劉 艷

（91550部隊(duì) 大連 116023）

動(dòng)載光學(xué)成像系統(tǒng)影響因素分析＊

劉 艷

（91550部隊(duì) 大連 116023）

后向散射光是影響水下成像系統(tǒng)成像質(zhì)量和探測(cè)距離的主要因素。改變可變的輔助照明條件是減少后向散射光影響的主要辦法。為了克服后向散射的影響，文中通過對(duì)影響水下成像主要因素的分析，提出一種全新的水下成像方法。此方法是以集束光光源為核心器件，構(gòu)建非均勻光場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的大視角、全景深、高速率觀測(cè)。為水下環(huán)境特殊成像系統(tǒng)的研制提供理論基礎(chǔ)。

水下成像；光學(xué)特性；非均勻光場(chǎng)；集束光

Class NumberO43

1 引言

水下光學(xué)成像技術(shù)是獲取動(dòng)載運(yùn)動(dòng)目標(biāo)視頻圖像的方法之一。海水的光學(xué)性質(zhì)可以分內(nèi)在的光學(xué)性質(zhì)和外在的光學(xué)性質(zhì)。所有海水外在光學(xué)性質(zhì)的共同點(diǎn)都依賴于海水的內(nèi)在光學(xué)性質(zhì)和海水中輻射能量的幾何分布［1］。光線在水下傳播時(shí)水體對(duì)光線的吸收和后向散射會(huì)造成很大的圖像噪聲，降低圖像質(zhì)量。均勻光場(chǎng)下，成像系統(tǒng)安裝在運(yùn)動(dòng)載體上，被測(cè)目標(biāo)在水中運(yùn)動(dòng)。由于水下環(huán)境復(fù)雜、可觀測(cè)時(shí)間短，多種不利因素造成水下成像視場(chǎng)范圍小、距離近、分辨率低、光源照明效果差。本文通過對(duì)影響水下成像主要因素進(jìn)行分析，提出一種全新的水下成像方式。此方法是以集束光技術(shù)為核心器件，構(gòu)建非均勻光場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的大視角、全景深、高速率觀測(cè)。具有克服大范圍散射背景的能力，提高水下探測(cè)距離，解決接收器需要滿足大動(dòng)態(tài)范圍的問題。為適用于水下環(huán)境特殊成像系統(tǒng)的研制提供理論基礎(chǔ)。

2 水下光學(xué)特性分析

水下是一個(gè)特殊的環(huán)境，海水對(duì)光有著嚴(yán)重的吸收和散射作用，因此光在海水中傳輸時(shí)衰減很大。光在海水中的衰減是由兩個(gè)互不相關(guān)的物理過程引起的，即由海水中的懸浮微粒以及水分子對(duì)光波的散射和吸收造成的。即使是在最純凈的水中，水對(duì)光的衰減也是很嚴(yán)重，其衰減程度和成像距離大體呈指數(shù)關(guān)系［2］。因此人眼在海水中不能看得很遠(yuǎn)。即使通過人工照明的水下電視攝像機(jī)，一般也只能觀察到幾米遠(yuǎn)處的物體。吸收效應(yīng)和散射效應(yīng)使得成像質(zhì)量降低，嚴(yán)重限制了水下觀察的距離。

2.1 光在海水中的吸收特性

光能量在水中損失的過程就是吸收。吸收有兩個(gè)不同的物理過程，有些光子能量變?yōu)闊崮軗p失了，有些光子被吸收后由一種波長(zhǎng)變?yōu)榱肆硪环N波長(zhǎng)的光。對(duì)蒸餾水和許多大洋水樣衰減進(jìn)行的測(cè)量結(jié)果顯示，在所有的情況下衰減系數(shù)都與波長(zhǎng)有關(guān)。大部分波段的光在水下傳播時(shí)都會(huì)受到強(qiáng)烈的吸收衰減，只有波長(zhǎng)在0.5μm左右波段的藍(lán)綠光在水中的衰減系數(shù)最小，穿透能力最強(qiáng)。紫外和紅外波段光波在水中的衰減很大，在水下無法使用。藍(lán)綠光的衰減最小，故常稱該波段為“水下窗口”［3］。為了增大傳輸深度，一般選用470nm～580nm波長(zhǎng)的藍(lán)綠光在水下傳輸。吸收系數(shù)隨著水的深度，離岸的遠(yuǎn)近、水中懸浮微粒的聚集程度及局部流動(dòng)情況等因素而發(fā)生很大變化。

2.2 光在海水中的散射特性

光在海水中的衰減受海水散射特性的影響。發(fā)生散射時(shí)，光子沒有消失，只是光子的前進(jìn)方向發(fā)生了變化［4］。實(shí)際情況下，光在水下傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的散射，由于多次散射，被散射到光束外的光有可能再散射回信號(hào)光束中來，照度雖有增加，但光線的散射，大大降低了圖像的襯度，甚至可能完全湮沒了圖像。對(duì)水下成像的清晰度造成很大的影響。海水中引起散射的因素很多，主要有水分子和各種粒子，包括懸移質(zhì)粒子、浮游植物及可溶有機(jī)物粒子等。散射的機(jī)制主要有瑞利散射和米氏散射［5］。瑞利散射對(duì)光的衰減較小，可以忽略不計(jì)。當(dāng)散射粒子直徑接近入射光波長(zhǎng)時(shí)，粒子的散射遵從米氏散射規(guī)律。天然水能見度的降低，一般是由大粒子散射造成的，因而海水散射系數(shù)主要受米氏散射的影響，其大小可由體積散射函數(shù)來表示［6］。一般來說，清潔大洋水中主要是水分子產(chǎn)生的瑞利散射，沿岸混濁水主要是大粒子產(chǎn)生的米氏散射，能見度一般在0.5m～20m。

3 影響水下光學(xué)成像的主要因素

成像系統(tǒng)安裝在運(yùn)動(dòng)載體上，被測(cè)目標(biāo)在水中運(yùn)動(dòng)。在均勻光場(chǎng)下，影響動(dòng)載水下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的光學(xué)成像系統(tǒng)主要因素包括內(nèi)在因素和外在因素。內(nèi)在因素主要是指水下成像系統(tǒng)安裝的固有平臺(tái)和成像系統(tǒng)固有的技術(shù)條件。外在因素主要是指水下變化的海洋環(huán)境因素和可變的輔助照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)際使用時(shí)，內(nèi)在技術(shù)因素確定后，通過改變可變的輔助照明系統(tǒng)，可獲得高清晰的水下圖像。

3.1 水下成像系統(tǒng)的影響

水下成像系統(tǒng)是根據(jù)使命任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研制的。成像系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)有：1）水下攝像機(jī)的技術(shù)性能。水下低照度成像的關(guān)鍵是在一定距離、一定時(shí)間范圍內(nèi)獲取高分辨率的視頻圖像。高分辨率、高靈敏度、高速和低噪聲的攝像器件是水下微光成像的關(guān)鍵。優(yōu)化選擇與設(shè)計(jì)，熟知各成像器件的性能，選擇適合水下應(yīng)用的攝像機(jī)。2）成像系統(tǒng)光學(xué)鏡頭的設(shè)計(jì)。為了獲得分辨率高的視頻圖像，必須合理設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)。根據(jù)攝像機(jī)的工作環(huán)境條件，按照光在水中的傳輸特性和水下使用要求進(jìn)行平衡校正，設(shè)計(jì)出具有大相對(duì)口徑、大視場(chǎng)變焦、調(diào)焦、調(diào)光的成像鏡頭。3）水下成像系統(tǒng)外部性能。水下成像系統(tǒng)外部性能主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和防水密封措施，是使用過程中重要的保障條件。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)好壞直接影響著設(shè)備的重量和體積，影響著設(shè)備抗水壓、抗沖擊、抗振動(dòng)、抗腐蝕的性能。密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、防水密封措施是保證正常工作的關(guān)鍵，并且要求密封殼體具有可拆卸的密封結(jié)構(gòu)。

3.2 安裝平臺(tái)環(huán)境的影響

安裝平臺(tái)的環(huán)境主要是指平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性、安裝位置、安裝的空間等有關(guān)安裝平臺(tái)布設(shè)方案設(shè)計(jì)。水下安裝的平臺(tái)在水下是復(fù)合運(yùn)動(dòng)的。當(dāng)實(shí)測(cè)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)造成的平臺(tái)震動(dòng)，給平臺(tái)造成強(qiáng)烈的沖擊，存在著多自由度運(yùn)動(dòng)問題。由于安裝平臺(tái)的空間有限，給水下攝像機(jī)及輔助照明設(shè)備的安裝帶來一定的困難。一般水下成像設(shè)備視場(chǎng)小，瞄準(zhǔn)精度高，對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的適應(yīng)性差。在不影響安裝平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的情況下，水下成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要緊緊圍繞安裝平臺(tái)的環(huán)境條件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料、元器件的工藝選擇。還要緊緊圍繞安裝平臺(tái)的環(huán)境條件進(jìn)行技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)、體積、重量的設(shè)計(jì)，有針對(duì)性地采取不同的適應(yīng)環(huán)境措施。

3.3 海水對(duì)光傳輸?shù)挠绊?/p>

光在海洋中的傳輸特性，決定著水下微光成像的作用距離和圖像的質(zhì)量。水下接收器接收的光信息主要由三部分組成：從目標(biāo)反射回來并經(jīng)水介質(zhì)吸收、散射損耗后的成像光束；光源與目標(biāo)之間水介質(zhì)散射的后向散射光；目標(biāo)與接收器之間水介質(zhì)散射到較小角度并直接影響目標(biāo)細(xì)節(jié)分辨率的前向散射光［7］。直射光部分對(duì)成像系統(tǒng)高度和照明系統(tǒng)之間的距離最為敏感，其次是前向散射光，背向散射光的變化最不敏感。前向散射有利于光的傳輸?shù)珪?huì)影響圖像分辨率，后向散射則會(huì)嚴(yán)重影響水下觀察。光的散射降低了目標(biāo)對(duì)比度，使圖像的分辨率降低。在有懸浮粒子的混濁水中散射更為嚴(yán)重。海水溫度的起伏變化所引起的折射率改變是影響圖像分辨率另一個(gè)原因。由于吸收和散射的作用使光能在水中衰減很快，呈指數(shù)衰減［8］。致使水中的觀察距離減小，圖像分辨率降低。折射的日光由于受海水吸收和散射的作用，在向下傳播過程中能量減弱。向下傳播的光能量隨距離的增加，能量衰減很快。一般傳播到水下30m～40m后，其光強(qiáng)很弱。水質(zhì)差時(shí)，水下照度最低為1Lx。

3.4 可變的輔助成像條件

水下輔助照明可在水質(zhì)好、照度低時(shí)提高成像距離和圖像質(zhì)量。在深層水拍攝或夜晚攝影時(shí)，水下的光照度很低，絕大多數(shù)情況下需要照明系統(tǒng)。水下照明采用傳輸影響小的藍(lán)綠光源，一般認(rèn)為是點(diǎn)光源。輔助照明的發(fā)光強(qiáng)度，照明燈的安裝位置決定著后向散射光的強(qiáng)弱。在拍攝距離一定的情況下點(diǎn)光源距拍攝目標(biāo)距離是影響水下光學(xué)成像的主要因素。后向散射光對(duì)成像系統(tǒng)的作用距離和圖像質(zhì)量都有影響。對(duì)于普通人工光源系統(tǒng)，增加能量并不能增加探測(cè)距離，因?yàn)檎彰鞴鈴?qiáng)度增加的同時(shí)，后向散射光強(qiáng)度也增加，襯度沒有增加，因此不會(huì)增加作用距離，需要合理設(shè)計(jì)水下輔助照明系統(tǒng)。

4 提高水下成像質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)

吸收和散射是影響光在水下的傳輸?shù)闹饕蛩?。在近距離范圍內(nèi)，輔助照明光強(qiáng)度的增加，后向散射噪聲相應(yīng)也會(huì)較大。消除后向散射的影響成為水下成像系統(tǒng)所要解決的關(guān)鍵問題。均勻光場(chǎng)下能見度的限制是由散射背景決定的，而采用在時(shí)間或空間上將散射背景光與目標(biāo)光相分離的方法（距離選通法和同步掃描法），在分離散射背景的同時(shí)，把必要的和有用的探測(cè)空間同時(shí)分離出去，從而產(chǎn)生很大的探測(cè)盲區(qū)，且由于多次散射光的路徑無法確定，因此消除散射背景也不徹底。

改變可變的輔助照明條件是減少后向散射光影響的主要辦法。用均勻光照明進(jìn)行水下探測(cè)，單次散射光形成的光帶將很淡，而多次散射光將充滿整個(gè)視場(chǎng)。解決渾水中的目標(biāo)觀測(cè)必須解決多次散射和近距離的強(qiáng)烈單程散射光噪聲。用均勻光照明始終無法解決強(qiáng)烈的后向散射光背景噪聲和視距受限的問題，即使增加光源功率，對(duì)于增大探測(cè)距離的效果也不明顯，會(huì)帶來系統(tǒng)體積、質(zhì)量和功耗的急劇增大。非均勻照明光場(chǎng)是指圖像接收系統(tǒng)的近距離范圍內(nèi)，用低能量密度照明，以盡可能減小后向散射噪聲的影響；對(duì)于較遠(yuǎn)目標(biāo)，用高能量密度照明，提高目標(biāo)信號(hào)的強(qiáng)度，同時(shí)克服目標(biāo)信號(hào)自身產(chǎn)生的散粒噪聲及接收器的本底噪聲。目的是減少后向散射效應(yīng)，提高遠(yuǎn)距離目標(biāo)的光能量信號(hào)。

4.1 非均勻光場(chǎng)的建立

水下成像的光線由三個(gè)組成部分，即直射光、前向散射光和后向散射光在成像系統(tǒng)光軸方向隨照明系統(tǒng)距離的變化而變化［9］。直射成像光線，主要分布在光軸附近來參與成像。前向散射光是由目標(biāo)表面反射造成的，目標(biāo)位于與光軸垂直的平面上，它與直射成像光線的產(chǎn)生和傳播路徑較為相似，對(duì)成像系統(tǒng)高度和與照明系統(tǒng)之間的距離較為敏感。后向散射光線是由照明光源與成像系統(tǒng)成像光束的交匯部分產(chǎn)生的，它分布在整個(gè)視場(chǎng)范圍內(nèi)，因此對(duì)于成像系統(tǒng)高度和與照明系統(tǒng)之間的距離最不敏感，隨著目標(biāo)與成像系統(tǒng)距離的增加，所占的比例也越來越大，因此后向散射是水下遠(yuǎn)距離成像的主要障礙［10］。水下成像光路圖如圖1所示。改變接收器與光源光束的空間位置可以有效的減少散射體積，從而達(dá)到減少散射影響的目的。

圖1 水下成像光路圖

依據(jù)光在水中傳播規(guī)律所建立出的非均勻照明光場(chǎng)，由于位于近距離的被測(cè)物所受的照明光場(chǎng)能量強(qiáng)度相對(duì)較低，因而產(chǎn)生的后向散射加性噪聲也相對(duì)較小，而遠(yuǎn)距離被測(cè)物所處的場(chǎng)強(qiáng)雖然較高，但其由于水中懸浮顆粒所產(chǎn)生的散射加性噪聲經(jīng)過長(zhǎng)距離的水體對(duì)光能量的衰減變得相對(duì)較小，理想情況下的非均勻照明光場(chǎng)照明，在有效的空間探測(cè)范圍內(nèi)可接收到較低的后向散射噪聲（包括單次和多次散射的后向加性噪聲），并且可以克服接收盲區(qū)的問題。

4.2 集束光光源的設(shè)計(jì)

集束光光源是產(chǎn)生非均勻光場(chǎng)的核心器件。光能量進(jìn)行遠(yuǎn)距離集中投送是集束光光源設(shè)計(jì)的基本要求。普通水下光源和激光，在距離光源相等距離的界面上，單位立體角所包含的能量（能量密度）是相等的。在探測(cè)距離是1倍能見度的基礎(chǔ)上，要增加0.5倍能見度，則能量密度是原來的30倍［7］。通常成像系統(tǒng)在最遠(yuǎn)探測(cè)距離的0.8倍以內(nèi)可獲得清晰圖像，為了在1.5倍能見度距離內(nèi)的光源遠(yuǎn)距離高能量密度投送，并使成像系統(tǒng)達(dá)到了不低于1.5倍能見度的探測(cè)距離，需要開展高能量密度照明光源和遠(yuǎn)距離投射方法的研究。集束光光源作為非均勻光場(chǎng)的光源，分布函數(shù)的建立是光源設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。集束光光源的中間為窄束高能量密度照明，周圍是寬束低能量密度照明。由照度計(jì)測(cè)得在一定距離上光源照度分布由圖2可知，在光源的中心區(qū)域，強(qiáng)度可達(dá)到20萬Lx，而在光源的邊緣區(qū)域，落差較大，在±12°左右衰減將近1000倍，達(dá)到200Lx，在±45°甚至衰減105倍以上。

圖2 集束光源照度分布圖

無論在何種水質(zhì)中，探測(cè)距離每增加一倍衰減長(zhǎng)度，集束光源的能量應(yīng)上升一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)集束光源的能量分布設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性意義。水下非均勻光場(chǎng)成像方法，克服了后向散射光的影響，在全空間范圍內(nèi)可接收到極低的背景噪聲（包括單次和多次散射背景噪聲）且不存在接收盲區(qū)問題，因而將大大地提高水下探測(cè)距離和成像質(zhì)量。

5 結(jié)語

水下成像技術(shù)是近十幾年來海洋開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文重點(diǎn)分析了影響水下成像的主要因素，提出了一種新的水下目標(biāo)圖像探測(cè)方法。對(duì)非均勻光場(chǎng)成像關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，特別是在大范圍的非均勻光場(chǎng)建立和集束光源設(shè)計(jì)的方面提出了設(shè)計(jì)思想。在理論上既能克服后向散射背景噪聲，又能全空間、無盲區(qū)的進(jìn)行目標(biāo)圖像探測(cè)。為后續(xù)大規(guī)模集束光源的集體排列提供基礎(chǔ)，水下大范圍高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的成像探測(cè)提供了技術(shù)支持。

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Influence Factor of Dynamic Optical ImagingSystem

LIU Yan
（No.91550Troops of PLA，Dalian 116023）

The backward scattered light has been the major factor influencing both imaging quality and observed space.Reducing the backward scattered light influence depends mainly on changing the auxiliary light conditions.To overcome the influence of the backward scattered light，a new imaging method is proposed through the analysis of the factors influencing the underwater imaging in this thesis.The method is mainly by constructing inhomogeneous illumination field with distributive light with central power to achieve the underwater moving target with high speed observation in wide angle，ALL－in－Focus，high－rate and provide theoretical basis for developing special imaging system.

underwater imaging，optical property，inhomogeneous illumination field，distributive light of central power

O43DOI：10.3969／j.issn.1672－9730.2015.11.044

2015年5月11日，

2015年6月29日

劉艷，女，高級(jí)工程師，研究方向：靶場(chǎng)測(cè)控。