市場應用
Market Application
水下成像技術主要應用于水下作業(yè)，在水這種介質中傳播時光的能量會有較多損耗，同時容易產生光噪聲，而且光在水中會發(fā)生折射和散射，這樣一方面會造成光的能量受損成像質量差，另一方面系統(tǒng)成像距離受損。在水下成像技術發(fā)展的初級階段，雖然能通過增加光的強度的方法改善成像效果，但光會出現反向噪聲的問題。近年來激光技術得到了廣泛研究與發(fā)展，激光被應用到水下成像技術，發(fā)展出了水下激光成像技術。采用激光能改善光的散射效應和吸取功率減退效應，這樣一來水下成像質量得到了極大的提高，同時也增加了勘測的距離。目前水下激光成像系統(tǒng)廣泛應用于海洋開發(fā)、軍事、工程應用方面，比如海上走私船監(jiān)視、海上軍事裝備的檢修與監(jiān)控、海底軍事目標的搜查以及海底隧道的勘測維修等。近幾年水下成像技術發(fā)展迅速，在實用階段取得了良好的效果，尤其是在系統(tǒng)成像深度及效果方面進步顯著，這些進步與激光技術和先進成像技術的發(fā)展密不可分。但是在面對內河水域，尤其是水質渾濁甚至潛水員在水下的能見度為零的時候，常規(guī)水下成像技術顯得力不從心，在確定水下物品價值、水下物品型號等方面顯得捉襟見肘，無法及時完成水下作業(yè)的前期考察準備工作。因此在渾水、含泥沙量大、潛水員在水中能見度為零或近似于零的水域下研發(fā)一種渾濁水域水下光學成像設備稱為當前亟待解決的技術問題。
1 水下成像技術原理及其重要性
在自然環(huán)境下，高效獲取圖像信息并對其進行處理和分析較為困難，這是因為在光學成像系統(tǒng)內，其自身的能見度和所得圖像的對比度過低，無法得到高質量圖像信息。具體而言，光在水體中存在能量損失和散射，使得有效光線在傳輸過程中失真，造成成像模糊，無法達到水下勘測目的。此外，光在水中受水中物質影響會出現光噪聲，對目標反射光造成了很大的干擾，這會降低圖像的對比度。因此，水下光學成像退化的主要原因就是水會不同程度地吸收不同光波，水中懸浮顆粒造成光的散射，當光穿過水體時，水體中存在多種物質的單位長度對不同光波的光的衰減作用各不相同，這會導致圖像的顏色失真。水下成像模型及水下光線吸收圖如圖1 所示。其中光的散射是最主要的原因，主要體現在：散射作用下的光能量被嚴重損耗，導致成像距離不足；前向散射導致光的能量逸散，導致光信號不足和失真，成像模糊；而后向散射的光會在成像系統(tǒng)內造成光噪聲，導致成像的信噪比遭到嚴重破環(huán)，甚至無法成像。尤其在海水中，水體環(huán)境更為復雜，海水對光的散射作用相對強烈，更容易出現水下圖像模糊的現象。這是因為水下攝像機所接受到的很大一部分光線并非直接來源于目標體。此外海水對可見光的吸收作用更加顯著，但是光在波長500多納米左右時在海水中會出現一個固定“透射窗口”，某些激光器比如YAG 激光器發(fā)出的波長恰好處在海水的這一“窗口”里，利用激光的某些特性，將其和一些具有特殊功能的光電器件相結合，能最大限度地抑制海水對光線的吸收和散射作用，提高成像效果。不同光源成像效果如圖2 所示。
水下成像技術顯著特點之一是水體中，光的強散射效應以及快速吸收功率衰減特性要求比空氣更加嚴格。現階段水下成像技術在實用階段取得了良好的效果，主要的成像技術有：常規(guī)成像技術、三維成像技術、聲納成像技術以及偏振成像技術。其中常規(guī)成像技術具體可分為激光掃描與距離門選通兩種類型，它們的工作特點和原理各有差異。激光掃描主要依靠激光器和探測器同步機械掃描成像，其中激光束由激光器發(fā)射，由探測器接受并反射。距離門選通則是在發(fā)出光束后，激光按時間次序依次到達探測器后，在探測器成像階段采用快門選通的方法成像。但這種方法不能收集所有距離反射光傳遞的信息。三維成像技術主要采用了條紋管這一器材，時間分辨條紋管接收到扇形光束時，能接收到不同距離的反射光信息，通過掃描或者CCD 技術對信息進行處理和存儲。偏振成像則是利用光在不同介質傳播時偏振特性的差異改善成像分辨率的。
2 激光成像技術
激光成像技術是水下成像技術最常見的一種成像技術。常見的兩種激光成像技術分別為激光掃描水下成像技術和條紋管水下激光三維成像技術。其中距離選通成像系統(tǒng)原理圖如圖3 所示，其主要原理是光在水中會發(fā)生后向散射，此時光的強度在水中的中心軸會迅速減小。該系統(tǒng)主要有激光發(fā)射器、探測器與激光束等設備。激光器發(fā)出窄光束激光，接收器采用窄視場角，這樣能減小視場間的重疊部分，減少散射光，保證成像清晰。條紋管水下激光三維成像技術利用脈沖激光，把時間分辨條紋管作為信號接收器。其工作時，發(fā)射器發(fā)出扇形光束，該光束不在軸線上，信號傳輸至條紋管成像，成像位置在光電陰極。初步成像后，光電子逸出光電陰極后會經平行板電極，在加速、聚焦和偏轉的作用下進入下一階段，而經過偏轉的光束會被垂直于扇形光束方向的掃描電壓控制，將光電信息轉換為具體的水下三維信息。
3 關鍵器件發(fā)展狀況
激光掃描水下成像系統(tǒng)主要核心部件為激光器和接收器。激光器以氬離子連續(xù)波激光器為主，這是因為這種激光器具有光束質量好、分辨率高、圖像穩(wěn)定等特點。成像距離與激光功率大小無明顯關系，所以氬離子連續(xù)波激光器是水下成像系統(tǒng)激光器較好的選擇之一。針對不同類型的水下成像技術如距離選通水下成像技術，其激光器選擇更為成熟、成本更低的YAG激光器。此外激光器小型化是其未來發(fā)展的趨勢，尤其是激光二極管泵浦的發(fā)展，能大大提高激光器的水下工作能力。水下成像系統(tǒng)接收器多使用微光成像攝像機，其中ICCD因其高靈敏度的特點成為接收器首選。隨著科技的發(fā)展，具有CCD器件優(yōu)點且靈敏度不低于ICCD 器件的EMCCD 器件將成為未來的主流接收器。
水下成像技術的應用與其發(fā)展階段息息相關，大概可分為三個階段：初級階段、發(fā)展階段以及成熟階段。初級階段主要是美國為首的國家，基于海洋軍事需求研制出僅有測深功能的實驗樣機，隨后美國宇航局研制出了有掃描和高速數據記功能的機載海洋激光雷達系統(tǒng)AOL。在發(fā)展階段，美國海軍和加拿大等國家相繼研制出性能提升，具有掃描、高速數據記、錄定位等功能的海洋激光雷達系統(tǒng)和水文勘測系統(tǒng)，在軍事領域和海洋工程領域大放光彩。在成熟階段，水下成像技術隨著激光器技術和接收器技術不斷發(fā)展，激光水下成像技術在軍事和民用領域應用越來越廣泛。比如美軍成功研發(fā)并應用的ML- 90 型“魔燈”藍綠激光系統(tǒng)，其水下探測深度已超過60 米；而在1994年，美國的SPARTA 激光實驗室研制了水下距離選通成像系統(tǒng)See- Ray。此外加拿大也大力發(fā)展水下成像技術，相繼研制出LUCIE 系列成像系統(tǒng)，在直升機反潛作戰(zhàn)、軍事監(jiān)測等領域應用廣泛，該系統(tǒng)開發(fā)了三代，其性能指標大幅提升，重量和體積也得到了較大的優(yōu)化。
4 水下成像技術
隨著水下成像技術的不斷發(fā)展，其應用前景也越來越廣闊。水下成像系統(tǒng)的研究與發(fā)展首先表現在軍事領域，尤其是潛艇監(jiān)測方面。此外在民用領域如海洋工程、水下隱蔽工程等中的應用也越來越成熟。將水下成像技術用于水文勘測、水下作業(yè)檢測，大大提升了作業(yè)質量，可實現施工和檢測同步進行，并能對施工過程進行實時修正，另外水下成像技術也可以用于水下環(huán)境監(jiān)測、海洋魚群探測、海底地形地貌勘探等行業(yè)，并通過總結操作經驗對水下作業(yè)進行規(guī)范化管理和指導。
5 結論
本文主要對水下成像技術的原理、種類、特點以及發(fā)展現狀和展望做了相應的介紹，重點闡述了水下激光成像技術。從水下成像技術的發(fā)展來看，作為一個應用前景廣闊、發(fā)展迅速的一個系統(tǒng)性工程，水下成像技術對系統(tǒng)性設計和相關器件性能依賴性比較大，且這也是其未來發(fā)展的趨勢和突破口之一，尤其是極化濾波、圖像提取等先進的識別技術，能進一步促進水下探測、成像技術更快更好地發(fā)展。
