便攜式水下連續(xù)光成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)及成像質(zhì)量增強(qiáng)技術(shù)研究.pdf

1、水下連續(xù)光成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于海洋以及內(nèi)陸江河湖泊的工程和科研領(lǐng)域，利用該技術(shù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)多搭載于水下機(jī)器人等水下探測(cè)設(shè)備中作為機(jī)器視覺。但是由于光在水中傳播受到吸收和散射的作用，系統(tǒng)的成像距離和成像質(zhì)量受到嚴(yán)重的制約。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用同步掃描技術(shù)和距離選通技術(shù)獲得超過6倍衰減長(zhǎng)度的成像距離，但是所耗費(fèi)的巨額成本和系統(tǒng)龐大的體積使上述技術(shù)難以應(yīng)用于便攜性要求較高的水下成像應(yīng)用。設(shè)計(jì)一種便攜性和成像性能兼顧的水下連續(xù)光成像系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用

2、前景。本論文基于國(guó)家縱向科研項(xiàng)目，從成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)，研究并設(shè)計(jì)出一套便攜式水下連續(xù)光成像系統(tǒng)，并通過大量的實(shí)驗(yàn)研究，證明偏振成像技術(shù)作為圖像質(zhì)量增強(qiáng)的硬件技術(shù)手段的可靠性。
　　本論文首先利用經(jīng)典的水下成像模型詳細(xì)分析了水下成像過程，掌握成像系統(tǒng)接收信號(hào)組成及特點(diǎn)?；谠撍鲁上衲Ｐ偷南到y(tǒng)結(jié)構(gòu)，對(duì)本課題組現(xiàn)有的蒙特卡羅水下探測(cè)模型進(jìn)行改進(jìn)，并增加偏振特征，獲得了帶有偏振特征的蒙特卡羅水下成像模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)配置的模擬和

3、主動(dòng)偏振成像的仿真。為了對(duì)仿真和實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)成像質(zhì)量進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，提出了利用對(duì)比度和調(diào)制傳遞函數(shù)分別作為成像對(duì)比度和分辨能力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)系統(tǒng)在水下環(huán)境下的成像性能進(jìn)行客觀的評(píng)定。根據(jù)本系統(tǒng)雙程光路的結(jié)構(gòu)，利用改進(jìn)的傾斜刃邊法從圖像結(jié)果中計(jì)算調(diào)制傳遞函數(shù)，為后文的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析提供準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
　　基于所建立的理論模型，采用綜合噪聲抑制技術(shù)對(duì)成像系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)所必需的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的仿真研究。通過仿真結(jié)果的比較

4、，總結(jié)出系統(tǒng)各部分參數(shù)對(duì)成像質(zhì)量的影響規(guī)律，并確定了參數(shù)配置范圍。據(jù)此設(shè)計(jì)并搭建了一套原理樣機(jī)。將樣機(jī)在不同水體條件下分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明了仿真得出的參數(shù)配置的合理性，所設(shè)計(jì)的樣機(jī)獲得了實(shí)驗(yàn)室水體4倍衰減長(zhǎng)度，外場(chǎng)真實(shí)水體約2倍的衰減長(zhǎng)度的成像距離。但是在成像清晰度和體積等方面不符合預(yù)期要求。
　　根據(jù)原理樣機(jī)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對(duì)系統(tǒng)光源、成像器件、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、水密設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行了大幅度的改進(jìn)。改進(jìn)后，體積縮小到原系統(tǒng)的三分之一

5、，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及參數(shù)配置更加合理。在系統(tǒng)組裝完成后，對(duì)該系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室條件水體和項(xiàng)目要求的典型水體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)過程體現(xiàn)了該系統(tǒng)便攜性的優(yōu)勢(shì)，并得到了在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境超過4倍衰減長(zhǎng)度，真實(shí)水體約2.4倍衰減長(zhǎng)度的成像距離的結(jié)果，達(dá)到了國(guó)際一流同類系統(tǒng)的性能指標(biāo)。同時(shí)，成像系統(tǒng)的改進(jìn)使得其不再是系統(tǒng)成像分辨能力的瓶頸。然而，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置優(yōu)化對(duì)散射抑制方面仍存在極限，并且以上的研究都未提及對(duì)成像系統(tǒng)分辨能力的改進(jìn)。
　　本論文用圖像對(duì)比

6、度和系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)成像質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)。為了能從根本上區(qū)分水體散射和目標(biāo)信號(hào)，有效提高成像質(zhì)量，將偏振成像技術(shù)引入到本系統(tǒng)中，研究該技術(shù)是否可以在提高對(duì)比度的前提下，提高系統(tǒng)成像分辨能力。利用已建立的偏振條件下的蒙特卡羅模型對(duì)偏振成像過程進(jìn)行了仿真，得出了水體對(duì)光的不同偏振態(tài)的響應(yīng)存在差異，合理選擇檢偏方式有助于提高系統(tǒng)成像分辨能力的結(jié)論。根據(jù)理論分析和原理樣機(jī)結(jié)構(gòu)，搭建了一套水下主動(dòng)偏振成像系統(tǒng)，并自行設(shè)計(jì)了兩種不同表面偏振特

7、性物體作為實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。通過大量的實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)了檢偏方式在成像系統(tǒng)對(duì)兩種偏振特性的目標(biāo)成像時(shí)的對(duì)比度與分辨能力的影響規(guī)律，并確定了低偏振度目標(biāo)適合于正交偏振檢測(cè)，高偏振度目標(biāo)適用于采用偏振差分算法來同時(shí)提高成像對(duì)比度和分辨能力。同時(shí)，根據(jù)非正交態(tài)差分算法的結(jié)果，得出了優(yōu)化偏振差分算法需要參考實(shí)際情況和系統(tǒng)特征的結(jié)論。以上分析證明了偏振技術(shù)在水下主動(dòng)成像中應(yīng)用，可以同時(shí)抑制后向散射和前向散射，從而對(duì)成像對(duì)比度和分辨能力同時(shí)提升。該結(jié)論對(duì)線偏振