CN116930125B - 一种后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法，属于水体衰减系数测量领域，利用脉冲激光在水体中的传输衰减规律，建立水体后向散射光的传输衰减模型，进而得到距离选通成像模块接收到的水体后向散射光能量值的计算值，再通过改变工作参数延时时间或者脉宽，得到不同距离处的水体后向散射光全选通图像序列，通过图像处理得到水体后向散射光的图像强度测量值，从而建立起包含待求水体衰减系数的计算值和测量值的目标函数，最后求解得到水体衰减系数。该方法可以直接利用现有的激光距离选通成像系统测量得到水体的衰减系数，使得激光距离选通成像系统不再依赖于专门的仪器，其为水体衰减系数测量提供了一种新的途径。

Description

一种后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法

技术领域

本发明属于水体衰减系数的测量方法，具体是一种后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法。

背景技术

海洋光学特性参数的测量对于海洋环境监测、海洋水文勘查、水下激光通信以及海洋中激光技术的应用等许多领域有着十分重要的意义。水体衰减系数便是极其重要的一项光学特性参数，一般通过专门的水体衰减系数测量仪器实现对水体衰减系数的测量。

水下激光成像因其高分辨率和成像直观的特性是水下近距离目标成像探测的一种重要方式。水对激光传输有着强烈的衰减作用，且后向散射对目标成像质量的影响严重限制了激光水下成像系统的性能和作用距离。采用了距离选通技术的水下激光距离选通成像系统可以消除大部分后向散射光的影响，它通过门控技术，当发射的脉冲激光照射到目标物体并返回到达接收器时，快门才被控制打开，形成一个对特定距离处反射光的选通时间窗口，从而只接收该选通距离处目标返回的信号光，实现了滤除水体的后向散射等杂散光的目的，通过延时时间这一参数的设置可实现对不同距离处目标的选通成像，快门从打开到再次关闭的这段间隔时间称之为门宽。又因为激光脉冲有一定的宽度，称之为脉冲宽度，实际成像区域为该距离处开始的一小段距离的水体区域，则该距离处的这段水体区域处于选通状态。相比于传统水下光学成像，水下激光距离选通成像可对更远的目标物体进行清晰成像，成像距离可提升2~4倍。通过选用高重频脉冲激光，并将一定视域范围内的各处距离都分配一定的脉冲数量，使得水下激光距离选通成像系统可实现视域范围内所有目标物体的全选通三维成像，在水下无人潜航器、海底原位测量、海底搜救打捞等水下成像探测领域应用广泛。

水体的衰减系数是激光距离选通成像系统设置其工作参数的重要依据，决定了该系统在特定水体中的距离探测极限，同时也被用来评估系统的探测成像性能。目前，激光距离选通成像系统工作于水下时，其自身不具备衰减系数测量功能，需要额外通过专门的衰减系数测量仪器（如美国Wetlab公司的AC-9水体衰减系数测量仪）实现对该水域衰减系数的同步测量，而衰减系数测量仪器基本被美德两国公司垄断，购置费用昂贵，还需要额外安装固定和连接，会导致系统整体的可靠性降低。因此，如能直接利用激光距离选通成像系统实现对衰减系数的测量，既能解决其自身对水体衰减系数的测量需求，又能在深海海洋光学参数测量中摆脱对国外测量仪器的依赖。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法，以解决现有技术中水体的衰减系数测量对国外专有设备的依赖性以及由此付出的高昂费用。

为实现上述目的，本发明提供了一种后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法，其包括如下步骤：

S1：建立水体后向散射光的传输衰减模型，得到距离选通成像系统接收到的水体后向散射光能量计算值的表达式，

S2：设定激光距离选通成像系统的工作参数，连续采集获取不同距离范围内水体的后向散射光全选通图像，获得水体后向散射光的全选通图像序列，

S3：根据水体后向散射光的全选通图像序列，计算获得每个距离范围内水体后向散射光全选通图像的强度测量值，

S4：根据水体后向散射光能量计算值和水体后向散射光全选通图像的强度测量值/>，计算获得水体衰减系数c。

进一步的，步骤S4中，其具体的计算过程为：根据水体后向散射光能量计算值和水体后向散射光全选通图像的强度测量值/>，建立目标函数/>，

其中，M为后向散射光全选通图像序列中图像帧的数量，i为图像序列号，为序列号为i的图像在采集时与对应水体的距离，/>为一定值，/>是指/>距离处设定范围内水体后向散射光图像的强度测量值，/>是指/>距离处设定范围内距离选通成像系统接收到的水体后向散射光能量计算值，

采用最小二乘法计算以使目标函数取得最小值，此时对应的水体衰减系数c的取值即为待求的水体衰减系数。

进一步的，步骤S1中，以总的水体后向散射光能量作为水体后向散射光的传输衰减模型，总的水体后向散射光能量/>为：

其中，为激光距离选通成像系统发射的单脉激光冲能量，/>为水体的体散射函数，D为激光距离选通成像系统的接收器口径，d为激光距离选通成像系统的探测器像元尺寸，f为光学系统焦距，c为水体的衰减系数，z为水体距离，/>为光在该水体中的传播速度，为激光距离选通成像系统的激光脉冲的脉宽，/>为选通门的门宽，/>为延时时间参数，设为/>。

进一步的，步骤S1中，距离选通成像系统接收到的水体后向散射光能量计算值的表达式为：

其中，e为自然对数，，/>为一定值，N为激光距离选通成像系统的累积脉冲数。

进一步的，步骤S2中，设定激光距离选通成像系统的门宽和延时时间/>各自的初始值，按照门宽/>初始设定值不变，依次递增延时时间/>，直至延时时间大于等于10倍延时时间的初始值，对于每个延时，采集保存3帧至15帧水体的后向散射光图像，从而获得水体后向散射光的全选通图像序列，其中，延时时间的递增幅度按照激光距离选通成像系统延时可选的最小间隔确定。

进一步的，步骤S2中，

首先，设定激光距离选通成像系统的门宽和延时时间/>的初始值，

然后，将延时时间设为初始值的n倍，在激光出射方向通路上没有目标物体的情况下，连续采集多帧水体后向散射光图像，将多帧水体后向散射光图像的强度均值作为水体的背景强度值/>，其中，n根据下面给定的约束区间选取任意整数值：

其中，为延时时间/>的初始值，/>为延时递增时间间隔，

接着，并再次将延时时间恢复为设定的初始值，延时时间/>按照初始设定值保持不变，门宽/>依次递增，对于每个门宽，采集保存多帧水体的后向散射光图像，并计算其后向散射光的强度测量值/>，直至其强度测量值/>与水体的背景强度值/>满足以下关系：

其中，为灰度阈值，可取为激光距离选通成像系统中探测器饱和灰度值的2%，

则以该多帧水体的后向散射光图像形成水体后向散射光的全选通图像序列。

进一步的，步骤S3中，选择延时时间初始值对应的后向散射光图像帧，针对该帧图像进行处理，分割得到后向散射光的图像区域ROI，以该图像区域ROI为标准区域，

针对水体后向散射光的全选通图像序列的每一帧，均计算对应的标准区域内各像素的灰度均值，并在此基础上计算不同的多帧图像的灰度均值，以该多帧图像的灰度均值为设定距离范围内水体后向散射光图像的强度测量值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明通过直接对不同距离处水体的后向散射光全选通成像，提出了一种后向散射光全选通成像水体衰减系数测量方法，使得激光距离选通成像系统摆脱对衰减系数测量仪器的依赖。本发明方法可直接利用激光距离选通成像系统实现对水体衰减系数的测量，不再需要额外的衰减系数测量仪器，使得测量变得简单，整个系统也得到简化。

附图说明

图1为本发明实施例中后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法的流程图。

图2a和图2b为本发明实施例中水体后向散射光图像区域的采集和获取，其中，图2a为延时初始值5ns时采集的水体后向散射光图像，图2b为经阈值处理和二值化处理后得到水体后向散射光图像区域ROI。

图3a至图3j为本发明实施例中给出了不同延时参数下采集的水体后向散射图像。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对水下激光距离选通成像系统的工作需要和水体衰减系数测量的需求，通过水体后向散射光的全选通成像，提供一种直接利用激光距离选通成像系统的水体衰减系数测量方法，使得激光距离选通成像系统不再依赖于专门的水体衰减系数测量仪器，也为水体衰减系数测量提供一种新的途径。

图1为本发明实施例中后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法的流程图，由图可知，其主要包括如下步骤：

S1：建立水体后向散射光的传输衰减模型，得到距离选通成像系统接收到的水体后向散射光能量计算值的表达式，

S2：设定激光距离选通成像系统的工作参数，连续采集获取不同距离范围内水体的后向散射光全选通图像，获得水体后向散射光的全选通图像序列，

S3：根据水体后向散射光的全选通图像序列，计算获得每个距离范围内水体后向散射光全选通图像的强度测量值，

S4：根据水体后向散射光能量计算值和水体后向散射光全选通图像的强度测量值/>，计算获得水体衰减系数c。

在本发明的一个具体实施例中，其包括如下步骤：

1、建立水体后向散射光的传输衰减模型，得到距离选通成像系统接收到的水体后向散射光能量计算值的表达式。具体为，设激光距离选通成像系统的激光发射的单脉冲激光能量为/>，光束发散角为/>，根据Beer定律，则距离z处水体的激光能量密度为：

（1）

其中，c为水体的衰减系数，e为自然对数，π是圆周率。设激光距离选通成像系统的探测器像元尺寸为d，光学系统焦距为f，则距离z处水体的后向散射点与它的像点坐标/>满足透射变换关系：

（2）

因此，像点处的像元面积对应的水体成像区域的面积大小为/>。设激光距离选通成像系统的接收器口径为D，则像点坐标/>点处像元接收到的水体后向散射激光能量为/>：

（3）

其中，为水体的体散射函数。将上述公式换算可得：

（4）

设激光距离选通成像系统的激光脉冲的脉宽为，选通门的门宽设为/>，延时时间参数设为/>，/>为光在该水中的传播速度，其为真空中光速与水体折射率的比值。因此，/>到/>距离内的水体后向散射光均会被探测器接收到，通过对该区域的积分则可以得到激光距离选通成像系统的探测器接收到的总的水体后向散射光能量为：

（5）

设激光距离选通成像系统的累积脉冲数为N，则可得到水体后向散射光能量计算值为：

（6）

其中

（7）

为一定值，这是因为当激光距离选通成像系统给定时，接收器口径D、探测器像元尺寸d、激光光束发散角θ和单脉冲激光能量/>即为定值，当系统工作参数中的脉冲累计数N、光学系统焦距f也设定后，则本次测量中这些参数都成为定值，实际工作中，测量时水体体散射函数/>不发生变化，因此，β也为一固定值。

2、设激光距离选通成像系统的工作参数，连续采集获取不同距离范围内水体的后向散射光全选通图像，获得水体后向散射光的全选通图像序列。

实现第二步有两种方式，首先介绍第一种方式。

第一种方式中，第二步中，设定激光距离选通成像系统的门宽和延时时间/>各自的初始值，按照门宽/>初始设定值不变，依次递增延时时间/>，直至延时时间大于等于10倍延时时间的初始值，对于每个延时，采集保存3帧至15帧水体的后向散射光图像，优选的，保存10帧水体的后向散射光图像，从而获得水体后向散射光的全选通图像序列，其中，延时时间的递增幅度按照激光距离选通成像系统延时可选的最小间隔确定。然后执行第三步。

第二种模式中，步骤S2具体为：

首先，设定激光距离选通成像系统的门宽和延时时间/>的初始值，

然后，将延时时间设为初始值的n倍，在激光出射方向通路上没有目标物体的情况下，连续采集多帧水体后向散射光图像，将多帧水体后向散射光图像的强度均值作为水体的背景强度值/>，其中，n根据下面给定的约束区间选取任意整数值：

（8）

其中，为延时时间/>的初始值，/>为延时递增时间间隔，

接着，并再次将延时时间恢复为设定的初始值，延时时间/>按照初始设定值保持不变，门宽/>依次递增，对于每个门宽，采集保存多帧水体的后向散射光图像，并计算其后向散射光的强度测量值/>，直至其强度测量值/>与水体的背景强度值/>满足以下关系：

（9）

其中，为灰度阈值，可取为激光距离选通成像系统中探测器饱和灰度值的2%，则以该多帧水体的后向散射光图像形成水体后向散射光的全选通图像序列。

其中，计算其后向散射光的强度测量值可以按照步骤S3的方法进行，此时，步骤S2和步骤S3合并进行，直接得到每个距离范围内水体后向散射光图像的强度测量值/>。

3、处理水体后向散射光全选通图像序列，得到每个距离范围内水体后向散射光图像的强度测量值。

具体地，选择延时时间初始值对应的后向散射光图像帧，针对该帧图像，采用全局阈值处理法和图像二值化变换，分割得到后向散射光的图像区域ROI（ROI是英文名称的Region of Interest的简称）。

对于步骤2中得到的水体后向散射光的全选通图像序列的每一帧图像，均选择上述确定的ROI区域，计算ROI区域内各像素的灰度均值，并将每个设定参数下获得的多帧图像的灰度均值再次计算均值，即为某一距离范围内水体后向散射光图像的强度测量值。

4、利用计算得到的和/>，求解水体衰减系数c。具体的，根据步骤1中得到的后向散射光强度图像的计算值/>和步骤3中得到的后向散射光图像的强度测量值/>，建立目标函数/>：

（10）

其中，M为后向散射光全选通图像序列中图像帧的数量，i为图像序列号，为序列号为i的图像在采集时与对应水体的距离。采用比如最小二乘法的优化算法使得目标函数取得最小值，此时对应的c的取值即为待求的水体衰减系数。

（11）

在一个具体的工程实施例中，所用的激光距离选通成像系统的激光器波长为532nm，脉冲重复频率为8KHz，脉宽为5ns，光束发散角为15°，探测系统接收口径56mm，焦距为8mm-48mm可调，像元尺寸为6.5μm，像元的灰度取值为0~255。将激光距离选通成像系统置于实验室水池中，距离水面约1.5m。设定好激光距离选通成像系统工作参数，将脉冲累积数设为100，焦距固定为25mm，初始延时时间为5ns，延时时间递增间隔为0.625ns，门宽设为5ns。

首先，将延时更改为初始值的3倍即15ns，确保激光出射方向水体中没有其他障碍物等目标后，启动激光器后采集3帧图像，选取每帧图像中最亮的5%像素，计算它们的均值作为水体后向散射的背景强度值=30。接着，将延时改为初始值5ns，采集一帧水体后向散射光图像，并利用全局阈值处理和图像二值化变换后，得到水体后向散射光图像的区域ROI，如图2a和图2b所示，其中图2a为延时初始值5ns时采集的水体后向散射光图像，图2b为经阈值处理和二值化处理后得到水体后向散射光图像区域ROI。然后，应用0.625ns递增时间间隔依次更改延时时间直至其为20ns，对于每一个延时时间取值，分别采集10帧图像，按照所确定的ROI区域计算10帧图像中对应ROI区域像素的均值，并求取其平均值作为该延时参数（对应一定距离水体范围）下的水体后向散射光图像的测量值/>。根据式（6）和式（11），代入相应参数，计算得到水体的衰减系数的估计值为0.438m^-1，利用AC-9衰减系数测量仪器测得该水体的衰减系数为0.436m^-1，两者的相对误差小于1%。图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f、图3g、图3h、图3i和图3j分别给出了示例实验中10个不同延时参数下采集的水体后向散射图像，图中从左至右，从上至下，延时时间依次递增，具体的，各自的延时时间分别为5ns，5.625ns，6.25ns，6.875ns，7.5ns，8.125ns，8.75ns，9.375ns，10ns，10.625ns。其中，图3f、图3g、图3h、图3i和图3j的图像无法用肉眼明显看出区别，但是其灰度值具有明显区别，图3a、图3b、图3c、图3d、图3e、图3f、图3g、图3h、图3i和图3j的图像ROI区域灰度均值分别为：154.10、133.12、114.38、95.96、83.83、73.98、65.79、59.77、57.38和53.80。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法，其特征在于，其包括如下步骤：

S1：建立水体后向散射光的传输衰减模型，得到距离选通成像系统接收到的水体后向散射光能量计算值的表达式，

S2：设定激光距离选通成像系统的工作参数，连续采集获取不同距离范围内水体的后向散射光全选通图像，获得水体后向散射光的全选通图像序列，

步骤S2中，具体的，

首先，设定激光距离选通成像系统的门宽和延时时间/>的初始值，

然后，将延时时间设为初始值的n倍，在激光出射方向通路上没有目标物体的情况下，连续采集多帧水体后向散射光图像，将多帧水体后向散射光图像的强度均值作为水体的背景强度值/>，其中，n根据下面给定的约束区间选取任意整数值：

其中，为延时时间/>的初始值，/>为延时递增时间间隔，

接着，并再次将延时时间恢复为设定的初始值，延时时间/>按照初始设定值保持不变，门宽/>依次递增，对于每个门宽，采集保存多帧水体的后向散射光图像，并计算其后向散射光的强度测量值/>，直至其强度测量值/>与水体的背景强度值/>满足以下关系：

其中，为灰度阈值，

则以该多帧水体的后向散射光图像形成水体后向散射光的全选通图像序列，

S3：根据水体后向散射光的全选通图像序列，计算获得每个距离范围内水体后向散射光全选通图像的强度测量值，

S4：根据水体后向散射光能量计算值和水体后向散射光全选通图像的强度测量值/>，计算获得水体衰减系数c。

2.如权利要求1所述的一种后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法，其特征在于，步骤S4中，其具体的计算过程为：根据水体后向散射光能量计算值和水体后向散射光全选通图像的强度测量值/>，建立目标函数/>，

其中，M为后向散射光全选通图像序列中图像帧的数量，i为图像序列号，为序列号为i的图像在采集时与对应水体的距离，在给定系统下和给设工作参数后，/>为一定值，/>是指/>距离处设定范围内水体后向散射光图像的强度测量值，/>是指/>距离处设定范围内距离选通成像系统接收到的水体后向散射光能量计算值，

采用最小二乘法计算以使目标函数取得最小值，此时对应的水体衰减系数c的取值即为待求的水体衰减系数。

3.如权利要求2所述的一种后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法，其特征在于，步骤S1中，以总的水体后向散射光能量作为水体后向散射光的传输衰减模型，总的水体后向散射光能量/>为：

其中，为激光距离选通成像系统发射的单脉激光冲能量，/>为水体的体散射函数，D为激光距离选通成像系统的接收器口径，d为激光距离选通成像系统的探测器像元尺寸，f为光学系统焦距，c为水体的衰减系数，z为水体距离，/>为光束发散角，/>为光在该水体中的传播速度，/>为激光距离选通成像系统的激光脉冲的脉宽，/>为选通门的门宽，/>为延时时间参数，/>。

4.如权利要求3所述的一种后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法，其特征在于，步骤S1中，距离选通成像系统接收到的水体后向散射光能量计算值的表达式为：

其中，e为自然对数，，/>为一定值，N为激光距离选通成像系统的累积脉冲数。

5.如权利要求4所述的一种后向散射全选通成像水体衰减系数测量方法，其特征在于，步骤S3中，选择延时时间初始值对应的后向散射光图像帧，针对该帧图像进行处理，分割得到后向散射光的图像区域ROI，以该图像区域ROI为标准区域，

针对水体后向散射光的全选通图像序列的每一帧，均计算对应的标准区域内各像素的灰度均值，并在此基础上计算不同的多帧图像的灰度均值，以该多帧图像的灰度均值为设定距离范围内水体后向散射光图像的强度测量值。