相对于泛束的压缩比毛， 指的是相同照射视场下， 扩束后的 激光束在一个方向上压缩后的尺寸与原泛束尺寸之比。 采纳扇束工作状态， 是为了在 一个方向上浓缩激光能量的空间分布， 从而达到增强照射强度或降低对激光脉冲能量 的要求。压缩选用柱面镜，扫描则可选用表面倾角不同的多面转鼓。 3 . 4 . 1 . 4介质光学特性 介质光学性质， 特别是吸收与散射状况对光电成像探测系统实际性能有至关重要 的影响， 特别对于水下系统，混浊海水甚至可能严重限制成像距离与图像清晰度。广 泛具体的水介质光学性质探测以及强激光对水介质光学性能的作用效应与机理也需 要深入研究和探讨。 3 . 4 . 2系 统建模 r . w . r ，p olla基于背向散 射效应曾给出了激光助视光电 成像探测系 统的理论模 型。 该模型忽略不计发射系统与接收系统之间的间距， 假定两者在空间位置上重于一 点。该理论模型对于观察距离相对较远的空中、 地面与水面上的系统而言， 无疑具有 足够的原理精度。但显然不适用于观察趾离很近的水 卜 激光助视光电成像探测系统。 为此， 需要在此基础上进一步使之扩展， 建立既考虑发射系统与接收系统间距同时又 考虑前向散射效应的新的更为普遍使用的理论模型。 3 . 4 . 2 . 1几何图示 假 定 接收 系 统 与 发 射 系 统 之 间 的 间 距为 d ， 距 接 收 系 统r 。 远 处 与 接 收 系 统 全 视 场 对应的物面幅宽为呱 ， 幅高位h ， ， ( m ， n) 处极限可分辨单元对 接收系统0 * 所张的 立体角单元为。 ，其角坐标为 ( 氏， 必 ; ) ，可知 功 = 今 一 丫; 二 臀 一丫: 口 :=口 厂 心二，: i(m 南京理t人学硕 1 : 论文水下微光成像技术 系统研究 ， 、 二 arclg es 一 土 生 一:(3 . 4 . 2 1 . 1) 伴 + 礁) 其中，6为物面处标准像素间距. 在该 物面与 接收系统之间的 辐射 传播空间内，( m ，n) 成像主光 线路径_ l 任选的 至接 收系 统久距离为凡的 空间点 ( 氏，八， r *) ，相 对于 发射系 统q的极 坐标 妈冲. ， r 小 则由下式决定: 只= 明 tg ( tg 氏十 d r 肠 cos 价 ， c o s 口 ， 妈 = 二 tg (黑 箫) : * . 二 r o cos 尹 co5 呱， .。5 。 ( 3 . 4 . 2 . 1 . 2 ) 其中， 凡c o s 乌 c o s 必 . ( 34 . 2 . 1 . 3 ) 3 . 4 . 2 . 2成像辐射 对于衰减系数为 。 的介质，若假定物面 ( m ， n )处极限分辨单元以辐射强度计的 漫 反 射 比 设 为p ， 接 收 系 统口 径 为 d ， 且 考 虑 到 d r ， ， 于 是 可 写出 该 单元 经 连续 激 光照射后反射而返转的成像光束由 接收系统 截获的 辐射通量为 凡= 践 别。，co s( 拭jx. . 、一 么) cos( 价 . r.、一 势 ， ) p 卜 (“ . 、 ， * )，】斋co s。 ， ( 3 ， 4 . 2 . 2 . 1 ) 其中 ，了 。 。 叹 火为 连 续 激 光 沿归 ; ， 必 .)i 凡 呱方向 的 辐 射强 度 。 当 使 用 重 复 频 率 为.几 的 脉 冲 激光 器 时， 假 定 激 光 脉 冲 的 单 脉 冲 辐 射 能 量为 p ( 焦 / 单个脉冲) : ， 二 价(“ ， ， 斌 脚 ( 3 . 42 . 2 . 2 ) 其中 ， p( 0 ，叻为 单 脉 冲 沿(0 ， 列方 向d 田 必 内 辐 射的 能 量，q 为 激光 辐射 所 及的 立 体 角 范 围 ， 则 只 要 在 (3 2.2。 ， ) 式 中 以 价 (。 . ， )d * 。 取 代 气 。 。 、口 即 可 写 出脉冲激光工作条件下接收系统截获的成像辐射通量，亦即 凡 ， = 试 几 卜 (。 . ， 卿 ) e x p l 一 a ( ; 二 二 、 ， ， * ) . 嘿。 。 5 氏 。 。 5 ， ， ( 3 . 4 . 2 . 2 . 3 ) 犷一4 杯 其中 南京理t人学硕 1 论文水下微光成像技术与系统研究 。 . 二 口 co s( 风叹 . k-一 氏) co s( 价 . 今心一 必 : ( 3 ， 4 . 2 . 2 . 4 ) 3 . 4 . 2 . 3背景辐射 背景辐射降低图 像对比， 它主要是由 激光前射时介质的背向散 射凡 以 及介质 对 激光照射物面后反射返向 传播的成像光束形 成的前向 散射凡 两部分组成. a .背向散射 在 成 像 主 光 线( ， ， n) ，0 * 上 任一 点( 氏 ， 沪 ， ， r 、 ) 由 极 限 分 辨 单 元 立 体角。 与 微 距 离 dr、 构 成的 微体积内， 由 激光 照射 介质而 被 介质吸 收和 散射 掉的 辐射通 量设为 鱿 ( r 小 若假定只 要微体积大 小相同，不论其 形状与 方向如何， 对照射激光 辐射场 有 相 同 的 吸收 与 散 射量 ， 则当 注 意 到 照 射 激光 的 辐 射 方向 是 沿 着 (6， 尹 .) 方向 时 ， 遂 可 写出 犷 ( 卜耘 。 ， 一峨 一 么 。 * 一 俄 +das， 应用近似式 一 ， 满 + 叽) = e 一 叭 (l 一 傲 从 、 ) 得到 盯(r 。 卜气 ， ， 一叭 俄 从 、( 3 ， 4 . 2 . 3 . 1) 对于水下光电成像 探测系 统而言 . 需要对各类不同 在实际应用中遇到的水介质进 行吸收系数a 与散射系数。的定量研究与测试，并应牢记 犷( r 。 ) = 娇。 ( r ) + 鱿， ( r 。 )( 3 . 4 . 2 . 3 . 2 ) 只 在吸收相对于散 射而言 可以 忽略不计的情况 下， 才有 奸 ( r ， ) “ 州 ， ( r 、 )( 3 . 4 . 2 . 3 . 3 ) a = j 二 。 ( 氏 。 )j * ，( 3 . 4 . 2 . 3 . ; ) o界 其中 ， 口 。 为 背向 激 光 入 射 方 向 的 散 射 系 数 ， 口 (0 ， 初为 散 射 系 数 的 相对 空 间 分 布 ， q ， 为 微 区 散 射 所 及 的 全空 间 。 此 时 ， 我 们 可以 写 出 州* (r. ) 一 偏诚 氏(二 了 价低 。 )dm川(3. ， 2. 3. 5) 0 . 注 意 到( 氏 ， 尹 。 ， r 。 ) 处 微区 的 背向 散 射， 真下 可 为 接 收系 统 接