水下成像

水下成像是水下光學和海洋光學學科的重要研究方向，是人類認識海洋、開發利用海洋和保護海洋的重要手段和工具，具有探測目標直觀、成像解析度高、信息含量高等優點。該技術已經被廣泛的套用於水中目標偵察/探測/識別、水下考古、海底資源勘探、生物研究、水下工程安裝/檢修、水下環境監測、救生打撈等領域。

基本介紹

• 中文名：水下成像
• 外文名：Underwater Imaging
• 所屬學科：海洋光學
• 主研單位：中科院西安光學精密機械研究所
• 研究難點：光散射、光衰減

水下成像的優點

1. 探測目標直觀
   
2. 成像解析度高
   
3. 信息含量高
   
4. 圖像質量好
   
5. 畫幅速率高
   
6. 體積小
   

水下成像的主要制約因素

吸收作用

水體中的水分子和水體中含有的各種物質都對光有吸收作用。水體對光能量的吸收作用會損耗照明光束和成像光束的能量，使得超過一定距離的成像光束無法到達成像面，或到達成像面的光能量過於微弱而被噪聲光淹沒。而水體中各種物質對光能量均有強烈的吸收作用，從而嚴重的限制了水下光學成像的距離。

水分子對光的吸收作用具有明顯的光譜特性，在紫外和紅外譜段的吸收效果較強，在可見光譜段的吸收較弱。這是由於水分子是極化的，使得在紫外和紅外譜段上極化水分子會與光線產生強烈的共振，而在可見光譜段，光線與水分子產生的共振相對紫外和紅外譜段較弱。

水體中包含的物質大多對光也有吸收作用，但不同的物質對光的吸收具有明顯的頻譜特性。懸浮顆粒物對光的吸收和散射主要集中在600nm波段以下，其對綠光波段的光能量有強烈的吸收作用。可溶性有機物對光的衰減主要集中在550 nm以下的短波部分。浮游藻類對400-700 nm的光合作用波段的光能量有強烈的吸收作用。在海水中，可溶性有機物的吸收起主要作用，其對光能量的吸收占總吸收的65% 以上。同時其對光波的吸收呈現明顯的隨波長的減小而迅速增大的特性。而在江、河、湖泊等淡水系統中，懸浮顆粒物和浮游藻類等物質的含量顯著增加，對光波的吸收作用貢獻明顯。在二者的共同作用下，淡水系統中的水下光傳輸視窗有明顯的向紅光方向移動的特點。含雜質量越大，偏移量則越大。

散射作用

影響水下光學成像的另一重要光學效應是散射作用。散射作用使得光線的傳播路徑產生複雜變化從而改變光能量在空間和時間分布。其對水下成像的影響主要體現在三個方面：一、損耗了光束傳播方向上的光能量，從而降低了成像距離。二、後向散射的光進入成像系統，產生大量噪聲，影響成像的信噪比。後向散射嚴重時甚至無法成像。三、前向散射分散了成像光束的能量。在成像時使得所呈圖像的輪廓線條虛化、模糊，影響成像的視覺效果。

散射是由水體中的粒子造成的，水體中的粒子粒徑跨度較大，小到直徑比光波長小2個數量級左右的水分子，大到厘米量級的可溶性物質、懸浮的顆粒與生物組織。這些不同粒徑的粒子所引起的散射效果有所不同，由水分子引起的散射在總體散射中只占很小的一部分，可以簡單的認為水分子引起的散射為一不變常量；而引起水體散射特性變化的主要是水體中粒徑較大的部分，其粒徑與可見光波長同量級，其成分和數量的不同會使得水體的散射特性產生巨大的變化。例如，通過對海洋水體散射的研究調查表明，由於不同地區海水中所含雜質的多少不同其散射係數差異極大，從10 m到10 m量級，跨度達到10。在深海清潔海水的散射係數約為0.02m，而在近海水體中因其懸浮粒子的增加散射係數一般為0.15m左右。

水下成像技術分類

水下主動照明成像

水下主動照明成像主要為了解決水下環境對成像光束的高損耗問題，一般使用532nm左右波長的雷射對成像空間進行人工主動照明，在高損耗的情況下保證成像回波信號的絕對能量。主動照明在增強成像光束能量的同時，也會產生大量的後向散射光，影響成像質量。因此，一般水下照明系統採用成像與照明分離布局，以減少後向散射對成像的影響。

水下距離選通成像

水下距離選通成像技術主要以解決後向散射等雜散光對成像的影響為目的。對於主動脈衝照明，後向散射光和目標反射光到達成像接收器件具有時間差。距離選通成像技術通過控制成像快門的開閉，將非目標反射光束到達時間段的光束隔離在接受器件之外，只接收目標反射光束到達時間段的光信號，達到排除雜散光干擾，提高接收數據的信噪比的目的，進而增加成像距離和提高成像質量。

水下距離選通成像技術一般主要由高峰值功率脈衝雷射器、距離選通快門、光學系統、高精度時序控制系統和接收系統（CCD、CMOS、ICCD等）組成。通過計算照明雷射脈衝照明預訂距離目標並返回到接收系統的時間，控制選通快門在雷射脈衝經目標反射返回到達成像系統時開啟，在雷射脈寬時間後關閉。使包含有目標信息的回波信號進入接收器件成像。理論上該技術的成像距離最遠可達到4－6倍衰減長度，但該技術單次成像只能獲取預設好距離的目標，如對其他距離成像則需重新設定快門。

水下雷射掃描成像

水下雷射掃描成像技術主要解決的是水下光學成像距離近的問題。通過線掃描或點掃描的方式對目標進行採樣，然後將採樣信號按位置拼接得到目標的灰度圖像。由於照明雷射能量更為集中，單位面積的目標反射能量更高，使用該方法成像能有效的增加回波信號的強度，從而增加成像距離。水下雷射掃描成像技術一般由高重頻和高峰值功率脈衝雷射器、雷射整形或準直光學系統、掃描機構、光學系統、高精度時序控制系統和接收系統構成。雷射器發射的雷射脈衝經過光學系統的整形成為準直雷射或線雷射束；掃描機構控制整形後的雷射脈衝的方向，使其按順序在空間上排列成陣列來掃描目標區域；通過接收回波信號組成目標的灰度圖。理論上，點雷射掃描成像技術最大作用距離能達到10倍衰減長度。但是由於水體對準直光束的擴散作用和系統硬體的限制，其成像解析度較水下距離選通成像技術低。同時由於其多次採樣的原因，採樣時間較長。

水下壓縮感知成像

針對水下距離選通成像和水下雷射掃描成像的弊端，近年來，提出了基於壓縮感知理論的新型水下成像方法。與傳統的距離選通技術相比，該技術同樣利用雜散光和回波信號光的非同時性來排除雜散光對成像的影響。但不設定距離選通快門等硬體，而是利用採樣頻率10Hz以上的水下壓縮感知單像素相機系統作為成像接收器，對雷射照明脈衝發射後的回波信號全程接收。接收器接收到的是時間序列回波信號，不同距離的回波信號被按時間順序接收。需要對哪一距離的目標成像，則將每一採樣序列中對應時間的數據提取出來，組成壓縮感知採樣值向量。將該向量代入重構算法中即可計算出相應距離的圖像。

相比於水下距離選通成像方法，該技術成像距離可提高1倍；相比於水下雷射掃描成像技術，該技術採樣數量60%~90%，大大降低了系統硬體的成本和難度，具有成像靈活、系統簡單、成本低廉和系統誤差小等諸多優點。