距离选通水下激光成像技术研究

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论文水下光电成像技术简介

水下光电成像技术简介激光距离选通成像技术是当前国内外不断发展且应用有效的水下光电成像技术之一,国外20世纪90年代后陆续公开了一些水下光电成像探测系统和实验结果。

结合海洋资源勘探、水下救援和侦察等应用领域的需求,全面介绍并对比分析了当前国内外典型水下激光距离选通成像装置和性能水平,讨论了其技术特点,对水下激光距离选通成像技术的发展和装置应用具有意义。

激光距离选通成像技术是当前国内外不断发展且应用有效的水下光电成像技术之一,国外20世纪90年代后陆续公开了一些水下光电成像探测系统和实验结果。

我国宽广的海域具有丰富的资源，但由于与周边国家存在一些海域的归属争议，特别是近年来对能源的需求和国际势力的插手，更加剧了我国周边海域出现战事争端和资源争夺的可能。

针对深海资源开发、海洋科研以及水下工程作业、考古和救援的迫切需求，研究适合载人潜水器、遥控潜水器、自治式潜水器、水下滑翔器、水下救援等高分辨力水下目标探测、观察、定位和分析技术成为国内外研究的重要方向。

目前水下成像探测技术主要有声探测和光电探测两种途径。

声探测技术探测距离较远，但成像的空间分辨力较差，难以完全适应高分辨力成像的需要；光电成像探测技术分辨力高，但由于光线在水中快速衰减，在一定深度以下往往需要辅助照明，且由于照明光后向散射的影响，使得人眼直接观察以及传统连续照明电视成像的有效作用距离较短，因此，提高水下光电成像系统的作用距离和细节分辨能力需要采用特殊的光电成像方法。

本文将重点分析国内外水下光电成像技术与系统研究进展，特别是激光扫描成像、偏振成像等几种特殊的水下光电成像技术，希望对国内有关方面的研究具有参考作用。

1 几种水下光电成像技术与系统国外从20世纪70年代开始主被动水下光电成像探测技术的研究，90 年代后陆续公开了一些水下光电成像探测系统和实验结果。

北京理工大学科技成果——基于水下距离选通成像的水下考察勘探成像观察仪

北京理工大学科技成果——基于水下距离选通成像
的水下考察勘探成像观察仪
成果简介
距离选通技术利用脉冲激光器和选通摄像机，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。

利用激光距离选通夜视成像技术，研制水下考察勘探成像观察仪，实现对海洋、湖泊、水库等的水下观察、勘探和救援等。

实现水下图像的对比度增强，适合深水或夜间使用，其观察距离较裸眼远5-7倍，较传统摄像装置远2-4倍。

项目来源自行开发
技术领域电子信息
应用范围本项目的产品化在军事、公安和民用等领域具有广泛的应用前景，包括水下有人/无人运载器的观察与导航；水下资源勘探，例如海底考古观察等；水库大坝、水下管道的检测；水下救援：海难水下救援等。

应用拓展：与地理信息系统、惯导技术等的结合，
可实现更高层次的救援装备，如水下救援。

所在阶段小规模生产
成果转让方式合作开发
市场状况及效益分析目前除军口外，其它领域尚未全面应用，关键是尚难提供合适的产品，此外还有许多有待扩展的应用领域，技术的产业化前景广阔。

基于FPGA水下激光距离选通成像处理

基于FPGA水下激光距离选通成像处理
摘要：水下激光距离选通成像中要对水下距离选通图像进行增强处理。

水下图像通常具有噪声大、对比度差、照度不均匀的特点。

通过分析水下图像的成像特点，针对引起图像降质的因素进行增强算法设计，提出了基于帧叠加去噪与双平台直方图变换相结合的视频增强算法。

可实现目标信息增强的同时抑制背景，将目标和背景区别处理。

算法以Xilinx 公司的XC5VLX50T 系列FPGA 芯片为核心，使用到了软核Microblaze、片内BLOCKRAM、外部SRAM 等资源设计硬件系统，并已在水下选通成像系统中得到有效应用。

0 引言
水下激光距离选通成像技术是当下较为成熟的水下光电成像技术之一，对于提高水下成像系统的成像质量具有良好的效果。

水下距离选通成像技术的应用，可以将水下光电成像设备的探测距离提高3～5倍。

在水下激光距离选通技术的基础上，选取适当的水下图像增强技术，将会使整个选通成像系统的成像质量得到大幅提升[1-3]。

实时视频增强技术在水下激光距离选通成像设备上的应用，对激光选通成像技术的小型化应用有着非常重要的意义。

水下激光距离选通成像理论及技术研究

TTHG 相函数
pTTGH ( ) pOTHG ( , g1 ) (1 ) pOTHG ( , g2 )
θ为散射角，0 ≤ g1 , g2≤ 1， 0 ≤ α ≤ 1为常数
v 1 1 v 1 πv 1 2 p FF 2 4 16π(1 ) v 3 cos 1 v 4π 1 2 1 v v 1 π π u
偏振区分技术
当自然光或主动光照明时，利用水体散射光与目标反射光间的偏振信息差异来滤除传输路径上的水体后向散射光；不仅能提高成像对比度，还能修正场景颜色。复原图像的可视距离比原图像提高近一倍。
多视角图像重构技术
采用多个主动成像系统，使照明与成像系统分离开来，以尽量减小照明与成像视场的重叠区域，可进一步提升系统作用距离。
粒径分布已知的4 种单组分多分散系的米氏理论相函数
C1 C2 C3 C4
6 5
1000
pMie / sr-1
Turbid seawater
Volume (%)
p(θ) / sr-1
4 3 2 1
10
10 0.1
C1 C2 C3 C4
0.1
0.001
0.1 1 10 100 Scattering angle θ / º
2013-7-12
一、国内外研究现状
国外典型距离选通成像系统性能指标
技术指标激光器
瑞典 Aqua Lynx
YAG
加拿大
LUCIE YLF LUCIE2 YVO4
美国
See-Ray YAG 超短门宽系统 YAG
丹麦 3-D激光雷达 YAG

激光距离选通三维成像技术原理及其应用

科技与创新┃Science and Technology&Innovation ·152·2017年第22期文章编号：2095－6835（2017）22－0152－02激光距离选通三维成像技术原理及其应用马莹，侯云海，魏洪朋（长春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春130012）摘要：距离选通超分辨率三维成像技术被广泛应用于水下成像、目标探测、远距离侦查等领域。

阐述了激光距离选通三维成像技术的原理，对延时步进、增益调制和超分辨率这3种方法进行了对比分析，介绍了距离选通超分辨率三维成像技术的2种算法（梯形距离能量相关算法和三角形距离能量相关算法），并进一步介绍了基于这2种算法的指数编码方法，综述了以上算法的研究进展。

关键词：距离选通；超分辨率；延时步进；增益调制中图分类号：TN249；TN958.98文献标识码：A DOI：10.15913/ki.kjycx.2017.22.152激光距离选通三维成像技术是一种主动成像技术，它是通过激光器主动发射激光，根据目标反射回来的光信号返回接收系统时间的不同，控制CCD的选通完成对目标的切片成像，并基于目标的强度像反演目标的三维空间信息。

激光距离选通三维成像技术能够有效地抑制大气或水的后向散射，与传统成像技术相比，该技术有较高的分辨率且作用距离远、抗干扰能力强，还可以获得目标的距离像和强度像，被广泛应用于水下成像、目标探测、远距离侦查等领域。

1原理距离选通三维成像系统主要由激光器、ICCD接收器、同步控制脉冲来实现。

首先激光器向目标发射激光脉冲，此时接收系统ICCD选通门关闭，以此来屏蔽大气散射光及其他光的干扰，降低获取图像的噪声。

当反射回来的目标光信号到达ICCD时，控制选通门打开，接收目标反射光信号，完成成像[2]。

目前，主要通过延时步进、增益调制和超分辨率3种方法实现激光距离选通三维成像[1]。

1.1延时步进的原理延时步进技术也叫“时间切片技术”，这种技术是2004年提出的，首先使用激光器发射激光，经过一段延时时间后打开摄像机的选通门成像，通过对延迟时间的步进增加，则可以得到N张目标的二维切片图像，即时间切片图像。

基于距离选通成像系统的水下目标探测技术研究

基于距离选通成像系统的水下目标探测技术研究
陈超，鸿儒，高平，杨黎吴磊，俞兵，杨斌，宝宁，博妮，李鹏吴张吴
（安应用光学研究所，西陕西西安７０６）１０５
摘要：于距离选通原理，用波长为５２ｎ、冲宽度为２ｓＮｄ：基采３ｍ脉０ｎ的ＹＡＧ激光器和距离
ｓｏｔａｈａｇ — ａｅｍａｉｇｍｅｈｄｉａｉｎｆｅｔｖｅｈｏｏｙｆｒｕｄｒｔｒｈｗｈｔｔｅｒｎｅｇｔｄｉｇｎｔｏｓａｒｐｄａｄｅｆｃｉｅｔｃｎｌｇｏｎｅｗａｅ
ｏｊｃｅｅｔｎａｄｒｏｇｎｚｔｏ．ｂｅｔｄｔｃｉｎｅｒａｉａｉｎｏ
Ｋｅｒｓｉｇｎｙｔｍ；ｒｎｅｇｔｄ；Ｉｙｗｏｄ：ｍａｉｇｓｓｅａｇ —ａｅＣＣＤ；ｕｄｒｔｒｏｊｃｓｄｔｃｉｎｎｅｗａｅｂｅｔｅｅｔｏ
引言
近年来，下目标的探测和识别一直是成像水
领域的具有挑战性的课题之一。由于水体的后向
实验，出了不同条件下水下目标的选通图像和给
分析结果。
散射致使较远距离的目标信号淹没在水体后向散射信号中，致对比度差及成像距离显著下降。导
距离选通成像作为一种远距离和复杂环境下目标

激光照明水下目标距离选通成像系统的研制

定位、成像和自动识别［１］，且在近、浅海海域比声纳探测有优势，具有广阔的应用前景。目前已有多个国家研制
出水下目标激光探测系统，其有效探测水深已达到了５倍以上水衰减长度 ¨ ２，有些已得到成功应用，如美国的ＫＦ一１００ＦｉｓｈＥｙｅ机载激光探鱼系统，已可以探测单条鱼或者鱼群，确定鱼群密度、种类等］。国内开展相关技术研究的时间较晚，与国外先进技术存在较大差距［】］。由于光在水下传输的衰减和后向散射是限制水下激
射光和目标反射光，使由被目标反射回来的光脉冲在摄像机选通开启时间内到达摄像机并成像（图１）。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。选通门或光闸开启的
激光照明水下目标距离选通成像系统的研制
王荣波，钟森城，李泽仁，周维军，吴廷烈，罗振雄，田建华，何莉华
（中国ｌＴ程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳６：基于水下目标探测的应用需求，研制开发了一套激光水下距离选通成像系统。系统采用波长

距离选通技术在三维成像激光雷达中的应用研究

李东，华军，杨郑秋贞，志辉邓
（电子科技大学物理电子学院，川成都６０５）四１０４
摘要：距离选通技术在三维成像激光雷达中有着重要应用，是一种解决水下微光成像和抑制后向
散射问题的简单有效方法之一。文中概述了距离选通技术的原理和应用范围，据实时成像的需求，根
表明：离精度受系统信噪比的影响很大，距当信噪比大于２０００时，测距精度优于０２．ｍ。关键词：距离选通；实时成像；三维激光雷达；测距精度
中图分类号：Ｎ９８Ｔ５文献标志码：Ａ文章编号：１０ — ２６２１）１０８ — ４０７２７（０２０ — ０５０
Ａｐｐｉａｉｎｏａｇ — ａｅｅｈｎｌｇｎｔｌｔｏｆｒｎｅｇｔｄｔｃｏｏｙｉｈｅｃ
ｔｒｅｄｍｅｉｎａｍａｉａｅａａｈｅ－ｉｎｓｏｌｉｇｎｇｌｓｒｒｄｒ
ＬｏｇＹｎｕｊｎＺｅｇＱｕｈｎＤｎｈｕｉｎ，ａｇＨａ，ｈｎｉｚｅ，ｅｇＺｉｉＤｕｈ
第４卷第１期１
ＶＯ．１４ｌＮＯ．１
红外与激光工程
ＩｆａｅｎｓｒＥｎｉｅｒｎｎｒｒｄａｄＬａｅｇｎｅｉｇ
２１０２年１月
Ｊｎ．２２ａ０１
距离选通技术在三维成像激光雷达中的应用研究

海洋技术交流一种距离选通水下激光成像系统设计与实验研究

技术交流▏一种距离选通水下激光成像系统设计与实验研究目前使用较多的水下成像方式是水下自然光照射下高灵敏度高帧频数字相机拍摄与录像，这种方式虽然工程应用成熟，但成像距离受水质影响严重，故此种成像方式获得的视频图像大部分对比度、清晰度不够，细节分辨能力较差，不能完全满足水下工程作业实况观测的需求，故研究一种成像距离较远、成像更清晰、细节分辨能力更好的水下成像方式很有意义。

1963年人们在研究水对光波的透射性时发现波段在470～680nm之间的蓝绿激光在水中传输时衰减较其他波段小很多，很适合于水下应用。

随着激光技术的发展，具有高强度、高准直性和高单色性的激光光源被研制出来，于是基于蓝绿激光透射窗口的水下激光成像系统设计与研究慢慢兴起。

加拿大1990年开始了这方面的研究，至2009年共设计了三代产品：LUCIE1、LUCIE2和LUCIE3，其中第三代系列产品可在7.35倍衰减长度距离对竖条纹靶成像分辨。

美国的SPARTA公司在1994年研制的See Ray距离选通成像系统能探测到6.4倍衰减长度的目标。

另外，丹麦、瑞典、新加坡等国在这方面也分别取得了一些突破，成功研制了一些水下激光成像系统。

鉴于国外技术封锁，国内应用需求较少，且研究成本较大，故国内关于水下蓝绿激光成像系统的研究进展缓慢，鲜有工程应用的产品与实例。

本文借鉴国外设计思想，设计了一种距离选通水下激光成像系统，介绍了其工作原理、系统组成及功能模块，分析了其工作流程，最后对其水下成像效果进行了实验研究，实验结果显示此距离选通水下激光成像系统较常规自然光被动成像系统成像距离远很多，能达到约6倍衰减长度，且细节分辨能力较好，对水下工程作业高清晰度实况观测具有很好的参考意义。

一、工作原理水下光电成像探测的两个主要障碍是海水对光线的强烈吸收及严重的后向散射，前者降低系统的探测距离，后者降低图像的对比度进而也降低探测距离。

水下激光成像是一种主动光电成像技术，它利用了海水具有蓝绿光学窗口的特性，采用透过率高的蓝绿激光作为水下照明光源，同时采用距离选通技术抑制后向散射，其成像距离明显提高，显著优于普通水下电视。

水下激光成像系统设计及实验

第36卷，增刊红外与激光工程2007年9月V bl．36Suppl e m e nt I】臣6鼍red a nd I。

ase r Engi nee血g S e p．2007水下激光成像系统设计及实验杨述斌1，彭复员2(1．武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉430073；2．华中科技大学电子信息工程系，湖北武汉430074)摘要：针对水下目标探测这一难题，设计了基于距离选通技术的水下激光成像系统并进行了相关实验。

从实验结果来看，该系统可有效克服激光后向散射并对水下目标进行成像，对于水下目标探测、识别十分有效。

，关键词：水下激光成像：距离选通；后向散射中图分类号：TN248文献标识码：A文章编号：1007—2276(2007)增(探测与制导)一0075．04 1飞■'●n l■■●●J_，e Sl gn ann eX per l m ent0I an U nner W at er I aSer l m a里qng SV St emW凼G Shu-bi I l l，PE N G Fu．yuan2(1．sch砌of Ele嘣cal＆Ⅻb玎nali∞Eng．，w盯'‰430073，chiIla；2．呻t_of Elec咖ics＆埘．o彻撕∞Eng．，邸sT，wuh姐430074删A bst r舵t：Unde刑a t er t a r ge t det e‘：t i o n i s al w ays di f!f i cul t．A n unde哪at er l a se r i m a百ng s ys t em isde si gl l e d bas ed on r an ge gat i ng aI l d re l a t e d exper i m ent s ar e pr oces s ed．T he exper i m ent s pr oved m at m ei m a gi ng s ys t em coul d ef f i c i e nt l y el i I I l i nat e backs cat t ered1a se r and、l nd er w at er t a唱e t i Im ge w鹊obt ai ned．ni s a ef!I[i ci em m e m od i n under w at er t a r ge t det e ct i on ar l d r e cogni t i on．K ey w or t l s：U nder w at er l a se r i m a百ng；R aI l ge ga廿ng；B a cks cat时0引言水下图像探测要获得好的效果，必须解决吸收和散射两方面的问题。

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ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｗｈｉｃｈｈａｓｏｂｖｉｏｕｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｔｈｅｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄｒｅａｄａｂｉｌｉｔｙｏｆｉｍａｇｅｓｃｏｍｐａｒｉｎｇｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎｌａｓｏｎａｒｉｍａｇｉｎｇ．Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｆｏｒａｎｇｅ—ｇａｔｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｙｇｉｓｉｎｒｔｏｄｕｃｅｄａｎｄｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｓｅｌｅｃｔｉｏｎａｎｄｄｏｍｅｓｔｉｃｎｄａｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎｌａｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｕｎｄｅｗａｒｔｅｒｌｓｅａｒｉｍａｇｉｎｇｄｅｖｉｃｅａｒｅａｎｌｙａｚｅｄ．Ｉｔｈａｓｉｍｐｏｒｔａｎｔｓｉｎｉｇｉｆｃｎｃａｅｉｎｐｒｏｍｏｔｉｎｇｄｅｖｅｂｐｍｅ￣ｏｎｕｎｄｅｗａｒｔｅｒｌａｓｅｒｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｙ．ｇ
【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｉｔｐｌａｙｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｔａｒｇｅｔｓｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎａｎｄｒｅｃｏｇｎｉｉｔｏｎｆｏｒｕｎｄｅｒｗａｔｅｒｌａｓｅｒｉｍａｇｉｎｇ
３．Ｎａｔｉｏｎａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｇｉｏｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈｃｅｎｔｅｒｏｆｍａｄｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６００１，Ｃｈｉｎａ）
口ＺＨＡＯＹａｎｇ ’ ，ＧＡＩＺｈｉ —ｇａｎｇ ’ ，ＺＨＡＯＪｉｅ ’ ，ＣＨＵＳｈｉ —ｂｏ ’ ’
（１．ＳｈａｎｄｏｎｇＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅｆｏＯｃｅａｎｏｇｒａｐｈｉｃＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６００１；
２０１４年第７期第３６卷总第２４１期
ＬｏＧＩＳＴｌＣＳＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＡＮＤＭＡＮＡＧＥＭＥＮＴ
物流工程与管理
经济与管理
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－４９９３．２０１４．０７．０９３
距离选通水下激光成像技术研究
口赵阳，盖志刚，赵杰，初士博。
青岛
（１．山东省科学院海洋仪器仪表研究所，山东青岛
２．山东省海洋环境监测技术重点实验室，山东
３．国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东青岛
【摘
【关键词】水下成像；距离选通；同步控制；信噪比【中图分类号】Ｐ７３３．３＋３【文献标识码】Ａ
【文章编号】１６７４－４９９３（２０１４）０７－０２６９— ０２
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＲａｎｇｅ— ・ｇａｔｅｄＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＬａｓｅｒＩｍａｇｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
２．ＳｈａｎｄｏｎｇＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏＭａｒｉｎｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＭｏｎｉｔｏｎｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６０标的观测和识别方面具有重要的作用，相比传统的声纳的手段，激光成像在图像
的直观性、分辨率和可视性方面具有显著的优势，文中介绍了距离选通技术的工作原理，并分析了水下激光成像设备关键器件的选择和国内外发展现状，对促进我国水下激光光电成像技术的发展具有重要的意义。