论文水下光电成像技术简介

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1、水下光电成像技术简介激光距离选通成像技术是当前国内外不断发展且应用有效的水下光电成像技术之一,国外20世纪90年代后陆续公开了一些水下光电成像探测系统和实验结果。结合海洋资源勘探、水下救援和侦察等应用领域的需求,全面介绍并对比分析了当前国内外典型水下激光距离选通成像装置和性能水平,讨论了其技术特点,对水下激光距离选通成像技术的发展和装置应用具有意义。激光距离选通成像技术是当前国内外不断发展且应用有效的水下光电成像技术之一,国外20世纪90年代后陆续公开了一些水下光电成像探测系统和实验结果。结合海洋资源勘探、水下救援和侦察等应用领域的需求,全面介绍并对比分析了当前国内外典型水下激光距离

2、选通成像装置和性能水平,讨论了其技术特点,对水下激光距离选通成像技术的发展和装置应用具有意义。我国宽广的海域具有丰富的资源，但由于与周边国家存在一些海域的归属争议，特别是近年来对能源的需求和国际势力的插手，更加剧了我国周边海域出现战事争端和资源争夺的可能。针对深海资源开发、海洋科研以及水下工程作业、考古和救援的迫切需求，研究适合载人潜水器、遥控潜水器、自治式潜水器、水下滑翔器、水下救援等高分辨力水下目标探测、观察、定位和分析技术成为国内外研究的重要方向。目前水下成像探测技术主要有声探测和光电探测两种途径。声探测技术探测距离较远，但成像的空间分辨力较差，难以完全适应高分辨力成像的需要；

3、光电成像探测技术分辨力高，但由于光线在水中快速衰减，在一定深度以下往往需要辅助照明，且由于照明光后向散射的影响，使得人眼直接观察以及传统连续照明电视成像的有效作用距离较短，因此，提高水下光电成像系统的作用距离和细节分辨能力需要采用特殊的光电成像方法。本文将重点分析国内外水下光电成像技术与系统研究进展，特别是激光扫描成像、偏振成像等几种特殊的水下光电成像技术，希望对国内有关方面的研究具有参考作用。1几种水下光电成像技术与系统国外从20世纪70年代开始主被动水下光电成像探测技术的研究，90年代后陆续公开了一些水下光电成像探测系统和实验结果。由于光在水下传输的衰减和后向散射是限制水下光电成

4、像系统作用距离的主要因素，在纯净水和清澈的海水中，蓝绿光透射比最大，因此成为当前水下光电成像的主要传输窗口。水下光电成像技术研究的重点是提升成像的对比度，提高水下观察距离和细节分辨能力。除了常规连续光照明水下电视系统外，目前其它有效的水下光电成像技术可分为以下六类：时间区分/距离选通光电成像技术、空间区分/激光同步线扫描技术（LLS）、偏振光成像技术、结构光成像技术、调制/解调去除散射光技术和多视角图像构造技术。1.1时间分辨/距离选通光电成像技术脉冲激光照明＋选通光电成像结合的激光距离选通光电成像技术是当前最有效的水下光电成像技术之一，国外已成功将其应用于ROV、AUV平台以及水下

5、救援装备，国内也有相关的实验系统研制[。随着激光器和选通成像器件技术的发展，系统性能得到不断提高，作用距离达到水下连续照明光电成像系统的3～5倍以及潜水员在自然光照射下水下观察距离的6～10倍。有关内容可参见本文上部。1.2空间分辨/激光线扫描（LLS）技术激光线扫描水下成像技术是一种利用准直线阵激光与瞬时视场很窄的接收器间同步扫描成像技术，其介于早期的点激光二维扫描以及距离选通成像之间，相对于点激光扫描提高了成像速度，相对于距离以往的LLS技术采用连续（CW）的蓝绿激光器作为光源，其缺点是常受到视场重叠区域或环境散射光引起的散射噪声影响。为进一步提高作用距离，CW-LLS系统可采用

6、增加光源与探测器间距的方法减少视场重叠范围，但会带来系统体积的增加。理论模拟表明在浑浊水体中系统成像距离可达6个衰减长度（AL），但实验表明在该距离附近图像已受前向散射引起的对比限制。为此，可将CW激光源替换为脉冲激光源，将常规探测器替换为选通型探测器，构成脉冲激光线扫描（PG-LLS）成像系统，模拟仿真表明其成像距离可超过7AL。港科海洋学研究所（HBOI）开发了一款脉冲激光线扫描成像系统样机，采用光选通成像降低了对激光功率的要求，因此，被认为是目前最优的水下距离增强成像技术之一。LLS系统的接收器通常采用光电倍增管或高速成像的条纹管作为成像器件。电倍增管（PMT）及高重频（357

7、kHz）、高功率绿光激光器（FWHM为6～7ns的高斯脉冲）。1988年美国“罗伯茨”号护卫舰在阿拉伯湾被廉价的水雷几乎击沉后，Kaman宇航公司研制了“魔灯”水雷探测激光雷达（如图2）。机载激光雷达使用线扫描蓝绿激光器+选通像增强摄像机的PG-LLS成像模式，在海面120～460m以上高度工作，低空飞行时，分辨力和信噪较高；探测深度定为12～61m的浅水区。ALMDS（机载激光探雷系统，如图3）是Kaman公司的“魔灯90”系统的后续型。该系统被安装在M