水下光电成像技术
水下目标光电探测技术及其进展
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关键 词 ： 下 目标 ； 电探 测 ； 离选通 ； 光线扫描 ； 水 光 距 激 条纹 管成像
复杂海底环境下数码相机成像技术研究
复杂海底环境下数码相机成像技术研究I. 前言复杂海底环境下，数码相机成像技术的研究一直是海洋科学研究的难点之一。
海洋深处光线暗弱，水流湍急，波浪波动频繁，水下悬浮颗粒物质多等因素都制约着数码相机在海底环境下的成像质量，限制着海洋科学家们深入了解深海中生物、地质和海洋环境的能力。
本文将在此基础上，探究复杂海底环境下数码相机成像技术研究的现状、存在的问题以及未来的发展方向。
II. 现状及问题在海洋深处，水下光线暗弱，给数码相机在此环境下拍摄带来困难。
针对此问题，研究人员目前采用的方法主要为使用白光或者蓝光LED灯泡来提供照明光源，并搭配上红外辐射和激光形成多光源成像技术。
同时，为了保证成像质量，数码相机的设备要求更高，其硬件和软件性能也需要进行完善。
但由于海洋环境的特殊性，反射的可能性较大（如鱼类、水母、水藻等植物），而反射会导致成像出现虚影，影响成像质量。
此外，水体中存在的悬浮颗粒物质会散射光线，扰乱光路，也会降低成像的清晰度和对比度。
同时，深海环境的水流湍急，波浪波动频繁，都会影响数码相机的稳定性和成像效果。
III. 未来的发展方向1. 采用更强的照明光源技术一种解决复杂海底环境下数码相机成像问题的方法是采用更强的照明光源技术，如激光、光纤等技术。
这些光源在海水中传播时，能够减轻波浪对成像的干扰，也不会产生反射现象，提供更为清晰的成像质量。
2. 采用机器学习算法在当前的数码相机中，使用了一些机器学习算法和模型，帮助相机识别出不同光环境下的图像，以便更好的调整曝光、对比度、饱和度等参数，提高成像效果。
未来可以进一步研究深度学习模型，以根据不同的海洋环境与成像条件，提供适宜的成像参数和优化识别算法。
3. 提高数码相机的性能随着科学技术的进步，相机的灵敏度和分辨率也已有了较大的提升，未来可以利用新技术进一步提高相机的性能，如增强像素数量，提高灵敏度和动态范围，以提供更高质量的成像数据。
IV. 结论综上所述，复杂海底环境下数码相机成像技术是一个重要的研究方向，随着技术的进步和不断的摸索，相信在未来我们一定能够采用更为先进的技术、提高相机的性能与成像效果，为海洋科学研究提供更为清晰的图像数据。
光电信息科学与工程在海洋开发中的应用
光电信息科学与工程在海洋开发中的应用近年来，随着科学技术的不断进步和社会经济的快速发展，人们对于海洋资源的开发利用越来越重视。
而光电信息科学与工程作为一门新兴的科学领域，因其在海洋开发中的广泛应用而愈发受到人们的关注。
本文将就光电信息科学与工程在海洋开发中的应用进行探讨。
一、海洋资源勘探与开发1.水下光学成像技术水下光学成像技术是一项重要的海洋资源勘探技术。
通过利用光电信息科学与工程的成果，可实现对海底地形、水下生态等的高清晰度成像，为海洋资源的勘探提供了有效手段。
2.海底光纤通信技术海底光纤通信技术是现代海洋开发中不可或缺的一项技术。
借助光电信息科学与工程，可以实现海底光纤的布线与维护，为海洋资源的开发与利用提供高速、稳定的通信传输方式。
二、海洋生态环境保护1.水下光学监测技术水下光学监测技术是海洋生态环境保护的重要手段之一。
利用光电信息科学与工程的技术手段，可以实时监测水质、水温、海洋生物分布等指标，及时掌握海洋生态环境的变化情况，为海洋资源的保护和可持续利用提供数据支持。
2.海洋生物光学研究海洋生物光学研究是光电信息科学与工程在海洋生态环境保护中的一大应用领域。
通过探究海洋生物的光学特性，可以揭示海洋生态系统的结构与功能，为海洋生态环境的保护与恢复提供科学依据。
三、海洋能源开发利用1.海洋太阳能利用利用光电信息科学与工程的技术手段，可以实现对太阳能的高效利用。
在海洋能源开发中，通过太阳能光伏发电和太阳能热发电等方式，可以实现对海洋能源的利用，进一步促进海洋能源的可持续发展。
2.潮汐能、波浪能利用光电信息科学与工程的技术进展也为潮汐能、波浪能等海洋能源的开发提供了支持。
通过光电传感、光电转换等技术手段，可以实现对潮汐和波浪等能源的捕捉和转换，为海洋能源的开发利用提供技术保障。
综上所述，光电信息科学与工程在海洋开发中展示出巨大的应用潜力。
通过水下光学成像技术的发展，可以实现对海洋资源的高清晰度勘探；海底光纤通信技术的应用，为海洋资源的开发与利用提供高速、稳定的通信传输方式；水下光学监测技术与海洋生物光学研究的发展，有助于海洋生态环境的保护与恢复；利用光电信息科学与工程的技术手段，可以实现海洋能源的开发与利用，进一步促进海洋能源的可持续发展。
水下成像技术的技术原理和发展动态
水下成像技术的技术原理和发展动态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。
与我们平常所见空气中成像技术不同，水介质的特性是强散射效应和快速吸收功率衰减，因此直接将摄像机运用到水中，由于强散射效应，图像的噪声很大，且距离有限。
激光器的运用从某种程度解决了成像的距离问题，在过去的几年中，成像距离和图像质量得到了很大程度的提高，这些进步都是因为采用了非传统成像技术和激光技术。
本文对主要的几种水下成像技术进行了分析，讨论了它们各自的技术原理和发展动态。
由上所述，与大气成像技术相比，水下成像技术的重点是要减小水这一特定介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对成像质量的限制，目前已经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。
⒈常规水下成像技术常规水下成像技术包括激光扫描水下成像和距离选通激光水下成像。
其中激光扫描水下成像是利用水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理。
在这种系统中，探测器与激光束分开放置，激光发射器使用的是窄光束的连续激光器，同时使用窄视场角的接收器，两个视场间只有很小的重叠部分，从而减小探测器所接收到的散射光。
利用同步扫描技术，逐个像素点探测来重建图像。
因此这种技术主要依靠高灵敏度探测器在窄小的视场内跟踪和接收目标信息，从而大大减小了后向散射光对成像的影响，进而提高了系统信噪比和作用距离。
距离选通成像系统采用一个脉冲激光器，具有选通功能的像增强型CCD成像期间，通过对接收器口径进行选通来减小从目标返回到探测器的激光后向散射。
在该系统中，非常短的激光脉冲照射物体，照相机快门打开的时间相对于照射物体的激光发射时间有一定的延迟，并且快门打开的时间很短，在这段时间内，探测器接收从物体返回的光束，从而排除了大部分的后向散射光。
由于从物体返回来的第一个光子经受的散射最小，所以选通接收最先返回的光子束可以获得最好的成像效果。
水下光电成像技术与装备研究进展(下)
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第３卷 第３ ３ 期 ２１年 ３ ０１ 月
红 外 技 术
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ＶＯ１３ Ｎ Ｏ３ ．３ ．
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＜ 综述 与评 论 ＞
水 下 光 电成 像 技 术 与装 备研 究进 展 （ ） 下
金伟其 ，王 霞，曹峰梅 ，黄有 为，刘 敬 ，李海 兰，徐
和装 置具 有 意义 。
基于光电技术的海洋环境监测系统设计
基于光电技术的海洋环境监测系统设计海洋环境监测对于保护海洋生态环境、推动海洋可持续发展具有重要意义。
基于光电技术的海洋环境监测系统能够高效、准确地监测海洋水质、生物资源和海洋灾害等关键指标，为科学决策和资源管理提供支持。
本文将着重介绍基于光电技术的海洋环境监测系统的设计原理与关键技术。
一、设计原理基于光电技术的海洋环境监测系统主要基于光学、电子、通信等技术原理，通过对海洋水质、生物资源和海洋灾害等指标的监测和分析，实现对海洋环境的实时监测与评估。
1. 海洋水质监测海洋水质监测是海洋环境监测的重要组成部分。
基于光电技术的水质监测系统通常包括水体透明度、浊度、叶绿素-a浓度等参数的监测。
其中，透明度监测常采用激光散射和接收光强的方法，通过测量散射光的强度来判断水体的透明度。
同时，利用多光谱成像技术可实现叶绿素-a浓度的定量监测，从而对水质状况进行评估。
2. 生物资源监测海洋生物资源监测对于保护和合理利用海洋生态系统具有重要意义。
基于光电技术的生物资源监测系统主要包括水下生物声学监测和遥感技术应用等。
水下生物声学监测可以通过声纳探测和声学回声方法，对海洋生物的分布和行为进行定量化研究。
而遥感技术则能够通过光谱信息的获取，实现对海洋生物资源的空间监测和分布研究。
3. 海洋灾害监测海洋灾害监测是保障海洋安全和减少损失的关键环节。
基于光电技术的海洋灾害监测系统包括海浪、风暴潮、河口冲淤等指标的监测。
其中，雷达技术和激光测距技术可以实现海浪和风暴潮的精确监测与预警，而多波段遥感技术则能够对河口冲淤等问题进行监测和分析。
二、关键技术基于光电技术的海洋环境监测系统主要依赖于光学传感器、数据传输和处理、远程监控等关键技术。
1. 光学传感器技术光学传感器是实现海洋环境监测的基础。
它能够将所测量的物理量转换为光信号，进而实现对海洋环境指标的准确监测。
光学传感器技术包括激光散射传感器、光纤传感器、光谱成像传感器等。
这些传感器能够实现高精度的测量和高灵敏度的检测，为海洋环境监测提供可靠的数据支持。
光学成像技术在海洋开发中的应用
光学成像技术在海洋开发中的应用随着海洋经济的不断发展，光学成像技术也越来越受到人们的关注。
光学成像技术是一种利用光学原理来获取图像的技术，其应用范围极为广泛，尤其是在海洋开发中的应用更是不可忽视。
本文将重点探讨光学成像技术在海洋开发中的应用以及未来的发展方向。
一、海洋资源勘探海洋资源勘探是指在海洋中寻找并开发可利用的资源。
光学成像技术可以通过光学传感器获取海洋中物体的图像信息，进而对海洋资源进行勘探。
通过光学成像技术可以获取海底地貌图像，分析海底矿产资源的分布情况，并帮助人们确定资源开采的位置。
此外，光学成像技术还可以对海洋中的生物资源进行勘探。
例如，利用潜水器搭载的光学成像设备可以获取珊瑚、海星等生物在海底的生态环境，帮助科学家研究海洋生态系统，从而更好地保护和利用海洋生物资源。
二、深海勘探深海勘探是指在深海中寻找并开发资源的工作。
深海勘探难度较大，但利用光学成像技术可以解决这一问题。
光学成像技术可以利用光电传感器对深海中的物体进行成像，如对深海火山口、海底峡谷等的分析，即使在光线较弱的环境下，也可以获得较好的成像效果。
另外，在深海的勘探中，光学成像技术还可以用于对深海生物进行观察和研究。
例如，利用各种光学成像设备，在深海中对生物的形态、生理、行为等多方面进行探索，研究深海生物的生命特性，为人类了解深海生态系统提供重要的科学依据。
三、海洋环境监测海洋环境监测是指对海洋环境进行长期、全面、系统的调查、监测和评价。
利用光学成像技术可以通过监测海水的透明度、颜色和浊度等参数，为海洋环境监测提供有效的手段。
光学成像技术还可以用于海洋污染监测。
例如，对于石油泄漏等海洋灾害事件，可以通过无人机、潜水器等载体搭载光学成像设备，对污染程度和范围进行实时监测，及时采取相应的对策，保护海洋生态环境的安全。
四、海底文物保护和考古研究海洋中保存着大量的历史文物，包括沉船、古建筑、文物遗址等。
这些文物的保护和研究对于我们了解人类文化的历史和发展具有重要的意义。
水下成像技术
水下激光成像技术5 水下激光成像技术本文主要介绍了近年发展起来的三种主要的激光水下成像方法，即常规水下激光成像、高分辨率水下激光三维成像和偏振激光成像，分析了它们各自的工作原理、特点以及各自的发展状况。
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。
与我们平常所见空气中成像技术不同，水介质的特性是强散射效应和快速吸收功率衰减，因此直接将摄像机运用到水中，由于强散射效应，图像的噪声很大，且距离有限。
激光器的运用从某种程度解决了成像的距离问题，在过去的几年中，成像距离和图像质量得到了很大程度的提高，这些进步都是因为采用了非传统成像技术和激光技术。
本文对主要的几种水下成像技术进行了分析，讨论了它们各自的技术原理和发展动态。
5.1工作原理由上所述，与大气成像技术相比，水下成像技术的重点是要减小水这一特定介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对成像质量的限制。
目前已经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见表1。
表1 主要水下成像技术的工作原理比较5.1.1常规激光水下成像技术常规水下成像技术包括激光扫描水下成像和距离选通激光水下成像。
其中激光扫描水下成像是利用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，在这种系统中，探测器与激光束分开放置，激光发射器使用的是窄光束的连续激光器，同时使用窄视场角的接收器，两个视场间只有很小的重叠部分，从而减小探测器所接收到的散射光。
利用同步扫描技术，逐个像素点探测来重建图像。
因此这种技术主要依靠高灵敏度探测器在窄小的视场内跟踪和接收目标信息，从而大大减小了后向散射光对成像的影响，进而提高了系统信噪比和作用距离。
距离选通成像系统采用一个脉冲激光器，具有选通功能的像增强型CCD成像期间，通过对接收器口径进行选通来减小从目标返回到探测器的激光后向散射。
光电技术在海洋探测中的应用
光电技术在海洋探测中的应用随着人类对海洋认知的不断深入，越来越多的探测技术被应用于海洋领域，以便更好地解决海洋环境的各种问题。
光电技术作为一种新型技术，已经成功地应用于海洋探测中，并逐渐成为探测领域中的热门技术。
本文将主要介绍光电技术在海洋探测中的应用及其发展能力。
一、光电技术在海洋探测中的应用1. 海底地形探测海底地形探测是常规海洋调查中的一个重要组成部分，因为了解海底地形对评估海洋资源、制定海洋管理计划、构建海洋科研规划等方面都具有重要意义。
为了获取更精确的海底地形，研究人员将光电技术应用于海底地形探测中。
光电技术可以通过测量海水中声波在不同频率下的传播速度和在水中反射时所发射的声波，进而推算出海底地形图。
这种方式能够比传统方法获得更准确的海底地形图，而且定位精度更高，极大地提高了海底探测工作的效率。
2. 海洋水质监测海洋的水质是影响海洋环境与海洋生态环境的一个关键因素。
光电技术可以被应用于海洋水质监测中，监测各种水质指标，如水体中的营养盐含量、有机物质、溶解氧浓度、水温等。
通过光电技术，可以获得大量的关于海洋水质的数据，帮助科研人员更好地了解海洋的水质情况，制定出更科学、更符合实际情况的保护方案。
3. 海上交通安全监测海上交通安全监测是保证海上交通安全的一种重要手段。
为了防止海上交通事故，光电技术可以应用于海洋交通安全监测中。
光电技术可以通过船只上的相机拍摄周围的海洋画面，利用高速相机技术，实时监测海洋中的风、浪、流等情况，同时识别船只或动植物与其干扰物，从而降低事故风险。
4. 海洋沉积物勘探海洋沉积物是海底的一层厚厚的沉积物，它们可以记录地球历史的变化、生物演化、大气环境和海洋环境的变化。
为了研究这些历史信息和环境变化，光电技术可以通过光谱图谱和光学成像技术来分析海洋沉积物，获得质量、成分、年龄、矿物及其光学性质等信息，从而快速地获取海洋沉积物的详细信息。
二、光电技术在海洋探测中的发展能力光电技术在海洋探测中已经有了广泛的应用，随着科技进步和技术水平的提高，光电技术在海洋探测中的应用前景可以预见。
水下光电成像系统计算机仿真
电成像 系统 的理论模 型 。考虑散 射 光的影 响 ， 出 了给定距 离处的水 下成像 面各像 素 的信 号辐 给 射 量 的计算 方法和 对 比度 模 型。对 常规激 光助视 水 下成像探 测 系统进 行 了仿 真 ， 究 了光 源 系 研 统和接 受 系统 的距 离与成像 对 比度 的 关 系。与 Ｊｆ 模 型相 比 ， 文所 建模 型 中 变量 的物 理 意 ａｅ 该 义更加 明确 ， 而仿 真结果 与其 类似 ， 明该 文所述 方 法的正确 性 。 证
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水 下光 电成 像 探测 系统 在 海洋 探 测 、 下 兵 水
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关 键词 ： 下成像 ； 角度 近似 ； 比度模 型 ； 算机仿 真 水 小 对 计
中图分 类号 ： ４ ； Ｎ ２ １ Ｐ３ １ Ｔ ４ 文章 编 号 ：０ ５— ８ ０ ２ １ ）３— ３ ６— ５ １０ ９ ３ （ ０ ０ ０ ０ ９ ０
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水下光学成像技术及应用
2021.16科学技术创新水下光学成像技术及应用孙鹏(上海瑞洋船舶科技有限公司,上海201108)水下成像技术主要应用于水下作业,在水这种介质中传播时光的能量会有较多损耗,同时容易产生光噪声,而且光在水中会发生折射和散射,这样一方面会造成光的能量受损成像质量差,另一方面系统成像距离受损。
在水下成像技术发展的初级阶段,虽然能通过增加光的强度的方法改善成像效果,但光会出现反向噪声的问题。
近年来激光技术得到了广泛研究与发展,激光被应用到水下成像技术,发展出了水下激光成像技术。
采用激光,能改善光的散射效应和吸取功率减退效应,这样一来水下成像质量得到了极大的提高,同时也增加了勘测的距离。
目前水下激光成像系统广泛应用于海洋开发、军事、工程应用方面,比如海上走私船监视、海上军事装备的检修与监控、海底军事目标的搜查以及海底隧道的勘测维修等。
近几年水下成像技术发展迅速,在实用阶段取得了良好的效果,尤其是在系统成像深度及效果方面进步显著,这些进步与激光技术和先进成像技术的发展密不可分。
但是在面对内河水域,尤其是水质浑浊甚至潜水员在水下的能见度为零的时候,常规水下成像技术显得力不从心,在确定水下物品价值、水下物品型号等方面显得捉襟见肘,无法及时完成水下作业的前期考察准备工作。
因此在浑水、含泥沙量大、潜水员在水中能见度为零或近似于零的水域下研发一种浑浊水域水下光学成像设备称为当前亟待解决的技术问题。
1水下成像技术原理及其重要性在自然环境下,高效获取图像信息并对其进行处理和分析较为困难,这是因为在光学成像系统内,其自身的能见度和所得图像的对比度过低,无法得到高质量图像信息。
具体而言,光在水体中存在能量损失和散射,使得有效光线在传输过程中失真,造成成像模糊,无法达到水下勘测目的。
此外,光在水中受水中物质影响会出现光噪声,对目标反射光造成了很大的干扰,这会降低图像的对比度。
因此水下光学成像退化的主要原因就是水会不同程度地吸收不同光波;水中悬浮颗粒造成光的散射;当光穿过水体时,水体中存在多种物质的单位长度对不同光波的光的衰减作用各不相同,这会导致图像的颜色失真。
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 同步扫描成像同步扫描技术是扫描光束(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3 ～5 倍，有效视场可达70°，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。
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，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。
水下视觉技术在海洋探测中的应用研究
水下视觉技术在海洋探测中的应用研究海洋，占据着地球表面的绝大部分，其蕴含的丰富资源和奥秘一直吸引着人类不断探索。
在海洋探测的众多技术手段中，水下视觉技术正发挥着日益重要的作用。
水下视觉技术，简单来说，就是让我们能够在水下“看清”周围环境的一系列技术手段。
它就像是我们在水下的“眼睛”，帮助我们获取各种有价值的信息。
首先，让我们来了解一下水下视觉技术的基本原理。
在水下环境中，光线的传播会受到诸多因素的影响，如水的浑浊度、折射和散射等。
为了克服这些困难，水下视觉技术通常会采用特殊的光源和光学设备。
例如，使用高强度的LED灯来提供足够的照明，以及采用广角镜头和特殊的滤镜来改善图像质量。
在海洋探测中，水下视觉技术的应用十分广泛。
其中一个重要的应用领域是海洋生物研究。
通过水下摄像机和摄影设备，科学家们能够观察到海洋生物的行为、习性和生态特征。
比如，我们可以近距离观察鲸鱼的迁徙路线，了解它们的群体行为；也能够细致地研究珊瑚礁周围各种鱼类的觅食和繁殖方式。
这些观察和研究对于保护海洋生态系统、制定合理的海洋保护政策具有重要意义。
水下考古也是水下视觉技术大显身手的领域之一。
在海底，沉睡着许多古老的沉船和遗址，它们承载着历史的记忆。
借助水下视觉技术，考古学家可以在不破坏遗址的前提下，对这些沉船和遗址进行详细的记录和研究。
高清的图像和视频能够帮助他们识别文物的种类、分布和保存状况，为后续的发掘和保护工作提供重要的依据。
除此之外，水下视觉技术在海洋地质勘探中也发挥着关键作用。
它可以帮助地质学家观察海底的地形地貌、岩石结构和地质构造。
通过对这些信息的分析，我们能够更好地了解地球的地质演化过程，以及预测可能发生的地质灾害，如海底地震和海啸等。
在海洋工程方面，水下视觉技术同样不可或缺。
例如，在建设海底管道、电缆和海洋平台时，工程师们需要实时监测施工过程，确保工程的质量和安全。
水下视觉技术能够提供清晰的图像，让他们及时发现潜在的问题并采取相应的措施。
水下微光高速光电成象系统作用距离的研究
第29卷第2期 光 子 学 报 V o1.29N o.2 2000年2月 A CTA PHOTON ICA SINICA F ebr uary2000 水下微光高速光电成象系统作用距离的研究孙传东 陈良益 高立民 李 驰 卢 笛 张建生(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)摘 要 本文首先对水的光学特性及其对水下成象的影响进行了分析,指出了水下光学成象的特殊性对光电成象器件的要求,并对微光条件下光电成象器件的性能进行了理论分析;详细介绍了水下微光高速光电成象系统作用距离公式的推导过程;最后针对实际系统进行了计算和分析. 关键词 水下成象;水下光学;微光成象;高速光电成象0 引言 在海洋研究与开发中,如何对发生在水下的各种快速现象进行记录与分析是多年困扰人们的一个技术难题.以前曾尝试过采用水下高速摄影机作为水下快速现象的记录仪器,但它的记录材料是胶片,图象只能经冲洗、放大等一系列事后处理后才能得到,技术环节多,操作不便,无法实时观测,这对于海上操作和使用是极不方便的.现在,由于以CCD为代表的光电成象器件和技术的飞速发展,使我们能够通过采用现代光电成象技术来研制记录、分析各类水下高速现象的设备——水下微光高速摄录象系统.在此,我们先从理论上对其中的光电成象器件进行系统的分析,然后对它在水下作用距离进行计算,这对于实际研制和理论分析都有十分重要的意义.1 水下的光学特性对水下高速光电成象系统影响由于水下环境的特殊性,特别是水介质的光学特性,使得水下高速光电成象系统与陆地使用的光学观测系统大为不同,这其中主要包括水对光的散射与吸收对光学成象的影响,水压和海水腐蚀等.由于水对可见光的吸收和散射,使得光在水中传输时的能量按指数规律迅速地衰减.设I0是某水层的光量,传输了L路程后的光量I为:I收稿日期:1999—09—02=I0e- L.式中, 称衰减系数, 随不同的水质而异,也与光本身的波长有关,是光波长的复杂函数.图1表示 与入射光波长的关系,它由两部分组成: = + ,式中 是吸收系数, 是散射系数.一般情况下,散射造成的衰减占总衰减的60%、吸收衰减占40%.图1 海水衰减系数的光谱分布F ig.1 T he attenuation coefficent o f the sea1.1 水对光的散射由于水中存在着悬浮的质点,水对光的散射对图象的衬比和细节都造成极为有害的影响,随着拍摄距离的增大,画面衬比降低,影象的细节模糊,影响成象质量,使摄录变得困难,所以水下摄录距离,一般不超过十几米.散射中又包含小粒子散射、大粒子散射、单次散射、多次散射、小角度散射、大角度散射等多种方式,它们使目标变得模糊不清和难以辨认,这是水下光电探测系统所面临的最为严重的问题.1.2 水对光的选择性吸收水对光的吸收在不同的光谱区域是不同的,水对光谱中的紫外和红外部分表现出强烈的吸收.纯净的水和清的大洋水在光谱的蓝-绿区域透射比最大,但即使在这个蓝-绿窗口,水的吸收也足以使光的强度衰减约0.04/m.其它颜色的光被吸收的更多,几米之外,几乎完全消失了.因此,在对水下成象系统作用距离进行研究分析时,必须充分考虑到水的光学特性对成象的影响.2 微光光电成象器件靶面照度与信噪比的关系由于水下成象环境为微光,因此需要采用高灵敏度的光电成象器件,一般是由象增强器与CCD相耦合组成一个微光成象器件.下面对微光光电成象器件的性能进行分析.由于单位时间内落到微光光电成象器件光电阴极单位象素上的信息光量子及其产生的光电子数是随机过程,概率分布服从泊松方程.量子n 随机起伏形成的噪音为其随机平均值n的平方根.因此信噪比SN R为SN R=nt/nt=nt(1)式中t为信息积累的时间.如果被观察的目标是明暗相间的图案,则SN R=(n1-n2)t/n1+n2(2)式中n1为单位时间内亮信号的光量子在单位象素上产生的光电子平均数;n2为单位时间内暗信号的光量子在单位象素上产生的光电子平均数.在水下微光条件下背景因素必须予以考虑,则输入信噪比S N R i等于SN R i=(n1-n2)t/n1+n2+2n b(3)式中n b为单位时间内背景在单位象素上产生的光电子平均数.这时,衬比(度)C为C=(n1-n2)/(n1+n2+n b)(4)所以有SN R i=C(n1+n2+n b)t(5)而在单位象素上的平均光电子数n=2-1(n1+n2+2n b)=I ph/e・(4/3)N2(6)n1+n2+2n b=1.5I ph/eN2(7)式中N为器件极限分辨率;4/3为摄象器件有效成象面的宽高比;e为电子电荷(1.6×10-19 C);I ph为光电流(A),所以SN R i=(C/N) 1.5tI ph/e=(C/N) 1.5t・A・S・I A/e(8)式中,A为光电阴极有效面积(m2);I A为2856K标准光源在象增强器输出面上产生的照度(lx);S为光电阴极对2856K标准光源的积分灵敏度(A/lm).微光象增强器件的输出信噪比SN R0总是要比S NR i要小,这时因为在信息的处理过程中(交换、增强、读出等)附加了器件内部产生的噪音,另一方面器件的空间频率传递特性也使信噪比劣化.即SN R0=S N R i・ N・ R(9)式中 N为象增强器内部噪音对信噪比的衰减因子; R为器件的空间频率特性对信噪比的衰减因子.而N=I1n・G/(I1n・G)2+ I2kn+I2paR=R(N)(10)式中G为器件内部总增益,I1n为光电子噪音电流, I2kn为器件内部的暗电流、起伏电流及其它因素产生的噪音电流的平方和,I Pa为前置放大器电流,R(N)为器件的衬比(度)传递函数.象增强器的输出信号经光学耦合系统后,由于耦合系统的不完全传递特性,又使信噪比进一步劣化,即SN R0=S N R i・ N・ R・ O N・ OR(11)式中 ON为光学耦合系统对信噪比的衰减因子; OR为光学耦合系统的空间频衰特性对信噪比的率减因子.所以得到CCD象感面上照度I与信噪比SN R的关系为I=S N R2O・N2・e/(1.5C2・t・A・S・ 2N・ 2R・ 2ON・ 2O R)(12)由上式我们不难看出,可以通过提高目标的照度和衬比(度)、增大光电阴极的面积、提高光电阴极的灵敏度、降低象增强器的内部噪音和调制传递函数、提高光学耦合系统的耦合效率来提高微光光电成象器件的探测能力.186 光 子 学 报 29卷3 水下微光光电成象系统的距离公式如果水下目标尺寸h对水下成象物镜中心的张角为 ,则有tan =h′/f=h/R(13)式中h′为目标h在光电阴极面上的象高,R 为目标距成象系统的距离(m).而仪器的分辨角即角分辨率是指刚能分辨开目标细节的宽度所对应的张角 ,它与物镜焦距乘积的倒数就是线分辨率N c.水下成象系统的象增强器的光电阴极的有效成象高度H′同它的有效直径的关系为H′=H c=0.6D c(14)水下目标高度h对整个线视场高度H的比值h/H,以及它们在光电阴极面上的象高比值h′/H′可以同它们所对应的线对数联系起来,从而将分辨率N引入公式:a=h/H=h′/H′=n/N(15)a为象高比;n为目标象高h′所占的电视行数;N为成象系统的分辨率,即每帧的总电视行数(TV L/H).N c(lp/mm)与N(TVL/H)之间的转换关系为N=2H′N c=1.2D c N c(16)将式(16)代入式(13),得微光电视成象系统的距离公式R=hf N/H′n=hf N/0.6D c n=hf N c/n c(17)这就是从几何光学角度推导出的用分辨率估算成象距离的距离公式,它是最基本的距离公式,简明地表达了物象间的几何关系;成象距离与目标大小、成象镜头的焦距及器件的分辨率成正比,而与光敏面直径(即视场)及象高所占的电视行数成反比.主要问题是要把分辨率N选择的合适.这里的N不是指在高衬比(度)和高照度下测得的分辨率,而是低照度条件下对应的实际分辨率.4 水下微光成象系统的照度公式水下目标的成象光线是由直射部分和散射部分构成的,它们分别为I(l)=I D(l)+I S(l)(18)I D(l)=(I0/l2)e-cl(19)I S(l)=[2.5-1.5lg(2 / )]・[1+7(2 / )1/2e-kl]I0k e-kl/4 l(20)式中I(l)为水下成象光束的总照度(lm/ m2);I D(l)为成象光束中的直射部分(lm/m2);I S (l)为成象光束中的散射光部分(lm/m2);l为距光源的距离; 为直射光的体积衰减系数(m-1);k 为散射光的体积衰减系数(m-1); 为光源的光束全张角(弧度);I0为光源的发光强度(lm/sr).以上方程仅对单色光成立,如果采用宽光谱的光源,则必须对相应的波长积分.描述散射光成分的表达式是由Duntley提出的半经验公式.水下目标经光学系统后,到达成象器件(象增强器的光电阴极或CCD象感面上)的照度I c为I c=I 0/[4F2(1+m)2](21)式中I c为经水下光学系统后落在光电成象器件象感面上的照度(lx);I为水下目标的总照度(lx); 为目标表面的反射率; 0为光学系统的透过率;m为光学系统的放大倍率;F为透镜的F 数(F=f/D,f镜头的焦距,D镜头的有效孔径).上述公式只反映光能的传递和损失,而没有考虑观察条件.由戴维斯-罗斯探测方程可知L 2C2=常数(22)式中L为目标的亮度, 为探测器的极限分辨角,C为目标的衬比(度),I为目标的照度.当极限分辨角 保持不变时,则有I1C21=I2C22(23)此式表明,当目标衬比(度)变化时,要保持观察效果不变,则应使目标的照度做相应的变化.使其与衬比(度)的平方成反比.例如当目标的衬比(度)由100%下降为30%时,照度应提高10倍.因此,式(21)应修正为I c=I 0C2/[4F2(1+m)2](24) 5 水下微光成象系统的探测方程我们在第2节已经得到CCD象感面上照度I与输出信噪比SN R0的关系为I=S N R20N2e/(1.5C2tAS 2N 2R 2ON 2OR)(25)将上式代入照度公式I c=I w 0/[4F2(1+m)2](26)得I c=I w 04F2(1+m)2・S N R20・N2・e1.5C2tAS 2N 2R 2O N 2O R(27)考虑到光谱转换系数 ,将光电阴极的光敏面对标准光源的灵敏度S A转换成对目标的灵敏度S t,则1872期 孙传东等.水下微光高速光电成象系统作用距离的研究 I c =I w 04F 2(1+m )2・SN R 20・N 2・e 1.5C 2tAS A 2N 2R 2ON 2OR(28)从而可以得到分辨率N 、信噪比SN R 0与目标照度I 的关系为R =1.53×109[CD N R ON O R /(SN R 0・f )]・( w 0tA S I )1/2(29)将它代入距离公式R =hf N /(H ′n )=hf N /(0.6D c n )(30)并考虑到A =4H ′2/3,则得到用输出信噪比SN R 0及景物照度I 等因素表示的距离公式R =1.77×109h [CD N R ON OR /(S NR 0・n )]・( w 0tA S I )1/2(31)这是比较完整的水下微光成象系统的探测方程,它把目标参量(目标的尺寸h 、照度I 、反射率 及衬比(度)C )、所通过水路径的透过率 w 、系统的物镜参量(孔径D 、光学透过率 0)及器件参量的光电灵敏度S 、目标象的大小n 、曝光积分时间t 、噪音影响 N 、衬比(度)传递影响 R 、光学耦合影响 ON 、 OR ,以及光谱转换系数 等因素都有机的、全面的联系起来,从而可用来分析各因素之间的关系及其对整体性能、观察距离的影响和作用,进行总体分析与计算.考虑到水中目标表观衬比度C R 随观察距离R 增加而指数衰减,即水中衬比(度)传递方程C R =C ・e-(c +K cos )R(32)式中c 为水的体积衰减系数,K 为辐照度衰减函数, 为成象光束与天顶方向的夹角,即观察方向与天顶方向的夹角.沿水平方向观察时, =90°,即C R =C ・e-cR(33)将它代入式(31),得R =1.77×109[hC ・e -cRD N R ON OR /(SN R o ・n )]( w 0tS I )1/2(34)此式表明,增大目标尺寸和固有衬度、在水质好的水域中、增大成象物镜的口径、减小器件噪音、提高光学耦合效率、提高目标表面的反射率、减少光学系统的损失、适当加长曝光时间、采用高灵敏度光电器件、改善系统的光谱匹配因数、提高目标照度、降低图象质量和分辨率,都可以提高水下成象系统的作用距离,这就为我们在系统设计时提供了理论指导和努力方向.下面对该式进行计算,以便更为直观地进行理解和分析.6 计算结果与分析根据实际选定的器件和拍摄目标的要求,设:目标的尺寸h =2m,目标照度I ,反射率 =0.2,衬比(度)C ,所通过水路径的透过率 w =e -cR,c =0.2;系统的物镜参量:孔径D =10mm ,光学透过率 0=0.85,器件参量的光电灵敏度S = 2.5×10-4A/lm ,目标象所占的电视线对数n =40,输出信噪比S N R 0=4,曝光积分时间t =0.001s ,噪音影响 N =0.8,对比度传递影响 R =0.8,光学耦合影响 ON =0.8, OR =0.5,以及光谱转换系数 =0.8.将以上数值代入公式(34)后,可得到作用距离与目标衬度和照度的关系R =13C ・e -0.3R ・I(35)通过编程解此数值方程,我们得到图2的结果.图2 水下成象距离R 与目标衬度C 和目标照度I 的关系Fig.2 T he r elat ionship of imaging distance R with C and I188 光 子 学 报 29卷 由这些计算数据和曲线我们可以看到:当目标照度一定时,水下成象系统的成象作用距离与水下目标的固有衬度密切相连,即在一定的成象分辨率要求下,目标的衬度越高,成象距离越远;当目标衬度一定时,水下成象系统的成象距离与水下目标的照度成正比;在一定的成象分辨率要求下,目标的照度越高,成象距离也越远,但当考虑到水的散射时,照度的增加是有一定限度的;提高水下目标的照度比提高衬度的作用要明显;以上计算结果是在较为理想的条件下得到的,可以作为系统设计的参考.在实际设计中,由于实施上的许多具体问题,最终结果会小于表中的计算值.由以上讨论我们可以看到,采用水下微光高速成象距离计算公式可以对水下高速光电成象系统中的其他各项参数进行计算,通过计算结果可以帮助我们明确其在系统中的作用和影响,从而为实际研制提供依据和参考.参考文献1 孙晶华等.改善水下影响衬度方法的研究.光子学报,1996,25(11):1003～10072 M ertens L E,R eplog le F S.U se of po int spr ead and beam spread funct ions for analysis o f imag ining sy stems in w a-ter .J O pt Soc A m ,1977,67(8):1105～11173 Y ura H T .Small-A ng le Scat tering o f Light by Ocean Wat er.App Opt,1971,10(1):114～1184 Z anev eld R J V ,Bear dsley G F.M odulation T r ansfer F unctio n of Sea W ater.J Opt So c A m,1969,59(4):378～3805 Smith R S ,T yler J E .Optica P ro per ties o f Clear N atural W ater .J Opt Soc A m ,1967,57(5):589～601THE IMAGING DISTANCE OF THE LOW -LIGHT -LEVEL HIGH -SPEED PHOTOELECTRICITY SYSTEM UNDERWATERSun Chuandong,Chen Liangy i,Gao Limin,Li Chi,Lu Di,Zhang JianshengX i ′an I nstitute of Op tics and P recision M echanics ,A cademia SinicaR eceived date :1999-09-02Abstract In this paper ,the influence on the im aging under w ater by the w ater ′s optics character is first intr oduced.Then the detail discussion o n ho w to complete the photoelectric device w hich can im-age in high-speed under dark lig ht is being discussed.The fo rmula w hich include all the main parame-ters in building a hig h -speed imag ing sy stem under w ater is being yielded ,and the w hole derivtion can be seen in the paper.This formula is very useful in sy stem desig n and the result calculated by it can help researcher to estimate the perfo rmance of the system they are desig ning.A result calculated bythe for mula is in the last of the paper .Keywords Imag ing under w ater;Optics underw ater ;Lo w -lig ht-level im aging ;High-speed im ag ingSun Chuandong w as bo rn in 1966.He received his M.S.degree in Optics from Xi ′an Institute of Optics and Precision Mechanics,Academia Sinica in 1991,In the past sev eral Years ,his main topic of research w as concerned w ith the imag ing techniques using photoelectric devices.Now he is a Ph.D.candidate on photoelectric imaging techniques in Xi ′an Institute of Optics and Precisio n Mechanics ,Academ ia Sinica .His current r esearch interest is to use CCD imag ing devices in the mal -condition .1892期 孙传东等.水下微光高速光电成象系统作用距离的研究第29卷第2期 光 子 学 报 V o1.29N o.2 2000年2月 A CTA PHOTON ICA SINICA F ebr uary2000 OPTIMAL DESIGN OF WDM MULTI-FIBERRING NETWORKS*Xio ng Yizhi,Zeng Qingji,Cheng Yang,Wu KaiR&D Center f or Br oad band Op tical N etw or king T echnology Shanghai J iao T ong U niver sity,S hang hai200030 Abstract In this paper,the o ptimal design o f WDM m ulti-fiber r ing(M FR)netw orks is discussed.New integer linear pr ogram ming(ILP)form ulations are proposed to solv e it.The o ptimal o bjective is to m inimize the av er ag ed node ports number.It can max imize theco st effectiveness o f the designed M FR netw orks.By using these algo rithms,the netw orkperform ance of different type o f M FR architectures(bidirectional and unidirectional)em-plo ying various routing schemes(w aveleng th path and virtual w aveleng th path)are ana-lyzed.The o btained results can be used as a criterion in selecting the m ost suitable M FRarchitecture. Keywords Wavelength division multiplex ing;Wavelength ro uting;M ulti-fiber ring;Waveleng th path;Virtual wav elength path0 Introduction Waveleng th-ro uted o ptical netwo rks (WORN′s)based on w aveleng th div ision m ulti-plex ing(WDM)and w aveleng th routing tech-no logies is seen as a very pro mising approaching fo r the realization of future bro adband net-w orks1.T he WDM ring netw o rk em plo y optical add/dro p multiplex er s(OADM s)or optical cr oss-connects(OXCs)as routing nodes.T he traffics are carr ied via lightpaths that can be set-up betw een source and destination nodes by con-fig uring the ro uting nodes.Accor ding to the availability of the w avelength converter s in the w avelength ro uting nodes,the lig htpath ro uting schem e can be divided into tw o categ ories:w ave-leng th path(WP)and v ir tual wav elength path (VWP).In the case of WP,each lig htpath is as-signed a fixed w aveleng th along its route.In the case of VWP,a lig htpath can have a different w avelength o n each distinct fiber link2,3.Because of its sim ple structure and very fast restoration capacity against serv ice distruptions, WDM ring netw orks are being developed as part of testbeds and co mmercial pro ducts,and are ex-pected to be an integral part of telecom muni-cation backbo ne netw or ks4,5.Recently the stud-ies o f WDM ring netw orks design is focus on the w avelength requirement6～9.The results show w avelength requirements fo r WDM ring net-w orks are alm ost pro por tional to the square of the number of nodes.Due to the technically fea-sibility and eco nom y,the num ber o f wav elengths that can be multiplexed w ithin a r ing netw ork is limited to a r elatively small value.T herefo re,in order to meet the traffic dem and,the ring net-w ork w ill have to em plo y space division m ulti-plex ing w ith multiple fibers and w avelength divi-sion multiplexing w ith a relativity small num ber of w av elengths.This w ill be a v ery effective ar-chitecture for a ring netw ork.In Ref.10～12,the WDM multiple fibe ring*T he wo rk is joint ly suppo r ted by t he Nat ional863P lan,Nat ional N atural Science Fo undatio n,Shanghai Science and T echno log y D evelopment F oundation,Na tio nal K ey L ab of Br oadband O pt ical Fiber T ransmissio n and Co mmunica-t ions SystemR eceived dat e:1999-08-17。
水下激光照明成像技术原理
水下激光照明成像技术原理
水下激光照明成像技术是近年来在水下探测和研究领域中的一项关键技术。
它通过利用高能量的激光灯将水下区域照亮，然后利用相机或其他成像设备捕捉照亮的区域的图像，从而获取关于水下环境的详细信息。
该技术已被广泛应用于海洋研究、油气勘探、海洋资源开发、水下考古和水下救援等领域中。
水下激光照明成像技术的原理主要基于光在水中传播的物理特性。
由于水分子的密度高，光线在水中传播时会发生散射、吸收等阻碍，导致能量损失和图像模糊。
因此，传统的水下成像技术往往受到限制。
而水下激光照明成像技术则利用了激光束在水中传播时的一些独特特性，从而克服了这些限制。
首先，激光在水中传播时会产生高度定向的光束，能量损失很小，因此能够达到更远的距离，提供更清晰的图像。
同时，激光照明还能够产生反射和散射光，这使得它能够在水中突破一些遮挡物的限制，提高水下成像的准确度。
此外，激光在水中传播还会产生荧光效应，这使得采集到的图像能够呈现出更多的细节和信息。
水下激光照明成像技术的应用非常广泛，不仅能够帮助科学家研究海底的生态环境和地质结构，还可以用于寻找漏油点、查找海底遗址、
监控水下管道和设施等。
而且，随着激光技术和成像技术的不断发展，水下激光照明成像技术的应用将更加广泛，也将为人类更好地了解和
利用水下世界提供更多的帮助。
水的光学特性及其对水下成像分析
水的光学特性及其对水下成像分析水下光学成像技术是当前探索水下奥秘的基本方法之一，在生物学、地质学、港口工程等多个领域内有重要的意义，但由于水本身的性质，其作为介质时的光学性质与空气有所不同，光线在水下传播时水体对光线的吸收和后向散射会造成很大的图像噪声，降低图像质量，加之传输距离有限，一般的成像系统在水屮使用时像差会发生变化，色差和畸变明显增大，成像质量差, 图像清晰度低，因此有必要对水的光学特性及其对水下光学成像质量的影响进行研究，以为适用于水下环境的特殊成像系统的研制提供理论基础。
一、水的光学特性光在水介质和空气介质屮的传输有着较大的差异，介质的密度对光的吸收和散射有着很大的影响，空气的密度小因而对光的吸收和散射也相对较小，水的密度为空气的800多倍，对可见光有着严重的吸收和散射作用。
水对光波的散射和吸收可造成光在水屮的衰减，即使是在最纯净的水中，水对光也有着严重的衰减, 且是按指数规律迅速衰减，水介质对光的衰减特性通常是使用衰减长度表示。
（一）水对光的选择吸收特性水对光的吸收在不同的光谱区域是不同的，具有明显的选择性。
水对光谱屮的紫外和红外部分表现出强烈的吸收，在可见光谱区段，吸收最大的分别是红色、黄色和淡绿光谱区域。
纯净水和清的大洋水在光谱的蓝■绿区域透射比量大，其屮波长为462・ 475nm的蓝光衰减最少。
但在这个蓝■绿窗口，水的吸收也足以使光的强度每米衰减约百分之四。
其它颜色的光被吸收得更多, 几米之外几乎完全消失了。
（二）水对光的散射特性如果水下仅存在对光能量的吸收，可以通过加大照明光源功率来提高水下成像距离，但水对光的散射现彖随着照明的增强更趋严重，使水下成像更为困难。
水屮光散射是指光在水屮传播时，受到介质微粒的作用，偏离原来直线传播的方向。
水屮散射有两种，即纯水本身产生的散射和由悬浮粒子所引起的散射。
散射方式主要有前向散射和后向散射。
比入射光波长小很多的无吸收粒子的散射遵从瑞利定律，散射粒子的大小接近于入射光的波长时, 存在着一个比较复杂的共振状态，称为米氏散射。
水下光学成像技术的原理和应用
水下光学成像技术的原理和应用一、水下光学成像技术的原理水下光学成像技术是一种将水下物体成像到地面或船舶上的技术。
其原理主要就是光在水中的传播规律和在水下进行成像的方法。
在水中，光的速度较空气中慢，同时受到的散射和吸收也较大。
这就导致了水下成像难度较大，同时也需要更高的技术水平。
水下光学成像技术的原理主要涉及两个方面：成像原理和光学原理。
1.成像原理水下光学成像的难点在于水是一种甚至超过了深灰的散射媒介。
堆积在水中的杂质和微小的有机物会降低光的穿透深度。
这样导致的结果是暗影和柔和的清晰度，使水下成像难以分辨。
当光从水中穿过时，其折射率的变化就会导致光线的弯曲，使得在水中看到的物体位置和形状发生变化。
为了解决这个问题，水下光学成像技术通常使用的方法是将成像设备放置在一个特制的罩子中，提高光线的穿透深度和成像清晰度。
2.光学原理在水下成像中，由于光线传输受到水的散射和吸收的影响，导致光线的强度和颜色发生变化。
光谱特性发生改变主要是光线在水中吸收的原因，有色物体（如草、藻）的存在会进一步加剧这种吸收现象。
因此，水下成像技术需要更加复杂的设计和处理方法来矫正这些因素，以获得清晰和准确的图像。
二、水下光学成像技术的应用水下光学成像技术广泛应用于水下设备探测、海洋资源勘探等领域。
以下是一些具体应用领域的详细介绍：1.海洋环境监测水下光学成像技术在海洋环境监测中，可以为科学家们收集大量的海洋生物信息。
利用水下成像技术，研究人员可以直接观察海底和海洋生物群落，为科学家们提供有价值的信息。
2.水下设备安装检测水下光学成像技术可以帮助船舶或其他水下设备的安装工作，对水下运动设备的密封性、耐腐蚀性等问题进行检测和监管，确保其长期稳定运行，并缩短维护时间和维修周期。
3.珊瑚礁观测水下光学成像技术可以在水下拍摄珊瑚礁等海洋生物，这些生物组成了海洋生态系统的重要一环。
通过水下成像，可以记录珊瑚礁生物群落的变化和分布，了解海洋生态系统变化的动态过程，保护珊瑚礁的生态环境，减少人为干扰，实现珊瑚礁的可持续发展。
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பைடு நூலகம்
国内外水下光电成像系统的发展
距离选通技术是利用脉冲激光器和选通摄像机，以脉冲发射和开 启成像时间的先后分开不同距离上的散射光和目标场景反射光， 使由被目标场景反射回来的辐射脉冲刚好在摄像机选通开启时间 内到达摄像机并成像。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并成像，传输路径上 的大部分后向散射光被隔离，从而可大大减小后向散射光的影响， 提高系统的探测和识别距离。
典型的水下距离选通光电成像系统
1. 加拿大 ：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 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。
2. 美国：美国 SPARTA 公司研制了一款称为 See-Ray 的距离选通成像 系统，采用 532nm Nd：YAG 激光器主动照明，单脉冲能量＞ 100mJ；接收器采用 XYBION电子系统公司生产的 ICCD。该系统有 两个版本，一种是手持式以便潜水员使用，一种为远程式适合于 安装在 ROV 上。获取 5.6AL 距离上的分辨力靶标图像，能探测到 靶标的距离是 6.4AL。 3. 高精度 3-D 激光雷达:丹麦国防研究所的研究人员开发了一款高精 度距离选通相机，可在几秒钟内构造出 3-D 图像。该系统用于识别 水雷。
7. 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”（2006AA09Z207）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 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。
2）美国 Northrup Underwater Division 1997 年开发的 SM2000 水下 激光成像系统装在海军海豚潜艇腹部。SM2000 采用输出功率 1.5W、工作波长为 488nm和 514nm 的氩离子连续激光器，采用同 步扫描技术，最大工作深度 1500m；摄像距离 2.4～45m；俯视扫 描宽度 3～63m；扫描角范围 15°~70°。潜艇的前进速度为 0.5kn～6kn，能看清水下 30m 远直径为 0.15m的物体；输出 RS170/CCIR 标准视频。
其它水下距离选通成像系统
国外其他较典型的水下距离选通成像系统还有：
1）1997 年在美国海军支持下，SEO（Schwartz Electro-Optics, Inc.）研制的水 下激光距离选通成像系统 ULIS采用二极管泵浦 Nd:YLF 激光器（倍频输出 波长 532.5nm）和三代像增强器，激光器采用创新的稳频技术减小激光器 的线宽，接收器前配有小于 1nm 的窄带滤光片，有效降低到达接收器的 背景噪声。脉冲重频 5kHz，平均输出功率 1W，脉宽 10ns，光束发散角 2.2mrad。系统可实现三维测量，Z 轴分辨力为 10cm。对于 2.5×103 cm2 的水雷，当水衰减系数为 0.004cm－1时，最大探测距离 15m，当水的衰 减系数为 0.001cm－1时，最大探测距离 50m。
水下光电成像技术
引言
鉴于对深海资源开发、海洋科研以及水下工程作业、考古和救援 的迫切需求，使得水下光电成像技术研究和装备研制成为当前国 内外重点研究方向之一。随着我国海洋、江河和地下水资源勘探、 开发和利用的日益深入，以及领海主权防卫的军事需求日趋迫切， 实现水下高分辨力环境勘测、目标探测与定位分析技术成为众多 领域水下装备作业迫切需要解决的问题。
3）法国 IFREMER 距离选通激光成像系统采用二极管泵浦 Nd: YAG 激光器，波长 532nm，脉宽 10ns，输出功率 2mW，发散角 0.6mrad。接收器为选通型ICCD，选通控制 5ns～20ms，观察距离 0～70m。
后记
近年来国外在水下光电成像技术方面开展了许 多有益的工作，不 仅水下激光距离选通成像、LLS 和偏振成像等技术已成功用于ROV 或AUV平台及其它水下成像观测，而且这些技术途径不断得到发展， 提出了一些新的水下光电成像方法，且特别强调数字图像处理技 术在水下成像中的应用前景。国内目前已突破了水下激光距离选 通成像技术的核心部件和关键技术，在水下偏振成像技术、水下 飞点激光扫描成像技术、水下图像处理方法等方面也有所进展， 但由于在水下线激光扫描成像技术方面尚未取得技术突破，在一 些新概念水下光电成像技术方面的研究较少。
4. 超短脉冲距离选通成像: 美国研究人员测试了一种门宽低至120ps 的选通成 像系统。激光器为 532nm Nd：YAG，脉冲 FWHW是 0.5ns。系统能获得 6.5AL 距离上的分辨力靶图像。 5. 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 5ns 脉宽 532nm YAG 激光器，单脉冲能量 160mJ，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。 6. Aqua Lynx 水下距离选通相机 : 瑞典国防研究所，采用二极管泵浦 Nd:YAG 激光器，532nm 蓝绿光重频 0.2Hz，平均功率 1W，脉宽5ns；GenII/GenII ＋像增强器，选通门宽＜6ns，亮度增益最高 25000；系统由两个圆柱体 组成，尺寸均为15cm×50cm（直径×长度）；工作范围：3～100m；最 小可分辨距离30cm；图像分辨率 768×576pixels；功耗 80W，重 30kg。