论文水下光电成像技术简介

水下光电成像技术简介

激光距离选通成像技术是当前国内外不断发展且应用有效的水下光电成像技术之一,国外20世纪90年代后陆续公开了一些水下光电成像探测系统和实验结果。结合海洋资源勘探、水下救援和侦察等应用领域的需求,全面介绍并对比分析了当前国内外典型水下激光距离选通成像装置和性能水平,讨论了其技术特点,对水下激光距离选通成像技术的发展和装置应用具有意义。

激光距离选通成像技术是当前国内外不断发展且应用有效的水下光电成像技术之一,国外20世纪90年代后陆续公开了一些水下光电成像探测系统和实验结果。结合海洋资源勘探、水下救援和侦察等应用领域的需求,全面介绍并对比分析了当前国内外典型水下激光距离选通成像装置和性能水平,讨论了其技术特点,对水下激光距离选通成像技术的发展和装置应用具有意义。

我国宽广的海域具有丰富的资源，但由于与周边国家存在一些海域的归属争议，特别是近年来对能源的需求和国际势力的插手，更加剧了我国周边海域出现战事争端和资源争夺的可能。针对深海资源开发、海洋科研以及水下工程作业、考古和救援的迫切需求，研究适合载人潜水器、遥控潜水器、自治式潜水器、水下滑翔器、水下救援等高分辨力水下目标探测、观察、定位和分析技术成为国内外研究的重要方向。目前水下成像探测技术主要有声探测和光电探测两种途径。声探测技术探测距离较远，但成像的空间分辨力较差，难以完全适应高分辨力成像的需要；光电成像探测技术分辨力高，但由于光线在水中快速衰减，在一定深度以下往往需要辅助照明，且由于照明光后向散射的影响，使得人眼直接观察以及传统连续照明电视成像的有效作用距离较短，因此，提高水下光电成像系统的作用距离和细节分辨能力需要采用特殊的光电成像方法。本文将重点分析国内外水下光电成像技术与系统研究进展，特别是激光扫描成像、偏振成像等几种特殊的水下光电成像技术，希望对国内有关方面的研究具有参考作用。

1 几种水下光电成像技术与系统

国外从20世纪70年代开始主被动水下光电成像探测技术的研究，90 年代后陆续公开了一些水下光电成像探测系统和实验结果。由于光在水下传输的衰减和后向散射是限制水下光电成像系统作用距离的主要因素，在纯净水和清澈的海水中，蓝绿光透射比最大，因此成为当前水下光电成像的主要传输窗口。水下光电成像技术研究的重点是提升成像的对比度，提高水下观察距离和细节分辨能力。除了常规连续光照明水下电视系统外，目前其它

有效的水下光电成像技术可分为以下六类：时间区分/距离选通光电成像技术、空间区分/激光同步线扫描技术（LLS）、偏振光成像技术、结构光成像技术、调制/解调去除散射光技术和多视角图像构造技术。

1.1 时间分辨/距离选通光电成像技术

脉冲激光照明＋选通光电成像结合的激光距离选通光电成像技术是当前最有效的水下光电成像技术之一，国外已成功将其应用于ROV、AUV 平台以及水下救援装备，国内也有相关的实验系统研制[。

随着激光器和选通成像器件技术的发展，系统性能得到不断提高，作用距离达到水下连续照明光电成像系统的3～5 倍以及潜水员在自然光照射下水下观察距离的6～10倍。有关内容可参见本文上部。

1.2 空间分辨/激光线扫描（LLS）技术

激光线扫描水下成像技术是一种利用准直线阵激光与瞬时视场很窄的接收器间同步扫描成像技术，其介于早期的点激光二维扫描以及距离选通成像之间，相对于点激光扫描提高了成像速度，相对于距离以往的LLS技术采用连续（CW）的蓝绿激光器作为光源，其缺

点是常受到视场重叠区域或环境散射光引起的散射噪声影响。为进一步提高作用距离，CW-LLS系统可采用增加光源与探测器间距的方法减少视场重叠范围，但会带来系统体积的增加。理论模拟表明在浑浊水体中系统成像距离可达6个衰减长度（AL），但实验表明在该距离附近图像已受前向散射引起的对比限制。为此，可将CW 激光源替换为脉冲激光源，将常规探测器替换为选通型探测器，构成脉冲激光线扫描（PG-LLS）成像系统，模拟仿真表明其成像距离可超过7AL。港科海洋学研究所（HBOI）开发了一款脉冲激光线扫描成像系统样机，采用光选通成像降低了对激光功率的要求，因此，被认为是目前最优的水下距离增强成像技术之一。LLS 系统的接收器通常采用光电倍增管或高速成像的条纹管作为成像器件。

电倍增管（PMT）及高重频（357 kHz）、高功率绿光激光器（FWHM 为6～7 ns 的高斯脉冲）。1988 年美国“罗伯茨”号护卫舰在阿拉伯湾被廉价的水雷几乎击沉后，Kaman 宇航公司研制了“魔灯”水雷探测激光雷达（如图2）。机载激光雷达使用线扫描蓝绿激光器+选通像增强摄像机的PG-LLS 成像模式，在海面120～460 m以上高度工作，低空飞行时，分辨力和信噪较高；探测深度定为12～61 m 的浅水区。ALMDS（机载激光探雷系统，如图3）是Kaman公司的“魔灯90”系统的后续型。该系统被安装在MH-60S 直升机上，用于搜索移动的、水面和接近水面的水雷。全天候ALMDS 系统能够以60 节的速度利用激光探测舰船龙骨线（大约12.2 m深）以下水域的水雷。搜集到的信息传送到诺斯罗普·格鲁曼公司的“海岸战场侦察与分析系统”（COBRA）或进入“快速机载扫雷系统”（RAMIC）。探测水雷激光装在一个8 英尺（2.44 m）的吊舱，挂于MH-60S 直升机的一侧。激光每秒向水中发射数以百计的脉冲。吊舱内的照相机以数字格式捕获其反射信息。美国海军计划在2005 到2011 年间生产57 套ALMDS 设备，2006 年开始交付，总费用为2亿美元。

机载水下成像探雷系统的另一个关键技术是水面杂乱波面对成像波面的扭曲校正技术，这不仅需要实时地获取（海）水面波形，而且需要快速的校正算法。

国内已有一些水下激光扫描成像技术的初步研究，如1996 年华中科技大学实现了激光单点水下扫描成像实验，达到60 m 左右的探测水深。2009 年我们开始对基于条纹管的水下LLS成像理论进行研究，搭建了线激光＋条纹管的LLS成像系统，正在进行有关波面形状获取以及校正技术的研究。

1.3 偏振成像技术

2004年Schechner和Karpel提出通过偏振成像提高自然照明条件下的水下图像能见度[。研制的Aqua-Polaricam水下偏振成像系统在Nikon D100 SLR数字相机外接上圆起偏器，利用至少两幅通过偏振片并在其不同角度（如水平的或垂直的）下采集的图像，在景物对比度和色彩修正上可获得重大改善如图4为红海26 m 的深水处拍摄及处理结果，原始图像对比度很低，采用处理算法克服了后向散射造成的帷幔效应，使对比度和色彩有了很大提高，显示了原图像未见的细节及更远距离的物体。Treibitz 和Schechner 2006 年提出采用宽视场偏振光照明，在接收器前放置检偏器并采集两幅偏振态相互垂直的水下偏振成像图像处理方法（如图5），可有效地对后向散射光起到了调制作用[。图 6 给出了在地中海的四组图像比较，可以看出图像清晰度得到明显的增强。

我们从2005年开始进行水下偏振成像理论和技术的研究，在水下偏振图像处理方面取得初步的进展[。图7给出在实验室水槽中连续激光照明条件下常规成像与偏振成像处理的图像比较，偏振成像明显减小后向散射光的影响，提高图像对比度；图8 给出在北京动物园海洋馆拍摄的彩色图像及其偏振增强处理图像，图像清晰度和观察距离均有所提高。偏振成像技术在水下成像领域已展现出良好的发展和应用前景。其相对激光距离选通成像和线激光扫描成像技术，系统简单，体积小，重量轻，功耗低，适合在自带电源小型平台或机器