CN106324615A - 基于计算鬼像的水下超长距离成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于计算鬼像的水下超长距离成像装置及方法，装置包括预置光源系统和探测系统，预置光源系统包括光源、光调制器和同步控制模块，所述的光调制器用于形成在强度随机涨落分布的光场，同步控制模块实现预置光源系统与探测系统的时间同步；探测系统包括光强探测器、数据采集模块、数据同步与处理模块；本发明使用了一种新型的收发分离模式的水下成像技术，可用于探测水底地貌，水下环境以及水下航行物体和生物种群等，与传统水下光学成像手段相比较，能有效提高水下成像距离和在复杂水体环境下的成像质量。

Description

基于计算鬼像的水下超长距离成像装置及成像方法

技术领域

本发明属于水下目标探测成像技术领域，具体涉及基于计算鬼像的水下超长距离成像系统。

背景技术

水下目标探测技术在海洋军事应用、海洋资源勘察和海洋环境研究等具有非常重要的意义。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，但由于光在传输过程包括了吸收和散射的过程，使得光在水中传输时能量迅速衰减，通常的水下成像系统很难达到理想的成像效果，在远距离成像时图像质量较差，甚至不能成像。

在此背景下，通过新型成像技术和手段对水下成像和水下目标探测、识别等研究工作就显得的极为重要。最早的关联成像方案使用了纠缠双光子作为光源并且具有非定域成像和突破瑞利衍射极限等奇特的特性，并因此得到人们的广泛关注。人们在最近的研究进展中打破了纠缠光源的限制，使用到了更普遍存在以及更容易获得的赝热光源、热光源来实现关联成像。关联成像包含了呈现物体的空间分布图像，呈现物体的衍射干涉图像和傅里叶变换图像等。总而言之，关联成像是通过光场的高阶性质(即强度涨落关联)来获得物体信息，并且这种信息在关联成像的系统装置中是无法从低阶的光场关联中得到的。因为鬼成像具有抗湍流扰动能力和可无透镜成像等诸多优点，因此其在对地观测、保密通信、雷达成像、生命科学等领域具有极其广泛的应用前景和应用价值。最初实验中所有的关联成像的装置都需要使用两路探测器来探测具有一定的关联性的两个光场，最终得到物体的像。美国麻省理工大学的沙皮罗(Shapiro)在2008年时给出了计算鬼像方案：仅使用一个点(单像素)探测器来完成成像。实验使用激光照射在空间光调制器(SLM)上产生随机分布的光斑，代替赝热光用激光照射旋转毛玻璃产生散斑的方式。由于前方案中的光源的强度是未知的、被动式光源，其光源强度也只能通过探测得到。在装置中保留的一路是探测光路，即有物体以及桶探测器的一路，而原来的参考光路被取消。可以通过已知的对于激光的空间调制，利用衍射理论计算得到在适当位置的光强的分布，而传统的关联成像是通过在相同位置的点阵探测器得到的。

基于计算鬼像技术利用光场的空间关联实现成像，其具有抗扰动能力强等优点，本发明结合计算鬼像方法和水体介质的实际情况，设计了基于计算鬼像的水下超长距离成像系统。

发明内容

本发明的目的是解决现有水下光学成像技术中存在的成像距离短，成像效果不理想等问题，提供一种基于计算鬼像的水下超长距离成像装置及其成像方法。

本发明的具体技术方案如下：

基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，包括预置光源系统和探测系统，所述的预置光源系统包括光源、光调制器和同步控制模块，所述的光调制器用于形成在强度随机涨落分布的光场，同步控制模块实现预置光源系统与探测系统的时间同步；所述的探测系统包括光强探测器、数据采集模块、数据同步与处理模块，其中数据采集模块用于获取光强探测器的信号，数据同步与处理模块用于控制光调制器与数据采集模块间的数据同步，并进行关联计算得到待测物体图像。

上述基于计算鬼像的水下超长距离成像装置中，同步控制模块和数据同步与处理模块通过水下无线方式通信连接。

上述基于计算鬼像的水下超长距离成像装置中，同步控制模块和数据同步与处理模块分别采用内部同步时钟实现预置光源系统与探测系统时间同步。

上述基于计算鬼像的水下超长距离成像装置中，数据采集模块由前置转换放大电路与数据采集卡组成，前置转换放大电路将电流信号转化为电压信号，同时进行信号放大；数据采集卡以与光调制器同频率的速率连续性地采集放大后的电压信号。

上述基于计算鬼像的水下超长距离成像装置中，光调制器为DMD。

上述基于计算鬼像的水下超长距离成像装置中，光强探测器为光电倍增管或光电二极管。

上述基于计算鬼像的水下超长距离成像装置中，探测系统安装在水下潜航装置，与安装在舰船上的探测系统通过无线方式通信。

一种基于计算鬼像的水下超长距离成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)、预置光源系统中的同步控制模块控制光源照射到光调制器上；

(b)、预置光源系统中的光调制器在数据同步控制模块的驱动和控制下载入预置随机图，并调制光源发出的光，形成涨落随机的强度分布光场；

(c)、预置光源系统的出射光经待测物体反射或透射到探测系统；

(d)、探测系统中的光强探测器探测到总光强值并转换成与总光强值正相关的电流信号；

(e)、探测系统中的数据采集模块接收电流信号并转化为电压信号，同时进行信号放大，得到总光强值涨落信息；

(f)、探测系统中的数据同步与处理模块控制协调控制预置光源系统和探测系统协同工作，关联计算后得到待测目标待测物体的图像。

上述基于计算鬼像的水下超长距离成像方法中，步骤(f)中的关联计算采用的公式为

G(x，y)＝<(S_i-<S_i>)P_i(x，y)>

其中G(x，y)为目标待测物体的图像，<>表示对N次测量取系综平均值，Pi(x，y)为载入到电光调制器阵列调制系统中的第i个随机图的强度分布，Si为光强探测器探测得到的对应于Pi(x，y)的总光强值。

本发明具有的有益技术效果如下：

1、本发明使用了一种新型的收发分离模式的水下成像技术，可用于探测水底地貌，水下环境以及水下航行物体和生物种群等，与传统水下光学成像手段相比较，能有效提高水下成像距离和在复杂水体环境下的成像质量。

2、本发明所具有的极强的抗散射优势和抗扰动能力，能够消除湍流扰动或散射介质等对成像质量的影响，提高了在实际水下环境或某种极端水下环境(如浑浊水体)中的成像质量。

3、本发明中成像系统由于采用了收发分离的系统组成结构，因此能有效地提高了水下光学成像的成像距离；算法采用计算关联成像手段，依靠调制产生强度分布的随机分布涨落光场，直接用不需要具有空间分辨能力的光探测器测量光强分布，简化了成像系统的组成结构。

附图说明

图1是本发明基于计算鬼像的水下超长距离成像系统原理图；

图2是本发明基于计算鬼像的水下超长距离系统组网应用示意图；

图3是本发明基于计算鬼像的水下超长距离成像系统实验光路图；

图4是利用图2装置获得的成像结果空间图片；

图5是传统成像方法受到水散射得到的成像结果图片。

附图标记如下：1—预置光源系统；2—同步控制模块；3—光源；4—光调制器；5—待测物体；6—探测系统；7—光强探测器；8—数据采集模块；9—数据同步与处理模块；13—水体；14—分束器；15—透镜；16——连续衰减器；17—光强探测器；18—CCD；19—计算机；30—舰船或浮标；31—水下机器人或水下潜航装置。

具体实施方式

基于计算鬼像技术利用光场的空间关联实现成像，其具有抗扰动能力强等优点。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。预置随机光源系统的其光场分布表示为E(ρ,t)，E₂(ρ,t)为光源E(ρ,t)经过空间自由传播到达待测物体表面的光场分布，预置随机光源计算值为假设预置光源系统产生随机光场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待测物体上的光场分布，经物体衍射后的光被探测系统接收，然后与参考光符合计算，就可通过关联计算得出物体的像。

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

$E_2({\mathrm{\&rho;}}_2,t)=\&Integral;E(\mathrm{\&rho;},t)\frac{1}{iL\mathrm{\&lambda;}}{e}^{ikL}d\mathrm{\&rho;}$

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

$E_1({\mathrm{\&rho;}}_1,t)=\&Integral;E(\mathrm{\&rho;},t)\frac{1}{iL\mathrm{\&lambda;}}{e}^{ikL}d\mathrm{\&rho;}$

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')，光强测器的面积为A₂，因此光强探测器探测到的光强为

$I_1\left(t\right)={\&Integral;}_{A_2}{\left|E_1({\mathrm{\&rho;}}_1,t)\right|}^2{\left|T\left({\mathrm{\&rho;}}^{\&prime;}\right)\right|}^2{\mathrm{d\&rho;}}^{\&prime;}$

则可得关联函数

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

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，A₂为光强探测器的面积。用这个关联函数就可以恢复出物体的像。

如图1和图2所示，本发明中的成像系统包括：预置光源系统和探测系统。

其中预置光源系统包括：

①用于实现预置光源系统与探测系统时间同步的同步控制模块

同步控制模块和数据同步与处理模块采用水下无线连接方案，或分别采用内部同步时钟实现预置光源系统与探测系统时间同步的。

②光源

光源采用激光器或LED。

③用于形成在强度随机涨落分布的光场的光调制器

光调制器可采用DMD或其他光调制器设备以用于形成在强度随机涨落分布的光场。

探测系统包括：

①光强探测器

用于将总光强化为相关的电信号，光强探测器采用光电倍增管或光电二极管将总光强化为相关的电信号。

②数据采集模块

用于获取电信号并进行放大，得到总光强值的强度涨落信息。数据采集模块由潜质转换放大电路与数据采集卡组成。

③数据同步与处理模块

用于控制光调制器与数据采集模块间的数据同步，之后进行关联计算得到待测物体图像。数据采集卡含有能够通过外部的同步信号来触发采集操作进行的触发采集端口。

本发明成像方法采用技术方案是计算鬼成像，实现步骤如下：

(a)、预置光源系统中的同步控制模块控制光源照射到光调制器上；

(b)、预置光源系统中的光调制器在数据同步控制模块的驱动和控制下载入预置随机图，并调制光源发出的光，形成涨落随机的强度分布光场；

(c)、预置光源系统的出射光经待测物体反射或透射到探测系统；

(d)、探测系统中的光强探测器探测到总光强值并转换成与总光强值正相关的电流信号；

(e)、探测系统中的数据采集模块接收电流信号并转化为电压信号，同时进行信号放大，得到总光强值涨落信息；

(f)、探测系统中的数据同步与处理模块控制协调控制预置光源系统和探测系统协同工作，关联计算后得到待测目标待测物体的图像。

进一步地，所述数据采集模块由前置转换放大电路与数据采集卡组成，其中，前置转换放大电路将电流信号转化为电压信号，同时进行信号放大；数据采集卡通过与光调制器同频率的速率连续性地采集放大后的电压信号。

进一步地，步骤(f)中的关联计算采用如下公式：

G(x，y)＝<(S_i-<S_i>)P_i(x，y)>

其中G(x，y)为目标待测物体的图像，<>表示对N次测量取系综平均值，Pi(x，y)为载入到电光调制器阵列调制系统中的第i个随机图的强度分布，Si为光强探测器探测得到的对应于Pi(x，y)的总光强值。

实验中，本发明申请人使用美国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而用计算机Labview虚拟计算出参考光传播到待测物体处的光强分布。

实施例1

为了实现水下超长距离探测功能,本发明设计的成像系统采用收发分离的结构如图2所示，其中30为装载有本发明所述探测系统的舰船或浮标，31为装载有本发明所述预置光源的水下机器人或水下潜航装置，5为待测物体(待测目标)。

目标探测方法：水下组网的方式可以使携带了本发明中所述的预置光源系统的水下机器人或水下潜航装置接近待测目标，而我们的探测装置可以装载在舰船或者浮标装置上等接收端来，通过无线或者时钟同步的手段，探测装置可以和水下机器人或水下潜航装置进行水下通信或时钟同步触发随机光源产生变化的光场，这样收发分离的方式结合鬼像的成像特点就能够实现水下超长距离的探测功能。

实施例2

本发明所述的计算鬼成像装置的构成如图3所示，包括：1预置光源系统，5待测物体，13水体，14分束器，15透镜，16连续衰减器，17光强探测器，18CCD，19计算机。

目标探测方法：在实验室条件下，使用装水玻璃容器模拟海洋水下环境，将待测物体(反射十字)置于光路中。Labview控制DMD产生20000个相位随机图片(像素为40×40)，即随机光源。随机光源传播到达待测物体，经过待测物体反射到达分束器，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，采样1000张在纯水中得出目标物体的像如图4。系统中的CCD成像为传统光学成像手段，与本发明基于计算鬼像的水下超长距离成像系统在水中加入一定散射条件下(浊度50NTU，NTU为浊度单位)成像结果如图5所示，实验证明在水的散射条件会影响传统光学成像效果，而本发明中的成像系统比较清晰地恢复目标物信息。

实施例3

在实施例1的基础上，在实验环境加入模拟实际水体环境的散射介质，其他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，在水体中加入散射介质如1250目的高岭土，使得浊度随高岭土在水中的悬浊量变化。重复实施例1的操作方法。图3系统中的CCD成像为传统光学成像手段，与本发明基于计算鬼像的水下超长距离成像系统在水中加入一定散射条件下(浊度50NTU，NTU为浊度单位)成像结果如图5所示，实验证明在水的散射条件会影响传统光学成像效果，而本发明中的成像系统比较清晰地恢复目标物信息。根据实验结果可以得出本发明具有良好的水下抗扰动和抗散射特性。

Claims (9)

1.基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：包括预置光源系统和探测系统，所述的预置光源系统包括光源、光调制器和同步控制模块，所述的光调制器用于形成在强度随机涨落分布的光场，同步控制模块实现预置光源系统与探测系统的时间同步；

所述的探测系统包括光强探测器、数据采集模块、数据同步与处理模块，其中数据采集模块用于获取光强探测器的信号，数据同步与处理模块用于控制光调制器与数据采集模块间的数据同步，并进行关联计算得到待测物体图像。

2.根据权利要求1所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：所述的同步控制模块和数据同步与处理模块通过水下无线方式通信连接。

3.根据权利要求1所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：所述的同步控制模块和数据同步与处理模块分别采用内部同步时钟实现预置光源系统与探测系统时间同步。

4.根据权利要求1所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：所述数据采集模块由前置转换放大电路与数据采集卡组成，前置转换放大电路将电流信号转化为电压信号，同时进行信号放大；数据采集卡以与光调制器同频率的速率连续性地采集放大后的电压信号。

5.根据权利要求1所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：所述的光调制器为DMD。

6.根据权利要求1所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：光强探测器为光电倍增管或光电二极管。

7.根据权利要求1所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：所述的探测系统安装在水下潜航装置，与安装在舰船上的探测系统通过无线方式通信。

8.利用权利要求1至7任意之一所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像装置进行成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)、预置光源系统中的同步控制模块控制光源照射到光调制器上；

(b)、预置光源系统中的光调制器在数据同步控制模块的驱动和控制下载入预置随机图，并调制光源发出的光，形成涨落随机的强度分布光场；

(c)、预置光源系统的出射光经待测物体反射或透射到探测系统；

(d)、探测系统中的光强探测器探测到总光强值并转换成与总光强值正相关的电流信号；

(e)、探测系统中的数据采集模块接收电流信号并转化为电压信号，同时进行信号放大，得到总光强值涨落信息；

(f)、探测系统中的数据同步与处理模块控制协调控制预置光源系统和探测系统协同工作，关联计算后得到待测目标待测物体的图像。

9.根据权利要求8所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像方法，其特征在于，步骤(f)中的关联计算采用的公式为

G(x，y)＝<(S_i-<S_i>)P_i(x，y)>

其中G(x，y)为目标待测物体的图像，<>表示对N次测量取系综平均值，Pi(x，y)为载入到电光调制器阵列调制系统中的第i个随机图的强度分布，Si为光强探测器探测得到的对应于Pi(x，y)的总光强值。