水下成像技術(shù)的技術(shù)原理和發(fā)展動(dòng)態(tài)

下成像技術(shù)在水下目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、海面材料探測(cè)及海洋地理工程中具有廣泛而重要的應(yīng)用價(jià)值，正受到各國(guó)研究者的日益重視。與我們平常所見(jiàn)空氣中成像技術(shù)不同，水介質(zhì)的特性是強(qiáng)散射效應(yīng)和快速吸收功率衰減，因此直接將攝像機(jī)運(yùn)用到水中，由于強(qiáng)散射效應(yīng)，圖像的噪聲很大，且距離有限。激光器的運(yùn)用從某種程度解決了成像的距離問(wèn)題，在過(guò)去的幾年中，成像距離和圖像質(zhì)量得到了很大程度的提高，這些進(jìn)步都是因?yàn)椴捎昧朔莻鹘y(tǒng)成像技術(shù)和激光技術(shù)。本文對(duì)主要的幾種水下成像技術(shù)進(jìn)行了分析，討論了它們各自的技術(shù)原理和發(fā)展動(dòng)態(tài)。

一、工作原理

由上所述，與大氣成像技術(shù)相比，水下成像技術(shù)的重點(diǎn)是要減小水這一特定介質(zhì)所具有的強(qiáng)散射效應(yīng)和快速吸收功率衰減特性對(duì)成像質(zhì)量的限制，目前已經(jīng)有幾種成像技術(shù)在實(shí)際中得到應(yīng)用且達(dá)到較好的工作效果。

⒈ 常規(guī)水下成像技術(shù)

常規(guī)水下成像技術(shù)包括激光掃描水下成像和距離選通激光水下成像。其中激光掃描水下成像是利用水的后向散射光強(qiáng)相對(duì)中心軸迅速減小的原理。在這種系統(tǒng)中，探測(cè)器與激光束分開(kāi)放置，激光發(fā)射器使用的是窄光束的連續(xù)激光器，同時(shí)使用窄視場(chǎng)角的接收器，兩個(gè)視場(chǎng)間只有很小的重疊部分，從而減小探測(cè)器所接收到的散射光。利用同步掃描技術(shù)，逐個(gè)像素點(diǎn)探測(cè)來(lái)重建圖像。因此這種技術(shù)主要依靠高靈敏度探測(cè)器在窄小的視場(chǎng)內(nèi)跟蹤和接收目標(biāo)信息，從而大大減小了后向散射光對(duì)成像的影響，進(jìn)而提高了系統(tǒng)信噪比和作用距離。

距離選通成像系統(tǒng)采用一個(gè)脈沖激光器，具有選通功能的像增強(qiáng)型CCD成像期間，通過(guò)對(duì)接收器口徑進(jìn)行選通來(lái)減小從目標(biāo)返回到探測(cè)器的激光后向散射。在該系統(tǒng)中，非常短的激光脈沖照射物體，照相機(jī)快門(mén)打開(kāi)的時(shí)間相對(duì)于照射物體的激光發(fā)射時(shí)間有一定的延遲，并且快門(mén)打開(kāi)的時(shí)間很短，在這段時(shí)間內(nèi)，探測(cè)器接收從物體返回的光束，從而排除了大部分的后向散射光。由于從物體返回來(lái)的第一個(gè)光子經(jīng)受的散射最小，所以選通接收最先返回的光子束可以獲得最好的成像效果。如果要獲得物體的三維信息，可以通過(guò)使用多個(gè)探測(cè)器設(shè)置不同的延遲時(shí)間來(lái)獲得物體在不同層次的信息，因而它提供了成像物體準(zhǔn)三維信息的能力。

⒉ 水下激光三維成像技術(shù)

以上兩種技術(shù)不能提供完善的三維信息能力，而條紋管水下激光三維成像技術(shù)可提供很好的三維信息。條紋管水下激光三維成像技術(shù)使用脈沖激光，接收裝置是時(shí)間分辨條紋管。發(fā)射器發(fā)射一個(gè)偏離軸線的扇形光束，然后成像在條紋管的狹縫光電陰極上。用平行板電極對(duì)從光電陰極逸出的光電子進(jìn)行加速、聚焦和偏轉(zhuǎn)。同時(shí)垂直于扇形光束方向有一個(gè)掃描電壓能夠?qū)崟r(shí)控制光束偏轉(zhuǎn)，這樣就能得到每個(gè)激光脈沖的距離和方位圖像。采用傳統(tǒng)的CCD技術(shù)對(duì)這些距離和方位圖像進(jìn)行數(shù)字存貯，使系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率與平臺(tái)的前進(jìn)速度同步，以壓式路刷方式掃過(guò)掃描路線。這種成像結(jié)構(gòu)中，每個(gè)激光脈沖在整個(gè)扇形光束產(chǎn)生一個(gè)圖像，用來(lái)提供更大的幅寬。因此，使用當(dāng)前的激光器和CCD技術(shù)和相對(duì)適中的脈沖重復(fù)頻率，就能得到較高的搜索速度。

⒊ 偏振光水下成像技術(shù)

97%的海洋水體中，在數(shù)量上占優(yōu)勢(shì)的散射顆粒為直徑小于1Lm的小顆粒，其相對(duì)折射率為1100～1115。它們一般地遵從瑞利或米氏散射理論。如果在水下用偏振光源照明，則大部分后向散射光也將是偏振的，這就可以采用適當(dāng)取向的檢偏器對(duì)后向散射光加以抑制，從而可使圖像對(duì)比度增強(qiáng)。偏振成像技術(shù)是利用物體的反射光和后向散射光的偏振特性的不同來(lái)改善成像的分辨率。根據(jù)散射理論，物體反射光的退偏度大于水中粒子散射光的退偏度。如果激光器發(fā)出水平偏振光，當(dāng)探測(cè)器前面的線偏振器為水平偏振方向時(shí)，物體反射光能量和散射光能量大約相等，對(duì)比度最小，圖像模糊；當(dāng)線偏振器的偏振方向與光源的偏振方向垂直時(shí)，則接收到的物體反射光能量遠(yuǎn)大于光源的散射光能量，所以對(duì)比度最大，圖像清晰。

在以上幾種技術(shù)中，我們認(rèn)為距離門(mén)選通是比較重要的一種，因?yàn)閷?shí)際上三維成像技術(shù)中也用到了距離選通的原理，只是采用方法不同，因此它們對(duì)成像探測(cè)器的性能要求是相同的。

二、關(guān)鍵器件發(fā)展?fàn)顩r

⒈ 激光器技術(shù)

激光掃描水下成像系統(tǒng)大多采用氬離子連續(xù)波激光器，其輸出功率小于5W。氬離子連續(xù)波激光器具有光束質(zhì)量好、分辨率高、圖像穩(wěn)定等特點(diǎn)。由于更大的激光功率并不能明顯提高成像距離，因此氬離子連續(xù)波激光器是激光掃描水下成像系統(tǒng)比較好的選擇。

距離選通水下成像和其它三維水下成像系統(tǒng)的激光器大多采用閃光燈泵浦Nd:YAG激光器。該器件技術(shù)成熟，成本較低，輸出波長(zhǎng)為1106Lm，經(jīng)過(guò)倍頻可以得到532nm的綠光。目前平均功率可達(dá)幾十瓦，作用距離可達(dá)到幾千米。為了提高水下的成像質(zhì)量，提高照明激光器的功率和使激光器小型化是目前發(fā)展的方向。

對(duì)Nd:YAG激光器，隨著成本的下降，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是采用激光二極管泵浦，并且是連續(xù)二極管激光泵浦。其原因很簡(jiǎn)單，二極管激光器體積小，重量輕，非常適合于水下工作。

⒉ 接收器技術(shù)

水下成像環(huán)境要求成像系統(tǒng)具有弱光成像能力和具有消除后向散射干擾的選通特性，這就要求接收器必須具備高速外觸發(fā)功能、高分辨率、高靈敏度、低噪聲、足夠的增益動(dòng)態(tài)范圍。因此一般采用微光成像攝像機(jī)。典型的微光成像攝像機(jī)包括：硅增強(qiáng)靶(SIT)攝像機(jī)、增強(qiáng)型硅增強(qiáng)靶(ISIT)攝像機(jī)、電荷藕荷器件(CCD)攝像機(jī)、增強(qiáng)型電荷藕荷器件(ICCD)攝像機(jī)。這幾種器件相比較而言，由于ICCD具有較高的靈敏度，因此是目前接收器件的首選。

另外，正在發(fā)展中的器件有電子轟擊CCD(E2BCCD)成像器件和電子倍增CCD(EMCCD)。由于ICCD 受MCP、光纖面板窗以及熒光屏的影響，噪聲及MTF經(jīng)過(guò)多個(gè)傳遞環(huán)節(jié)的衰減使像質(zhì)變差。美國(guó)在1996年研制出了電子轟擊CCD，它將CCD放置在真空管電子成像面處，利用高能電子的電子增益實(shí)現(xiàn)圖像的電子增強(qiáng)，因此器件不受微通道板和光纖面板的影響，具有很高的靈敏度和幾乎無(wú)噪聲的增益。EM CCD是當(dāng)前采用最新的CCD生產(chǎn)工藝制造的成像器件，它在繼承了CCD器件優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，具有與ICCD器件相近的靈敏度。

三、系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

美國(guó)在十幾年前實(shí)際上已開(kāi)始激光掃描水下成像系統(tǒng)的研究，由于保密原因，沒(méi)有正式報(bào)道。目前，國(guó)外已研制出多種型號(hào)激光掃描水下成像系統(tǒng)，有的已成功地用于海下勘測(cè)、搜索和攝像。西屋水下激光系統(tǒng)公司和應(yīng)用遙測(cè)技術(shù)公司分別研制成功出了各自的同步掃描激光水下成像系統(tǒng)，其中西屋公司的激光水下成像系統(tǒng)70°的有效視場(chǎng)掃描時(shí)間為011ms。該系統(tǒng)被布設(shè)在潛艇下面，或者拖曳在水面艦船的后面。當(dāng)船向前航行時(shí)，該系統(tǒng)就成像出海底的二維圖像，水下觀測(cè)和成像距離可達(dá)4個(gè)衰減長(zhǎng)度(光在水中的衰減隨光的波長(zhǎng)和水質(zhì)的變化而變化)，其圖像分辨率和清晰度都很高。遙測(cè)技術(shù)公司的同步掃描系統(tǒng)的水下成像距離可以達(dá)到5個(gè)衰減長(zhǎng)度。遙測(cè)技術(shù)公司的系統(tǒng)使用快速旋轉(zhuǎn)的棱鏡控制激光束掃描，目前該系統(tǒng)已裝備潛艇。

距離選通激光水下成像技術(shù)的研究比較早，美國(guó)早在1966年就已開(kāi)始研究。最近美國(guó)Sperry海洋有限公司報(bào)道的實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果表明，在衰減系數(shù)為0.1/m的水體中，觀察距離與理論計(jì)算相近，達(dá)160m，在混濁的近岸水體中，也能觀察到30m距離。它使用的光源是倍頻Nd:YAG激光器，接收器是該公司制造的增強(qiáng)型CCD相機(jī)。Sparta公司研制成功的距離選通激光水下成像系統(tǒng)采用閃光燈泵浦Nd:YAG激光器，其激光輸出經(jīng)倍頻后產(chǎn)生532nm的綠光，重復(fù)工作頻率為10Hz，轉(zhuǎn)換成綠光的電效率為1%,功耗為250W，系統(tǒng)視場(chǎng)達(dá)12°。此系統(tǒng)在港口水域中的成像距離是500W燈泡照射系統(tǒng)的5倍。另外，采用倍頻Nd:YAG激光器的測(cè)距系統(tǒng)也達(dá)到30～50m的成像距離。

三維成像技術(shù)研究方面，美國(guó)圖森Arete協(xié)會(huì)在海軍研究局的資助下在實(shí)驗(yàn)室對(duì)基于條紋管技術(shù)的高分辨率三維成像系統(tǒng)進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，確定了條紋管接收器的橫向和距離分辨率。在亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)中心的配合下，實(shí)現(xiàn)高分辨率三維圖像。使用倍頻Q開(kāi)關(guān)鎖模Nd:YAG激光器，每秒產(chǎn)生35個(gè)532nm的脈沖，在一般水域中，實(shí)驗(yàn)得到三維方向上的分辨率高于6 135mm；在深水池中，試驗(yàn)得到距離分辨率約為91144m，橫向分辨率約為6135mm，距離分辨率受到Q開(kāi)關(guān)激光器9ns脈寬的限制。若使用每秒產(chǎn)生3個(gè)580nm脈沖的碰撞脈沖鎖模染料激光器，可得到更精確的距離分辨率。在混濁的海水中，如果要得到10～30m距離遠(yuǎn)的高分辨率圖像，需要使用高能脈沖激光來(lái)克服海水的衰減和散射影響。為了提高距離分辨率，LietCycles有限公司研制出一種喇曼壓縮激光器。使用這種2ns激光能大大提高距離分辨率，可以對(duì)水下432mm高的目標(biāo)進(jìn)行清晰成像。

偏振光水下成像技術(shù)方面，國(guó)外從20世紀(jì)60年代起做了不少模擬實(shí)驗(yàn)。英國(guó)海軍潛水醫(yī)學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室在游泳池中實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在線偏振光源亮度一定的情況下，潛水員戴有檢偏器觀察時(shí)，其視覺(jué)銳度及觀察距離反而不及不帶檢偏器觀察為好。自由活動(dòng)的潛水員還要經(jīng)常調(diào)整其檢偏器的偏振取向，十分不便。采用圓偏振光照明則無(wú)上述不便，且一些實(shí)驗(yàn)表明，大多數(shù)漫射目標(biāo)傾向于使圓偏振光退偏振的程度優(yōu)于對(duì)線偏振光的退偏振。美海軍水下研究及發(fā)展中心、海軍武器試驗(yàn)站對(duì)用圓偏振光照明提高能見(jiàn)度作了模擬實(shí)驗(yàn)，取得了肯定結(jié)果，并測(cè)量了漫射目標(biāo)及水體的偏振系數(shù)。

國(guó)內(nèi)方面，近幾年來(lái)，西安光機(jī)所、長(zhǎng)春光機(jī)所、上海光機(jī)所和天津電視技術(shù)研究所、北京理工大學(xué)、華中理工大學(xué)、東南大學(xué)等單位均對(duì)水下成像系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但與國(guó)際先進(jìn)水平相比還有很大的差距。北京理工大學(xué)正在研制一種適合水下成像系統(tǒng)的選通型ICCD器件，采用了國(guó)產(chǎn)某型高性能超二代像增強(qiáng)器，預(yù)計(jì)對(duì)我國(guó)水下成像系統(tǒng)的發(fā)展有一定的推動(dòng)作用。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文概述了當(dāng)前水下激光成像技術(shù)的工作原理、特點(diǎn)和發(fā)展?fàn)顩r，闡述了對(duì)水下圖像進(jìn)行處理的相關(guān)技術(shù)。從目前的技術(shù)狀況可知，水下成像技術(shù)是一個(gè)系統(tǒng)工程，它不但依賴于相應(yīng)的器件性能，而且依賴于整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此外，一些先進(jìn)的識(shí)別技術(shù)，如距離編碼、極化濾波、圖像提取等預(yù)計(jì)將進(jìn)一步在水下成像系統(tǒng)中得到應(yīng)用。