CN107015288B - 一种多通道的水下光学成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道的水下光学成像方法，利用光学系统接收成像目标接收光照后经过悬浮颗粒形成的目标光束和后向散射，所述第一图像传感器和第二图像传感器安装于光学系统的光轴上，接收不同离焦位置的图像，根据目标光束与后向散射在第一图像传感器与第二图像传感器之间传播的等效光学点扩散函数进行图像的差分处理，提取目标信息。本发明利用后向散射和成像目标在光学系统中的传递函数存在的差异，抑制后向散射，获取清晰的水下远距离目标图像。

Description

一种多通道的水下光学成像方法

技术领域

本发明涉及一种多通道的水下光学成像方法。

背景技术

后向散射是制约水下光学成像作用距离的主要因素。然而由于散射的随机性，导致后向散射的光学特性难以提取，水下光学成像质量难以提高。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种多通道的水下光学成像方法，本发明利用后向散射与成像目标在光学系统中传递函数之间的差异，抑制后向散射，提取有效目标信息。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种多通道的水下光学成像方法，包括以下步骤：

(1)调整光源使其照射成像目标，照明光束传播中照射到悬浮颗粒产生后向散射，由此形成了目标光束和后向散射光束；

(2)目标光束和后向散射光束的传播路径上搭建光学系统、分光板，第一图像传感器和第二图像传感器安装于光学系统的光轴上，以采集光学系统的焦面附近不同离焦位置的图像；

(3)获取目标光束在第一图像传感器与第二图像传感器之间传播的等效光学点扩散函数h₁，获取后向散射在第一图像传感器与第二图像传感器之间传播的等效光学点扩散函数h₂；

(4)利用获取的光学点扩散函数h₁和h₂，对第一图像传感器与第二图像传感器采集的光学图像进行均衡差分处理，消除散射噪声，进行图像复原处理，提取目标信息。

进一步的，所述第一图像传感器和第二图像传感器相对于光学系统的等效光路存在轴向间距。

进一步的，所述轴向间距Δf满足

其中，λ为照明光的中心波长，NA为像方数值孔径。

目标光束和后向散射进入光学系统，经过分光板被分为两束，一束成像于第一图像传感器，另一束成像于第二图像传感器。

所述步骤(4)中，根据Mie氏散射理论，对第二图像传感器的接收的光强与第一图像传感器接收的光强乘以后向散射由第一图像传感器到第二图像传感器的等效点扩散函数h₂的值进行均衡差分处理，以消除散射噪声。

进一步的，第一图像传感器接收的光强为成像目标与后向散射之和。

进一步的，第二图像传感器的接收的光强为目标光束由第一图像传感器到第二图像传感器的等效点扩散函数h₁与成像目标的乘积以及后向散射由第一图像传感器到第二图像传感器的等效点扩散函数h₂与后向散射的乘积之和。

对消噪处理的结果进行图像复原处理，以求解提取到有效目标信息。

进一步的，具体过程为：

为傅里叶变换，为逆傅里叶变换，ΔI为通过均衡差分方式消除散射噪声后提取的有效信号。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用后向散射和成像目标在光学系统中的传递函数存在的差异，有效的抑制后向散射，获取清晰的水下远距离目标图像，同时，本发明具有低成本、高精度的优点，适用范围广泛。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明所述一种水下光学成像装置示意图；

图2为本发明所述一种水下光学成像的图像采集装置示意图；

图3为本发明所采集的原始图像示例图；

图中：1、成像目标，2、悬浮颗粒，3、光学系统，4、等效光路轴向间距，5、第二图像传感器，6、分光板，7、第一图像传感器，8、光源，9、第二图像传感器采集图像示例，10、第一图像传感器采集图像示例。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在现有技术无法克服散射的随机性，导致后向散射的光学特性难以提取，水下光学成像质量难以提高的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种多通道的水下光学成像系统与方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，水下后向散射传递函数的光学测试系统由光学系统3、第一图像传感器7、分光板6、第二图像传感器5组成。

所述发明装置中的光源8照射成像目标1，照明光束传播中照射到悬浮颗粒2产生后向散射，由此形成了目标光束和后向散射。

所述发明装置中的光学系统3、第一图像传感器7、分光板6、第二图像传感器5构成图像采集装置，图像采集装置与光源8在同一侧。光学系统3需要具有足够的后截距以满足能够安装好两个图像传感器和分光器。

所述发明装置中的第一图像传感器7和第二图像传感器5被安装于光学系统3的光轴上，用以采集光学系统3的焦面位置附近的图像，第一图像传感器7和第二图像传感器5相对于光学系统3的等效光路存在轴向间距4，应满足

其中，λ为照明光的中心波长，NA为像方数值孔径。

所述发明装置中的目标光束和后向散射进入光学系统3，经过分光板6被分为两束，一束成像于第一图像传感器7，另一束成像于第二图像传感器5。

本发明所述多通道的水下光学成像方法如下：

步骤一：调整光源8照射成像目标1，照明光束传播中照射到悬浮颗粒2产生后向散射，由此形成了目标光束和后向散射光束。

步骤二：搭建由光学系统3、第一图像传感器7、分光板6、第二图像传感器5构成的图像采集装置，第一图像传感器7和第二图像传感器5被安装于光学系统3的光轴上，用以采集光学系统3的焦面附近不同离焦位置的图像。

步骤三：获取目标光束在第一图像传感器7与第二图像传感器5之间传播的等效光学点扩散函数h₁，获取后向散射在第一图像传感器7与第二图像传感器5之间传播的等效光学点扩散函数h₂。

步骤四：利用步骤三获取的光学点扩散函数h₁和h₂，对第一图像传感器7与第二图像传感器5采集的光学图像进行均衡差分处理，消除散射噪声，进行图像复原处理，提取目标信息。

上述处理算法可以通过下面的公式进行详细描述。第一图像传感器接收的光强为：

I₁＝I_t+I_s, (2)

其中，I_t为成像目标，I_s为后向散射。第二图像传感器接收的光强为：

I₂＝I_t*h₁+I_s*h₂, (3)

h₁为目标光束由第一图像传感器7到第二图像传感器5的等效点扩散函数，h₂为后向散射由第一图像传感器7到第二图像传感器5的等效点扩散函数，二者可以通过传递函数测试获得。

根据Mie氏散射理论计算，进入光学系统的后向散射光强度随着距离的增加迅速增加，到达一定距离后，由于散射角度过大，无法进入光学系统，散射光强度逐渐减弱，后向散射具有一定的分布距离。远距成像目标1与后向散射2相对于光学系统3的距离不同，可知，h₁≠h₂。通过均衡差分方式消除散射噪声，提取有效信号。

均衡差分处理：

ΔI＝I₂-I₁*h₂＝I_t*(h₁-h₂). (4)

图像复原处理，提取有效目标信息：

为傅里叶变换，为逆傅里叶变换。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种多通道的水下光学成像方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)调整光源使其照射成像目标，照明光束传播中照射到悬浮颗粒产生后向散射，由此形成了目标光束和后向散射光束；

(2)目标光束和后向散射光束的传播路径上搭建光学系统、分光板，第一图像传感器和第二图像传感器安装于光学系统的光轴上，以接收光学系统的焦面附近不同离焦位置的图像；

(3)获取目标光束在第一图像传感器与第二图像传感器之间传播的等效光学点扩散函数h₁，获取后向散射在第一图像传感器与第二图像传感器之间传播的等效光学点扩散函数h₂；

(4)利用获取的光学点扩散函数h₁和h₂，对第一图像传感器与第二图像传感器采集的光学图像进行均衡差分处理，消除散射噪声，提取目标信息；

所述步骤(4)中，根据Mie氏散射理论，对第二图像传感器的接收的光强与第一图像传感器接收的光强乘以后向散射由第一图像传感器到第二图像传感器的等效点扩散函数h₂的值进行差分处理，消除散射噪声；

第一图像传感器接收的光强为成像目标与后向散射之和；

第二图像传感器的接收的光强为目标光束由第一图像传感器到第二图像传感器的等效点扩散函数h₁与成像目标的乘积以及后向散射由第一图像传感器到第二图像传感器的等效点扩散函数h₂与后向散射的乘积之和。

2.如权利要求1所述的一种多通道的水下光学成像方法，其特征是：所述第一图像传感器和第二图像传感器相对于光学系统的等效光路存在轴向间距。

3.如权利要求2所述的一种多通道的水下光学成像方法，其特征是：所述轴向间距Δf满足

其中，λ为照明光的中心波长，NA为像方数值孔径。

4.如权利要求1所述的一种多通道的水下光学成像方法，其特征是：目标光束和后向散射进入光学系统，经过分光板被分为两束，一束成像于第一图像传感器，另一束成像于第二图像传感器。

5.如权利要求1所述的一种多通道的水下光学成像方法，其特征是：对差分处理的结果进行图像复原处理，以求解提取到有效目标信息。

6.如权利要求5所述的一种多通道的水下光学成像方法，其特征是：具体过程中，成像目标为：

为傅里叶变换，为逆傅里叶变换，ΔI为通过均衡差分方式消除散射噪声后提取的有效信号。