CN109238971B - 一种水下电视摄像的物体表面折射率成像系统 - Google Patents

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Abstract

本说明书提供了一种水下电视摄像的物体表面折射率成像系统，该系统包括：水下光源组件；偏振调制组件；可获得目标物的偏振图像的图像采集组件，包括分色棱镜和若干CCD图像传感器；可将偏振图像转换为原色下的目标物的折射率图像的图像处理组件，转换方式为：根据一定波长下的偏振图像的偏振度数值，计算出每个像素点的折射率数值；以至少三组波长数值以及分别对应的折射率数值为基础，通过哈曼特公式获得每个像素点的可反映物体材质特征的n0值；通过每个像素点的n0值对折射率数值进行校准后，获得原色下的目标物的折射率图像。该折射率图像对水下不同材质的物质具有较高的区分度。

Description

一种水下电视摄像的物体表面折射率成像系统
技术领域
本发明属于水下成像领域，具体涉及一种水下电视摄像的物体表面折射率成像系统。
背景技术
在油田的开发生产中，测井是通过井筒采集地层信息最多、覆盖面最广、采集密度最大、最能实时反映地层条件下各项参数的技术，是检测静态和动态含油饱和度的主要手段。随着勘探和开发更复杂更隐蔽的油气藏的发展，对测井也提出了要求，如薄层、薄互层、裂缝性储层低孔隙渗透层、复杂岩性的评价。尤其我国绝大多数油田为陆相沉积油田，藏油非均质严重，天然能量不足，采用注水方式开采的储量占总储量的85％以上。经过几十年的开发生产，注水方式开采油田的地质条件变得越来越复杂，加之频繁的油水井措施和修井施工以及井身结构、固井质量、套管材质与腐蚀等诸多因素的影响，是井套管技术状况变得越来越差，仅胜利油田每年新增套管变形、穿孔、破裂等套损井近400口油田大量套损井的存在，严重影响了油田生产的正常进行，制约了油田高效开发。这都要求测井从方法理论到测量技术有更新的发展。
成像测井就是与此相适应发展起来的一种新型的测井技术。它可以提供大量的物理信息，以此为基础给出分辨率高、可靠地二维或三维目的的层的物理参数图像，可用来研究各种非均匀非线性问题，评价油、气产层和其他勘探开发问题。
水下电视摄像系统是海洋开发与海上作业及石油、水利等部门的必备设备。水下电视摄像系统的主要特点有：低照度性能好，市场大，图像清晰，动态范围宽，体积小，重量轻，功耗低，坚固耐用，操作方便。但是由于不同波长在水体中衰减情况不同，通常认为沿岸海水的光谱透射窗口(即在此波段，光在海水中的衰减最小，透射最大)为0.520μm，体积衰减系数约为0.2-0.6m-1，其衰减长度约为1.2-5m。大洋清洁水的光谱透射窗口为0.480μm，体积衰减系数约为0.05m-1，其衰减长度约为20m。而且，由于水对光的散射作用，造成图像对比度下降，对水下成像影像很大。因此，难以获取较远距离的可分辨图像。
发明内容
本说明书的目的在于提供一种可实现水下较远距离成像的水下电视摄像的物体表面折射率成像系统，以及对水下物体进行表面折射率摄像的方法。
为达到上述目的，一方面，本说明书提供了一种水下电视摄像的物体表面折射率成像系统，该系统包括：
水下光源组件，包括发射部和接收部；所述发射部用于向目标物发射光束，并可产生至少三种波长下不同偏振角度的发射偏振光；所述接收部用于接收从目标物反射回的反射偏振光；
偏振调制组件，包括发射偏振光控制部和反射偏振光控制部；所述发射偏振光控制部用于控制所述发射偏振光的偏振角度；所述反射偏振光控制部用于使所述接收部可接收从成像物体的发射回的相应角度的反射偏振光，所述相应角度是指与所述发射偏正光的偏振角度相同；
图像采集组件，包括分色棱镜和若干CCD图像传感器；所述分色棱镜用于将所述接收部接收的反射偏振光分为若干原色光束；所述CCD图像传感器用于接收相应的原色光束并将其转换为电信号，以获得目标物的偏振图像；
图像处理组件，所述图像处理组件用于将所述偏振图像转换为原色下的目标物的折射率图像；转换方式为：根据一定波长下的偏振图像的偏振度数值，计算出每个像素点的折射率数值；以至少三组波长数值以及分别对应的折射率数值为基础，通过哈曼特公式获得每个像素点的可反映物体材质特征的n0值；通过每个像素点的n0值对折射率数值进行校准后，获得原色下的目标物的折射率图像。
在上述水下电视摄像的物体表面折射率成像系统中，优选地，在发射光束传输方向上，所述发射部包括依次连接的半导体激光器、起偏器、第一液晶光调制器和扩束器；所述接收部包括第二液晶光调制器。
在上述水下电视摄像的物体表面折射率成像系统中，优选地，所述发射偏振光控制部包括第一液晶相位延迟器，所述反射偏振光控制部包括第二相位延迟器；所述第一液晶相位延迟器通过改变第一液晶光调制器中液晶片两端的电压来改变液晶分子的方向，从而输出不同偏振角度的发射偏振光；所述第二液晶相位延迟器通过改变第二液晶光调制器中液晶片两端的电压来改变液晶分子的方向，从而接收具有相应偏振角度的反射偏振光。
在上述水下电视摄像的物体表面折射率成像系统中，优选地，所述发射部可产生至少三个偏振角度的发射偏振光。
在上述水下电视摄像的物体表面折射率成像系统中，优选地，发射偏振光的三个偏振角度分别为0度、45度和90度，产生的发射偏振光分别为水平线发射偏振光、45度线发射偏振光和竖直线发射偏振光。
在上述水下电视摄像的物体表面折射率成像系统中，优选地，所述分色棱镜用于分为黄绿蓝三原色光束；所述CCD图像传感器的数目为三个。
在上述水下电视摄像的物体表面折射率成像系统中，优选地，在根据一定波长下的偏振图像的偏振度数值，计算每个像素点的折射率数值时，采用以下公式：
Figure BDA0001779591340000031
上述公式中，P为偏振度，0<P<1；n为折射率。
另一方面，本说明书提供了一种对水下物体进行表面折射率摄像的方法，该方法包括：
通过水下光源组件发射反射偏振光，并接收相应的反射偏振光；所述水下光源组件包括发射部和接收部；所述发射部用于向目标物发射光束，并可产生至少三种波长下不同偏振角度的发射偏振光；所述接收部用于接收从目标物反射回的反射偏振光；
通过偏振调制组件控制所述发射偏振光和所述反射偏振光的偏振角度；所述偏振调制组件包括发射偏振光控制部和反射偏振光控制部；所述发射偏振光控制部用于控制所述发射偏振光的偏振角度；所述反射偏振光控制部用于使所述接收部可接收从成像物体的发射回的相应角度的反射偏振光，所述相应角度是指与所述发射偏正光的偏振角度相同；
通过图像采集组件获取目标物的偏振图像；所述图像采集组件包括分色棱镜和若干CCD图像传感器；所述分色棱镜用于将所述接收部接收的反射偏振光分为若干原色光束；所述CCD图像传感器用于接收相应的原色光束并将其转换为电信号，以获得目标物的偏振图像；
通过所述图像处理组件获取原色下的目标物的折射率图像；所述图像处理组件用于将所述偏振图像转换为原色下的目标物的折射率图像；转换方式为：根据一定波长下的偏振图像的偏振度数值，计算出每个像素点的折射率数值；以至少三组波长数值以及分别对应的折射率数值为基础，通过哈曼特公式获得每个像素点的可反映物体材质特征的n0值；通过每个像素点的n0值对折射率数值进行校准后，获得原色下的目标物的折射率图像。
在上述对水下物体进行表面折射率摄像的方法中，优选地，所述发射部可产生至少三个偏振角度的发射偏振光。
在上述对水下物体进行表面折射率摄像的方法中，优选地，发射偏振光的三个偏振角度分别为0度、45度和90度，产生的发射偏振光分别为水平线发射偏振光、45度线发射偏振光和竖直线发射偏振光。
在上述对水下物体进行表面折射率摄像的方法中，优选地，所述分色棱镜用于分为黄绿蓝三原色光束；所述CCD图像传感器的数目为三个。
在上述对水下物体进行表面折射率摄像的方法中，优选地，在根据一定波长下的偏振图像的偏振度数值，计算每个像素点的折射率数值时，采用以下公式：
Figure BDA0001779591340000041
上述公式中，P为偏振度，0<P<1；n为折射率。
本说明书提供的方案，在利用光的偏振特性进行偏振成像的基础上，根据折射率与偏振度的关系，通过分色棱镜产生的波长与折射率的关系进一步引入可反映物体材质特征的n0值，对偏振图像进行校准，从而获得原色下的目标物的折射率图像。该折射率图像对水下不同材质的物质具有较高的区分度。
附图说明
图1为本说明书一种实施方式的水下电视摄像的物体表面折射率成像系统的工作原理示意图；
图2为本说明书一种实施方式中使用的分色棱镜的结构示意图；
图3为本说明书一种实施方式中未经图像处理的水下硬币的图像；
图4为本说明书一种实施方式中经图像处理的水下硬币的偏振度P图像；
图5为本说明书一种实施方式中经图像处理的水下硬币的折射率图(黑白色)。
附图标记说明：
1，第一光学玻璃；2，第二光学玻璃；3，第三光学玻璃；4，第四光学玻璃；5，反蓝透红绿介质膜；6，反红透绿介质膜。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都应当属于本申请保护的范围。
在本说明书一种实施方式中，提供的水下电视摄像的物体表面折射率成像系统，该系统包括：
水下光源组件，包括发射部和接收部；发射部用于向目标物发射光束，并可产生至少三种波长下不同偏振角度的发射偏振光；接收部用于接收从目标物反射回的反射偏振光；
偏振调制组件，包括发射偏振光控制部和反射偏振光控制部；发射偏振光控制部用于控制所述发射偏振光的偏振角度；反射偏振光控制部用于使所述接收部可接收从成像物体的发射回的相应角度的反射偏振光，相应角度是指与所述发射偏正光的偏振角度相同；
图像采集组件，包括分色棱镜和若干CCD图像传感器；分色棱镜用于将所述接收部接收的反射偏振光分为若干原色光束；CCD图像传感器用于接收相应的原色光束并将其转换为电信号，以获得目标物的偏振图像；
图像处理组件，图像处理组件用于将所述偏振图像转换为原色下的目标物的折射率图像；转换方式为：根据一定波长下的偏振图像的偏振度数值，计算出每个像素点的折射率数值；以至少三组波长数值以及分别对应的折射率数值为基础，通过哈曼特公式获得每个像素点的可反映物体材质特征的n0值；通过每个像素点的n0值对折射率数值进行校准后，获得原色下的目标物的折射率图像。
请参考图1，在本说明书的一些实施方式中，水下光源组件的主要作用是照明，其可采用以下设置方式：在发射光束传输方向上，发射部包括依次连接的半导体激光器、起偏器、第一液晶光调制器和扩束器；接收部包括第二液晶光调制器。另外，还可以在光路中设置必要的检偏器。
在本说明书的一些实施方式中，可采用倍频后的Nd：YAG激光器作为照明光源。
继续参考图1，在本说明书的一些实施方式中，发射偏振光控制部包括第一液晶相位延迟器，反射偏振光控制部包括第二相位延迟器；第一液晶相位延迟器通过改变第一液晶光调制器中液晶片两端的电压来改变液晶分子的方向，从而输出不同偏振角度的发射偏振光；第二液晶相位延迟器通过改变第二液晶光调制器中液晶片两端的电压来改变液晶分子的方向，从而接收具有相应偏振角度的反射偏振光。
继续参考图1，在本说明书的一些实施方式中，发射部可产生至少三个偏振角度的发射偏振光。在一些实施方式中，发射偏振光的三个偏振角度分别为0度、45度和90度，产生的发射偏振光分别为水平线发射偏振光、45度线发射偏振光和竖直线发射偏振光。工作过程为：采水下光源组件发射的激光经过起偏器产生线偏振光，偏振光经过第一液晶光调制器后，经扩束器，使目标恰好被全部照亮，先调节入射光路中的第一液晶光调制器，分别获得水平线偏振光，45度线偏振光、竖直线偏振光，然后在每种偏振光下，调节反射光路中的第二液晶光调制器，分别获取快轴为0度、45度和90度的图像。
在本说明书的一些实施方式中，在得到了三幅图像后，根据斯托克斯矢量公式(假设V＝0)，可得到3个联立方程：
I＝I(0°)+I(90°)
Q＝I(0°)-I(90°)
U＝2I(45°)-I(0°)-I(90°)；
代入以下公式即可求得偏振度P(各个像素位置的灰度图像)：
Figure BDA0001779591340000061
另外，还可得到偏振方位角θ：
Figure BDA0001779591340000062
偏振方位角θ可对偏振度P进行校准。
继续参考图1，在本说明书的一些实施方式中，分色棱镜用于分为黄绿蓝三原色光束；CCD图像传感器的数目为三个(CCD1、CCD2、CCD3)。可以采用常规的分色棱镜，例如图2中的分色棱镜，其由4块普通光学玻璃(第一光学玻璃1，第二光学玻璃2，第三光学玻璃3和第四光学玻璃4)组成，且在第二光学玻璃2和第三光学玻璃3之间的接触面镀有反蓝透红绿介质膜5，在第三光学玻璃3和第四光学玻璃4之间的接触面镀有反红透绿介质膜。
在本说明书的一些实施方式中，对于粗糙表面物体，当一束光垂直照射在物体表面上时，光在其表面发生漫反射，其偏振度可表达为：
Figure BDA0001779591340000071
上述公式中，P为偏振度，0<P<1；n为折射率。由此可由此可以计算出每个像素点的折射率数值。
不同波长下材料的偏振度是不同的，由哈特曼公式可知：
n＝n0+C/(λ0-λ)α
分别通过三个不同波长的图像来获取不同的偏振度P,进而获取三个不同的折射率n，λ0由分色棱镜得到的黄绿蓝三原色，从而得到系数C和α，进而得到在红绿蓝三原色下的物体的折射率图像n0。通过每个像素点的n0值对折射率数值进行校准后，获得原色下的目标物的折射率图像。
在本说明书的一实施方式中，用壹分硬币进行测试，图3为未经图像处理的水下硬币的图像；图4为经图像处理的水下硬币的偏振度P图像；图5为经图像处理的水下硬币的折射率图(黑白色)。
另一方面，在本说明书的一实施方式中，对水下物体进行表面折射率摄像的方法，该方法包括：
通过水下光源组件发射反射偏振光，并接收相应的反射偏振光；水下光源组件包括发射部和接收部；发射部用于向目标物发射光束，并可产生至少三种波长下不同偏振角度的发射偏振光；接收部用于接收从目标物反射回的反射偏振光；
通过偏振调制组件控制发射偏振光和所述反射偏振光的偏振角度；偏振调制组件包括发射偏振光控制部和反射偏振光控制部；发射偏振光控制部用于控制所述发射偏振光的偏振角度；所述反射偏振光控制部用于使所述接收部可接收从成像物体的发射回的相应角度的反射偏振光，相应角度是指与所述发射偏正光的偏振角度相同；
通过图像采集组件获取目标物的偏振图像；图像采集组件包括分色棱镜和若干CCD图像传感器；分色棱镜用于将所述接收部接收的反射偏振光分为若干原色光束；所述CCD图像传感器用于接收相应的原色光束并将其转换为电信号，以获得目标物的偏振图像；
通过图像处理组件获取原色下的目标物的折射率图像；图像处理组件用于将所述偏振图像转换为原色下的目标物的折射率图像；转换方式为：根据一定波长下的偏振图像的偏振度数值，计算出每个像素点的折射率数值；以至少三组波长数值以及分别对应的折射率数值为基础，通过哈曼特公式获得每个像素点的可反映物体材质特征的n0值；通过每个像素点的n0值对折射率数值进行校准后，获得原色下的目标物的折射率图像。
在本说明书的一实施方式中，发射部可产生至少三个偏振角度的发射偏振光。
在本说明书的一实施方式中，发射偏振光的三个偏振角度分别为0度、45度和90度，产生的发射偏振光分别为水平线发射偏振光、45度线发射偏振光和竖直线发射偏振光。优选地，分色棱镜用于分为黄绿蓝三原色光束；CCD图像传感器的数目为三个。
在本说明书的一实施方式中，在根据一定波长下的偏振图像的偏振度数值，计算每个像素点的折射率数值时，采用以下公式：
Figure BDA0001779591340000081
上述公式中，P为偏振度，0<P<1；n为折射率。
本说明书示例性实施方式的方法与上述实施例的系统对应，因此，有关于本说明书的方法细节，请参见上述实施例的系统，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种水下电视摄像的物体表面折射率成像系统，其特征在于，该系统包括：
水下光源组件，包括发射部和接收部；所述发射部用于向目标物发射光束，并可产生至少三种波长下不同偏振角度的发射偏振光；所述接收部用于接收从目标物反射回的反射偏振光；
偏振调制组件，包括发射偏振光控制部和反射偏振光控制部；所述发射偏振光控制部用于控制所述发射偏振光的偏振角度；所述反射偏振光控制部用于使所述接收部可接收从成像物体的发射回的相应角度的反射偏振光，所述相应角度是指与所述发射偏正光的偏振角度相同；
图像采集组件，包括分色棱镜和若干CCD图像传感器；所述分色棱镜用于将所述接收部接收的反射偏振光分为若干原色光束；所述CCD图像传感器用于接收相应的原色光束并将其转换为电信号，以获得目标物的偏振图像；
图像处理组件，所述图像处理组件用于将所述偏振图像转换为原色下的目标物的折射率图像；转换方式为：根据一定波长下的偏振图像的偏振度数值，计算出每个像素点的折射率数值；以至少三组波长数值以及分别对应的折射率数值为基础，通过哈特曼公式获得每个像素点的可反映物体材质特征的n0值；通过每个像素点的n0值对折射率数值进行校准后，获得原色下的目标物的折射率图像；
在根据一定波长下的偏振图像的偏振度数值，计算每个像素点的折射率数值时，采用以下公式：
Figure FDA0002747279250000011
上述公式中，P为偏振度，0<P<1；n为折射率。
2.根据权利要求1所述的水下电视摄像的物体表面折射率成像系统，其特征在于，在发射光束传输方向上，所述发射部包括依次连接的半导体激光器、起偏器、第一液晶光调制器和扩束器；所述接收部包括第二液晶光调制器。
3.根据权利要求2所述的水下电视摄像的物体表面折射率成像系统，其特征在于，所述发射偏振光控制部包括第一液晶相位延迟器，所述反射偏振光控制部包括第二相位延迟器；
所述第一液晶相位延迟器通过改变第一液晶光调制器中液晶片两端的电压来改变液晶分子的方向，从而输出不同偏振角度的发射偏振光；
所述第二液晶相位延迟器通过改变第二液晶光调制器中液晶片两端的电压来改变液晶分子的方向，从而接收具有相应偏振角度的反射偏振光。
4.根据权利要求1所述的水下电视摄像的物体表面折射率成像系统，其特征在于，所述发射部可产生至少三个偏振角度的发射偏振光。
5.根据权利要求4所述的水下电视摄像的物体表面折射率成像系统，其特征在于，三个偏振角度分别为0度、45度和90度，产生的发射偏振光分别为水平线发射偏振光、45度线发射偏振光和竖直线发射偏振光。
6.根据权利要求1所述的水下电视摄像的物体表面折射率成像系统，其特征在于，所述分色棱镜用于分为黄绿蓝三原色光束；所述CCD图像传感器的数目为三个。
7.一种对水下物体进行表面折射率摄像的方法，其特征在于，该方法包括：
通过水下光源组件发射反射偏振光，并接收相应的反射偏振光；所述水下光源组件包括发射部和接收部；所述发射部用于向目标物发射光束，并可产生至少三种波长下不同偏振角度的发射偏振光；所述接收部用于接收从目标物反射回的反射偏振光；
通过偏振调制组件控制所述发射偏振光和所述反射偏振光的偏振角度；所述偏振调制组件包括发射偏振光控制部和反射偏振光控制部；所述发射偏振光控制部用于控制所述发射偏振光的偏振角度；所述反射偏振光控制部用于使所述接收部可接收从成像物体的发射回的相应角度的反射偏振光，所述相应角度是指与所述发射偏正光的偏振角度相同；
通过图像采集组件获取目标物的偏振图像；所述图像采集组件包括分色棱镜和若干CCD图像传感器；所述分色棱镜用于将所述接收部接收的反射偏振光分为若干原色光束；所述CCD图像传感器用于接收相应的原色光束并将其转换为电信号，以获得目标物的偏振图像；
通过所述图像处理组件获取原色下的目标物的折射率图像；所述图像处理组件用于将所述偏振图像转换为原色下的目标物的折射率图像；转换方式为：根据一定波长下的偏振图像的偏振度数值，计算出每个像素点的折射率数值；以至少三组波长数值以及分别对应的折射率数值为基础，通过哈特曼公式获得每个像素点的可反映物体材质特征的n0值；通过每个像素点的n0值对折射率数值进行校准后，获得原色下的目标物的折射率图像；
在根据一定波长下的偏振图像的偏振度数值，计算每个像素点的折射率数值时，采用以下公式：
Figure FDA0002747279250000031
上述公式中，P为偏振度，0<P<1；n为折射率。
8.根据权利要求7所述的对水下物体进行表面折射率摄像的方法，其特征在于，所述发射部可产生至少三个偏振角度的发射偏振光。
9.根据权利要求8所述的对水下物体进行表面折射率摄像的方法，其特征在于，三个偏振角度分别为0度、45度和90度，产生的发射偏振光分别为水平线发射偏振光、45度线发射偏振光和竖直线发射偏振光。
10.根据权利要求7所述的对水下物体进行表面折射率摄像的方法，其特征在于，所述分色棱镜用于分为黄绿蓝三原色光束；所述CCD图像传感器的数目为三个。
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