水下光学探测发展综述

水下光学探测发展综述水下光学探测发展综述一、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 同步扫描成像美国Westinghouse公司为美国海军生产的一种机械同步扫SM2000～5倍，有效视场可达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)也比距离选通好。图1：2、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1ns激光脉冲和宽度为1ns306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10个衰减长度的距离上探测到目标。图2目前典型的水下距离选通光电成像系统主要有：⑴目前典型的水下距离选通成像系统是加拿大 DRDC国防研究所的LUCIE（LaserUnderwaterCameraImage EnhancerLUCIE）系列产品，装载在 ROV上可工作在200m 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。第三代手持式由DRDC&NSSLUCIE2系统可在7.35射衰减到1/e时的传输距离）5.0AL处可分辨16mm/lp5ns脉宽532nmYAG激光器，单脉冲能量160AndrzejSluzekAquaLynx水下距离选通相机H.M.Tulldahl2006c＝0.45bb＝0.0055m－1c＝1.75。衰减和后向散射系数采用标定的HobLabsc-Beta透射计测得。实验结果表明，2倍，识别距离是传统摄像机的1.5倍。⑷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”的支持，开展水下脉冲激光距离选通成像技术研究，采用5ns 脉宽的距离选通ICCD成像系统和DPLNd: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1.00一般遵从瑞利或米氏散射理论根据散射理,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,则大部分后向散射光也将是偏振的, 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,物体反射光能量和散射光能量大约相,对比度最小,图像模糊;而当两者偏振方向垂直,接收到的物体反射光能量则远大于光源的散射光能,对比度最,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 YoarY.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：2009TaliTreibitz发表了关于主动偏振去3D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，（激光束由接收光学系统静电聚焦到条纹管的狭缝离-强度-方位角的图像信息，并由耦合在条纹管荧光屏上的CCD在STIL结构中,每个激光脉冲在整个扇形光束产生一个图像，CCD技术所能STIL具(高于512像素)等优点。近年水下激光三维成像技术被广泛运用于水下探测领域。2002KarlD.Moore和JulesS.Jaffe1.35实验原理如图：2006 年日本静冈大学的 Atsushi Yamashita, ShinsukeIkeda 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界面引起折射造成的图像失真进行了分析和复原。如图：2010RogerStettner3D据传输速率，通过增加相关的三维焦平面阵列FP）能够大大提高数据的传输速率其原理如下图：5、使用结构光技术(StructuredCCDCCD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：该系统使用投影机创造机构光模型使用星群照明光源。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这可以通过对所需区域进行高分辨率的光学探测而完成或plumemapper,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6另一种技术使用高频率脉冲激光接受选通器LASERLINESCAN7PPL（6--7）其水池实验表明时间选通激光脉冲扫描系统TG在信噪比和对比度上都要优于连续波线性激光扫描系统如下图：8、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CWLLS解调。这样能够有效地去除后向散射光影响。2007年佛罗里达州弗特皮斯海洋（HBOI）研究院测试了美国海军CW系统。结果证明经过调制的CWLLSCW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,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,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。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,其结构如图为了验证所设计集束光水下图像系统的成像性能,进行了相关8365,水池透明度为3.540.5cm50.5cm板,如图7.8c=7m-150cm),在不同观测距离上的实验图片.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) 的情况,可以清晰分辨1mm 细节;距离50cm(1 倍能见度) 时, 可分辨目标轮;距离75cm(1.5倍能见度),可探测到目标.在目前电功率150W情况下,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个光三角形我们再此基础上改进了方法提出双激光的水下测距技术方案，是在相机的两侧各放置一个激光器，平行于相机的光OO AABY目标物体dOXf激光器L/2激光器接收器经过水下实验得到测量结果如下表：未校正数据校正数据未校正数据校正数据距离）像素距离计算距误差离(cm)（cm）误差百分比4598像素距离10计算距误差(cm)误差百分比45.490.491.0944.771-0.220.504646904868756074.30-0.690.926074.619-0.380.50105431054378 22103.6 -1.31853 47291.2521431104.11 -0.8895 0580.8386经验证可以说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原因，在水下测量的有效范围相对于空气中的较小，但也说明通过双激光进行水下测量的方法是有效地、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方法。其原理图如下：试验结果表明激光差频扫描三维视觉技术具有高速采集多点三潜水水下手势大全水下通联CommunicationsUnderwater水下通联是团队潜水的中心构件。潜伴之间，导潜和潜客之间都要通过手势，灯光或者接触信号相互沟通。因此对于潜水员来说必须熟练掌握水下通联方式和信号。手势信号在近距离，如果能见度好，潜水员之间通常比较容易通联。最常用的通联方式就是手势信号。如果要表达的意思太复杂或者不能被对方正确理解，就要把信息写在水下书写板上给对方看。花几秒钟时间确保正确通联不但可以节省时间而且还很可能挽救生命。在中近距离上手势是最快的通联方式，因此所有潜水员都应该熟悉手势信号。下面复习一下潜水时常见的几种最基本通联信号。潜水员们除了应该熟悉这些信号之外还应该熟悉潜点当地约定俗成一些信号。如果和新的潜伴一起潜水，下水之前要约定手势信号，因为这些信号各个地区可能不一样，每个潜水员所掌握的也可能不一样。经常在一起的潜伴之间通常使用一个广泛的信号列表，有些信号甚至可以称为手语。基本手势这个手势即可以作为询问也可以作为回答：OK“是的，OK。”OOK手势时必须用确认手势或者反应某一问题的手势响应。记

水面OK 水面OKOK“你OK吗？”“是的，OK。”这个手势的意思是“Hold”（别动）。回答必须也是“Hold”而不是“OK”Stop/Hold（停止/别动）：不能正确识别和响应Stop（停止）Hold（别动）指令非常危险。误解Hold（别动）信号会导致混乱和伤亡事故。Stop（停止）放慢/放松伸出右手掌手心朝下AtThis保持这一深度伸慢慢上下摆动。 出右手掌，手心朝下，左右移动。Up升水/终止潜水：潜水员用拇指朝Down下潜：上的手势表示要升水或终止潜水这伸出右手，握拳，大拇指朝下，表示开始下个信号通常意味着已经到达某种极 潜，潜水通常以这个手势开始。呆在一起 分开一点 我跟着你你的潜伴呢？先做“呆在一起”手势，后跟“不知道”手势。提醒对方去寻找潜伴。你 我问题与呼救手势

Come,过来出现问题：伸出右手掌，手心朝下，五指可以分开也可以合拢（各地不同），手掌两侧摇摆几下，指向问题部位，比如耳朵，面镜等。水面呼救：抬起一只手高过头顶，上下或左右挥动呼叫船只紧急救援。outofair：用手沿着喉头做割喉动作。这是一BSAC45成员以缩短相应时间。请求得到气体：先举起右手掌心朝里放到左胸部位，与锁骨取齐，然后指指自己的呼吸器。或者将呼吸器从口中取出用呼吸器指指自己的嘴。余气不多：用右手指指自己的呼吸器。抽筋：握紧拳头指向抽筋部 恼火：食指指向太阳穴转位。 圈。

呼吸困难耳压平衡出现问题：拇指指 气压还剩50Bar 晕眩向耳朵，手掌做开合动作。开始使用备用气压 寒冷气体相关手势请报剩余气压

回答举例1：50Bar+20Bar=70Bar报气压时向下取舍，以10的倍数为最小单位，比如，78Bar就报70Bar，依此类推....检查你的空气表

回答举例2：50Barx2次+30Bar=130Bar报气压时向下取舍，以10的倍数为最小单位，比如，138Bar就报130Bar，依此类推....50Bar深度与时间手势

重复做2次=100Bar 半途时间到或100Bar升水至特定深度，后面的数字代表米，下潜至特定深度，后面的数字代表米，本例为升水至6米。 本例为下潜至10米。注意时间 停留3分钟单手数字表示法下面介绍用一只手代表数字1-10的方法，取材于GUE的基本教材DIR（DoingItRight）DavidRhea一 六1 6二 七2 7三 八3 8四 九4 9五 十5 10方向手势这边走从那边走？ 示意水下行进路线。 会合握拳，伸出拇指，轮流绕过，越过，穿过.....向两边指。船海洋生物手势

沉船 家海龟:大拇指活动

MantaRay缓慢煽动手掌

海鳗 龙虾锤头鲨训练及其它常用手势

鲨鱼 狮子鱼看我 我负责（军士符号）

不要摸：上两个手指沿下手指移动几次。危险：伸出一个拳头，或者双手握拳与肩同高。看（注意看）：食指和中先指面镜，然 想想看，回忆一下。后指要对方看的东西。手拉手：两手在胸前扣合 不知道：两手摊开，耸耸肩膀我 你或那里加快明白吗？ 绑上线绳、泥沙、气泡相关手势线绳：食指与中指交叉是通用的线绳手势。潜水员用线绳手势与其它手势相结合可以传递更详细的信8交替做线绳手势和剪刀手势表示“把线绳剪断”。泥沙（Silt）：荡起水底沉积物时，例如泥沙，可以手心朝下用拇指揉搓其它手指的指尖。潜水员用这个手势提醒潜伴注意不要荡起泥沙或者警告他们前面是混水区域。气泡（Bubble）：发现潜伴出现漏气的气泡时，伸出手，食指与大拇指反复做一开一合的动作，如果气泡大，食指与大拇指之间的距离就拉大。潜水员用这个手势通知潜伴“供气管或者呼吸调节器漏气”。灯光信号灯光信号可能是一种重要的通联工具，因为灯光信号可以在很多情况下使用并有效地吸引团队中其他潜伴的注意。在黑暗的环境中，潜