水下光学成像系统的设计
水下光电成像探测系统的性能建模分析
中图分类 号 ： ４ ， Ｎ ２ １ Ｐ３ １ Ｔ ４
文章 编号 ：０ ５— ８ ０ ２ ０ ） ３—０ ３ ０ １０ ９ ３ （ ０ ７ ０ ３ ２— ５
Ａｎ ｌ ｓｓ ｏ ｒ ｏ ｍ ａ ｃ ｏ ｅ ｌ ｇ ｏ ｄ ｒ ｔ ｒ Ｉ ａ ｉ ｇ ａ ｙ ｉ ｆＰｅ ｆ ｒ ｎ ｅ Ｍ ｄ ｌ ｎ ｎ Ｕｎ ｅ ｗａ ｅ ｍ ｇ ｎ ｉ Ｄｅ ｅ ｔｏ ｙ ｔ ｍ ｔ ｃｉｎ Ｓ ｓｅ
数、 系统 中的信 号模 型和 成像 系统性 能评 估模 型 。考虑 发 射 系统和接 受 系统 间的 距 离， 立 了 建
激 光水 下光 电成像探 测 系统 的 一般 理 论模 型 ； 导 了信 号辐 射 、 向散 射 、 向散 射 的 计 算 方 推 后 前
法 ； 出 了考虑 前 向散 射 和背 向散射 作 用下 的成 像 对 比度 计 算 方法 ； 给 最后 导 出 了水 下成像 系统
Ｖ０ Ｉ Ｎｏ ３ ｌ３１ ．
Ｊｎ ０ ７ ｕ ｅ２ ０
水 下光 电成像 探 测 系统 的性 能建 模 分 析
孔 捷， 张保 民
（ 京 理 ｌ 大 学 电 子 工 程 与 光 电 学 院 ， 苏 南 京 ２ ０９ ） 南 丁 江 １０４
摘
要： 分析 并讨论 了水下光 电成像 探 测 系统 设 计 应 考虑 的几 个 问题 ， 包括 系统 设 计 的０ ０ ７年 ６月
南 京 理 工 大 学 学 报 Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆ ｎｉｇＵｎｖ ｒｉ ｆ ｃ ｎ ｅａ ｄＴ ｃ ｎ ｌｇ ｏ ｒ ａ ｊ ｉｅｓ ｙ ｏ ｉ ｃ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ ｏ Ｎａ ｎ ｔ Ｓ ｅ
水下成像传感器原理及应用
水下成像传感器原理及应用水下成像传感器是一种能够在水下环境中获取图像信息的设备。
由于水下环境的特殊性，水下成像传感器的原理和应用与陆地上的传感器有所不同。
下面将就水下成像传感器的原理及应用进行详细介绍。
一、水下成像传感器原理水下成像传感器的工作原理主要包括光学成像、图像传输和信号处理三个部分。
1. 光学成像光学成像是指将水下物体的光信号转换成电信号的过程。
水下成像传感器通常采用激光、超声波或声纳技术来获取水下物体的信息。
其中，激光成像是最常见的水下成像技术之一。
激光束在水中传播时会受到散射和吸收的影响，因此激光成像系统需要通过波束形成、多普勒调制等技术来提高成像质量。
2. 图像传输图像传输是将光学成像获得的数据传输到地面或其他设备进行处理和显示的过程。
由于水下传输介质的特殊性，水下成像传感器通常采用无线传输或光纤传输技术。
其中，无线传输技术包括声纳、蓝牙和Wi-Fi等，而光纤传输技术则采用光纤传输信号。
3. 信号处理信号处理是对图像进行增强和重建的过程。
由于水下成像受到水下环境的影响，图像质量通常较差，因此需要进行信号处理以提高图像的清晰度和对比度。
信号处理的方法包括滤波、降噪、增强和重建等。
另外，还可以借助计算机视觉算法来提取和分析图像上的信息。
二、水下成像传感器应用水下成像传感器在海洋勘探、水下探测和水下机器人等领域具有广泛的应用。
1. 海洋勘探海洋勘探是水下成像传感器最常见的应用领域之一。
水下成像传感器可通过激光或声纳等技术获取海底地形图像，帮助海洋勘探人员进行海底勘测、沉船探测以及地理地质研究等工作。
水下成像传感器还可以用于监测海洋底层水体的温度、盐度和酸碱度等参数，为科学家研究海洋环境提供数据支持。
2. 水下探测水下探测主要应用于水下管道、水下遗址和水下设备等区域。
通过激光和声纳等技术，水下成像传感器可以实时监测水下管道的泄露情况、水下遗址的位置和形态，以及水下设备的状态和损坏情况。
这为水下维修和救援提供了重要的参考依据，并减少了人工操作的风险。
水下成像系统、水下成像设备及水下成像方法[发明专利]
![水下成像系统、水下成像设备及水下成像方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/4782c7cc3169a4517623a3c0.png)
专利名称：水下成像系统、水下成像设备及水下成像方法专利类型：发明专利
发明人：周志盛,焦国华,章逸舟,刘鹏,陈良培
申请号：CN201811534588.3
申请日：20181214
公开号：CN109639942A
公开日：
20190416
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种水下成像系统、水下成像设备及水下成像方法，水下成像设备包括外壳、水上物体成像装置及水面波纹测量装置，水上物体成像装置和水面波纹测量装置均位于外壳内，外壳上设有光学窗口，水上物体成像装置用于透过光学窗口获取水上物体图像，水面波纹测量装置用于透过光学窗口获取水上物体成像对应的水面波纹的反射光斑的图像，处理器进行水面波纹重建并对水上物体的图像进行校正。
本发明中水上物体成像装置和水面波纹测量装置采用同轴共光路结构，使得水上物体成像装置成像光线透过的水面波纹与水面波纹测量装置测量的水面波纹一致，获取的水上物体的图像与重建的水面波纹之间的配准比较容易，从而提升了水上物体图像的校正质量。
申请人：中国科学院深圳先进技术研究院
地址：518055 广东省深圳市南山区深圳大学城学苑大道1068号
国籍：CN
代理机构：深圳市铭粤知识产权代理有限公司
代理人：孙伟峰
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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。
水下远距离全视景成像特性分析
水下远距离全视景成像特性分析水下远距离全视景成像特性分析随着科技的不断发展，水下远距离全视景成像技术在海洋研究、水下探测和水下工程等领域中起着越来越重要的作用。
全视景成像技术能够提供高质量的水下图像，帮助人们更好地了解海洋环境、监测水下物体和设施。
本文将对水下远距离全视景成像的特性进行分析和探讨。
水下环境与陆地环境相比，具有复杂的光学特性。
水的折射、散射和吸收是水下成像中需要考虑的关键因素。
光线在水中的传播路径与在空气中有很大差异，因此水下光线的传播特性对于全视景成像至关重要。
水下远距离全视景成像技术需要充分考虑水下环境的影响，以保证图像的清晰度和准确性。
在水下远距离全视景成像中，光照的均匀性是一个重要的特性。
由于水中的散射和吸收，光线在传播过程中会逐渐减弱，导致图像的亮度不均匀。
因此，为了获得均匀的光照分布，全视景成像系统需要具备光照补偿的功能。
光照补偿的方法包括增加光源强度、调整光源角度和使用光学滤光片等。
通过这些方法可以提高图像的亮度均匀性，增强图像的质量。
在水下远距离全视景成像中，图像的失真也是一个需要考虑的特性。
由于水的折射和散射作用，水下图像存在形变和模糊的问题。
为了解决这个问题，全视景成像系统需要进行几何校正和图像清晰化处理。
几何校正可以通过计算折射和散射的强度来恢复图像的原始形状和尺寸。
图像清晰化处理可以通过降噪、对比度增强和边缘增强等技术来提高图像的清晰度和细节。
水下环境的多样性也是水下远距离全视景成像技术需要考虑的特性之一。
不同深度、不同海域和不同水质条件下的水下环境存在巨大差异。
全视景成像系统需要具备自适应性能，能够根据不同的水下环境参数进行调整和优化。
例如，根据水的吸收系数和色散系数，可以选择适当的光源和滤光片，以提高图像的对比度和色彩还原度。
根据水的浑浊程度，可以调整光源的强度和角度，以提高图像的清晰度。
此外，在水下远距离全视景成像中，图像的处理速度也是一个重要的特性。
潜望镜成像原理
潜望镜成像原理潜望镜是一种用来观察水下情况的光学仪器，通过光学成像原理实现水下景象的观察。
潜望镜是潜水员、海洋研究人员以及潜水器材制造商经常使用的重要装备，它能够帮助人们更清晰地看到水下的景象，对海洋生物、海底地形等进行观察和研究。
在这篇文章中，我们将介绍潜望镜的成像原理。
折射成像潜望镜的成像原理主要是基于光在不同介质中传播时会发生折射的现象。
当光线从水中射向水平放置的透镜时，由于水和透镜材料之间的折射率不同，光线会产生折射。
根据折射定律，入射角和折射角满足一个固定的关系，即入射角大于折射角。
这种折射现象会使得光线在透镜中产生折射，最终形成一个正立的实像。
透镜设计潜望镜通常使用凸透镜来实现成像，凸透镜是一种球面透镜，具有折射和聚焦的功能。
凸透镜的焦距决定了光线经透镜后会在焦点处聚集，形成一个实像。
为了确保成像清晰准确，潜望镜的透镜设计需要考虑到水和玻璃之间的折射率差异。
成像过程当潜望镜放置在水中时，光线从水中射入透镜中，由于水和透镜之间的折射率不同，光线会发生折射并在透镜内部聚焦。
最终，在透镜的焦点处形成一个与实际物体大小和位置相同的正立实像。
这个实像可以通过透镜被观察者所看到，使得水下景象清晰可见。
应用领域潜望镜的成像原理在海洋勘测、潜水探险、海底考古等领域具有广泛的应用。
通过潜望镜可以观察到水下的生物、珊瑚礁、海底地形等信息，为科研和探险工作提供重要的帮助。
同时，在军事领域，潜望镜也被用于水下监测和侦察，用于观察和分析水下目标的活动。
结论潜望镜成像原理基于光学折射，在水和透镜之间产生折射现象，使得光线聚焦并形成实像。
透镜的设计和放置方式对成像效果起到至关重要的作用。
通过理解潜望镜的成像原理，我们可以更好地利用这一光学仪器进行观测和研究工作，拓展我们对水下世界的认识和理解。
以上是关于潜望镜成像原理的简要介绍，希望对读者有所帮助。
如果您有任何问题或意见，欢迎留言讨论。
感谢阅读！。
基于光学原理的水下三维成像技术研究
基于光学原理的水下三维成像技术研究近年来，随着人们对水下世界的探索不断深入，水下三维成像技术逐渐受到研究者的关注。
而基于光学原理的水下三维成像技术则成为其中的一种重要技术手段。
本文将探讨基于光学原理的水下三维成像技术的相关问题。
一、光学原理在水下三维成像技术中的应用光学原理在水下三维成像技术中的应用主要体现在两个方面：光的传输和光的成像。
在水下环境中，光线会不断地发生反射和折射，使得水下物体的成像变得困难。
为了解决这个问题，研究者们借鉴陆地上的光学原理，利用激光或LED等光源来直接照亮需要成像的物体，然后记录下物体反射或散射回来的光以及光的传播路径，通过计算机对这些数据进行处理，就可以得到高质量的三维成像效果。
光学原理在水下三维成像技术中的另一个应用是光学成像。
传统的水下成像技术往往使用声波来成像，但是声波成像的分辨率往往比较低，难以得到高质量的三维成像效果。
而光学成像技术则可以通过光线在水下的传播路径，记录下被物体反射或散射回来的光，再通过计算机的图像重建算法，就可以得到高质量的三维成像效果。
二、基于光学原理的水下三维成像技术的局限性虽然基于光学原理的水下三维成像技术具有很大的优势，但是也存在着一些局限性。
首先，基于光学原理的水下三维成像技术对水环境的要求较高。
由于光在水中的传播速度比空气中慢，而且水分子会散射光线，因此不同深度的水层中的光传播路径和光强度存在很大的差异，这会导致成像结果的质量受到影响。
因此，需要在水中建立适合光学成像的环境，比如在深海水下的黑暗环境下，利用激光或LED 等强光源来直接照亮需要成像的物体。
其次，基于光学原理的水下三维成像技术对设备的要求也较高。
为了实现水下成像，需要选择适合水下环境的摄像机、激光或LED光源、透明材料等设备。
这些设备不但需要具备优异的性能指标，还需要能够承受水下环境的高压、低温、长时间曝晒等复杂环境。
三、基于光学原理的水下三维成像技术在实际中的应用随着技术的不断进步，基于光学原理的水下三维成像技术已经逐渐在实际应用中得到了广泛的应用。
水下目标高精度彩色三维成像系统设计
水下光学成像具有探测目标直观、成像分辨率 高、信息含量高等优点，已经被广泛的应用于水中 目标侦察、探测、识别、水下考古、海底资源勘探、生 物研究、水下工程作业、水下环境监测、救生打捞等 领域[1-2]。
设备小型化；成像设备可在旋转电机控制下，实现 0°，90°，270°三个方向数据采集，180°方向颜色、高度现场标定；具有实现容易、
操作简单、同步定标、平台适应性强的优势，这将对高颜色保真度、高测量精度水下目标三维立体探测的发展具有重要推动作用。
关键词：水下目标；高精度；彩色；三维成像；系统设计
中图分类号：TN942.2；TB853.18
文献标识码：A
文章编号：1673-1255（2018）-02-0009-04
Design of High Precision Color 3D Imaging System for Underwater Target
ZHANG Zong-cun, KONG Qian-qian, YANG Yu, WEN Ya-nan
近年来，随着海洋资源开发步伐的加快，传统 二维单色成像技术已远远不能满足于高精度、精细 化成像探测的需求，三维立体彩色探测技术应运而 生，并逐渐成为海洋探测的研究热点[3-4]。
水下三维3 基金项目：国家自然科学基金资助项目（61505218） 作者简介：张宗存(1987-)，男，博士，工程师，主要从事光学系统、成像探测系统设计研制工作.
摘 要：针对传统线结构光水下三维成像系统，无法同时兼顾水下颜色定标、高度定标，出现的目标色彩失真、三维高度采集
光学原理在水下成像技术中的应用研究
光学原理在水下成像技术中的应用研究水下成像技术在海洋科学、水下探测和潜水领域有着广泛的应用。
光学原理是水下成像技术中的重要基础，通过对光的传播与散射规律的研究，可以实现对水下环境的观测和图像重建。
本文将从水下成像的原理、光学传播的特点以及相关技术的应用等方面进行探讨。
首先，水下成像的原理是基于光的传播与散射规律。
在水下环境中，光线会受到吸收、散射和折射等影响，使得成像质量受到限制。
其中，水的吸收特性是主要因素之一。
随着水深的增加，光线的强度会逐渐减弱，波长较短的蓝光被吸收得更快，因此水下的景物会呈现出蓝绿色调。
此外，水中的悬浮颗粒和溶解物质也会引起光的散射，使得图像模糊不清。
因此，如何克服这些困难，提高水下成像的质量成为研究的重点。
其次，光在水中的传播具有一定的特点。
由于水的折射率较高，光线在水中传播时会发生折射现象。
这种折射会导致光线的传播方向发生改变，使得成像中的景物位置发生畸变。
为了解决这个问题，可以采用校正算法对成像结果进行修正。
此外，由于水的散射效应，光线在传播过程中会发生多次散射，使得光线的强度逐渐减弱。
因此，在水下成像中，需要选择合适的光源和增强光线的强度，以提高成像的亮度和清晰度。
在水下成像技术中，光学原理的应用是多样的。
其中，声光转换技术是一种常见的方法。
声光转换器将声波信号转换为光信号，通过水下传感器接收到的声波信号，可以得到水下物体的图像。
这种方法具有成本低、分辨率高等优点，广泛应用于水下探测和海洋科学研究中。
此外，激光扫描成像技术也是一种常用的水下成像方法。
激光扫描仪通过扫描激光束，得到水下物体的三维坐标信息，再利用计算机图像处理技术进行图像重建。
这种方法具有高精度、高分辨率的特点，适用于水下遗址勘探和潜水拍摄等领域。
除了声光转换和激光扫描成像技术，还有一些其他的水下成像方法。
例如，利用红外光成像技术可以突破水下光线散射的限制，实现对水下物体的观测。
红外光在水中的传播受到散射较小的影响，因此可以得到更清晰的图像。
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。
用于水下考古的高清多光谱成像系统设计
用于水下考古的高清多光谱成像系统设计一、水下考古的高清多光谱成像系统概述随着科技的发展，水下考古学已经成为考古学领域中一个重要且活跃的分支。
水下考古不仅能够揭示古代文明的海洋活动，还能为研究历史提供珍贵的实物证据。
然而，由于水下环境的特殊性，传统的考古方法在水下考古中面临诸多挑战。
高清多光谱成像技术作为一种先进的水下探测技术，能够提供比传统方法更为清晰和详细的图像，对于水下考古具有重要的应用价值。
1.1 高清多光谱成像系统的核心特性高清多光谱成像系统的核心特性在于其能够捕捉到不同波长的光，从而获取到比传统单色成像更为丰富的信息。
这种系统通常包括多个光谱通道，能够同时捕获从可见光到近红外光的广泛光谱范围。
通过分析这些光谱数据，可以揭示出水下物体的材质、年代和环境条件等信息。
1.2 高清水下成像系统的应用场景高清多光谱成像系统在水下考古中的应用场景十分广泛，包括但不限于以下几个方面：- 沉船考古：对沉船遗址进行详细的图像记录，分析船体结构和遗物分布。
- 珊瑚礁生态研究：监测珊瑚礁的健康状况，评估环境变化对珊瑚礁的影响。
- 水下文物保护：对水下文物进行无损检测，评估其保存状态和保护需求。
- 海底地形测绘：绘制海底地形图，为海洋资源开发和环境监测提供基础数据。
二、高清多光谱成像系统的设计与实现高清多光谱成像系统的设计与实现是一个复杂的过程，涉及到光学、电子、计算机科学等多个领域的技术。
以下是该系统设计的关键组成部分和实现步骤。
2.1 光学成像组件光学成像组件是高清多光谱成像系统的核心部分，它包括镜头、滤光片、成像传感器等。
镜头负责聚焦光线，滤光片用于选择特定波长的光，而成像传感器则负责捕捉这些光线并将其转换为电信号。
为了获得高清的图像，需要选择高分辨率的成像传感器，并设计合适的光学系统以减少像差和提高成像质量。
2.2 光谱分离与合成技术多光谱成像系统需要将不同波长的光分离并捕获，这通常通过使用分光器和多个成像传感器来实现。
光学成像系统课程设计
光学成像系统课程设计一、教学目标本节课的教学目标是让学生掌握光学成像系统的基本原理和特点，了解凸透镜成像的规律及应用，培养学生观察、思考、实验和解决问题的能力。
具体目标如下：1.知识目标：–了解光学成像的基本概念和原理；–掌握凸透镜成像的规律及应用；–熟悉常见的光学成像设备及其工作原理。
2.技能目标：–能够运用光学成像原理分析和解决实际问题；–能够进行简单的光学实验，观察和记录实验现象；–能够运用多媒体工具展示和交流学习成果。
3.情感态度价值观目标：–培养学生的创新意识和团队合作精神；–培养学生对光学成像技术的兴趣和好奇心；–提高学生对科学知识的尊重和求知欲望。
二、教学内容本节课的教学内容主要包括光学成像的基本原理、凸透镜成像的规律及应用、常见光学成像设备的工作原理。
具体安排如下：1.光学成像的基本原理：介绍光学成像的概念、特点和基本原理，让学生了解光学成像的基本规律。
2.凸透镜成像的规律及应用：讲解凸透镜成像的规律，引导学生通过实验观察和分析不同物距和像距下的成像情况，掌握凸透镜成像的应用。
3.常见光学成像设备的工作原理：介绍投影仪、相机、望远镜等常见光学成像设备的工作原理，让学生了解光学成像技术在日常生活和科技领域的应用。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，本节课将采用多种教学方法，如讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。
1.讲授法：通过讲解光学成像的基本原理、凸透镜成像的规律及应用，引导学生掌握光学成像知识。
2.讨论法：学生分组讨论实验现象，培养学生的观察能力和思考能力。
3.案例分析法：通过分析实际案例，让学生了解光学成像技术在现实生活中的应用。
4.实验法：安排学生进行光学实验，观察和记录实验现象，培养学生的实践操作能力和问题解决能力。
四、教学资源为了支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用符合课程标准要求的教材，为学生提供系统的光学成像知识。
水下微光成像系统
文章 编号 ： １７ ７ ４ （０ ７ ０ ０ ５ ０ Ｄ ：０ ３ ０ ／．ｓｎ １７ ７ ４ ． ０ ７ ０ ． １ ６ ２— ６ ９ ２０ ） ６— ０ ６— ３ ＯＩ １． ４ ４ ｊｉ ． ６ ２— ６ ９ ２ ０ ． ６ ０ ０ ｓ
Ｕｎｄ ｒ ａ ｅ ｏｗ ｉ ｈｔｌｖ ｌｉ ａ ｉ ｇ ｓ ｓｅ ｅ ｗ ｔｒｌ ｌｇ ｅ ｅ ｍ ｇ ｎ ｙ ｔ ｍ
ＺＨＵ ｉｘａ ， Ｃａ ． ｉ ＹＡＮ ． ｏ ｇ ，ＹＵ ｅ ｄ ，ＨＥ Ｊ ｎ ｈ ａ Ｙａ ｄ ｎ Ｗ ｎ． ｅ ｕ ．ｕ
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维普资讯
第２ ９卷第 ６期
２０ ０ ７年 １ ２月
舰
船
科
学
技
术
Ｖｏ ． ９，Ｎｏ ６ １２ ． Ｄｅ ．，２ ０ ｃ ０ ７
Ｓ Ｉ ＣＩ Ｈ Ｐ Ｓ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
水下微光成像 系统
朱彩 霞 ，闰 亚 东 一， 文 德 何 俊 华 余 ，
（． １ 中国科 学院西安光 学精 密机械研 究所 ， 陕西 西安 ７ ０ ６ ； １０ ８ ２ 中 国科 学院研 究生 院 ， 京 １０ ３ ； ． １５ ． 北 ０ ０ ９ ３ ９ ５ ０部 队 ２ ０所 ， ３ 北京 １６ ２ ） １０ ３
摘 要 ： 介绍了用于水下反恐的水下微光成像系统， 并对设计的关键技术进行了论述。针对系统的微光成像
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。
水下成像光学系统设计
水下成像光学系统设计张欣婷;亢磊;吴倩倩【摘要】在对目前水下成像系统现状进行调研后,分析了影响水下成像距离和成像质量的主要因素,即后向散射.突破了传统水下成像系统分视场、多探测器的成像方式,利用光学设计软件Zemax设计了一款大相对孔径、大视场的水下成像光学系统.系统只采用一个光电探测器,波长486 nm～656 nm,相对孔径1/1.8,视场角120°,采用9片透镜,无非球面,简化了透镜加工过程及成本.中心视场的艾里斑尺寸3μm,在奈奎斯特频率60 lp/m m,时,各视场的调制传递函数曲线均高于0.7.同时,对大视场系统产生的高畸变进行校正,畸变小于5％,成像质量很好.此系统可广泛应用于水下探测、海洋开发、海底资源勘探、水下反恐等领域.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2019(040)005【总页数】5页(P751-755)【关键词】光学设计;水下成像;后向散射;大相对孔径;大视场角【作者】张欣婷;亢磊;吴倩倩【作者单位】长春理工大学光电信息学院 ,吉林长春130012;中国中车长春轨道客车股份有限公司 ,吉林长春130062;长春理工大学光电信息学院 ,吉林长春130012【正文语种】中文【中图分类】TN203;TB853.18引言随着人们对生态环境关注度的逐步提升，对资源重视程度的逐渐加深，以及对军事科学技术发展的要求越来越高，水下成像技术的应用越来越广泛，包括海底资源勘探、海洋开发、水下探测、水下反恐等方面。
然而水下成像对像质的要求较高，影响因素也较多，这就需要采取相应的措施和途径来提高水下成像系统的成像质量要求。
影响水下成像质量的因素主要有水对光的散射和折射。
首先，介于光在水下传播时会有散射和吸收，会使传播过程中的能量传输产生衰减。
随着水下探测距离的增加，衰减程度越来越大，光能减小的速度也越来越快。
当经过目标反射的回波光能量被光电探测器接收后，就会产生由散射光所引起的背景噪声，该噪声可以对图像的对比度、信噪比产生影响，进而降低目标的成像质量，使得水下成像系统的探测距离和整体性能受到限制。
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。
水下无人机光学传感器系统设计
水下无人机光学传感器系统设计随着现代科技的进步和人类对海洋的探索不断深入，水下机器人的应用越来越广泛。
水下无人机由于便携、高效、灵活等优点，成为海洋探测与研究领域的新宠。
然而，光学成像技术是目前应用最广泛的一种水下探测手段，水下环境复杂多变，对光学成像技术提出了极高的要求，如镜头矫正、防水防腐等。
因此，本文将探讨水下无人机光学传感器系统的设计，旨在提供理论和技术指导，以及开发高性能水下光学成像系统的积极创新思路。
一、水下无人机的应用和技术挑战水下无人机是一种在水下环境下工作的无人机，它无需人员操控，可以长时间进行任务，适应的水深范围也比传统的潜水器更广泛。
水下无人机具有许多独特的应用，例如：水下资源勘探、生物监测、水下考古、水下管道巡检等。
水下无人机主要分为三大类型：深潜型、浅水型和水面型。
然而，水下环境对水下无人机提出的要求很高，海水对光的折射率与空气不同；海水中存在色散现象，成像时必须进行颜色校正；海水中的颗粒物、浮游生物、泡沫、水流等因素都会影响光学成像效果。
因此，如何在复杂的浊度环境中获得高质量图像便成为了水下无人机的最大挑战。
二、光学传感器系统的设计1. 光学镜头在水下成像中，镜头的设计和性能至关重要。
由于水的折射率比空气大，所以需要使用高质量光学镜头进行矫正。
与地面镜头相比，水下镜头需要寻找更佳的防水和防磨损材料，并使用一些特殊的涂层来提高对我们要观察的物体的图像的质量。
基于这些原因，使用专门的水下镜头，使光线能以最佳的方式传递是很有必要的。
2. 光源由于水下环境光线不足，使用额外的光源可以帮助提高成像质量。
需要在水下理想的光源应该有较长的使用寿命、高亮度、较大的光源角度、防水和耐腐蚀性等特点。
3. 相机传感器对于水下光学成像传感器系统，我们不得不选择更高性能的传感器。
和地面相机使用的相似传感器点阵不一样，水下图像传感器所需的像素情况、拍摄速度要求都不尽相同。
4. 预处理预处理是指将成像信号转换为数字信号，以便进一步处理。
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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水下光学成像系统的设计班级：姓名：学号：试验一simulink辅助设计基础一、试验目的熟悉Simulink软件,启动Simulink并建立下述系统的模型：系统输入：,sin)(≥=t ttu；系统输出：),()(≠=atauty。
二、试验过程启动simulink。
在matlab窗口中输入simulink指令，弹出器件库窗口。
并在器件库中找到以下元件。
连接元件如下图所示：在下图对话框中修改增益为2。
得到增益效果如下图：试验二简单系统的Simulink仿真一、试验目的建立实现信号平方运算系统的Simulink模型并进行简单的仿真分析二、试验步骤1、打开matlab，输入simulink，出现一个元件库，在元件库中选择正玄信号发生器，设置振幅为2。
2、在signal routing中选择mux ，在match operating中选择product，在sinks中选择示波器。
3、生成系统运算部分的子系统用鼠标选择将要生成子系统的区域，选择subsystem ，得到运算部分的子系统如图所示。
将中间部分建立成子系统，并添加标签。
试验三 动态系统的Simulink 仿真一、试验目的⎩⎨⎧≤>=25)(1025)(2)(t t u t t u t y ，其中)(t u 为系统输入，)(t y 为系统输出。
为了实现改函数需设计判决比较的系统。
二、实验步骤：1、在matlab 中输入simulink ，新建文件2、在sourses 中选择正玄信号，为了达到一个比较的功能，选择一个比较器，通过比较大小来控制开关switch ，当时间t 大于25时，倍数变为2，当t 小于25时，y 变为之前信号的十倍，为了达到这个目的如图建立系统。
3、输入示波器结果如图所示试验四数字滤波器的Simulink仿真一、试验目的对一个数字滤波器进行仿真时，首先对该信号进行用一个载波信号进行传递，然后进行调制，并用该载波信号进行解调，解调之后用一个数字滤波器进行滤波，最后在示波器中进行观察与原信号的区别。
二、试验步骤1、打开simulink，选择signal generator设置为方波信号squre。
2、用一个正弦信号作为载波，设置频率为1000，通过一个调制器product进行调制，在通过一个解调器product，用频率为1000的正弦信号进行解调，3、最后通过一个低通滤波器discete filter ，设置滤波器参数满足nu--n--+=+y+ny该式。
nynunu)2(08.0)1.0)2(04)((6.0))17.004.0((-试验五 通信系统的Simulink 仿真实验步骤：1、在选择sources 中选择signal generator 为信源，选择sawtooth 锯齿波，设置振幅和频率为1。
2、选择正弦信号sine wave 作为调制信号，设置振幅为1，频率为100Hz ，连接一个product 作为调制器。
3、然后在接上一个传递函数transfer fcn 设置传递函数值110101)()(329++=--s s s U s Y ，与此同时加载一个噪声。
选择gaussian noise generator 设置噪声参数，均值为0，方差为0.01，缓冲区为1024的延迟。
用一个求和信号如图所示表示加载，然后连接一个延迟器transport delay 设置延迟时间为14、信号经过传递后进行解调，解调时选择正弦离散信号sine wave ，设置振幅为1，频率为100Hz 采样时间为0.005s ，用product 做解调器5、经过解调器后用一个数字滤波器进行滤波，改滤波器参数为--nu+=-+n-uynynynun(-+(08))1.0)2(04).0((6.07.0)1(.004)26、结果如下图所示：水下光学成像系统的设计课题分析:为了适应海洋开发、海洋基础研究、海洋地质勘察、水下武器试验、水下体育运动的研究和海洋资源勘探的需要, 水下光学成像、摄影(电影摄影、照相摄影和电视摄影、摄像) 技术已经成为探索海洋奥秘的基本方法。
与此同时, 随着影视事业的发展, 水下光学成像、摄影也是科教、体育、新闻和艺术等影视作品的重要表现手段。
但由于水介质的光学性质不同于空气, 因此必需研制水下专用的光学系统, 才能得到满意的成像质量。
由于水具有与空气不同的折射率, n = 1.339, 因此当光线从水介质射向空气时, 会发生折射现象。
水下成像时, 目标位于水介质的物空间中, 而成像平面(CCD、胶片等) 位于空气介质的像空间中, 如果使用普通的摄影、摄像物镜, 采用简单的透明平行平板玻璃密封防水, 将不但使物镜的视角变小(焦距增大) , 放大率减小, 像差也发生变化, 其中色差和畸变明显增大, 从而使成像质量变坏, 图像变形和清晰度降低。
为了克服上述缺陷, 可以采用下列几种方法: 玻璃半球防水密封窗、普通摄影物镜与远焦型附加镜组组合以及水接触专用摄影物镜。
其中, 玻璃半球防水密封窗的结构比较简单, 能够改善由于水介质折射引起的一些缺陷, 但不能完全校正, 特别是使物镜的像面弯曲增大; 远焦型附加镜组作为水下摄影的附件使用, 既保持了普通摄影物镜完整和使用性能, 又满足了水下摄影的要求, 但它很难满足水下大视场、大孔径的需要; 水接触专用摄影物镜能够彻底校正像差和消除水介质的影响, 因而是一种比较理想的水下摄影光学系统。
为了克服上述缺陷,可以采用下列几种方法:玻璃半球防水密封窗、普通摄影物镜与远焦型附加镜组组合以及水接触专用摄影物镜。
其中,玻璃半球防水密封窗的结构比较简单,能够改善由于水介质折射引起的一些缺陷,但不能完全校正,特别是使物镜的像面弯曲增大;远焦型附加镜组作为水下摄影的附件使用,既保持了普通摄影物镜完整和使用性能,又满足了水下摄影的要求,但它很难满足水下大视场、大孔径的需要;水接触专用摄影物镜能够彻底校正像差和消除水介质的影响,因而是一种比较理想的水下摄影光学系统。
水下光学问题的特殊性及水对光学成像的影响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=I0e-L,式中,L称衰减系数,表示光传输1m距离后光能量衰减的对数值(自然对数),单位是1m。
光在水中的衰减是由水对光的吸收衰减和水中胶体粒子对光的散射所造成的,因此式中的L由两部分组成:L=Α+Β,式中,Α是吸收系数,Β是散射系数。
一般情况下,散射造成的衰减占总衰减为60％、吸收衰减占40％。
习惯上我们也常用衰减长度表示水质对光的衰减特性,它表示光量衰减到原来的e-1所传输的距离。
水对光的散射由于水中存在着悬浮的质点,造成了水对光的散射。
水中散射有两种:纯水本身产生的散射和由悬浮粒子所引的散射,海水是由具有吸收本领和随机取向的不规则粒子所组成的复杂色散系统。
散射光对影像的衬底产生极为有害的影响,散射主要有前向散射和后向散射,前向散射是指光在水中传播时,遇到水中悬浮的颗粒,发生光向前各方向散射,造成光在传播方向的衰减,这对成像距离增加了困难,后向散射是指光在水中传播时,遇到水中悬浮颗粒,发生光向后各方向散射,造成图像的对比度下降,这对水下光学成像危害极大,使影像衬度成为水下光学成像严重的问题。
随着成像距离的增大,画面反差降低,影像的细节模糊,影响成像质量,使摄取图像变得困难。
水对光的选择性吸收这也就是说,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的强度每米衰减约百分之四。
水具有一定的不同于空气的折射率(nw=1.339)由于水具有一定的不同于空气的折射率(nw=1.339),因此,当光线从水介质射向空气(或其它介质)时会发生折射现象。
水下成像时,被摄物体是处于水介质的物空间中,而成像系统处于密封壳体内的空气介质中,水下目标的成像光线在经过—玻璃壳窗—空气的界面时,会产生折射,从而给水下光学成像系统带来聚焦误差、视角误差、畸变和色差等不利因素1、聚焦误差:绝大多数的水下面成像系统的外壳都有一个简单而且可靠的玻璃和光学塑料制成的平行平面壳窗,因为它具有结构简单和密封可靠的优点。
光经过水—玻璃壳窗—空气的交界面时传播服从折射定律,如果入射角小,可以用角度(弧度表示)近似代替角的正弦。
此平行平面壳窗将产生放大作用,壳窗折射的结果是使水下成像的视场约减小到原来的三分之一。
这就是说,由于壳窗的放大特性,使得镜头的视场减小。
假设成像系统在陆地上具有130°的视场,结果在水下的视场只有97°,而水下应用场合几乎总是需要最大的视场,因此镜头视场的减小是相当不利的。
在水下,镜头的物距改变,从原来的物距L 变为L1,L1=l/nw+d,一般L >>d,L1=L/nw=L/1.339=0.751,式中d 为玻璃平板厚度。
可以得到,在水中物距缩短25%,仅为原来物距的75%。
光经过水密封外壳平面壳窗折射时,使物体看起来变近了一些,平面壳窗的放大作用有时被称为平面屈光度效应,也就是说平面壳窗增加了水下光学成像镜头的有效焦距,确切的说是平面壳窗在水下使镜头的前焦距增加约4/3倍,而后焦距没有变化。
如果应用普通的成像物镜,而用平行平板玻璃密封防水,那么由于光线在水、玻璃和空气界面的折射,通过平面窗在水下观察一个物体,折射将会引起聚焦误差、视角误差、畸变和色差;2、视场误差:使物镜在水下的视场角减小,物、象空间的视场角不同,即壳窗的折射的结果使成像物镜的视场角大约缩小 ))2/()2/(%(25ωωtg n tg ⨯='。
这对于水下需要大视场的应用场合是十分不利的;3、畸变:在陆地上,平面壳窗对光学成像系统不产生影响,而在水中,它使透镜的放大率在整个视场范围内不均匀,造成枕形失真(正畸变)。
这虽然仅影响象的形状而不影响像的锐度,但对于真实反映观测目标的形状、尤其在测量应用时,对畸变进行校正是很重要的。
平面壳窗使透镜放大率在整个视场范围内不均匀,通过平面壳窗成像造成枕形失真。
它仅仅影响像的形状而不使像的锐度;4、色差:光学材料对不同波长的色光折射率不同,波长愈短折射率愈高,同一透镜对不同色光有不同的焦距,这使得透镜成像时,位于不同的光谱段的焦点不重合,造成彩色弥散边缘将使像的锐度降低。
如前所述, 由于在水密外壳上使用了简单的平面壳窗, 不仅减小了水下成像系统的视场,而且使图像发生了畸变和模糊, 在许多应用场合中, 明锐而无畸变的影像及宽的视场都很重 要, 因此改善水下光学系统就显得非常必要了。
作校正的水下光学系统的基本设计方法, 与常用镜头设计的基本方法相。