水下光学探测发展综述

1、一、水下探测技术发展现状光在水中传播，接收器接收的光信息主要由 3部分组成：从目 标反射回来并经水介质光在水中传播，接收器接收的光信息主要由3部分组成：从目标反射回来并经水介质吸收、散射损耗后的成像 光束；光源与目标之间水介质散射的影响图像对比度的后向散射 光；目标与接收器之间水介质散射较小角度并直接影响目标细节分 辨率的前向散射光。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快速吸收功率衰减特性对 水下通信、成像、目标探测所造成的影响。目前主要有几种成像技 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

2、扫描光束（连续激光）和接收视线的同步，利用的 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灵敏度探测器的窄视域跟踪接 收。如图1,激光扫描装置器使用窄光束的连续激光器，同时使用窄 视场角的接收器，探测器与激光扫描装置分开放置，这样使得被照 明水体和接收器视场的交迭区域尽量减少，从而让后向散射光尽量 少地进入接收器中，再利用同步扫描技术，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 SM2000型水下激光成像系统，其成像距离是普通水下摄像机的35倍，有效视场可达70

3、76; ,在30m作用距离上可分辨 25mm量级的图像。该系统的有效视场大约为距离选通技术的5倍，成像质量（即分辨率）也比距离选通好。2、距离选通技术距离选通技术是利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标的反射光，使由被观察目标反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像。如图2,采用脉冲激光源照明目标，接收端使用距离选通门，在照 射的短脉宽激光的光从目标返回前，相机快门一直关闭，信号光抵达时，快门才打开，这样使得接收器几乎同时接收到整个视场内所 有景物的反射光。在该系统中，非常短的激光脉冲照射目标物体，照相机快门打开的时间相对于照射目标的激光发射

4、时间有一定的延 迟，并且快门打开的时间很短，在这段时间内，探测器接收从目标返 回的光束，从而排除了大部分的后向散射光。此种方法对解决由海水中的悬浮颗粒引起的后向散射问题很有力。系统的距离分辨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3060cm 的距离分辨率。如果选通脉冲宽度和激光脉冲宽度都很窄，使得只 有目标附近的反射光才能到达摄像机，那么就能大大提高回波信号的信噪比，该系统典型视场为12。73°。距离选通技术现在已经是 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识别目标的能力，能在大于10个

5、衰减长度的距离上探测到目标。图2相机/逋门用182距离选通成像系统目前典型的水下距离选通光电成像系统主要有：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 （20062009）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时的传输距离）距离对竖条纹

6、靶成像；在5.0 AL处可分辨16 mm/lp的分辨力靶图；并可与高频成像声纳形成融合图像。新加坡：水下激光雷达成像南洋理工大学研制了一款距离选通 成像系统。主动光源采用5 ns脉宽532 nm YAG激光器，单脉冲 能量160 mJ,接收器采用ICCD。Andrzej Sluzek等利用该系统进 行选通图像的自适应融合，获得所有成像路径上的目标图像，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2006年利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c= 0.45 m 1后向散射系数bb =0.0055 m

7、1。 浊水c=1.75 m 1, b = 0.03 m 1。衰减和后向散射系数采用标 定的HobLabs公司的c-Beta透射计测得。实验结果表明，距离选 通系统的探测距离是传统摄像机的2倍，识别距离是传统摄像机的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作，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。2006年获得国家863计划海洋技术”领域深海探测与作业技术”专 题水下运载技术”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” (

8、2006AA09Z207 )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，连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利用物体的反射光和后向散射光的偏振特性的 不同来改善成像的分辨率。激光波长与海水及海水中悬浮颗粒和有 机物分子的尺寸相当，其相对折射率为1.001.15, 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

9、是偏振的，如果采用适当取向的检偏器对后向 散射光加以抑制，从而可使图像对比度增强。如当检偏器的偏振方 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约相等，对比度最小，图像模糊；而当两者偏振方向垂直时,接收到的物体反 射光能量则远大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取 得了显著的成果2005年 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。具设备如图：Figure 1+ The Aq

10、ua-Polaricam mounted on a tripod.Figure 2. I hc system was iiscd during stnibii dives2009年以色列理工大学的Tali Treibitz发表了关于主动偏振去除 后向散射的方法。运用主动场景辐射在人工照明场构成图像。根据重构模型，提出恢复被测物体的信息的方法。该方法也可以提取粗 略的3D场景信息。这种方法的原理是：相机配备有一个偏振分析仪 器，当分析仪器和光源偏振镜处于不同偏振状态时，立刻提取两帧场景图。根据获取的图像运用相应的重构算法来恢复图像。如图：专业资料精心整理重构效果:The Sea of Galil

11、ee4水下激光三维成像技术(1)条纹管成像激光雷达可提供很好的三维信息，其原理是通 过测量短脉冲激光在发射机与目标之间的往返时间，来还原出目标的距离像。目标的距离信息首先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分辨条纹管接收器。如图3,反射的回波信号(激光束)由接收光学系统静电聚焦到条纹管的 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，由于不同时刻进入偏转系统的电子受到不同偏 转电压的作用，电子束到达荧光屏时，将沿垂直于狭缝的方向展 开。条纹管在此方向上分成了多个时间分辨的通道，不

12、同时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，利用屏幕上条纹的相对位置就可以分辨出目标的距离信息。另外还可以根据目标表面的反射率的不同得到目标的强度信息这样在条纹管的荧光屏上就可以得到目标的距离-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。目标输出图像中每行代 表不同时间的条纹图像，每列代表一个可时间分辨的通道。在STIL结构中，每个激光脉冲在整个扇形光束产生一个图像，可以提供更大的扫描宽度。因此，使用当前激光器和CCD技术所能 达到的相对适中的脉冲重复频率就能得到较高的搜索速度。STIL具有距离精度高（小于5cm）、方位视场角大（大于30°

13、）、空间分辨力高 （高于512像素）等优点。图3条纹管激光成像原理近年水下激光三维成像技术被广泛运用于水下探测领域。2002年Karl D. Moore 和Jules S. Jafe发表关于使用三维激光 线性扫描系统测量海底高分辨率地形的论文。研究人员通过在墨西 哥湾的实验获取了高分辨率水深资料：覆盖两个沙波周期获取一个 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探测区域图实验原理如图：2006 年日本静冈大学的 Atsushi Yamashita, Shinsuke Ikeda 等发表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

14、界面引起折射造成的图像失真进行了分析和复原。如图：suf face 0fdirection of ray from laservesselEpipolar line -VesselObiect(a Epipoktr cnnslrain於.(b I Enlai izcd imae 日ruundirradiaied area.Fig. 5. Extraction of irradiated points.2010年Roger Stettner研发的3D闪存激光雷达。该技术仅用一个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输速率，通过增加相关的三维焦平面阵列（FPA）能够大大提高数据

15、的传输速率其原理如下图：PHOTONSDETECTOR ARRAYCHIPINTERCONNECTBUMPSWIRE BONDPADDETECTORROIC/SIGNALPROCESSORCHIPUNIT CELLAnalog CircuitryDigital CircuitryROICFigr L 3-D FPA Hvhridl IJcsign, ASCSed即E RO1 (Readout) hump handed Io dereclorttrray chip (Defeclor)-.2-D R Camera2-D Visible Camera3-D Receiver OpticsLaser

16、 TransmiHcr OpticsAir Cookd LaserLtiplop Processes andDisplays 3-D Images and Controls CameraFunctionsFfc- 2, Hflnfihdd A SC 卜。FXklMuGnitnu 23 mJ；。Hm 1闵弘同 Liwn law mrc iirrerclijinuaihlt wkli t g H csiwfr w eight fif | ilhtk.upphlr ft( |. km RR niK- C*e4Tg pnnc-i" rc(|irirr<TiVH4 Ie银 tlipn S

17、414 Wuttk. Xn Httc-njpl 也稣 rapfi 加 mui lEnic- vuluritt1.曲ei0h F H psv%型 if. Field uf ,依徜& di;EerrUbitxl by Ihv vpibCs- UiM as liH a 2-D 亡iittur心5、使用结构光技术结构光技术(Structured Light)是一种主动式三角测量技术，具 基本原理是：由激光投射器投射可控制的光点、光条或光面到物体 表面形成特征点，并由CCD摄像机拍摄图像，得到特征点的投射 角，然后根据标定出的空间方向、位置参数，利用三角法测量原理 计算特征点与CCD摄像机镜头主

18、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：Fiuun.,支 ExLimplc tsf 日 distinc-e-cumpcnsaCed Hlnjctuir'd lighl system.该系统使用投影机创造机构光模型。该系统所获得的图像对比度明显优于宽视角照明系统。进一步处理可获得被测物体深度图。另一种方法是合成孔径法。M.Levoy使用星群照明光源。每个 亮点摄像特点的方位。当不同设置的光照明源活动时可获取多个框 架。其中每个组合产生不同的照明模式。这些获得的框架包含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处理时，统计了基于这组框

19、架的后向散射，这些后向散射被去除以提高 图象的质量。其它方法依赖于空间的相干性，比如那些使用结构化照明完成 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、多个视角的图像建设所获取的一个 图像场景收集了从不同的位置的图像信息。利用这些信息进行三维重建。这可以通过对所需区域进行高分辨率的光学探测而完成，使用单一的成像系统，或使用多个成像系统，让探测工作在很短时间内 进行。当多个系统的技术使用分开照明形成的图象形成过程时，图象可以捕获由于降低后向散射而增加的距离。例如不同配置的照明和相机，如下图所示，该构想已被模拟。

20、Fi 网 5. Multipleiwging 8n0cMi 110) und Lin example show in y one cimcra with two diflerLjnl Itgjhling pusiciims | right).伍兹霍尔海洋研究所的研究人员，正在实验一个改进的技术，他们使用了两个水下机器人的合作，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标物。第一个水下机器人Puma或plume mapper,启动本地化的化学和通过热液温口的温度信 号；另一个水下机器人Jaguar,被发送到那些地方使用高分辨率的 摄相机和海底绘测声纳去描述海底图象。7、线性激

21、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，同时在一个很大的角度上有一个很高的校准激光源线性的气溶胶接 收器。有显示表明，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能够有效地去除散射光。但是LLS系统依然受限于源于目标返回和体积散射引起的接收器散粒噪声。为了使作用范围达到最大化 ，CW LLS系统（连续波线性激光扫描系 统）使用增强的光源-接收器分离装置从而减少近场多次散射造成 的不利影响。通过计算机模拟，证明该系统能够在衰减深度为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 LASERLINE SCAN ）能够

22、减少光束重叠带来的影响，从而可以使系统能够 在衰减深度为7的条件下获取较清晰图像。经过改进的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 验表明时间选通激光脉冲扫描系统 TG PLLS）在信噪比和对比度上都 要优于连续波线性激光扫描系统（CW LLS）如下图：1.85 AL at 7 meters6.46 AL at 7 metersT-G PulsedT-G Pulsed5.68 AL at 7 meters7.20 AIL at 7 metersCWT-G Pulsedcwt-g PulsedFigure L Tra Wnk acquired relkc

23、Hiwc imagxr ponion uikcn 羽 7m Hand-口lTdi期n仅.xfl. side of each colmnn: CW LLS innage using LSWCW laser; Rigjic side: Tim ensued PULS imae us-ifig I.5W avemge power pulsed laser 日门皆 KHz.Fur bcMi 口门小区 曲匕箕内口 hpeed 100 liniM per 期算由 d. iource rcixi¥£rKpai油iM di23.4crih. iimaiitiiiixjus FOV of H

24、ie rccciw 培丛aiid 审汕闻 vdai” wun 1.5riis-1. Lm liivurE口fur Mh hrs wa1 2-3- ult3dL lulir 1.1ml uilJ inmgizK Jmvc beii hixlugnin uqujilLud and HFiediajL tllEurvd (ls_38、使用调制解调技术去除后向散射光调制技术能够有效的提高接收器的信噪比。早期的水下连续探 测技术表明：当使用CW LLS娃续波线性激光扫描）已调制光对被测 物体进行探测，后向散射和目标反射的光子同时被接收器接收后由 一个光电倍增管放大，再使用AM解调。这样能够有效地去除后向

25、散 射光影响。2007年 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进的CW LLS系统。结果证明经过 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：R曲w 2. Raw oorifiArison from HBO1 lest tarik al 7 m-cLer& yand-4IT disLnrx'c 您 ml nast stretched bclween. mJn Io max) bclwrai CW LLS (lefl side imagescin cuch dibuiruk) mudukilM-CM&q

26、uot; LLS-1 口 曲工 mJl iiinui oil cuch cuLu irubjLNiKc; C - fbewn atEnualion cuciTicieE m imverss mclcni CL - rvumh?r of nttenuuckin Idnlh.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，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，对近距离目标用弱光场照 明，以尽可能减小后向散射噪音的影响；远距离目标用强光场照明来提高目标信号的强度，同时较强的后向散射光经过长距离的传输 到达接收器时也会降低。图I非均匀光场的能量密

27、度分布Fig. 1 Pow er <l(nsity (list ribijtio n of inltornognirous ilhnnination field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，具结构如图YLonm distance图2集束光水下图像系统工作原理图Fig. 2 Principle nf untlerw uLer iin ag(t det (Motion sy s v ill】 dislr ilmtive light of central pow(*r为了验证所设计集束光水下图像系统的成像性能，进行了相关的水池实验.实验中所用接收系

28、统的视角为 83 65 ,水池透明度为 3. 5倍衰减长度，观测目标为40. 5cm 50. 5cm矩形分到?率板，如图 7.图8给出了 c=7m-1的情况下（透明度50cm）,在不同观测距离上图7被观测目标的实验图片Fig. 7 Detetled target(a) 0.6 times visibility(b) I times visibility(c) L5 times visibility图8观测结果由观测结果可以看出，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）的情况下，可以清晰分辨 1mm细节；距离50cm（ 1倍能见度）时，可分辨目标轮廓；距离 75cm（1. 5倍能见度），