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1、第21卷第4期Vo1.21,No.4应用光学2000年2000文章编号:1002-2082(2000)04-08水的光学特性及其对水下成像的影响孙传东,陈良益,高立民,张建生,卢笛(中国科学院西安光学精密机械研究所,陕西西安710068)摘要:首先对水的光学特性进行介绍,然后根据理论模型分析水的光学特性对水下成像的影响,最后从水下光照度的角度对水下光学成像的质量和影响因素进行分析。关键词:水下成像;水下光学;光电成像中图分类号:P341文献标识码:A1水的光学特性a=0.02时,b=0.03。由此可知,水中光散即使是经过过滤
2、的最纯净的水,它对光射产生的衰减一般较大。习惯上我们常用衰的衰减也是很严重的。实验表明,水的衰减减长度表示水质对光的衰减特性。是光波长的复函数,它是由两个互不相关的物理过程即吸收和散射引起的,因此光在水中传输时的能量按指数规律迅速地衰减。单色平行光束的照度可用简单的指数方程来描述,即设I0是某水层的光量,传输了L路程后的光量I为-cLI=I0e(1)式中,c为体积衰减系数,表示光传输1m距离后光能量衰减的对数值(自然对数),单位-1图1海水体积衰减系数随波长的变化是m。海水体积衰减系数随波长的变化如图1所示。由于光在水中的衰
3、减是由水对光1.1水对光的选择吸收特性的吸收衰减和水中胶体粒子对光的散射所造水对光的吸收在不同的光谱区域是不同成的,因此式中c由两部分组成:的,具有明显的选择性。水对光谱中的紫外c=a+b(2)和红外部分表现出强烈的吸收,在可见光谱式中,a是体积吸收系数;b是体积散射系区段,吸收最大的分别是红色、黄色和淡绿光数。即使是清澈透明的海水,60%的衰减是谱区域。纯净水和清的大洋水在光谱的蓝散射引起的,40%的衰减才是吸收引起的,即-绿区域透射比量大,其中波长为462-收稿日期:1999-09-10作者简介:孙传东(1966-),男
4、,辽宁省营口人,博士,副研究员,从事水下光电探测技术、水下光学成像设备、计算机、图像处理技术应用、常规武器靶场光学测量设备研究。39475nm的蓝光衰减最少。但在这个蓝-绿窗口,水的吸收也足以使光的强度每米衰减约百分之四。其它颜色的光被吸收得更多,几米之外几乎完全消失了。因此,水对光的吸收造成了部分光能量的损失,同时使水下彩色摄影、摄像变得比较困难,只能在距离目标很近的地方(1～2m)进行拍摄,才能避免色彩的丢失,所以水下中远距离目标成像系统多采用黑白图像的方式。(a)1.2水对光的散射特性如果水下仅存在对光能量的吸收,可以
5、通过加大照明光源功率来提高水下成像距离,但水对光的散射现象随着照明的增强更趋严重,使水下成像更为困难。水中光散射是指光在水中传播时,受到介质微粒的作用,偏离原来直线传播的方向。水中散射有两种,即纯水本身产生的散射和由悬浮粒子所引起的散射。散射方式主要有前向散射和后向散射。比入射光波长小很多的无吸收粒子(b)的散射遵从瑞利定律,散射粒子的大小接近于入射光的波长时,存在着一个比较复杂的共振状态,称为米氏散射。图2a是在自然光照明条件下拍摄的水下情况。由于水对光的散射,使整个影像呈现雾化效果,对比度较差,所以只能看到近处的物体。图
6、2b是在较深的水域中进行摄像时增加了水下辅助光源,但由于光源距摄像机很近,所以背向散射十分严重,几乎看不清潜水员的活动。图2c是在与图2b同样的条(c)图2水中的悬浮粒子所产生的散射对成像的影响件下拍摄的,只是改变了照明方式,使水下照明光源与摄像机拉开距离,明显地改善了图2水的光学特性对水下成像的影响像质量。下面从水下光辐射传递的角度对水下成从以上讨论可以发现,散射光对影像衬像系统进行分析,建立起照明、目标和成像系度影响较大,它造成了图像对比度下降,对水统间的联系(如图3),系统分析水的光学特下成像影响极大,使影像衬度成为水
7、下成像性对水下成像的影响,为水下成像系统的设中最严重的问题之一。随着拍摄距离的增计与分析提供理论依据。由于水下光照度很大,画面反差降低,影像的细节模糊,影响成低,绝大多数情况下都要加入辅助照明,所以像质量,使水下光学成像变得十分困难,所以在此我们也将照明系统一起考虑进去。水下光学成像的距离一般不超过十几米。40-1系数(m)。设照度的散射部分Isl,(l)是沿光束轴进行测量的,散射光部分的表达式是借用由Duntley得出的一个半经验公式。因此,在距离光源为l处的近光束中心处的目标所受到光源的总照度It为It(l)=Idl(l
8、)+Isl(l)I-cl-kl-2kl=2[e+c1kle+c2kle](5)l式中2π1c1=(2.5-1.5lg)β4π2π72π1c2=(2.5-1.5lg)×()()2β4πβ图3系统的布局示意图2π12.1水下照明对目标的光辐射=7()2c1β水下照明灯(认为是点光源)所产生的照
