便携式水下连续光成像系统设计及成像质量增强技术研究

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1、分类号学号D201177631学校代码10487密级博士学位论文便携式水下连续光成像系统设计及成像质量增强技术研究学位申请人：韩捷飞学科专业：光电信息工程指导教师：杨克成教授答辩日期：2016.1.22ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringTheDesignofportableunderwaterimagingsystemwithcontinuousilluminationa

2、ndtheresearchonenhancementtechniqueofimagingqualityPh.D.Candidate:HanJiefeiMajor:OptoelectronicInformationEngineeringSupervisor:Prof.YangKechengCo-Supervisor:HuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan,Hubei430074,P.R.ChinaJanuary,2016独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研

3、究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在年解密

4、后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学博士学位论文摘要水下连续光成像技术广泛应用于海洋以及内陆江河湖泊的工程和科研领域，利用该技术设计的系统多搭载于水下机器人等水下探测设备中作为机器视觉。但是由于光在水中传播受到吸收和散射的作用，系统的成像距离和成像质量受到严重的制约。尽管国内外学者利用同步扫描技术和距离选通技术获得超过6倍衰减长度的成像距离，但是所耗费的巨额成本和系统庞大的体积使上述技术难以应用于便携性要求较高的水下成像应用。设计一种便携性和成像性能

5、兼顾的水下连续光成像系统具有广阔的应用前景。本论文基于国家纵向科研项目，从成像系统设计的各个环节出发，研究并设计出一套便携式水下连续光成像系统，并通过大量的实验研究，证明偏振成像技术作为图像质量增强的硬件技术手段的可靠性。本论文首先利用经典的水下成像模型详细分析了水下成像过程，掌握成像系统接收信号组成及特点。基于该水下成像模型的系统结构，对本课题组现有的蒙特卡罗水下探测模型进行改进，并增加偏振特征，获得了带有偏振特征的蒙特卡罗水下成像模型，实现对系统配置的模拟和主动偏振成像的仿真。为了对仿真和实验的系统成像质量进行客观评价，提出了利用对比度和

6、调制传递函数分别作为成像对比度和分辨能力的评价标准，对系统在水下环境下的成像性能进行客观的评定。根据本系统双程光路的结构，利用改进的倾斜刃边法从图像结果中计算调制传递函数，为后文的仿真和实验结果的分析提供准确的评价标准。基于所建立的理论模型，采用综合噪声抑制技术对成像系统进行设计，并对系统所必需的光学参数进行了系统的仿真研究。通过仿真结果的比较，总结出系统各部分参数对成像质量的影响规律，并确定了参数配置范围。据此设计并搭建了一套原理样机。将样机在不同水体条件下分别进行实验研究，研究结果表明了仿真得出的参数配置的合理性，所设计的样机获得了实验室

7、水体4倍衰减长度，外场真实水体约2倍的衰减长度的成像距离。但是在成像清晰度和体积等方面不符合预期要求。根据原理样机的实践经验，对系统光源、成像器件、系统结构、水密设计等方面进行了大幅度的改进。改进后，体积缩小到原系统的三分之一，系统结构及参数I华中科技大学博士学位论文配置更加合理。在系统组装完成后，对该系统在实验室条件水体和项目要求的典型水体进行了实验研究，实验过程体现了该系统便携性的优势，并得到了在实验室环境超过4倍衰减长度，真实水体约2.4倍衰减长度的成像距离的结果，达到了国际一流同类系统的性能指标。同时，成像系统的改进使得其不再是系统成

8、像分辨能力的瓶颈。然而，系统的结构配置优化对散射抑制方面仍存在极限，并且以上的研究都未提及对成像系统分辨能力的改进。本论文用图像对比度和系统调制传递函数作为系统成像