凝视型水下激光成像后向散射光理论模型研究

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1、第27卷第7期光学学报Vol.27,No.72007年7月ACTAOPTICASINICAJuly,2007文章编号:025322239(2007)0721191273凝视型水下激光成像后向散射光理论模型研究黄有为金伟其王霞曹峰梅王岭雪(北京理工大学光电工程系,北京100081)摘要:建立了后向散射光在二维光敏面上能量分布的理论模型,结合典型水下激光成像系统,提出用像面表观衬比度来评价系统极限探测距离的方法,并推导了计算公式;通过选取水下激光成像系统的典型参量进行模拟计算,进一步讨论了系统主要组成部分的相

2、对位置对像面表观衬比度分布的影响;得到像面表观衬比度与目标距离的关系曲线以及系统极限探测距离随海水衰减系数的变化曲线,从而估算出不同水质条件下系统的极限探测距离。模拟仿真数据与实际实验结果基本一致。关键词:成像系统;水下成像;凝视成像;后向散射;表观衬比度中图分类号:TN249文献标识码:ATheoreticalOpticalBackscatteringModelforStaringUnderwaterLaserImagingHuangYouweiJinWeiqiWangXiaCaoFengmeiWang

3、Lingxue(DepartmentofOpticalEngineering,BeijingInstituteofTechnology,Beijing100081)Abstract:Atheoreticmodelwasbuiltaboutthedistributionofopticalbackscatteringenergyonthetwodimensionalphotosensitivesurface.Then,appliedtotypicalunderwaterlaserimagingsystem,a

4、methodwasproposedtocalculatethemaximumdetectingdistanceaccordingtotheapparentcontrast.Thetheoreticcalculationswereprogrammed,andthevariancesoftheapparentcontrastwerediscussedwhenchangingtherelativepositionofsomecomponents.Therelationshipcurvebetweentheapp

5、arentcontrastandthetargetdistanceaswellasthecurvebetweenthemaximumdetectingdistanceandtheattenuationcoefficientwereobtained,sothatthemaximumdetectingdistancescouldbeestimatedindifferentkindsofwaterquality,whichareconsistentwiththeactualexperimentalresults

6、.Keywords:imagingsystem;underwaterimaging;staringimaging;backscattering;apparentcontrast1引言信号和噪声的大小。实际上,由于凝视型探测器像水下是一个很复杂的环境,水对光的衰减作用元阵列呈二维离散发布,入射的光辐射会在光敏面主要包括吸收和散射两个方面[1,2],且对光的衰减上形成二维空间分布,利用总通量或平均照度来衡程度随着水质的不同而不同。水下探测初期所用的量信号和噪声则由于未考虑到光敏面(像管光阴极探测器多为光电倍增

7、管[3,4]等,采用扫描方式获得面或CCD光敏面)的离散结构特点,造成对水下光水下场景图像,其特点是将目标场景的总反射通量电成像系统的作用距离或其它性能评价的偏差。近和水下路径海水的总后向散射通量作为系统所接收年来,随着水下成像探测、水下资源勘查等的应用需到的信号和附加噪声。当电荷耦合器件、CCD成像求,建立符合实际的凝视型水下成像模型,分析后向器件出现之后,人们或直接用CCD[5]或在CCD前散射光在光敏面上的分布及其对成像系统性能的影耦合像增强器成像[6,7],大大地提高了探测器在低响,对于发展先进的

8、水下光电成像系统具有重要意照度下的探测能力。在理论分析方面,大多延用了义。为此,本文将研究凝视型水下激光成像系统成以前的模型,即将CCD光敏面上所接收到的信号光像光敏面上后向散射光的二维分布模型,以实现对和后向散射光的总通量或者平均光照度[5～8]来衡量成像系统的性能分析,为实际系统的参量设计提供3国家863计划海洋技术领域(2006AA09Z207)和总装预研基金(51405020405BQ01)资助课题。作者简介:黄有为(