CN106019306A - 一种基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置，包括随机光源、分束器、桶探测器和数据处理单元，随机光源出射的随机光经过分束器分束后照射到待成像物体，经过待成像物体反射后的信号光入射进桶探测器，数据处理单元将桶探测器的信号与随机光源传播至与桶探测器相同光程处的光强分布值进行二阶关联计算，得出待成像物体的像；本发明具有抗扰动，不易受海水温度、盐度变化以及水流速度影响等特点，与已有的各种水下目标探测方法相比，具有分辨率高、成像质量高等优点。

Description

一种基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置

技术领域

本发明属于水下目标成像探测技术领域，具体涉及一种利用计算鬼成像原理实现水下目标成像探测的装置。

背景技术

无论是海洋勘测、海事搜救等民用领域，还是反潜反导、水下侦察等军事领域，都对水下目标的探测技术有着广泛而迫切的应用需求。根据成像原理的不同，水下成像技术可分为声纳成像和光学成像两大类。目前，声呐成像技术凭借声场在水中传播距离远、能量损耗小的独特优势，成为水下目标探测的主要手段。然而，由于声波波长较长，易受噪声干扰等因素，声呐成像技术存在图像质量差、目标分辨率低等诸多缺点。更为严重的是，在水深较浅的近海区域，由于受到水底混响、多途反射等因素的强烈干扰，声呐成像技术难以捕获和辨识出可靠的目标信号，存在不可避免的探测盲区。

而光学成像技术则能够在一定程度上弥补声纳成像的不足，具有分辨率高、成像质量好等优点。从早期的被动照明成像开始，水下光学成像便引起了人们广泛的关注，发现了适合水下光波传输的”蓝绿窗口”，并利用蓝绿激光器实现了水下主动照明成像的工程应用。经典光学成像技术应用于水下目标探测，在远距离成像时图像质量较差，甚至不能成像。

在水下目标探测技术领域，由于水体中环境复杂，不仅含有水分子和 无机溶解质，还悬浮着大量矿物颗粒以及可溶性有机物(黄色物质)等，光波在水体中传播时会经历多重散射，使得成像光场随机紊乱，导致成像距离较短，在远距离成像时质量较差，甚至不能成像。

发明内容

本发明的目的是为了解决传统水下目标探测分辨率低、抗扰动性能弱、成像质量差等问题，提出的一种基于计算鬼成像原理模拟真实水下环境中水下目标探测的装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置，包括随机光源、分束器、桶探测器和数据处理单元，随机光源出射的随机光经过分束器分束后照射到待成像物体，经过待成像物体反射后的信号光经过分束器后入射进桶探测器，数据处理单元将桶探测器探测到的信号光与随机光源传播至与桶探测器相同光程处的光强分布值进行二阶关联计算，得出待成像物体的像；所述的桶探测器为可将经过分束器的反射光信号全部接收的光探测器。

上述基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置中，待成像物体反射后的信号光经过分束器的后向反射后入射进桶探测器。

上述基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置中，随机光源为光源出口设置空间光调制器SLM或数字微镜晶片DMD而成，并通过预先控制实现随机输出。

上述基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置中，桶探测器为具有时间分辨力的大面积光功率计。

上述基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置中，待成像物体为 水下目标。

上述基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置中，随机光源、分束器和桶探测器均设置在同一个壳体内。

本发明克服了传统鬼成像技术应用的限制，首次将计算鬼成像技术应用于海洋水下目标探测，具有经典光学成像不可比拟的优势，具有的有益技术效果是：

(1)抗扰动，不易受海水温度、盐度变化以及水流速度影响等特点，具有良好的抗扰动特性；

(2)分辨率高，与已有的各种水下目标探测方法相比，该成像系统能够更加精确地呈现被测目标物体的像；

(3)成像质量高，与已有的各种水下目标探测方法相比，能够实现远距离目标较高质量的成像。

附图说明

图1是鬼成像探测原理图。

图2是计算鬼成像探测原理图。

图3是本发明水下目标探测装置的成像系统原理图。

图4是本发明水下目标探测装置的成像系统实验光路图。

图5是利用图4装置获得的双缝目标成像结果空间分布图。

图6是利用图4装置获得的双缝目标成像结果空间分布曲线。

图7为流体扰动环境下的双缝目标成像结果空间分布图。

图8是流体扰动环境下的双缝目标成像结果空间分布曲线。

图9是实施例3中水下目标探测装置的成像系统实验光路图。

附图标记为：1－随机光源，2－分束器，3－桶探测器，4－待成像物体，5－关联器，6－信号光，7－参考光，8－随机光源计算值，9－CCD探测器，12－数据处理单元，13－普通照相机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。本发明的基本思想是结合计算鬼成像特点，利用计算鬼成像技术实现对海洋水下目标的探测。

传统的“鬼成像”技术是利用光源的二阶关联特性，通过双路符合测量对物体进行成像。如图1所示，随机光源1的输出光经过分束器2分束后，形成信号光6和参考光7，信号光在空间自由传播照射到待成像物体4后，经过物体衍射后的光进入没有空间分辨率，但具有一定时间分辨率，且可以将入射光束全部收集的桶状探测器3。参考光并不经过物体，只是在空间自由衍射传播，并且与信号光到物平面具有相同的距离，然后进入具有空间分辨率的CCD探测器9。最后把桶探测器3探测到的光强与CCD接收到的光场分布进行强度关联，从而恢复出物体的图像信息。

计算鬼成像属于鬼成像的一个特例，与鬼成像技术相比较，计算鬼成像的特点是不需要收集参考光，通过分析光源在空间的分布，即可通过计算得到参考光的信息。如图2所示的计算鬼成像原理中，1为预置随机光源，其光场分布表示为E(ρ,t)，E₂(ρ,t)为光源E(ρ,t)经过空间自由传播到达物体表面的光场分布，4为待成像物体，3为桶探测器，5为关联器，8为预置随机光源计算值该装置中只用了一个桶状探测器进行信号探测。假设连续的激光束经过空间光调制器调制得到预置随机光场E(ρ,t)，E₂(ρ,t)场是E(ρ,t)经过一段空间的自由传播入射到物体上的分布，经物体 衍射后的光被桶探测器3接收，然后与参考光符合计算，就可通过关联计算得出物体的像。

在图2“计算鬼成像”原理图中，相对于传统鬼成像需要使用CCD探测参考光传播L距离处的光斑分布，在本发明中通过计算可得参考光在距离L处的光斑分布，进而可得光强分布I₁(t)。

参考光传播L距离处的光斑分布为

$E_2({\mathrm{\ρ}}_2,t)=\∫E(\mathrm{\ρ},t)\frac{1}{iL\mathrm{\λ}}{e}^{ikL}d\mathrm{\ρ}$

所以，在相同传播条件下，参考光传播L距离处的光斑分布，即物体表面的光强分布为

I₂(t)＝|E₂(ρ₂,t)|²

假设预置随机光源传播L的长度到达待成像物体，则物体表面的光场分布为

$E_1({\mathrm{\ρ}}_1,t)=\∫E(\mathrm{\ρ},t)\frac{1}{iL\mathrm{\λ}}{e}^{ikL}d\mathrm{\ρ}$

上式中ρ₁为物体空间坐标，λ为波长，k＝2π/λ，k为波数，i为相位。

假设物体的孔径函数为T(ρ')，桶探测器的面积为A₂，因此桶探测器探测到的光强为

$I_1\left(t\right)={\∫}_{A_2}\left|E_1({\mathrm{\ρ}}_1,t){|}^2\right|T\left({\mathrm{\ρ}}^{\′}\right){|}^2{\mathrm{d\ρ}}^{\′}$

则可得关联函数

$C\left({\mathrm{\&rho;}}_1\right)=<I_1\left(t\right)I_2\left(t\right)>=q^2{\mathrm{\&eta;}}^2{A}_1{\left(\frac{2P}{{\mathrm{\&pi;a}}_L^2}\right)}^2{\&Integral;}_{A_2}{\mathrm{d\&rho;}}^{\&prime;}{e}^{-|{\mathrm{\&rho;}}_1-\mathrm{\&rho;}{|}^2/{\mathrm{\&rho;}}_L^2}|T\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right){|}^2$

上式方程中，a_L＝2L/kρ₀,ρ_L＝2L/ka₀,k＝2π/λ，a_z和ρ_z为z＝0和＝L的 光强半径和散斑半径，q是电子电荷量，η是桶状探测器的量子效率，λ是波长，A₁为计算得到的参考光传播L距离的光斑分布面积，P为光源的光强涨落，单孔探测器的面积，A₂为桶状探测器的面积。用这个关联函数就可以恢复出物体的像。

本发明是将上述计算鬼成像原理应用于水下成像探测技术中，成像系统如图3所示。图中箭头所指为光波传播方向。其中1代表随机光源，可以通过控制空间光调制器SLM或数字微镜晶片DMD等产生；2为分束器，用于反射随机光源入射到物体表面后产生的随机光束；4为目标物体；3为桶探测器，用于接收经过物体反射回来的光强信息。数据处理单元12内置关联器模块，用于将计算所得参考光传播相同距离处的光强分布,即参考光信息,与桶探测器所探测到物体的光强进行二阶关联计算，得出目标物体的像。

实验中，我们使用美国NI公司的虚拟仪器开发平台Labview,利用它在信号处理、图形呈现以及用户界面设计上的优势，实现Labview控制产生模拟光源，以及直接在计算机内关联成像，由于Labview设计的程序界面更加友好，使用起来更加简单，可以随意改变物理参量，克服了光学实验上许多难以实现的操作。我们只使用一个桶探测器，收集经过物体反射后总的光强。如图3所示，光源在Labview控制下，经过自由衍射的传播达到物平面，生成相位随机图片，到达物体表面后，反射的光波进入桶探测器，由探测器探测到的光强经过数据采集卡进入计算机，在Labview中实现计算。参考光为通过控制空间光调制器或数字微镜晶片等产生的相位随机图片，并且在Labview中控制DMD产生20000个相位随机图片，设置参考光像素为40×40，然后与在物体表面反射的光强在计算机中进行关联计算，从而恢复出物体的信息。与传统的鬼成像实验相比，实验中省去参考 光路这一臂，即省去了图1中CCD这一臂，而用计算机Labview虚拟计算出参考光传播L距离处的光强分布。

实施例1

本发明所述的计算鬼成像装置的构成如图4所示，包括：1为随机光源(德州仪器生产的DMD)，2为分束器(大恒光学分束器)，4为待成像物体(即目标物体，委托加工而成的双缝物体)，3为桶探测器，利用计算机Labview软件实现关联器5。

目标探测方法：在实验室条件下，使用鱼缸模拟海洋水下目标探测，将双缝物体置于鱼缸中。Labview控制DMD产生20000个相位随机图片(像素为40×40)，即随机光源。随机光源经过分束器然后在水下传播80cm的距离到达双缝物体，经过双缝物体反射再次沿原光路返回到达分束器，再经分束器反射被桶探测器接收，与计算所得参考光传播相同距离处的光强分布进行二阶关联计算，得出目标物体的像。

目标探测结果如图5和图6，实验结果比较清晰的恢复了目标物体强度分布信息，且能够比较直观地辨别出双缝目标物体。

实施例2

在实施例1的基础上，在实验环境中制造浪涌，实验环境及参数与例1相同。

目标探测方法：在实施例1的基础上，在鱼缸中避开光源传播路径置入24w的鱼缸造浪泵，模拟真实海洋水流动态下的水下目标探测，重复实施例1的操作方法。目标探测结果如图7、图8，实验结果比较清晰的恢复了目标物体强度分布信息，且能够比较直观地辨别出双缝目标物体。

根据实验结果可以得出本发明不易受水下湍流的影响，具有良好的抗扰动特性。

实施例3

与实施例1实验条件不变，直接使用一阶成像的方法，即使用普通照相机对目标物体拍照成像，实验光路图如图9普通照相机成像光路图所示，包括：1为随机光源(德州仪器生产的DMD)，2为分束器(大恒光学分束器)，3为桶探测器，4为目标物体(委托加工而成的双缝物体)，使用鱼缸模拟水下环境，利用计算机Labview软件实现关联器，13为普通照相机。与实施例1实验环境及条件不变，直接在图9普通照相机成像光路图中所标注的位置对双缝目标物体进行拍照成像。

目标探测结果表明普通相机一阶成像的方法无法直观地分辨物体，更不能对物体清晰地成像。如图5至图8所示，本发明成像质量较高，能够比较清晰的恢复物体的强度分布信息，且能够比较直观地辨别出双缝目标物体。

Claims (6)

1.一种基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置，其特征在于：包括随机光源(1)、分束器(2)、桶探测器(3)和数据处理单元(12)，随机光源(1)出射的随机光经过分束器(2)分束后照射到待成像物体(4)，经过待成像物体反射后的信号光入射进桶探测器(3)，数据处理单元(12)将桶探测器探测到的信号光与随机光源(1)传播至与桶探测器相同光程处的光强分布值进行二阶关联计算，得出待成像物体的像；所述的桶探测器为可将经过分束器的反射光信号全部接收的光探测器。

2.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置，其特征在于：所述的待成像物体反射后的信号光经过分束器(2)的后向反射后入射进桶探测器(3)。

3.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置，其特征在于：所述的随机光源为光源出口设置空间光调制器SLM或数字微镜晶片DMD而成，并通过预先控制实现随机输出。

4.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置，其特征在于：所述的桶探测器(3)为具有时间分辨力的大面积光功率计。

5.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置，其特征在于：所述的待成像物体(4)为水下目标。

6.根据权利要求1所述的基于计算鬼成像原理实现水下目标探测的装置，其特征在于：所述的随机光源(1)、分束器(2)和桶探测器(3)均设置在同一个壳体内。