水下激光成像系统探测距离的计算与仿真

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水下光电成像探测系统的性能建模分析

的作用距离方程。关键词：下成像；水系统设计；比度模型；用距离方程对作
中图分类号：４，Ｎ２１Ｐ３１Ｔ４
文章编号：０５— ８０２０）３—０３０１０９３（０７０３２— ５
ＡｎｌｓｓｏｒｏｍａｃｏｅｌｇｏｄｒｔｒＩａｉｇａｙｉｆＰｅｆｒｎｅＭｄｌｎｎＵｎｅｗａｅｍｇｎｉＤｅｅｔｏｙｔｍｔｃｉｎＳｓｅ
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
Ｖ０ＩＮｏ３ｌ３１．
Ｊｎ０７ｕｅ２０
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，苏南京２０９）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００７年６月
南京理工大学学报ＪｕｎｌｆｎｉｇＵｎｖｒｉｆｃｎｅａｄＴｃｎｌｇｏｒａｊｉｅｓｙｏｉｃｎｅｈｏｏｙｏＮａｎｔＳｅ

水下激光测距技术在海洋工程中的应用

水下激光测距技术在海洋工程中的应用随着海洋资源的开发和海洋工程的建设，对海底的高精度测量需求不断增加。

而传统的测量方法，如声纳测距和卫星测距存在着各种局限性和不足之处，因此，水下激光测距技术成为了一种更先进、更精确的高精度测量手段，被广泛应用于海洋工程中。

一、水下激光测距技术的基本原理水下激光测距技术是一种基于激光原理的高精度测距方法。

它主要由激光发生器、水下光纤通信系统、接收器等组成。

利用激光作为测量信号，通过水体中的透过率高的光线来进行测量，并传输到接收器进行信号处理和分析，最终得到了测量结果。

二、1、海洋资源勘探水下激光测距技术在海底资源勘探中具有十分重要的应用价值。

通过其高精度、高效率、高清晰度的测量方式，可以对海底沉积物质、岩石结构、生物体等进行精确、全面的测量和记录，为海洋资源勘探提供了有力的技术手段。

2、海底工程建设在海底工程建设中，水下激光测距技术也扮演着不可替代的角色。

例如，在海底油田的开发建设过程中，可以利用水下激光测距技术来实现管道的精确定位、修建等工序。

又例如在海洋港口的建设过程中，可以利用水下激光测距技术来实现海洋工程建设中的定位、防护等复杂的工作。

3、海洋科学研究水下激光测距技术还可以应用于海洋科学研究中。

通过其高精度的测量方式，可以对海洋中的各种活动进行实时观测和记录，例如测定海洋中的水质和水流速，探测海底地形和海底动态等，为海洋科学研究和海洋环境保护提供了极大的帮助。

三、发展趋势与未来展望随着科学技术的不断发展和应用，水下激光测距技术在海洋工程中的应用前景广阔。

未来，随着水下激光测距技术的不断优化和升级，其精度和性能将不断提高，各种特种材料也会不断地被开发和使用，同时更加智能化的数据分析和设计软件也会逐步成熟。

可以预见，水下激光测距技术在海洋工程建设中的应用将会越来越广泛，在海洋资源勘探、海洋科学研究以及海底工程建设方面都将发挥越来越重要的作用。

结语：水下激光测距技术是一种高精度、先进的测量方法，应用于海洋工程中具有十分重要的意义。

同步扫描水下激光成像系统的蒙特卡洛仿真及优化

同步扫描水下激光成像系统的蒙特卡洛仿真及优化肖国梁;屠大维;张旭【摘要】针对水下激光同步扫描三角测距成像系统受水介质散射和吸收影响导致作用距离减小、目标反射点图像质量变差等问题,从辐射传输理论出发,采用蒙特卡洛方法建立水下激光传输的随机模型,利用TracePro软件进行光线追迹仿真,得到反射点图像相对散射光背景的对比度.探讨了目标距离、激光光强、基线距离、物镜口径等改变对对比度的影响关系,从而对水下激光同步扫描三角测距成像系统参数作了优化设计.最后从系统实际情况和需要出发,确定激光光强1W,基线距离250 mm,成像物镜50 mm/F2,确保在7.5m距离范围内,有较好的目标反射点图像对比度,从而保证了同步扫描三角测距原理的实施.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2019(049)008【总页数】6页(P950-955)【关键词】同步扫描;对比度;蒙特卡洛;优化【作者】肖国梁;屠大维;张旭【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言水下光成像,尤其是水下主动激光成像技术,相比于水下声成像有较高的成像分辨率,因而在海洋探索以及海洋军事方面具有重要的应用价值。

然而,由于水介质具有较强的吸收和散射光学特性,激光在水下传播受到了较大的衰减作用,限制了探测距离,也影响了水下激光成像系统的成像质量。

因此,如何合理设计水下激光成像系统以减小散射光对系统的干扰,显得尤为重要。

目前,已有多种提高水下激光成像系统的技术方法,如：基于时间分离的距离选通法[1-2]、基于空间分离的同步扫描法[3-4],以及基于偏振抑制的偏振成像法[5-7]等,这些方法从定性上讲都能够起到抑制散射的作用,也取得了较好的实际成像效果。

然而由于水介质对激光吸收和散射的复杂性,很难对水下激光成像系统进行优化设计,以求达到最佳成像质量和效果。

饱和潜水系统中的水下光学观测和探测

饱和潜水系统中的水下光学观测和探测水下光学观测和探测是饱和潜水系统中的重要环节和任务之一。

在深海中，光的传播受到水的吸收、散射和折射等因素的影响，使得可见光的传输距离有限。

然而，水下光学观测和探测在许多应用领域中至关重要，如海洋科学研究、水下工程、资源勘探和环境监测等。

因此，为了满足这些需求，饱和潜水系统采用了一系列先进的水下光学观测和探测技术。

一、水下光学观测技术1. 主动光学观测技术主动光学观测技术是指通过发送光源，利用相机或激光扫描来观测和记录水下目标的信息。

其中，相机是最常用的水下观测工具之一。

近年来，随着数码相机和高清晰度相机的发展，相机观测技术在水下光学观测领域得到了广泛应用。

此外，激光扫描技术通过激光束的扫描，可以获取更详细的三维形态信息，对于水下地形的观测和测量有着重要的应用价值。

2. 被动光学观测技术被动光学观测技术是指通过接收自然光或他物体发出的光来观测和记录水下目标的信息。

最常用的被动光学观测技术包括水下摄影和水下望远镜。

水下摄影利用自然光来观测水下景观，可以获得真实而清晰的图像。

水下望远镜则通过光学放大系统来观察水下目标，可以获得更加清晰和详细的观测结果。

另外，红外探测技术也被广泛应用于水下光学观测中，其可以通过探测红外热辐射来获取水下目标的信息。

二、水下光学探测技术1. 激光雷达技术激光雷达技术是对水下目标进行高精度远距离测量的一种先进技术。

激光雷达利用脉冲激光束发射与接收，通过测量激光束传播的时间差来计算水下目标的距离。

激光雷达具有高分辨率、高测量精度和高数据获取速率的优点，广泛应用于水下地形测绘、目标探测和导航定位等领域。

2. 声呐技术声呐技术是使用声波进行水下目标探测和测量的一种常用方法。

声呐利用声波的传播速度和回波的时间来测量水下目标的距离。

声呐具有远距离传播、可穿透性强、适应复杂水域环境等优点，被广泛应用于水下地质勘探、声纳图像生成和水下声学通信等领域。

三、水下光学观测和探测的挑战和发展方向虽然水下光学观测和探测技术在一定程度上满足了饱和潜水系统的需求，但仍然存在一些挑战和问题。

水下目标探测与识别技术

❖ 蓝绿光的衰减最小，故常称该波段为“透光窗口”。蓝光比红光在水中的传输性能要好得多。
2.3.5 选通ICCD摄像机的方法
❖ ICCD摄像机主要分为非选通型和选通型两类： ❖ 非选通ICCD摄像机本身没有光快门，不具有快速开关的功能，
主要用于对微弱光图像信号的增强和放大； ❖ 选通ICCD摄像机是由具有快速开关功能的像增强器通过光纤
光在水下的衰减
❖ 水对光谱中紫外和红外部分表现出强烈的吸收。这是由于水分子在这些谱带上强烈的共振造成的。紫外共振起因于电子的激发，红外共振起因于分子激发。
❖ 大部分波段的光在水下传播时都会受到强烈的吸收衰减，只有波长在 0.5nm 左右波段的蓝绿光在水中的吸收衰减系数最小，穿透能力最强，而且此波段又处于电磁波的“大气窗口”。
实现方法：
❖ Matlab图像处理函数； ❖ VC6.0以上版本编程； ❖ OpenCV（Open Source Computer Vision Library）专
业图像处理软件，结合Visual Studio 2005以上版本实现； ❖ Kinect ， OpenGL （ Graphics Library ）， OpenNI
长基线带来的问题：
❖ 但实际上，长基线会引起下面两个问题: ❖ 引起双目系统联合视域缩小。随着基线的增加，区域离双目摄像机
会越来越远，使这个距离内的目标不可见。换用大视角镜头可以克服这个难题，但同时大视角镜头又会引发严重畸变等其他问题。 ❖ 增加立体匹配的难度。两个摄像机分别从不同角度观察同一目标，所以观察到的目标有轻微不同，当基线加长，两摄像机观察到的目标的差异增大，两幅图像的相关性下降，导致立体匹配更加困难。
❖ 在该系统中，非常短的激光脉冲照射物体，照相机快门打开的时间相对于照射物体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，探测器接收从物体返回的光束，从而排除了大部分的后向散射光。

距离选通激光成像水体后向散射光能量分布计算

距离选通激光成像水体后向散射光能量分布计算随着光学技术的发展，研究人员开发出了一种有效的技术，即可以扫描水体表面的激光成像，从而测量水中分布的光能量。

这种技术可以提供一种实时获取水下环境信息的方法，从而支持水下监测和分析。

然而，这项技术需要计算水体表面后向散射光能量分布，以便获得更准确的结果。

激光成像水体后向散射光能量分布计算是一种复杂的仿真计算，主要由试验数据、仿真计算和实验验证组成。

首先，要选取合理的光源和水体表面材质，本实验使用激光作为光源，水体表面材质采用非导体材质。

然后，需要构建试验系统，并且进行实验测量，测量水体表面的后向反射能量分布。

接下来，利用获得的实验观测数据，通过仿真计算，得到光能量在水体表面上分布的准确状态，以便比较实验和仿真计算结果的差异。

最后，使用实验和仿真计算结果进行比对，得出激光成像水体后向散射能量分布的精确状态。

激光成像水体后向散射光能量分布的计算，有助于更加准确地测量水下光照度，可以更好地评估海洋水体环境，改善水体质量监测技术，提高水体环境评估的准确性。

这种技术可以更好地应用于渔业科学研究，监测水生动植物生物分布，研究可持续开发策略，等等。

因此，计算激光成像水体后向散射光能量分布具有重要意义。

在实际应用过程中，计算激光成像水体后向散射光能量分布的过程包括：（1）给定海洋水体环境参数；（2）准备激光源和光谱仪；（3）计算光源和海水表面散射后的照度分布特征；（4）通过仿真计算，获得海水表面的精确照度分布；（5）使用实验和仿真计算结果进行比对，得出精确的激光成像水体后向散射光能量分布结果。

在建立激光成像水体后向散射光能量分布计算模型时，需要考虑光源和反射表面的选择，提前准备实验所需的设备，并进行仔细设计实验以测量出水体表面的精确照度分布。

实验结果可以与仿真计算进行对比，以确定计算结果的准确性。

总之，激光成像水体后向散射光能量分布的计算是一项复杂的，但又重要的工作，它有助于更准确地测量水下环境并实施相关的评估。

水下激光成像系统探测距离的计算与仿真

水下激光成像系统探测距离的计算与仿真王磊;徐智勇;张启衡;王华闯;于学刚;杨建军【摘要】为了估计水下激光成像系统的工作距离,根据水下激光成像系统的成像过程,通过分析目标的辐射特性,水体的衰减特性等各因素,建立了水下激光成像系统的信噪比模型.根据识别目标所需要的信噪比阈值、脉冲激光器等器件的性能指标,推导出水下激光成像系统的工作距离公式,并且完成了系统成像距离的计算与仿真.采用532 nm的Nd∶YAG固体激光器、自组ICCD相机以及基于FPGA技术设计的同步控制电路板,进行了距离选通水下激光成像实验.实验结果表明:理论模型计算的信噪比与实际图像的信噪比平均误差为1.37 dB,证实了该模型的合理性.%In order to estimate the detection range of underwater laser imaging system, according to the imaging mechanism, the analysis of target radiation is reported, along with the analysis of seawater attenuation and other factors, and then the Signal-to-noise Ratio(SNR) model of the underwater laser imaging system is established. According to the threshold of SNR for recognizing the target, along with the performance of laser and other devices, formulation of detection range is obtained. Then computation and simulation of detection range is implemented. By adopting a 532nmNd:YAG laser, self-made ICCD camera and a range-gated sync control board based on FPGA technology, the underwater laser imaging experiment is done. The experimental results, which indicate that the average error of SNR between theoretical model and real image is 1.37dB, show the rationality of the SNR model.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2012(039)005【总页数】6页(P39-44)【关键词】成像系统;激光器;距离选通;信噪比【作者】王磊;徐智勇;张启衡;王华闯;于学刚;杨建军【作者单位】中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国人民解放军93617部队,北京101400【正文语种】中文【中图分类】TN247;TN2090 引言1963年S.Q.Duntley及Gilbert G D等人发现海水中存在一个“蓝绿”透明窗口[1]，为激光水下探测奠定了理论基础。

激光水下测距技术在深海油气勘探中的应用

激光水下测距技术在深海油气勘探中的应用随着全球对能源的需求不断增加，深海油气的开发和勘探已经成为了一个重要而又紧迫的课题。

然而，深海环境极其恶劣，海底的石油和气体储藏地层也相对复杂，因此需要技术的支持来进行探测。

其中，激光水下测距技术就成为了一种极具前景的选项。

它可以高精度地测量水下物体的距离和形状，为深海油气勘探提供了广阔的前景和应用。

一、激光水下测距技术的基本原理激光水下测距是一种利用激光波长进行反射测距的技术。

激光器发出的光束照射到水下目标物体上，经过反射后，光线返回探测器并测量到光程差，根据光程差计算出目标物体的距离。

由于激光束的波长非常短，可以达到极高的分辨率，这种技术可以测量出目标物体的形状和表面反射率等信息。

二、激光水下测距技术在深海油气勘探中的应用1. 测量探针深海油气勘探需要进行大量的钻探和钻孔操作，因此需要在水下进行精确的定位。

可以利用激光水下测距技术，测量钻探探针的位置和深度，以便精确地进行下一步的操作。

2. 测量管道和设备在沉入海底的管道和设备并不是完美的。

这意味着需要对其进行调整和修复。

可以使用激光水下测距技术来确定管道和设备的位置、偏移量和状态，以帮助工作人员进行针对性的操作。

3. 测量地质情况激光水下测距技术在深海油气勘探中还可以用于测量地质情况。

例如，可以使用激光水下测距技术来观测构造地震活动引起的地面裂缝和破裂。

同时，激光水下测距技术可以与其他激光和声学技术相结合，更加详细地了解沉积物的性质和发现潜在的油气藏。

三、未来激光水下测距技术的发展趋势激光水下测距技术已成为深海勘探中不可或缺的工具，未来还有许多发展的空间。

例如，可以进一步提高测量精度，使测量结果更加准确可靠。

将多个激光源集成到单个设备中，以实现对多个目标的高速同步测量。

同时，也可以使用激光水下测距技术来监测海底生物和海洋环境变化等。

总之，随着科技的不断发展，激光水下测距技术将会在深海油气勘探和其他领域中扮演越来越重要的角色。

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水下激光成像系统探测距离的计算与仿真
王磊１，徐智勇，２，张启衡，王华闯，于学刚，杨建军
（．中国科学院光电技术研究所，成都６００；１１２９２．中国科学院研究生院，北京１０４；００９３．中国人民解放军９６７部队，北京１１０３１０４０）
ｔｒｓｏｄｏＮＲｏｅｏｎｚｎｅｔｒｅ，ａｏｇｗｉｅｐｒｏｍａｃｆｌｓｒａｄｏｈｒｄｖｃｓｏｍｕａｉｎｏｈｅｈｌｆＳｆｒｒｃｇｉｉｇｔａｇｔｌｎｔｔｅｆｒｎｅｏｅｎｔｅｅｉｅ，ｆｒｌｔｆｈｈｈａｏｄｔｃｉｎｒｎｅｉｂａｎｄＴｈｎｃｍｐｔｔｎａｄｓｍｕａｉｎｏｅｅｔｎｒｎｅｉｉｌｍｅｔｄＢｙａｏｔｇａ５２ｍｅｅｔａｇｓｏｔｉｅ．ｅｏｕａｉｎｉｌｔｆｄｔｃｉａｇｓｍｐｅｎｅ．ｄｐｉ３ｎｏｏｏｏｎＮｄＹＡＧａｅ，ｅｇｍａｅＩ：ｌｓｒｓｌｄＣＣＤａｒｎａｇ — ａｅｙｃｃｎｒｌｏｒａｅｎＦＧＡｃｎｏｏｙｔｅｕｄｒａｅｃｍｅａａｄａｒｎｅｇｔｄｓｎｏｔｏａｄｂｓｄｏＰｂｔｈｌｇ，ｈｎｅｅｗｔｒｌｓｒｉｇｎｘｅｉｎｓｄｎ．Ｔｅｅｐｒｍｅｔｌｒｓｌ，ｗｈｃｎｉａｅｔａｈｖｒｇｒｏｆＳａｅｍａｉｇｅｐｒｍｅｔｉｏｅｈｘｅｉｎａｅｕｔｓｉｈｉｄｃｔｈｔｔｅａｅａｅｅｒｒｏＮＲｅｗｅｎｂｔｅｔｅｒｔａｄｌｎｅｌｍａｅｉ．７Ｂ，ｈｗｅｒｔｎｌｙｏｅＳｈｏｅｉｌｃｍｏｅｄｒａｇ１３ｄｓｏｔｉａｉｆｈＮＲｄ１ａｉｓｈａｏｔｔｍｏｅ．Ｋｅｒ：ｉｇｎｓｅ；ａｅ；ａｇ — ａｅ；ｉｎｌｏｎｉｅｒｔｙｗｏｄｓｍａｉｇｓｔｍｓｌｓｒｒｎｅｇｔｄｓｇａ — — ｏｓａｉｙｔｏ
模型的合理性。关键词：成像系统；激光器；距离选通；信噪比
中图分类号：Ｔ４；Ｔ２９Ｎ２７Ｎ０
文献标志码：Ａ
ｄｉ０３６￣ｉｎ１０ —０Ｘ．１．．０ｏ：１．９．ｓ．０３５１２２００８９ｓ０５
ＤｅｅｔｏａｅＳｍｕａｉｎｓｏｎｒｔｒＬａｅｍａｉｙｔｍｔｃｉｎＲｎｇｉｌｔｏｆＵｄｅｗａｅｓｒＩｇｎｇＳｓｅ
３ＴｅＣｈｎｓｏｅ．ｈｉｅｅｐｌＬｉｅａｉｎＡｒｙ９６１ｎｔＢｅｉｇ１１０，ｈｎＰｅｂｒｔｍ３７Ｕｉｏ，ｉｎ０４０Ｃｉａ）ｊ
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第３９卷第５期
２１０２年５月
光电工程
ＯｐｏＥｌｃｒｎｃＥｎｉｅｒｎｔ — ｅｔｏｉｇｎｅｉｇ
Ｖ１９Ｎｏ５０３＿．．．Ｍａ，０２ｙ２１
文章编号：１０ — ０Ｘ（０２０ — ０９００３５１２１）５０３ — ６
ａｄｔｅｅＳｇａｔ．ｏｓａｏＳ）ｄｌｆｈｎｅａｒａｅｇｎｓｍｉｅｔｌｈｄＡｃｏｄｎｅｎｎｔｉ１ｏｎｉＲｔ（ＮＲｍｏｅｏｅｕｄｒｔｓｒｍａｉｇｓｔｓｂｉｅ．ｃｒｉｔｔｈｈｎ．ｅｉｔｗｅｌｉｙｅｓａｓｇｏｈ
用５２ｎ的ＮｄＡ固体激光器、自组ＩＣ３ｍ：ＧＹＣＤ相机以及基于ＦＧＡ技术设计的同步控制电路板，进行了距离选Ｐ
通水下激光戍像实验。实验结果表明：理论模型计算的信噪比与实际图像的信噪比平均误差为１７ｄ．Ｂ，证实了该３
摘要：为了估计水下激光成像系统的工作距离，根据水下激光成像系统的成像过程，通过分析目标的辐射特性，水体的衰减特性等各因素，建立了水下激光成像系统的信噪比模型。根据识别目标所需要的信噪比阈值、脉冲激光器等器件的性能指标，推导出水下激光成像系统的工作距离公式，并且完成了系统成像距离的计算与仿真。采
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