水下激光成像系统研究及MATLAB仿真

1、 毕业论文（设计）设计(论文)题目水下激光成像系统研究及MATLAB仿真姓 名：学 号：学 院：专 业：年 级指导教师： 年 月 日目录2. 绪论21.1海洋光学的研究和应用背景21.2水下成像技术的研究现状31.3水下探测技术的研究现状41.3.1声纳探测41.3.2光电技术探测61.4论文的主要工作7第二章 水下成像关键理论分析72.1水下辐射衰减特性72.2水下辐射光谱特性82.3光在水下的吸收92.4光在水中的散射11第三章 水下激光系统建模及仿真分析143.1水下激光成像系统模型143.2探测距离仿真与分析16第四章 水下蓝绿激光衰减系数与水体浊度的关系研究214.1衰减系数和水体浊

2、度的定义214.2衰减系数和水体浊度的测量224.3衰减系数与浊度关系及粒径影响2446 摘要近年来，随着全球近年来，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。海洋相关领域的研究对于海洋资源探测与开发、海洋环境监测和海洋军事应用等都具有重要的意义。在此背景下，本文开展了水下成像关键理论分析，水下激光成像系统仿真，以及蓝绿激光衰减系数和水体浊度关系的关系研究由于水中存在蓝绿窗口，根据水下成像关键理论分析，距离选通水下激光成像系统的成像过程，通过分析目标的辐射特性，水体的衰减特性等各因素，建立了水下激光成像系统的信噪比模型，完成了系统成像距离的计算与仿真。可根据

3、识别目标所需要的信噪比阈值、水下激光成像系统的所选定的工作距离，估算出所需脉冲激光器，接受相机等器件的性能指标，帮助研究人员在实验前选定器材。或者根据已知目标识别的信噪比阈值和脉冲激光等器件的性能指标计算水下激光成像的工作距离。同时，通过实验探究蓝绿激光衰减系数和水体浊度关系，实验结果表明：衰减系数与浊度间存在很好的线性关系。对于同种悬浮质来说，其线性拟合斜率与粒径的对数有较好线性关系，而其拟合截距也与粒径有线性关系。但对于不同种悬浮质来说，微粒折射率会对拟合斜率产生较大影响。因此，目前尚难以直接得到由浊度仪测量值换算出衰减系数的普适关系式。关键字：距离选通，激光器，水下成像，水体浊度，衰减系

4、数。第1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

5、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

6、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。11.2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

7、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

8、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

9、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

10、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101.3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

11、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

12、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

13、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。 图1.3.1主动声纳工作原理声纳系统在军用和民用方面都有着重要的作用，在军

14、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

15、，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

16、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

17、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710ns，脉冲能量2629mJ，像增强器增益为25,000倍，最小选通宽度10ns。该系统在45倍的光学衰减长度上具有

18、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750ns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10dB281.4论文的主要工作1. 在调

19、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2章 水下成像关键理论分析2.1水下辐射衰减特性光进

20、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(-r)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，

21、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。 图2.2.1海水衰减系数

22、的光谱分布此外,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0.020.03 0.090.13430470公海海水0.040.07 0.170.3 470490大陆架的海水 0.090.12 0.390.45 490510海滩的海水 0.140.18 0.650.75 510550近海和港口的海水 0.370.43 1.381.75 550570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

23、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

24、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0.010.02nm-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，B

25、ricaud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；400700nm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0.0060.014.2.4光在水中的散射 水体中的光散射可以

26、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

27、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):

28、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

29、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°

30、;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： 第3章 水下激光系统建模及仿真分析3.1水下激光成像系统模型本文根据光在大气和水体中的传输模型46，并借助激光雷达模型，建立了水下激光成像系统的模型。距离选通水下激光成像系统的激光脉冲传输模型见图3.1.1。水体对光的衰减包括吸收和散射。吸收用吸收系数描述，

31、是指由于受到海水本身的作用，光子在海水中传播单位长度后光子能量转化为热能、化学能等其它能量的概率。散射用散射系数描述，是指由于受到海水本身和海水中悬浮微粒的作用，光子在海水中传播单位长度后传播方向偏离原直线传播方向的概率47。大气对蓝绿激光的衰减系数为 K；蓝绿激光在水体表面的透过率为 T，根据菲涅尔定律，激光入射角小于 30°时平静海面对蓝绿激光的反射率约为 2%；激光从海面到水下目标的传输用海水衰减系数描述, ；目标反射的激光脉冲在海水中的传输为漫反射光48，用漫射系数 k(m-1)描述，且在接收视场内均匀分布。漫射系数是指由于海水的吸收与散射，漫射光子在海水中传播单位长度后被吸

32、收和改变传输方向的概率。 图3.1.1 激光脉冲传输模型 脉冲激光器的峰值功率为，则传输距离H后到达水面的光功率为： 则激光脉冲在水下L处的光照强度（单位w/m2)可表示为： S(H,L)为发散全角为的激光在水下L处的照明面积： =1.34为海水的折射率；将有效横截面积，反射系数为的目标近似为朗伯体，则其反射的光照度:焦距为f，口径为D的接收光学系统的有效截面积为，根据有限尺寸光源距离定律，CCD靶面接收到水下L处目标反射回光照度： 其中：;C为目标对比度(在能见度较低的情况下一般取1)。接收视场角时，与激光脉冲发散角相关，表达式如下： 当探测器的选通门宽等于激光脉冲宽度时，根据式（）计算整理

33、得到 CCD 靶面接收的目标反射的回波能量Er： 式中为激光脉冲宽度3.2探测距离仿真与分析仿真参数如下：大气衰减系数K=0.17/km，水面透过率T=0.98，高度H=11m,目标反射率=0.4，ICCD选通门宽度为8ns。采用工作波长为532nm,单脉冲能量15mj，脉冲宽度的ND:YAG脉冲激光器作为主动光源。所选相机如图3.2.1 图3.2.1 相机参数（1） 图3.2.2为水下探测距离L和CCD靶面接受到的回波能量在不同水质下的关系。激光发散角。把下列matlab代码复制，粘贴到matlab中，运行即可得到图3.2.2。clear;clc;clf;p=15e-3;%单脉冲能量delt

34、aT=8e-9;%脉冲宽度P=p/deltaT;%激光器峰值功率H=11;%水上距离theta=pi/6;%激光器发散角T=0.98;%水面透过率row=0.4;%目标反射率k=1.7e-5;%大气衰减系数D=0.08;%相机孔径Ad=(pi*D2)/4;%接收光学系统有效截面积n=1.34;%海水的折射率n1=1/n2;tmpTheta1=(tan(theta)(-2);tmpTheta2=log(1+(tan(theta)2);tmpTheta3=(cos(theta)2;eta=n1*(1-n1)+n1*(1-n1)*(tmpTheta2)tmpTheta1+n12*tmpTheta3)

35、;L=0:10:100;%水中传输距离Ln=length(L);alpha=0.04:0.01:0.07;%水下衰减系数La=length(alpha);u=0.001;%最低可探照度pixle=6.5*6.5*10(-12);%像素大小U=u*pixle;%最低光通量阈值for m2=1:La for m1=1:Ln E(m1,m2)=(T2*P*row*exp(-2*k*H)*exp(-2*alpha(m2)*L(m1)*eta*Ad*deltaT)/2*pi*(H+L(m1)/n)2; if E(m1,m2)<U E(m1,m2)=0; end endendY=log(E(:,:)

36、;figure(1);plot(log(E(:,:);hold on;xlabel('the depth under water')ylabel('the threshold of the detector Er') 图3.2.2 回波能量Er与水下探测距离在不同水中衰减系数的关系 由图3.2.2可知，水下的探测距离越远，探测器收到的回波能量越小。探测器阈值能量决定系统的探测深度，当目标反射回光能量小于探测器阈值，系统无法采集到图像。同时仿真时没有考虑相机的量子效率，如考虑上相机的量子效率，ccd靶面收到能量应该更小。所以选择高性能的成像探测器有助于提高系统的成

37、像能力。海水衰减系数越大，探测器收到的回波能量也就越小。 （2） 图3.2.3为水下为水下探测距离L和CCD靶面接受到的回波能量在不同激光发散角下的关系。水中衰减系数取公海海水中的衰减系数0.04。 图3.2.3回波能量Er与水下探测距离在不同激光器发散角下的关系图3.2.3为回波能量Er与水下探测距离在不同激光器发散角下的关系，激光发散角越大，系统成像的面积越大，使得目标较为容易获取，但收到的回波能量变小，成像对比度变差。通过经验分析，在系统的设计过程中，激光发散角最好小于 200 mrad。3.3使用Matlab图形用户界面(GUI)进行仿真3.3.1Matlab图形用户界面(GUI)介绍

38、 图形用户界面是一种人与计算机通信的界面显示格式，允许用户使用鼠标等输入设备操纵屏幕上的图标或菜单选项，以选择命令、调用文件、启动程序或执行其它一些日常任务。与通过键盘输入文本或字符命令来完成例行任务的字符界面相比，图形用户界面有许多优点，例如形象直观，把自己写的程序封装成GUI，那么其他人不需要理解其中的算法，也可以根据上面的提示输入并得到想要的结果。图形用户界面由窗口、下拉菜单、对话框及其相应的控制机制构成，在各种新式应用程序中都是标准化的，即相同的操作总是以同样的方式来完成，在图形用户界面，用户看到和操作的都是图形对象，应用的是计算机图形学的技术。Matlab GUI就是利用matlab

39、程序所做的GUI。一个最简单的GUI通常包括两个部分，坐标轴框和面板。通过点选坐标轴框，然后在工作区中的适当位置，拉出适当大小的轴位框以供绘制相应曲线使用。同样点选模块区，面板标识，拉出一块区域，即可在上面容纳可编辑文本框和滑块。如图3.3.1 图3.3.13.3.2利用GUI进行的仿真在界面创建完成之后图3.3.2，会由界面编辑器自动生成一部分程序文件，但是程序文件是不完整的，其中的运算程序需要自己根据自己的要求来编写。 图3.3.2由界面编辑器产生的文件包含了主函数和子函数，子函数中有界面启动子函数和输出子函数，可编辑文本框和回调子函数组，滑块回调子函数组。在上述子函数中，只有后缀为cal

40、lback的子函数需要界面制作者填写M码，以实现该界面控件被触发后，产生相应操作，实现目标。（1） 编写初始化程序 function guifinal_OpeningFcn(hObject, eventdata, handles, varargin)% This function has no output args, see OutputFcn.% hObject handle to figure% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles

41、and user data (see GUIDATA)% varargin command line arguments to guifinal (see VARARGIN)H=1;L=1;theta=pi/6;alpha=0.4;deltaT=5e-9;p=5e-4;% 初始值设定set(handles.edit2,'string',num2str(p)% 可编辑文本框标识初始化set(handles.edit3,'string',num2str(deltaT)set(handles.edit4,'string',num2str(H)set(h

42、andles.edit5,'string',num2str(L)set(handles.edit6,'string',num2str(alpha)set(handles.edit7,'string',num2str(theta)set(handles.slider1,'value',p)% 滑块游标位置初始化set(handles.slider2,'value',deltaT)set(handles.slider3,'value',H)set(handles.slider4,'value&#

43、39;,L)set(handles.slider5,'value',alpha)set(handles.slider6,'value',theta)handles.p=p;handles.deltaT=deltaT;handles.H=H;%定义水上传播距离handles.L=L;%定义水下传播距离handles.alpha=alpha;%定义水体衰减系数handles.theta=theta;%定义激光器发散角handles=surfplot2(handles);% Choose default command line output for guifinal

44、handles.output = hObject; % Update handles structureguidata(hObject, handles);（2） 可编辑文本框的回调子函数回调子函数执行的任务如下（仅以第一个可编辑文本框做为例子）：界面上对可编辑文本框的操作，使gcbo得到该句柄，并把此句柄用作edit_2Callback函数的第一个输入量hObject。获取界面控件状态：列表框的选项；可编辑文本框的string属性值。该属性是字符串数据类型的。因此，如需作为数值使用，就必须经过转换使界面上其他控件（滑块游标）状态与脉冲激光器峰值功率对应在新的脉冲激光器峰值功率下，计算回波能量

45、 function edit2_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to edit2 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)sz=get(hObject,'string');%从可编辑文本框读取输入字符p=str2double(sz);%把字符转换成双精度数set(handle

46、s,slider1,'value',p);%对滑块的游标定位handles.p=p;handles=surfplot2(handles)%调用绘图子函数，绘制曲线guidata(hObject,handles);%保存了更新的handle数据% Hints: get(hObject,'String') returns contents of edit2 as text% str2double(get(hObject,'String') returns contents of edit2 as a double（3） 滑块回调子函数 在编写该子函数

47、时，要考虑的是：游标值的读取；使可编辑文本框显示此值；更新handles重新绘线（仅以第一个滑块的回调子函数为例）function slider1_Callback(hObject, eventdata, handles)% hObject handle to slider1 (see GCBO)% eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB% handles structure with handles and user data (see GUIDATA)p=get(hObject,'value&

48、#39;);%读取滑块游标体现的值set(handles.edit2,'string',num2str(p)%使可编辑文本框显示新的脉冲激光器峰值功率handles.p=p;%更新脉冲激光器峰值功率handles=surfplot2(handles);%利用handles传送绘图所需数据guidata(hObject,handles);% Hints: get(hObject,'Value') returns position of slider% get(hObject,'Min') and get(hObject,'Max')

49、 to determine range of slider（4） 绘图子函数由于启动子函数及三个控件回调子函数都需要几乎相同的绘制曲线的程序，所以把它们设计成一个独立子函数，供启动函数和各回调子函数使用。function handles=surfplot2(handles)p=handles.p;deltaT=handles.deltaT;H=handles.H;L=handles.L;alpha=handles.alpha;theta=handles.theta;k=0.00017; %大气衰减系数T=0.98 ;%水面透过率D=0.02;%相机口径C=1 ;%目标对比度Ad=(pi*D2)

50、/4;%接收光学系统有效截面积rho=0.4;%目标反射率n=1.34;%海水的折射率n1=1/n2;tmpTheta1=(tan(theta)(-2);tmpTheta2=log(1+(tan(theta)2);tmpTheta3=(cos(theta)2;eta=n1*(1-n1)+n1*(1-n1)*(tmpTheta2)tmpTheta1+n12*tmpTheta3);t1=0:L;Ln=length(t1);step=H/Ln;t2=0:step:H-step;Q(1:Ln)=(T2*rho*p*exp(-2*k*H)*exp(-alpha*L)*exp(-alpha*L)*eta*

51、Ad*C*deltaT)/2*pi*(H+L/n)2 plot3(t2,t1,Q(1:Ln) xlabel('H') ylabel('L') zlabel('E')仿真结果如图3.3.2（2）所示 3.3.2（2）在可编辑文本框中输入参数或者调整下边的滑块，就可以很直观的得到回波能量随水上传输距离和水下传输距离的图形。可以用来在试验之前在已知水体参数，的情况下预估已有激光器的传输距离，或在确定实验距离的情况下，帮助选定一个合适的激光器。 第4章 水下蓝绿激光衰减系数与水体浊度的关系研究4.1衰减系数和水体浊度的定义光在水中的传输特性是研究水下激光

52、雷达成像技术的基础。水体介质的主要固有光学性质包括水体的吸收和散射。其中，根据吸收系数确定的水体介质“光学窗口”大约为蓝绿光波段，因此，532nm 蓝绿激光成为水下激光雷达成像的最佳波长；水体散射通常用体散射函数表示，它是散射角的函数，决定了光在水下传输路径上的光场分布，影响着水下成像的图像特征，如图像亮度的非和对比 度 退 化 等 。 水 体 的 衰 减 系 数 （ AttenuationCoefficients）是评价包含吸收和散射的水体质量综合参量，决定了光在水体介质中的传输距离，可用于预测水下光电成像的作用距离。水体衰减系数为设辐射通量为的单色波长准直光在水介质中传播时，当通过路径长度

53、为dl时，由于海水散射和吸收而引起辐射通量损失为，则水体衰减系数定义为： （4.1.1）于是，可把辐射在水中传输距离L后的辐射通量表示为： （4.1.2）当衰减系数不随传输路径改变时，式（4.1.2)可以进一步表示为： （4.1.3）式中：也称为衰减长度，即辐射能衰减到1/e 的水体传输长度。 浊度（Turbidities）也是一种衡量水质的参量，通常定义为由于有机或无机微粒引起的液体浑浊或不透明程度，常用于评价天然水和饮用水物理性状。虽然从光学的角度来看，早期提出的浊度定义并不是很严格，但越来越多的国家和组织都将浊度视为评价水质好坏的重要指标，对水浊度的测量也越来越客观和准确。浊度的测量方法大体上分为透射式（包括分光光度计与目视法）均匀性、散射式以及散射-透射式等3类，每类方法的侧重点不尽相同，所得到的测量结果也不完全相同。在上述3 种方法中-，以散射-透射式浊度仪的灵敏度和测量精度最高，是目前浊度测量的主要方法，