孙鹏

(上海瑞洋船舶科技有限公司,上海201108)

水下成像技术主要应用于水下作业,在水这种介质中传播时光的能量会有较多损耗,同时容易产生光噪声,而且光在水中会发生折射和散射,这样一方面会造成光的能量受损成像质量差,另一方面系统成像距离受损。在水下成像技术发展的初级阶段,虽然能通过增加光的强度的方法改善成像效果,但光会出现反向噪声的问题。近年来激光技术得到了广泛研究与发展,激光被应用到水下成像技术,发展出了水下激光成像技术。采用激光,能改善光的散射效应和吸取功率减退效应,这样一来水下成像质量得到了极大的提高,同时也增加了勘测的距离。目前水下激光成像系统广泛应用于海洋开发、军事、工程应用方面,比如海上走私船监视、海上军事装备的检修与监控、海底军事目标的搜查以及海底隧道的勘测维修等。近几年水下成像技术发展迅速,在实用阶段取得了良好的效果,尤其是在系统成像深度及效果方面进步显著,这些进步与激光技术和先进成像技术的发展密不可分。但是在面对内河水域,尤其是水质浑浊甚至潜水员在水下的能见度为零的时候,常规水下成像技术显得力不从心,在确定水下物品价值、水下物品型号等方面显得捉襟见肘,无法及时完成水下作业的前期考察准备工作。因此在浑水、含泥沙量大、潜水员在水中能见度为零或近似于零的水域下研发一种浑浊水域水下光学成像设备称为当前亟待解决的技术问题。

1 水下成像技术原理及其重要性

在自然环境下,高效获取图像信息并对其进行处理和分析较为困难,这是因为在光学成像系统内,其自身的能见度和所得图像的对比度过低,无法得到高质量图像信息。具体而言,光在水体中存在能量损失和散射,使得有效光线在传输过程中失真,造成成像模糊,无法达到水下勘测目的。此外,光在水中受水中物质影响会出现光噪声,对目标反射光造成了很大的干扰,这会降低图像的对比度。因此水下光学成像退化的主要原因就是水会不同程度地吸收不同光波；水中悬浮颗粒造成光的散射；当光穿过水体时,水体中存在多种物质的单位长度对不同光波的光的衰减作用各不相同,这会导致图像的颜色失真。水下成像模型及水下光线吸收图如图1所示。其中光的散射是最主要的原因,主要体现在:散射作用下的光能量被严重损耗,导致成像距离不足；前向散射导致光的能量逸散,导致光信号不足和失真,成像模糊；而后向散射的光会在成像系统内造成光噪声,导致成像的信噪比遭到严重破环,甚至无法成像。尤其在海水中,水体环境更为复杂,海水对光的散射作用相对强烈,更容易出现水下图像模糊的现象。这是因为水下摄像机所接受到的很大一部分光线并非直接来源于目标体。此外海水对可见光的吸收作用更加显著,但是光在波长500多纳米左右时在海水中会出现一个固定“透射窗口”,某些激光器比如YAG激光器发出的波长恰好处在海水的这一“窗口”里,利用激光的某些特性,将其和一些具有特殊功能的光电器件相结合,能最大限度地抑制海水对光线的吸收和散射作用,提高成像效果。不同光源成像效果如图2所示。

图1 水下成像模型及水下光线吸收示意图

图2 不同光源下拍摄水下图像

水下成像技术显著特点之一是水体中,光的强散射效应以及快速吸收功率衰减特性要求比空气更加严格。现阶段水下成像技术在实用阶段取得了良好的效果,主要的成像技术有:常规成像技术、三维成像技术、声纳成像技术以及偏振成像技术。其中常规成像技术具体可分为激光扫描与距离门选通两种类型,它们的工作特点和原理各有差异。激光扫描主要依靠激光器和探测器同步机械扫描成像,其中激光束由激光器发射,由探测器接受并反射。距离门选通则是在发出光束后,激光按时间次序依次到达探测器后,在探测器成像阶段采用快门选通的方法成像。但这种方法不能收集所有距离反射光传递的信息。三维成像技术主要采用了条纹管这一器材,时间分辨条纹管接收到扇形光束时,能接收到不同距离的反射光信息,通过扫描或者CCD技术对信息进行处理和存储。偏振成像则是利用光在不同介质传播时偏振特性的差异改善成像分辨率的。

2 激光成像技术

激光成像技术是水下成像技术最常见的一种成像技术。常见的两种激光成像技术分别为激光扫描水下成像技术和条纹管水下激光三维成像技术。其中距离选通成像系统原理图如图3所示,其主要原理是光在水中会发生后向散射,此时光的强度在水中的中心轴会迅速减小。该系统主要有激光发射器、探测器与激光束等设备。激光器发出窄光束激光,接收器采用窄视场角,这样能减小视场间的重叠部分,减少散射光,保证成像清晰。条纹管水下激光三维成像技术利用脉冲激光,把时间分辨条纹管作为信号接收器。其工作时,发射器发出扇形光束,该光束不在轴线上,信号传输至条纹管成像,成像位置在光电阴极。初步成像后,光电子逸出光电阴极后会经平行板电极,在加速、聚焦和偏转的作用下进入下一阶段,而经过偏转的光束会被垂直于扇形光束方向的扫描电压控制,将光电信息转换为具体的水下三维信息。

图3 激光扫描水下成像

3 关键器件发展状况

激光扫描水下成像系统主要核心部件为激光器和接收器。激光器以氩离子连续波激光器为主,这是因为这种激光器具有光束质量好、分辨率高、图像稳定等特点。成像距离与激光功率大小无明显关系,所以氩离子连续波激光器是水下成像系统激光器较好的选择之一。针对不同类型的水下成像技术如距离选通水下成像技术,其激光器选择更为成熟、成本更低的YAG激光器。此外激光器小型化是其未来发展的趋势,尤其是激光二极管泵浦的发展,能大大提高激光器的水下工作能力。水下成像系统接收器多使用微光成像摄像机,其中ICCD因其高灵敏度的特点成为接收器首选。随着科技的发展,具有CCD器件优点且灵敏度不低于ICCD器件的EMCCD器件将成为未来的主流接收器。

水下成像技术的应用与其发展阶段息息相关,大概可分为三个阶段:初级阶段、发展阶段以及成熟阶段。初级阶段主要是美国为首的国家,基于海洋军事需求研制出仅有测深功能的实验样机,随后美国宇航局研制出了有扫描和高速数据记录功能的机载海洋激光雷达系统AOL。在发展阶段,美国海军和加拿大等国家相继研制出性能提升,具有扫描、高速数据记、录定位等功能的海洋激光雷达系统和水文勘测系统,在军事领域和海洋工程领域大放光彩。在成熟阶段,水下成像技术随着激光器技术和接收器技术不断发展,激光水下成像技术在军事和民用领域应用越来越广泛。比如美军成功研发并应用的ML-90型“魔灯”蓝绿激光系统,其水下探测深度已超过60米；而在1994年,美国的SPARTA激光实验室研制了水下距离选通成像系统See-Ray。此外加拿大也大力发展水下成像技术,相继研制出LUCIE系列成像系统,在直升机反潜作战、军事监测等领域应用广泛,该系统开发了三代,其性能指标大幅提升,重量和体积也得到了较大的优化。

4 水下成像技术的前景展望

随着水下成像技术的不断发展,其应用前景也越来越广阔。水下成像系统的研究与发展首先表现在军事领域,尤其是潜艇监测方面。此外在民用领域如海洋工程、水下隐蔽工程等中的应用也越来越成熟。将水下成像技术用于水文勘测、水下作业检测,大大提升了作业质量,可实现施工和检测同步进行,并能对施工过程进行实时修正,另外水下成像技术也可以用于水下环境监测、海洋鱼群探测、海底地形地貌勘探等行业,并通过总结操作经验对水下作业进行规范化管理和指导。

5 结论

本文主要对水下成像技术的原理、种类、特点以及发展现状和展望做了相应的介绍,重点阐述了水下激光成像技术。从水下成像技术的发展来看,作为一个应用前景广阔、发展迅速的一个系统性工程,水下成像技术对系统性设计和相关器件性能依赖性比较大,且这也是其未来发展的趋势和突破口之一,尤其是极化滤波、图像提取等先进的识别技术,能进一步促进水下探测、成像技术更快更好地发展。