水下光学探测发展综述

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 ～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： ⑴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 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 & NSS 联合开发，用于搜救。LUCIE2 系统可在 衰减长度（AL：辐射衰减到 1/e 时的传输距离）距离对竖条纹靶成像；在 AL 处可分辨 16 mm/lp 的分辨力靶图；并可与高频成像声纳形成融合图像。 ⑵新加坡：水下激光雷达成像南洋理工大学研制了一款距离选通成像系统。主动光源采用 5 ns 脉宽 532 nm YAG激光器，单脉冲能量 160 mJ，接收器采用 ICCD。Andrzej Sluzek 等利用该系统进行选通图像的自适应融合，获得所有成像路径上的目标图像，增大了距离选通系统的影深。 ⑶瑞典：Aqua Lynx 水下距离选通相机。瑞典国防研究所的H. M. Tulldahl等2006年利用该系统在清水和浊水中进行了实验。 实验所用清水的衰减系数c＝ m－1后向散射系数 bb＝ m－1。浊水 c＝ m－1，b＝ m－1。衰减和后向散射系数采用标定的 HobLabs公司的c-Beta 透射计测得。实验结果表明，距离选通系统的探测距离是传统摄像机的 2 倍，识别距离是传统摄像机的 倍。 ⑷中国：北京理工大学水下距离选通相机 “十五”期间北京理工大学与北方夜视公司合作，研制成功适合水下激光成像系统用的高性能 ns 级选通型超二代微光 ICCD器件，突破了距离选通成像小型程控电源及其控制技术，成功进行了水下和陆上的选通成像实验。2006年获得国家 863 计划“海洋技术”领域“深海探测与作业技术”专题“水下运载技术”方向“深海水下运载平台的激光距离选通成像探测技术研究” （2006AA09Z207）的支持，开展水下脉冲激光距离选通成像技术研究，采用 5 ns 脉宽的距离选通ICCD成像系统和DPL Nd:YAG大功率脉冲激光器，研制成水下距离选通成像实验系统，进行了实际水下成像实验，连续实时上传的水下视频图像具有较好的成像效果。

3、偏振成像技术 偏振成像技术是利用物体的反射光和后向散射光的偏振特性的不同来改善成像的分辨率。激光波长与海水及海水中悬浮颗粒和有机物分子的尺寸相当，其相对折射率为 ～，一般遵从瑞利或米氏散射理论。根据散射理论, 悬浮粒子后向散射的退偏振度小于物体后向散射光的退偏振度。如果在水下用偏振光源照明, 则大部分后向散射光也将是偏振的, 如果采用适当取向的检偏器对后向散射光加以抑制，从而可使图像对比度增强。如当检偏器的偏振方向与光源的偏振方向平行, 物体反射光能量和散射光能量大约相等, 对比度最小, 图像模糊; 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 开发了便携式偏振水下成像系统。该系统有如下特点：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： 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： 重构效果: 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。 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： 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：