CN111077538A - 一种海洋复杂环境动态高精度光学联合成像方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种海洋复杂环境动态高精度光学联合成像方法及系统，解决现有海洋成像技术存在后向散射、前向散射、湍流、运动拖影等因素造成图像分辨率低和成像畸变的问题。该系统包括LED脉冲光源、发射光学单元、起偏器、目标物、接收光学单元、光学随机共振单元、分焦平面偏振成像单元7、分焦平面偏振成像探测器、同步控制单元，发射光学单元、起偏器位于脉冲光源的输出光路上，接收光学单元、光学随机共振单元、分焦平面偏振成像单元、分焦平面偏振成像探测器位于探测光束对海洋水下目标物进行成像后返回光束的传输光路上。

Description

一种海洋复杂环境动态高精度光学联合成像方法及系统
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及一种基于主动偏振、随机共振和高速摄影的海洋复杂环境动态高精度光学联合成像方法及系统。
背景技术
水下光学成像技术被广泛应用在海洋复杂环境下目标搜索、环境监测等领域，因而可以在海洋科学研究中发挥重大作用。目前海洋水下目标成像技术虽然取得了较大进展，但其在海洋领域的应用仍存在诸多技术难点，包括：海水对光波的吸收作用导致探测光束能量衰减较大；水中悬浮颗粒对探测光和返回的目标图像信号存在随机干扰而引入后向散射噪声和前向散射噪声，导致图像对比度和图像分辨率降低；温度和盐度随机起伏引起的海洋湍流具有复杂的折射率分布，引起图像波前相位起伏，导致成像畸变；此外，搭载光学成像系统的平台快速运动容易引起成像拖影。
目前，发展较为成熟的水下成像技术包括距离选通成像技术、偏振光成像技术等。距离选通技术采用具有选通功能的接收器，只有当反射光脉冲到达接收器时选通门才处于打开状态，其它时间选通门处于关闭状态，从而抑制了大部分水体后向散射光，极大改善了系统信噪比。但选通门开关时间的提前预知意味着该系统只能探测特定距离下的目标，且成像视场角小。偏振成像技术是根据目标反射光和水体后向散射光偏振特性不一样的原理来改善成像质量，是一种很有前景的水下成像技术。尽管距离选通和偏振成像技术在抑制后向散射噪声方面发挥了积极的作用，但无法同时处理前向散射、湍流和运动拖影等因素造成的图像分辨率低和成像畸变问题。因此，亟待发展有效的水下光学成像技术，解决海洋复杂环境动态高精度精细目标成像受散射、湍流及运动拖影等因素影响的难题。
发明内容
本发明的目的是解决现有海洋成像技术存在前向散射、后向散射、湍流、运动拖影等因素造成图像分辨率低和成像畸变的问题，提供了一种基于主动偏振、随机共振、高速摄影的海洋复杂环境动态高精度光学联合成像方法及系统。
为实现以上发明目的，本发明的技术解决方案如下：
一种海洋复杂环境动态高精度光学联合成像方法，包括以下步骤：
步骤一、LED脉冲光源发出脉冲光束，随后对脉冲光束进行准直处理，将准直后的光束通过起偏器转变为线偏振光，该线偏振光作为探测光束对海洋复杂环境中的目标物进行照明；
步骤二、探测光束经海水衰减、散射后对目标物进行成像，被目标物反射的图像信号在传输过程中受前向散射、后向散射和湍流的影响，形成对比度和分辨率降低的畸变模糊图像信号；
步骤三、对返回的畸变模糊图像信号进行接收，将接收的图像信号通过透镜组对光束进行聚焦准直，然后通过自适应光学系统快速校正湍流引起的波前畸变；
步骤四、将步骤三处理后的图像信号输入到非线性晶体中，通过控制晶体的外加电压改变晶体的非线性强度，使得含噪图像信号发生基于调制不稳定性效应的光学随机共振，实现前向散射噪声能量向图像信号转移，重构被噪声湮没的弱光图像信号；
步骤五、将步骤四获取的弱光图像信号通过分焦平面偏振成像单元进行滤除后向散射噪声处理；
步骤六、分焦平面偏振成像探测器的快门打开，对步骤五处理后的图像信号进行探测成像，分焦平面偏振成像探测器的快门打开时间与步骤一中LED脉冲光源发出脉冲光束的时间同步，在相同曝光时间内采集短脉冲图像，消除运动拖影。
同时，本发明还提供一种海洋复杂环境动态高精度光学联合成像系统，包括LED脉冲光源、发射光学单元、起偏器、接收光学单元、光学随机共振单元、分焦平面偏振成像单元、分焦平面偏振成像探测器和同步控制单元；所述LED脉冲光源用于发出水下光学成像的探测光束；所述发射光学单元、起偏器依次设置在LED脉冲光源的输出光路上，用于对探测光束进行准直和起偏；所述接收光学单元、光学随机共振单元、分焦平面偏振成像单元、分焦平面偏振成像探测器依次设置在成像光束的返回光路上；所述接收光学单元用于对接收的图像信号进行聚焦准直，并通过自适应光学系统快速校正湍流引起的波前畸变；所述光学随机共振单元用于重构被前向散射噪声湮没的弱光图像信号；所述分焦平面偏振成像单元用于对弱光图像信号进行滤除后向散射噪声处理；所述分焦平面偏振成像探测器用于对分焦平面偏振成像单元处理后的图像信号进行探测成像；所述同步控制单元用于控制分焦平面偏振成像探测器的快门打开时间与LED脉冲光源发出脉冲激光束的时间同步。
进一步地，所述LED脉冲光源为大功率蓝光LED脉冲激光器，波长为480nm，脉宽200μs，发射功率为60W。
进一步地，所述光学随机共振单元包括非线性晶体和外加电压源，所述非线性晶体采用钛酸钡晶体，电光系数为γ42＝1640pm/V，晶体两测镀电极连接外加电压源。
进一步地，所述晶体尺寸为5mm×5mm×8mm。
进一步地，所述分焦平面偏振成像单元由偏振单元阵列组成，每个偏振单元包含四个不同偏振方向微米量级的偏振片。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明提供的成像系统和方法采用光学随机共振技术，通过信号光和噪声光在非线性系统中的耦合作用，实现在信号光诱导下的噪声能量向信号转移。基于光学随机共振的水下光学成像技术可用于前向散射噪声湮没的弱光图像信号的重构，从而可以实现水下高分辨成像。
2.本发明提供的成像系统和方法采用水下主动偏振成像技术，可以采集目标的偏振信息，利用后向散射噪声光与信号光具有不同的偏振特性，降低后向散射噪声，提高水下成像对比度，同时该系统还具有体积小、重量轻、成本低的优点。
3.本发明提供的成像系统采用水下高速摄影技术，通过短脉冲照明及快速曝光精确同步，实现目标信息快速捕获，解决运动拖影问题，提高图像清晰度。
附图说明
图1为本发明海洋复杂环境动态高精度光学联合成像系统的原理图。
附图标记：1-LED脉冲光源，2-发射光学单元，3-起偏器，4-目标物，5-接收光学单元，6-光学随机共振单元，7-分焦平面偏振成像单元，8-分焦平面偏振成像探测器，9-同步控制单元。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种主动偏振、随机共振与高速摄影相结合的水下光学成像方法和系统，可实现海洋复杂环境动态高精度光学成像。该成像系统利用目标与噪声的偏振和空间相干性特征差异抑制散射噪声，提高成像信噪比和分辨率，利用高速摄影技术消除平台快速运动引起的图像拖影，同时使用接收光学单元校正湍流引起的波前畸变，解决海洋复杂环境动态成像质量低的问题。
如图1所示，本发明提供的海洋复杂环境动态高精度光学联合成像系统包括LED脉冲光源1、发射光学单元2、起偏器3、接收光学单元5、光学随机共振单元6、分焦平面偏振成像单元7、分焦平面偏振成像探测器8和同步控制单元9。LED脉冲光源1具体可为大功率蓝光LED脉冲激光器，发出的探测光源的波长为480nm，脉宽～200μs，发射功率为60W，发射光学单元2、起偏器3位于LED脉冲光源1的输出光路上，接收光学单元5、光学随机共振单元6、分焦平面偏振成像单元7、分焦平面偏振成像探测器8位于探测光束对海洋水下目标物4进行成像后返回光束的传输光路上，同步控制单元9位于LED脉冲光源1和高速摄影成像探测器之间。
LED脉冲光源1作为水下光学成像的探测光源，对海洋复杂环境中的目标物4进行照明；发射光学单元2位于探测光束光路上，将LED探测光束进行准直处理；起偏器3位于探测光束光路上，将准直后的激光束通过起偏器3转变为线偏振光，目标物4位于光束照明范围内作为成像物。
接收光学单元5位于成像光束返回光路，通过接收透镜组对成像光束聚焦准直，然后采用自适应系统校正湍流引起的波前畸变。
光学随机共振单元6位于接收光路上，通过调节晶体外加电压发生基于调制不稳定性的随机共振使信号和噪声发生非线性耦合，实现前向散射噪声能量向信号转移，重构被噪声湮没的弱光图像，提高成像分辨率。随机共振单元包括非线性晶体和晶体两测外加电压源，非线性晶体可采用钛酸钡(BaTiO3)晶体，其电光系数为γ42＝1640pm/V,晶体尺寸为5mm×5mm×8mm，晶体两测镀电极连接外加电压源。经波前校正后的光束进入非线性晶体，通过调节晶体外加电压发生基于调制不稳定性的随机共振使信号和噪声发生非线性耦合，实现前向散射噪声能量向信号转移，重构被噪声湮没的弱光图像，提高成像分辨率。
分焦平面偏振成像单元7位于接收光路上，利用后向散射噪声光与信号光偏振态不同的原理，滤除大部分后向散射噪声，提高成像对比度。分焦平面偏振成像单元7由微米量级的偏振片阵列组成，每四个不同偏振方向的偏振片为一个基本单元，分焦平面偏振单元位于成像探测器前，保证每一个方向的偏振片与一个方向的像素对应，实现每次曝光可以同时采集四副不同偏振态的图像。
分焦平面偏振成像探测器8位于接收光路上，用于采集成像信息；同步控制单元9用于控制LED短脉冲发射与探测器快门同步，实现快速曝光，消除平台运动引起的图像拖影。
本发明提供一种海洋复杂环境动态高精度光学联合成像方法，照明光源和成像探测器搭载在快速运动的水下机器人平台上，具体包括以下步骤：
步骤一、LED脉冲光源1发出脉冲光束，随后对脉冲光束进行准直处理，将准直后的光束通过起偏器3转变为线偏振光，该线偏振光作为探测光束对海洋复杂环境中的目标物4进行照明；
步骤二、探测光束经海水衰减、散射后对目标物4进行成像，被目标物4反射的图像信号在传输过程中受前向散射、后向散射和湍流的影响形成对比度和分辨率降低的畸变模糊图像信号；
步骤三、对返回的畸变模糊图像信号进行接收，将接收的图像信号通过透镜组对光束进行聚焦准直，然后通过自适应光学系统快速校正湍流引起的波前畸变；
步骤四、将步骤三处理后的图像信号输入到非线性晶体中，通过控制晶体的外加电压改变晶体的非线性强度，使得含噪图像信号发生基于调制不稳定性效应的光学随机共振，实现前向散射噪声能量向图像信号转移，重构被噪声湮没的弱光图像信号，提高图像分辨率；
步骤五、被光学随机共振处理后的含后向散射噪声的弱光图像经分焦平面偏振成像单元7滤除后向散射噪声，提高图像对比度，分焦平面偏振单元位于成像探测器前，保证每一个方向的偏振片与一个方向的像素对应，实现每次曝光可以同时采集四副不同偏振态的图像；
步骤六、控制分焦平面偏振成像探测器8的快门打开，对步骤五处理后的图像信号进行探测成像，并应用高速摄影技术消除图像运动拖影，即分焦平面偏振成像探测器8的快门打开时间与步骤一中LED脉冲光源1发出脉冲光束的时间同步。
以下为本发明提供的方法的具体实施例，具体包括以下步骤：
1)大功率蓝光LED脉冲光源1输出的480nm、200μs脉冲激光束，发射光学单元2对大功率蓝光LED脉冲光源1所发出的光束进行准直，准直后的光束经起偏器3变为线偏振光，作为探测光束对海洋复杂环境目标进行照明；
2)LED脉冲光束在海洋水下对目标物4进行成像，光束在到达目标物4前被水中悬浮粒子散射引入后向散射噪声，被目标反射回的成像光束在海洋水下传输过程中被悬浮粒子散射引入前向散射噪声，导致图像对比度和分辨率下降，同时海洋湍流影响将引起波前畸变，平台快速运动(运动速度～3m/s)引起图像拖影；
3)接收光学单元5对返回的含噪成像信号进行聚焦准直，采用自适应光学系统校正湍流引起的波前畸变；
4)波前畸变校正后的含噪图像信号入射到光学随机共振单元6，通过基于空域调制不稳的随机共振过程，前向散射噪声能量在信号诱导下向信号方向转移，随机共振抑制前向散射噪声，提高成像分辨率；
5)被光学随机共振单元6处理后的脉冲图像信号入射到分焦平面偏振成像单元7，利用后向散射噪声和图像信号偏振态不同的特性，滤除大部分后向散射噪声，提升图像对比度；
6)分焦平面偏振成像探测器8对处理过湍流畸变和散射噪声影响的脉冲图像信号进行探测，当脉冲图像到达探测器时，快门打开，相机曝光时间约300μs，使得脉冲持续时间约200μs的图像信号被快速探测，解决了平台运动导致的图像拖影问题；同步控制单元9用于控制大功率LED脉冲发射和分焦平面偏振成像探测器8快门打开时间，确保脉冲图像到达探测器时快门打开。

Claims (6)

1.一种海洋复杂环境动态高精度光学联合成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、LED脉冲光源发出脉冲光束，随后对脉冲光束进行准直处理，将准直后的光束通过起偏器转变为线偏振光，该线偏振光作为探测光束对海洋复杂环境中的目标物进行照明；
步骤二、探测光束经海水衰减、散射后对目标物进行成像，被目标物反射的图像信号在传输过程中受前向散射、后向散射和湍流的影响，形成对比度和分辨率降低的畸变模糊图像信号；
步骤三、对返回的畸变模糊图像信号进行接收，将接收的图像信号通过透镜组对光束进行聚焦准直，然后通过自适应光学系统快速校正湍流引起的波前畸变；
步骤四、将步骤三处理后的图像信号输入到非线性晶体中，通过控制晶体的外加电压改变晶体的非线性强度，使得图像信号发生基于调制不稳定性效应的光学随机共振，实现前向散射噪声能量向图像信号转移，重构被噪声湮没的弱光图像信号；
步骤五、将步骤四获取的弱光图像信号通过分焦平面偏振成像单元进行滤除后向散射噪声处理；
步骤六、分焦平面偏振成像探测器的快门打开，对步骤五处理后的图像信号进行探测成像，分焦平面偏振成像探测器的快门打开时间与步骤一中LED脉冲光源发出脉冲光束的时间同步，在相同曝光时间内采集短脉冲图像，消除运动拖影。
2.一种海洋复杂环境动态高精度光学联合成像系统，其特征在于：包括LED脉冲光源(1)、发射光学单元(2)、起偏器(3)、接收光学单元(5)、光学随机共振单元(6)、分焦平面偏振成像单元(7)、分焦平面偏振成像探测器(8)和同步控制单元(9)；
所述LED脉冲光源(1)用于发出水下光学成像的探测光束；所述发射光学单元(2)、起偏器(3)依次设置在LED脉冲光源(1)的输出光路上，用于对探测光束进行准直和起偏；
所述接收光学单元(5)、光学随机共振单元(6)、分焦平面偏振成像单元(7)、分焦平面偏振成像探测器(8)依次设置在成像光束的返回光路上；
所述接收光学单元(5)用于对接收的图像信号进行聚焦准直，并通过自适应光学系统快速校正湍流引起的波前畸变；
所述光学随机共振单元(6)用于重构被前向散射噪声湮没的弱光图像信号；
所述分焦平面偏振成像单元(7)用于对弱光图像信号进行滤除后向散射噪声处理；
所述分焦平面偏振成像探测器(8)用于对分焦平面偏振成像单元(7)处理后的图像信号进行探测成像；
所述同步控制单元(9)用于控制分焦平面偏振成像探测器(8)的快门打开时间与LED脉冲光源(1)发出脉冲激光束的时间同步。
3.根据权利要求2所述的海洋复杂环境动态高精度光学联合成像系统，其特征在于：所述LED脉冲光源(1)为大功率蓝光LED脉冲激光器，波长为480nm，脉宽200μs，发射功率为60W。
4.根据权利要求2或3所述的海洋复杂环境动态高精度光学联合成像系统，其特征在于：所述光学随机共振单元(6)包括非线性晶体和外加电压源，所述非线性晶体采用钛酸钡晶体，电光系数为γ42＝1640pm/V，晶体两测镀电极，并连接外加电压源。
5.根据权利要求4所述的海洋复杂环境动态高精度光学联合成像系统，其特征在于：所述晶体尺寸为5mm×5mm×8mm。
6.根据权利要求5所述的海洋复杂环境动态高精度光学联合成像系统，其特征在于：所述分焦平面偏振成像单元(7)由偏振单元阵列组成，每个偏振单元包含四个不同偏振方向微米量级的偏振片。
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