水下光学探测发展综述

专业资料 精心整理 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 专业资料 精心整理 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 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 专业资料 精心整理 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 30 60cm 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 13 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 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 专业资料 精心整理 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 2006 2009 由 DRDC 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 专业资料 精心整理 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 专业资料 精心整理 2009 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 专业资料 精心整理 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 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 专业资料 精心整理 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 空间分辨力 高 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 2002 年 Karl D Moore 和 Jules S Jaffe 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 专业资料 精心整理 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界面引起折射造成的图像失真进行了 分析和复原 如图 专业资料 精心整理 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 数据的传输速率其原理如下图 专业资料 精心整理 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 其基本原理是 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 专业资料 精心整理 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 统计了基于这组框架的后向散射 这些后向散射被去除以提高 图象的质量 专业资料 精心整理 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 6 多个视角的图像建设 多个视角的图像建设 所获取的一个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 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 专业资料 精心整理 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 LASER LINE SCAN 能够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 专业资料 精心整理 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 早期的水下连续探 测技术表明 当使用CW LLS 连续波线性激光扫描 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 专业资料 精心整理 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 专业资料 精心整理 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 专业资料 精心整理 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 矩形分辨率 板 如图 7 图 8 给出了 c 7m 1 的情况下 透明度 50cm 在不同 观测距离上的实验图片 专业资料 精心整理 专业资料 精心整理 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 专业资料 精心整理 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 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 它的基本原理是来源于平面 三角几何原理 根据反射光束的位置便可以确定被测工件的尺寸及 公差 位移等信息 该方法结构简单 具有较强的实际应用性 我们再此基础上改进了方法提出双激光的水下测距技术 其设 计方案 是在相机的两侧各放置一个激光器 平行于相机的光轴 OO 在照片中得到两个激光斑点 根据这两个激光光斑点之间的像素个 数即可求出目标物体的距离 测距示意图如下图所示 专业资料 精心整理 经过水下实验得到测量结果如下表 表 5 3 水下验证结果 未校正数据校正数据 距离 cm 像 素 距 离 计算距 离 cm 误差 cm 误差 百分 比 像 素 距 离 计算距 离 cm 误差 cm 误差 百分 比 4598 45 494 6 0 494 6 1 09910044 7714 0 228 6 0 508 Y 目标物体 d O X 激光器L 2激光器 接收器 f AB 专业资料 精心整理 7560 74 307 8 0 692 2 0 922 9 6074 619