水下光學(xué)成像技術(shù)及應(yīng)用

孫鵬

(上海瑞洋船舶科技有限公司,上海201108)

水下成像技術(shù)主要應(yīng)用于水下作業(yè),在水這種介質(zhì)中傳播時(shí)光的能量會(huì)有較多損耗,同時(shí)容易產(chǎn)生光噪聲,而且光在水中會(huì)發(fā)生折射和散射,這樣一方面會(huì)造成光的能量受損成像質(zhì)量差,另一方面系統(tǒng)成像距離受損。在水下成像技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段,雖然能通過(guò)增加光的強(qiáng)度的方法改善成像效果,但光會(huì)出現(xiàn)反向噪聲的問(wèn)題。近年來(lái)激光技術(shù)得到了廣泛研究與發(fā)展,激光被應(yīng)用到水下成像技術(shù),發(fā)展出了水下激光成像技術(shù)。采用激光,能改善光的散射效應(yīng)和吸取功率減退效應(yīng),這樣一來(lái)水下成像質(zhì)量得到了極大的提高,同時(shí)也增加了勘測(cè)的距離。目前水下激光成像系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于海洋開發(fā)、軍事、工程應(yīng)用方面,比如海上走私船監(jiān)視、海上軍事裝備的檢修與監(jiān)控、海底軍事目標(biāo)的搜查以及海底隧道的勘測(cè)維修等。近幾年水下成像技術(shù)發(fā)展迅速,在實(shí)用階段取得了良好的效果,尤其是在系統(tǒng)成像深度及效果方面進(jìn)步顯著,這些進(jìn)步與激光技術(shù)和先進(jìn)成像技術(shù)的發(fā)展密不可分。但是在面對(duì)內(nèi)河水域,尤其是水質(zhì)渾濁甚至潛水員在水下的能見度為零的時(shí)候,常規(guī)水下成像技術(shù)顯得力不從心,在確定水下物品價(jià)值、水下物品型號(hào)等方面顯得捉襟見肘,無(wú)法及時(shí)完成水下作業(yè)的前期考察準(zhǔn)備工作。因此在渾水、含泥沙量大、潛水員在水中能見度為零或近似于零的水域下研發(fā)一種渾濁水域水下光學(xué)成像設(shè)備稱為當(dāng)前亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。

1 水下成像技術(shù)原理及其重要性

在自然環(huán)境下,高效獲取圖像信息并對(duì)其進(jìn)行處理和分析較為困難,這是因?yàn)樵诠鈱W(xué)成像系統(tǒng)內(nèi),其自身的能見度和所得圖像的對(duì)比度過(guò)低,無(wú)法得到高質(zhì)量圖像信息。具體而言,光在水體中存在能量損失和散射,使得有效光線在傳輸過(guò)程中失真,造成成像模糊,無(wú)法達(dá)到水下勘測(cè)目的。此外,光在水中受水中物質(zhì)影響會(huì)出現(xiàn)光噪聲,對(duì)目標(biāo)反射光造成了很大的干擾,這會(huì)降低圖像的對(duì)比度。因此水下光學(xué)成像退化的主要原因就是水會(huì)不同程度地吸收不同光波；水中懸浮顆粒造成光的散射；當(dāng)光穿過(guò)水體時(shí),水體中存在多種物質(zhì)的單位長(zhǎng)度對(duì)不同光波的光的衰減作用各不相同,這會(huì)導(dǎo)致圖像的顏色失真。水下成像模型及水下光線吸收?qǐng)D如圖1所示。其中光的散射是最主要的原因,主要體現(xiàn)在:散射作用下的光能量被嚴(yán)重?fù)p耗,導(dǎo)致成像距離不足；前向散射導(dǎo)致光的能量逸散,導(dǎo)致光信號(hào)不足和失真,成像模糊；而后向散射的光會(huì)在成像系統(tǒng)內(nèi)造成光噪聲,導(dǎo)致成像的信噪比遭到嚴(yán)重破環(huán),甚至無(wú)法成像。尤其在海水中,水體環(huán)境更為復(fù)雜,海水對(duì)光的散射作用相對(duì)強(qiáng)烈,更容易出現(xiàn)水下圖像模糊的現(xiàn)象。這是因?yàn)樗聰z像機(jī)所接受到的很大一部分光線并非直接來(lái)源于目標(biāo)體。此外海水對(duì)可見光的吸收作用更加顯著,但是光在波長(zhǎng)500多納米左右時(shí)在海水中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)固定“透射窗口”,某些激光器比如YAG激光器發(fā)出的波長(zhǎng)恰好處在海水的這一“窗口”里,利用激光的某些特性,將其和一些具有特殊功能的光電器件相結(jié)合,能最大限度地抑制海水對(duì)光線的吸收和散射作用,提高成像效果。不同光源成像效果如圖2所示。

圖1 水下成像模型及水下光線吸收示意圖

圖2 不同光源下拍攝水下圖像

水下成像技術(shù)顯著特點(diǎn)之一是水體中,光的強(qiáng)散射效應(yīng)以及快速吸收功率衰減特性要求比空氣更加嚴(yán)格?，F(xiàn)階段水下成像技術(shù)在實(shí)用階段取得了良好的效果,主要的成像技術(shù)有:常規(guī)成像技術(shù)、三維成像技術(shù)、聲納成像技術(shù)以及偏振成像技術(shù)。其中常規(guī)成像技術(shù)具體可分為激光掃描與距離門選通兩種類型,它們的工作特點(diǎn)和原理各有差異。激光掃描主要依靠激光器和探測(cè)器同步機(jī)械掃描成像,其中激光束由激光器發(fā)射,由探測(cè)器接受并反射。距離門選通則是在發(fā)出光束后,激光按時(shí)間次序依次到達(dá)探測(cè)器后,在探測(cè)器成像階段采用快門選通的方法成像。但這種方法不能收集所有距離反射光傳遞的信息。三維成像技術(shù)主要采用了條紋管這一器材,時(shí)間分辨條紋管接收到扇形光束時(shí),能接收到不同距離的反射光信息,通過(guò)掃描或者CCD技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行處理和存儲(chǔ)。偏振成像則是利用光在不同介質(zhì)傳播時(shí)偏振特性的差異改善成像分辨率的。

2 激光成像技術(shù)

激光成像技術(shù)是水下成像技術(shù)最常見的一種成像技術(shù)。常見的兩種激光成像技術(shù)分別為激光掃描水下成像技術(shù)和條紋管水下激光三維成像技術(shù)。其中距離選通成像系統(tǒng)原理圖如圖3所示,其主要原理是光在水中會(huì)發(fā)生后向散射,此時(shí)光的強(qiáng)度在水中的中心軸會(huì)迅速減小。該系統(tǒng)主要有激光發(fā)射器、探測(cè)器與激光束等設(shè)備。激光器發(fā)出窄光束激光,接收器采用窄視場(chǎng)角,這樣能減小視場(chǎng)間的重疊部分,減少散射光,保證成像清晰。條紋管水下激光三維成像技術(shù)利用脈沖激光,把時(shí)間分辨條紋管作為信號(hào)接收器。其工作時(shí),發(fā)射器發(fā)出扇形光束,該光束不在軸線上,信號(hào)傳輸至條紋管成像,成像位置在光電陰極。初步成像后,光電子逸出光電陰極后會(huì)經(jīng)平行板電極,在加速、聚焦和偏轉(zhuǎn)的作用下進(jìn)入下一階段,而經(jīng)過(guò)偏轉(zhuǎn)的光束會(huì)被垂直于扇形光束方向的掃描電壓控制,將光電信息轉(zhuǎn)換為具體的水下三維信息。

圖3 激光掃描水下成像

3 關(guān)鍵器件發(fā)展?fàn)顩r

激光掃描水下成像系統(tǒng)主要核心部件為激光器和接收器。激光器以氬離子連續(xù)波激光器為主,這是因?yàn)檫@種激光器具有光束質(zhì)量好、分辨率高、圖像穩(wěn)定等特點(diǎn)。成像距離與激光功率大小無(wú)明顯關(guān)系,所以氬離子連續(xù)波激光器是水下成像系統(tǒng)激光器較好的選擇之一。針對(duì)不同類型的水下成像技術(shù)如距離選通水下成像技術(shù),其激光器選擇更為成熟、成本更低的YAG激光器。此外激光器小型化是其未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì),尤其是激光二極管泵浦的發(fā)展,能大大提高激光器的水下工作能力。水下成像系統(tǒng)接收器多使用微光成像攝像機(jī),其中ICCD因其高靈敏度的特點(diǎn)成為接收器首選。隨著科技的發(fā)展,具有CCD器件優(yōu)點(diǎn)且靈敏度不低于ICCD器件的EMCCD器件將成為未來(lái)的主流接收器。

水下成像技術(shù)的應(yīng)用與其發(fā)展階段息息相關(guān),大概可分為三個(gè)階段:初級(jí)階段、發(fā)展階段以及成熟階段。初級(jí)階段主要是美國(guó)為首的國(guó)家,基于海洋軍事需求研制出僅有測(cè)深功能的實(shí)驗(yàn)樣機(jī),隨后美國(guó)宇航局研制出了有掃描和高速數(shù)據(jù)記錄功能的機(jī)載海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)AOL。在發(fā)展階段,美國(guó)海軍和加拿大等國(guó)家相繼研制出性能提升,具有掃描、高速數(shù)據(jù)記、錄定位等功能的海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)和水文勘測(cè)系統(tǒng),在軍事領(lǐng)域和海洋工程領(lǐng)域大放光彩。在成熟階段,水下成像技術(shù)隨著激光器技術(shù)和接收器技術(shù)不斷發(fā)展,激光水下成像技術(shù)在軍事和民用領(lǐng)域應(yīng)用越來(lái)越廣泛。比如美軍成功研發(fā)并應(yīng)用的ML-90型“魔燈”藍(lán)綠激光系統(tǒng),其水下探測(cè)深度已超過(guò)60米；而在1994年,美國(guó)的SPARTA激光實(shí)驗(yàn)室研制了水下距離選通成像系統(tǒng)See-Ray。此外加拿大也大力發(fā)展水下成像技術(shù),相繼研制出LUCIE系列成像系統(tǒng),在直升機(jī)反潛作戰(zhàn)、軍事監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,該系統(tǒng)開發(fā)了三代,其性能指標(biāo)大幅提升,重量和體積也得到了較大的優(yōu)化。

4 水下成像技術(shù)的前景展望

隨著水下成像技術(shù)的不斷發(fā)展,其應(yīng)用前景也越來(lái)越廣闊。水下成像系統(tǒng)的研究與發(fā)展首先表現(xiàn)在軍事領(lǐng)域,尤其是潛艇監(jiān)測(cè)方面。此外在民用領(lǐng)域如海洋工程、水下隱蔽工程等中的應(yīng)用也越來(lái)越成熟。將水下成像技術(shù)用于水文勘測(cè)、水下作業(yè)檢測(cè),大大提升了作業(yè)質(zhì)量,可實(shí)現(xiàn)施工和檢測(cè)同步進(jìn)行,并能對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)修正,另外水下成像技術(shù)也可以用于水下環(huán)境監(jiān)測(cè)、海洋魚群探測(cè)、海底地形地貌勘探等行業(yè),并通過(guò)總結(jié)操作經(jīng)驗(yàn)對(duì)水下作業(yè)進(jìn)行規(guī)范化管理和指導(dǎo)。

5 結(jié)論

本文主要對(duì)水下成像技術(shù)的原理、種類、特點(diǎn)以及發(fā)展現(xiàn)狀和展望做了相應(yīng)的介紹,重點(diǎn)闡述了水下激光成像技術(shù)。從水下成像技術(shù)的發(fā)展來(lái)看,作為一個(gè)應(yīng)用前景廣闊、發(fā)展迅速的一個(gè)系統(tǒng)性工程,水下成像技術(shù)對(duì)系統(tǒng)性設(shè)計(jì)和相關(guān)器件性能依賴性比較大,且這也是其未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)和突破口之一,尤其是極化濾波、圖像提取等先進(jìn)的識(shí)別技術(shù),能進(jìn)一步促進(jìn)水下探測(cè)、成像技術(shù)更快更好地發(fā)展。