水下激光成像技术5 水下激光成像技术本文主要介绍了近年发展起来的三种主要的激光水下成像方法，即常规水下 激光成像、高分辨率水下激光三维成像和偏振激光成像，分析了它们各自的工作 原理、特点以及各自的发展状况水下成像技术在水下目标发现、海面材料探测及海洋地理工程中具有广泛而 重要的应用价值，正受到各国研究者的日益重视与我们平常所见空气中成像技 术不同，水介质的特性是强散射效应和快速吸收功率衰减，因此直接将摄像机运 用到水中，由于强散射效应，图像的噪声很大，且距离有限激光器的运用从某 种程度解决了成像的距离问题，在过去的几年中，成像距离和图像质量得到了很 大程度的提高，这些进步都是因为采用了非传统成像技术和激光技术本文对主 要的几种水下成像技术进行了分析，讨论了它们各自的技术原理和发展动态5.1 工作原理由上所述，与大气成像技术相比，水下成像技术的重点是要减小水这一特 定介质所具有的强散射效应和快速吸收功率衰减特性对成像质量的限制目前已 经有几种成像技术在实际中得到应用且达到较好的工作效果，它们的工作原理和 技术特点见表1表1 主要水下成像技术的工作原理比较成像技术名称工作原理常规成像 技术激光扫描激光器发出激光束，探测器接收激光束中心反射光，通过二 者的同步机械扫描成像距离选通激光器发出激光束，不同距离发射回来的激光到达探测器的 时间不同，对探测器的成像进行快门选通，仅保证一定距离 的反射光能被探测器接收三维成像技术条纹管激光器发出扇形光束，接收装置是时间分辨条纹管，所以同 一时刻能探测到来自不同距离的反射光信息，通过扫描可得 到二维图像，采用CCD技术可对距离和方位图进行存储偏振成像利用物体的反射光和后向散射光的偏振特性的不同来改善成 像的分辨率5.1.1 常规激光水下成像技术常规水下成像技术包括激光扫描水下成像和距离选通激光水下成像。
其中 激光扫描水下成像是利用水的后向散射光强相对中心轴迅速减小的原理该技术 采用准直光束点扫描和基于光电倍增管的高灵敏度探测器的窄视域跟踪接收如 图1在这种系统中，探测器与激光束分开放置，激光发射器使用的是窄光束的 连续激光器，同时使用窄视场角的接收器，两个视场间只有很小的重叠部分，从 而减小探测器所接收到的散射光利用同步扫描技术，逐个像素点探测来重建图 像因此这种技术主要依靠高灵敏度探测器在窄小的视场内跟踪和接收目标信息, 从而大大减小了后向散射光对成像的影响，进而提高了系统信噪比和作用距离距离选通成像系统采用一个脉冲激光器，具有选通功能的像增强型CCD成 像期间，通过对接收器口径进行选通来减小从目标返回到探测器的激光后向散射 在该系统中，非常短的激光脉冲照射物体，照相机快门打开的时间相对于照射物 体的激光发射时间有一定的延迟，并且快门打开的时间很短，在这段时间内，探 测器接收从物体返回的光束，从而排除了大部分的后向散射光由于从物体返回 来的第一个光子经受的散射最小，所以选通接收最先返回的光子束可以获得最好 的成像效果如果要获得物体的三维信息，可以通过使用多个探测器设置不同的 延迟时间来获得物体在不同层次的信息，因而它提供了成像物体准三维信息的能 力。
5.1.2 水下激光三维成像技术以上两种技术不能提供完善的三维信息能力，而条纹管水下激光三维成像技 术可提供很好的三维信息条纹管成像激光雷达可提供很好的三维信息，其原理是通过测量短脉冲激光 在发射机与目标之间的往返时间，来还原出目标的距离像目标的距离信息首先 转换成为回波信号的时间信息，即回波的时间先后，然后又通过条纹管转换成为 条纹像的空间信息该技术使用脉冲激光发射器和时间分辨条纹管接收器如图3,反射的回波 信号（激光束）由接收光学系统静电聚焦到条纹管的狭缝光电阴极上，进入两平 行板之间，平行板电极上加有随时间线性变化的斜坡电压，由于不同时刻进入偏 转系统的电子受到不同偏转电压的作用，电子束到达荧光屏时，将沿垂直于狭缝 的方向展开条纹管在此方向上分成了多个时间分辨的通道，不同时间到来的回 波信号在条纹管的屏幕上显示的条纹位置不同，利用屏幕上条纹的相对位置就可 以分辨出目标的距离信息另外还可以根据目标表面的反射率的不同得到目标的 强度信息这样在条纹管的荧光屏上就可以得到目标的距离-强度-方位角的图 像信息，并由耦合在条纹管荧光屏上的CCD图像读出系统读出目标输出图像 中每行代表不同时间的条纹图像,每列代表一个可时间分辨的通道。
在STIL结构中，每个激光脉冲在整个扇形光束产生一个图像，可以提供更 大的扫描宽度因此，使用当前激光器和CCD技术所能达到的相对适中的脉冲 重复频率就能得到较高的搜索速度STIL具有距离精度高（小于5cm）、方位视 场角大（大于30° ）、空间分辨力高（高于512像素）等优点■< i可艰:•!时冋世勺•耘縫瀏像4 1 ■吠也1-KC(JE>tU 库图2条纹管激光成像原理近年水下激光三维成像技术被广泛运用于水下探测领域2002年Karl D. Moore和Jules S. Jaffe发表关于使用三维激光线性扫描 系统测量海底高分辨率地形的论文研究人员通过在墨西哥湾的实验获取了高分 辨率水深资料：覆盖两个沙波周期获取一个长为1.35米的一维横断面；同样该 系统也可以用来测量反射率和产生三维底部探测区域图实验原理如图：sl.-ascr bcftmField-of-view ol CCD detectorSource:Receiver2006年日本静冈大学的Atsushi Yamashita, Shinsuke Ikeda等发表了运用 激光测距仪对未知水生环境进行三维测量的论文文中针对浅水测量中由于水汽 交界面引起折射造成的图像失真进行了分析和复原。
如图：Fig. 4. kradiated 1——% — Epipolar line ZCh) EnitTged aroundirr ad kited aren.Fig. 5. Exiratlion of irradiaLtd points.2010年Roger Stettner研发的3D闪存激光雷达该技术仅用一个激光脉 冲便可获取整个画面的三维信息其特点是有极高的数据传输速率，通过增加相 关的三维焦平面阵列（FPA）能够大大提高数据的传输速率其原理如下图：2-D IR Camera2-D Visible Camera3-D Receiver OpticsI .ascr Transmitter OpticsAir Cooled LnscrLiiplop Processes nndDisplays 3-D JEiiagcs eiekIConcrok Carnes FunctionsEqj. 2. Ihindhcld .VSC 3-D tLash LndJirC^mcrii, 22 mJ,川 IH孔 1.^7 urn I.unpf. inturrhuji^jbllc ^iili j EiHa.1 cuiim.tjwciphl ibr 12 9iI»5. CapijJdL1 of I Ikni KjingfL1- C'&niuryi 卩oykt rL,i|uirEHK,Ji1 sn k'SN ihiri Sil Watts. Nikuituimpl 特出％ majdu t» nidfiimi^L! YAlmnw-^ v-«|rJit 4ir p^wur. Field 4if s-il'm- ix dtternun.rd. by llw eipEin jujd: jik in n 2-l>cjnw-rj..5.1.3 偏振光水下成像技术97%的海洋水体中，在数量上占优势的散射颗粒为直径小于1Lm的小颗粒, 其相对折射率为1.00〜1.15。
它们一般地遵从瑞利或米氏散射理论如果在水 下用偏振光源照明，则大部分后向散射光也将是偏振的，这就可以采用适当取向 的检偏器对后向散射光加以抑制，从而可使图像对比度增强偏振成像技术是利 用物体的反射光和后向散射光的偏振特性的不同来改善成像的分辨率根据散射 理论，物体反射光的退偏度大于水中粒子散射光的退偏度如果激光器发出水平 偏振光，当探测器前面的线偏振器为水平偏振方向时，物体反射光能量和散射光 能量大约相等，对比度最小，图像模糊；当线偏振器的偏振方向与光源的偏振 方向垂直时，则接收到的物体反射光能量远大于光源的散射光能量，所以对比度 最大，图像清晰在近几年的科研中以色列理工大学在水下偏振光成像技术中取得了显著的成果2005年以色列理工的Nir karrpel和Yoar Y.Schechner开发了便携式偏振水下成像系统该系统有如下特点：1、有已知的线性辐射响应2、较低的噪声 影响3、便携无需外部设备和外接电源其设备如图：circutar poltirizvrFiKure 1» Th© A<11u\- >1 nricm11 iiicjimtocl n2009年以色列理工大学的Tali Treibitz发表了关于主动偏振去除后向散射 的方法。
运用主动场景辐射在人工照明场构成图像根据重构模型，提出恢复被 测物体的信息的方法该方法也可以提取粗略的3D场景信息这种方法的原理 是：相机配备有一个偏振分析仪器，当分析仪器和光源偏振镜处于不同偏振状态 时，立刻提取两帧场景图根据获取的图像运用相应的重构算法来恢复图像如9ZRRum人』malyzErDcime of rfidLU^ f叩 headriolarizer声Jlamp head'f ^[polarize i'~]cameraunderwater houEin 呂重构效果:5.2 关键器件发展状况5.2.1 激光器技术激光扫描水下成像系统大多采用氩离子连续波激光器，其输出功率小于5W 氩离子连续波激光器具有光束质量好、分辨率高、图像稳定等特点由于更大的 激光功率并不能明显提高成像距离，因此氩离子连续波激光器是激光扫描水下成 像系统比较好的选择距离选通水下成像和其它三维水下成像系统的激光器大多采用闪光灯泵浦 N d： YA G激光器该器件技术成熟，成本较低，输出波长为1106Lm，经过 倍频可以得到532nm的绿光目前平均功率可达几十瓦，作用距离可达到几千 米为了提高水下的成像质量，提高照明激光器的功率和使激光器小型化是目前 发展的方向。
对N d： YA G激光器，随着成本的下降，未来的发展趋势是采用激光二极 管泵浦，并且是连续二极管激光泵浦其原因很简单，二极管激光器体积小，重 量轻，非常适合于水下工作5.2.2 接收器技术水下成像环境要求成像系统具有弱光成像能力和具有消除后向散射干扰的 选通特性，这就要求接收器必须具备高速外触发功能、高分辨率、高灵敏度、低 噪声、足够的增益动态范围因此一般采用微光成像摄像机典型的微光成像摄 像机包括：硅增强靶(S IT)摄像机、增强型硅增强靶(IS IT)摄像机、电荷藕荷器 件(CCD)摄像机、增强型电荷藕荷器件(ICCD)摄像机这几种器件相比较而言， 由于ICCD具有较高的灵敏度，因此是目前接收器件的首选另外，正在发展中的器件有电子轰击CCD(E2BCCD)成像器件和电子CCD (EM CCD)由于ICCD受MCP、光纤面板窗以及荧光屏的影响，噪声及MTF 经过多个传递环节的。