水下成像技術(shù)在水下目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、海面材料探測及海洋地理工程中具有廣泛而重要的應(yīng)用價值，正受到各國研究者的日益重視。與我們平常所見空氣中成像技術(shù)不同，水介質(zhì)的特性是強(qiáng)散射效應(yīng)和快速吸收功率衰減，因此直接將攝像機(jī)運(yùn)用到水中，由于強(qiáng)散射效應(yīng)，圖像的噪聲很大，且距離有限。激光器的運(yùn)用從某種程度解決了成像的距離問題，在過去的幾年中，成像距離和圖像質(zhì)量得到了很大程度的提高，這些進(jìn)步都是因?yàn)椴捎昧朔莻鹘y(tǒng)成像技術(shù)和激光技術(shù)。本文對主要的幾種水下成像技術(shù)進(jìn)行了分析，討論了它們各自的技術(shù)原理和發(fā)展動態(tài)。

一、工作原理

由上所述，與大氣成像技術(shù)相比，水下成像技術(shù)的重點(diǎn)是要減小水這一特定介質(zhì)所具有的強(qiáng)散射效應(yīng)和快速吸收功率衰減特性對成像質(zhì)量的限制，目前已經(jīng)有幾種成像技術(shù)在實(shí)際中得到應(yīng)用且達(dá)到較好的工作效果。

⒈ 常規(guī)水下成像技術(shù)

常規(guī)水下成像技術(shù)包括激光掃描水下成像和距離選通激光水下成像。其中激光掃描水下成像是利用水的后向散射光強(qiáng)相對中心軸迅速減小的原理。在這種系統(tǒng)中，探測器與激光束分開放置，激光發(fā)射器使用的是窄光束的連續(xù)激光器，同時使用窄視場角的接收器，兩個視場間只有很小的重疊部分，從而減小探測器所接收到的散射光。利用同步掃描技術(shù)，逐個像素點(diǎn)探測來重建圖像。因此這種技術(shù)主要依靠高靈敏度探測器在窄小的視場內(nèi)跟蹤和接收目標(biāo)信息，從而大大減小了后向散射光對成像的影響，進(jìn)而提高了系統(tǒng)信噪比和作用距離。

距離選通成像系統(tǒng)采用一個脈沖激光器，具有選通功能的像增強(qiáng)型CCD成像期間，通過對接收器口徑進(jìn)行選通來減小從目標(biāo)返回到探測器的激光后向散射。在該系統(tǒng)中，非常短的激光脈沖照射物體，照相機(jī)快門打開的時間相對于照射物體的激光發(fā)射時間有一定的延遲，并且快門打開的時間很短，在這段時間內(nèi)，探測器接收從物體返回的光束，從而排除了大部分的后向散射光。由于從物體返回來的第一個光子經(jīng)受的散射最小，所以選通接收最先返回的光子束可以獲得最好的成像效果。如果要獲得物體的三維信息，可以通過使用多個探測器設(shè)置不同的延遲時間來獲得物體在不同層次的信息，因而它提供了成像物體準(zhǔn)三維信息的能力。

⒉ 水下激光三維成像技術(shù)

以上兩種技術(shù)不能提供完善的三維信息能力，而條紋管水下激光三維成像技術(shù)可提供很好的三維信息。條紋管水下激光三維成像技術(shù)使用脈沖激光，接收裝置是時間分辨條紋管。發(fā)射器發(fā)射一個偏離軸線的扇形光束，然后成像在條紋管的狹縫光電陰極上。用平行板電極對從光電陰極逸出的光電子進(jìn)行加速、聚焦和偏轉(zhuǎn)。同時垂直于扇形光束方向有一個掃描電壓能夠?qū)崟r控制光束偏轉(zhuǎn)，這樣就能得到每個激光脈沖的距離和方位圖像。采用傳統(tǒng)的CCD技術(shù)對這些距離和方位圖像進(jìn)行數(shù)字存貯，使系統(tǒng)的脈沖重復(fù)頻率與平臺的前進(jìn)速度同步，以壓式路刷方式掃過掃描路線。這種成像結(jié)構(gòu)中，每個激光脈沖在整個扇形光束產(chǎn)生一個圖像，用來提供更大的幅寬。因此，使用當(dāng)前的激光器和CCD技術(shù)和相對適中的脈沖重復(fù)頻率，就能得到較高的搜索速度。

⒊ 偏振光水下成像技術(shù)

97%的海洋水體中，在數(shù)量上占優(yōu)勢的散射顆粒為直徑小于1Lm的小顆粒，其相對折射率為1100～1115。它們一般地遵從瑞利或米氏散射理論。如果在水下用偏振光源照明，則大部分后向散射光也將是偏振的，這就可以采用適當(dāng)取向的檢偏器對后向散射光加以抑制，從而可使圖像對比度增強(qiáng)。偏振成像技術(shù)是利用物體的反射光和后向散射光的偏振特性的不同來改善成像的分辨率。根據(jù)散射理論，物體反射光的退偏度大于水中粒子散射光的退偏度。如果激光器發(fā)出水平偏振光，當(dāng)探測器前面的線偏振器為水平偏振方向時，物體反射光能量和散射光能量大約相等，對比度最小，圖像模糊；當(dāng)線偏振器的偏振方向與光源的偏振方向垂直時，則接收到的物體反射光能量遠(yuǎn)大于光源的散射光能量，所以對比度最大，圖像清晰。

在以上幾種技術(shù)中，我們認(rèn)為距離門選通是比較重要的一種，因?yàn)閷?shí)際上三維成像技術(shù)中也用到了距離選通的原理，只是采用方法不同，因此它們對成像探測器的性能要求是相同的。

 

二、關(guān)鍵器件發(fā)展?fàn)顩r

⒈ 激光器技術(shù)

激光掃描水下成像系統(tǒng)大多采用氬離子連續(xù)波激光器，其輸出功率小于5W。氬離子連續(xù)波激光器具有光束質(zhì)量好、分辨率高、圖像穩(wěn)定等特點(diǎn)。由于更大的激光功率并不能明顯提高成像距離，因此氬離子連續(xù)波激光器是激光掃描水下成像系統(tǒng)比較好的選擇。

距離選通水下成像和其它三維水下成像系統(tǒng)的激光器大多采用閃光燈泵浦Nd:YAG激光器。該器件技術(shù)成熟，成本較低，輸出波長為1106Lm，經(jīng)過倍頻可以得到532nm的綠光。目前平均功率可達(dá)幾十瓦，作用距離可達(dá)到幾千米。為了提高水下的成像質(zhì)量，提高照明激光器的功率和使激光器小型化是目前發(fā)展的方向。

對Nd:YAG激光器，隨著成本的下降，未來的發(fā)展趨勢是采用激光二極管泵浦，并且是連續(xù)二極管激光泵浦。其原因很簡單，二極管激光器體積小，重量輕，非常適合于水下工作。

⒉ 接收器技術(shù)

水下成像環(huán)境要求成像系統(tǒng)具有弱光成像能力和具有消除后向散射干擾的選通特性，這就要求接收器必須具備高速外觸發(fā)功能、高分辨率、高靈敏度、低噪聲、足夠的增益動態(tài)范圍。因此一般采用微光成像攝像機(jī)。典型的微光成像攝像機(jī)包括：硅增強(qiáng)靶(SIT)攝像機(jī)、增強(qiáng)型硅增強(qiáng)靶(ISIT)攝像機(jī)、電荷藕荷器件(CCD)攝像機(jī)、增強(qiáng)型電荷藕荷器件(ICCD)攝像機(jī)。這幾種器件相比較而言，由于ICCD具有較高的靈敏度，因此是目前接收器件的首選。

另外，正在發(fā)展中的器件有電子轟擊CCD(E2BCCD)成像器件和電子倍增CCD(EMCCD)。由于ICCD 受MCP、光纖面板窗以及熒光屏的影響，噪聲及MTF經(jīng)過多個傳遞環(huán)節(jié)的衰減使像質(zhì)變差。美國在1996年研制出了電子轟擊CCD，它將CCD放置在真空管電子成像面處，利用高能電子的電子增益實(shí)現(xiàn)圖像的電子增強(qiáng)，因此器件不受微通道板和光纖面板的影響，具有很高的靈敏度和幾乎無噪聲的增益。EM CCD是當(dāng)前采用最新的CCD生產(chǎn)工藝制造的成像器件，它在繼承了CCD器件優(yōu)點(diǎn)的同時，具有與ICCD器件相近的靈敏度。

 

三、系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r

美國在十幾年前實(shí)際上已開始激光掃描水下成像系統(tǒng)的研究，由于保密原因，沒有正式報(bào)道。目前，國外已研制出多種型號激光掃描水下成像系統(tǒng)，有的已成功地用于海下勘測、搜索和攝像。西屋水下激光系統(tǒng)公司和應(yīng)用遙測技術(shù)公司分別研制成功出了各自的同步掃描激光水下成像系統(tǒng)，其中西屋公司的激光水下成像系統(tǒng)70°的有效視場掃描時間為011ms。該系統(tǒng)被布設(shè)在潛艇下面，或者拖曳在水面艦船的后面。當(dāng)船向前航行時，該系統(tǒng)就成像出海底的二維圖像，水下觀測和成像距離可達(dá)4個衰減長度(光在水中的衰減隨光的波長和水質(zhì)的變化而變化)，其圖像分辨率和清晰度都很高。遙測技術(shù)公司的同步掃描系統(tǒng)的水下成像距離可以達(dá)到5個衰減長度。遙測技術(shù)公司的系統(tǒng)使用快速旋轉(zhuǎn)的棱鏡控制激光束掃描，目前該系統(tǒng)已裝備潛艇。

距離選通激光水下成像技術(shù)的研究比較早，美國早在1966年就已開始研究。最近美國Sperry海洋有限公司報(bào)道的實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果表明，在衰減系數(shù)為0.1/m的水體中，觀察距離與理論計(jì)算相近，達(dá)160m，在混濁的近岸水體中，也能觀察到30m距離。它使用的光源是倍頻Nd:YAG激光器，接收器是該公司制造的增強(qiáng)型CCD相機(jī)。Sparta公司研制成功的距離選通激光水下成像系統(tǒng)采用閃光燈泵浦Nd:YAG激光器，其激光輸出經(jīng)倍頻后產(chǎn)生532nm的綠光，重復(fù)工作頻率為10Hz，轉(zhuǎn)換成綠光的電效率為1%,功耗為250W，系統(tǒng)視場達(dá)12°。此系統(tǒng)在港口水域中的成像距離是500W燈泡照射系統(tǒng)的5倍。另外，采用倍頻Nd:YAG激光器的測距系統(tǒng)也達(dá)到30～50m的成像距離。

三維成像技術(shù)研究方面，美國圖森Arete協(xié)會在海軍研究局的資助下在實(shí)驗(yàn)室對基于條紋管技術(shù)的高分辨率三維成像系統(tǒng)進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)，確定了條紋管接收器的橫向和距離分辨率。在亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)中心的配合下，實(shí)現(xiàn)高分辨率三維圖像。使用倍頻Q開關(guān)鎖模Nd:YAG激光器，每秒產(chǎn)生35個532nm的脈沖，在一般水域中，實(shí)驗(yàn)得到三維方向上的分辨率高于6 135mm；在深水池中，試驗(yàn)得到距離分辨率約為91144m，橫向分辨率約為6135mm，距離分辨率受到Q開關(guān)激光器9ns脈寬的限制。若使用每秒產(chǎn)生3個580nm脈沖的碰撞脈沖鎖模染料激光器，可得到更精確的距離分辨率。在混濁的海水中，如果要得到10～30m距離遠(yuǎn)的高分辨率圖像，需要使用高能脈沖激光來克服海水的衰減和散射影響。為了提高距離分辨率，LietCycles有限公司研制出一種喇曼壓縮激光器。使用這種2ns激光能大大提高距離分辨率，可以對水下432mm高的目標(biāo)進(jìn)行清晰成像。

偏振光水下成像技術(shù)方面，國外從20世紀(jì)60年代起做了不少模擬實(shí)驗(yàn)。英國海軍潛水醫(yī)學(xué)研究實(shí)驗(yàn)室在游泳池中實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在線偏振光源亮度一定的情況下，潛水員戴有檢偏器觀察時，其視覺銳度及觀察距離反而不及不帶檢偏器觀察為好。自由活動的潛水員還要經(jīng)常調(diào)整其檢偏器的偏振取向，十分不便。采用圓偏振光照明則無上述不便，且一些實(shí)驗(yàn)表明，大多數(shù)漫射目標(biāo)傾向于使圓偏振光退偏振的程度優(yōu)于對線偏振光的退偏振。美海軍水下研究及發(fā)展中心、海軍武器試驗(yàn)站對用圓偏振光照明提高能見度作了模擬實(shí)驗(yàn)，取得了肯定結(jié)果，并測量了漫射目標(biāo)及水體的偏振系數(shù)。

國內(nèi)方面，近幾年來，西安光機(jī)所、長春光機(jī)所、上海光機(jī)所和天津電視技術(shù)研究所、北京理工大學(xué)、華中理工大學(xué)、東南大學(xué)等單位均對水下成像系統(tǒng)進(jìn)行了研究，但與國際先進(jìn)水平相比還有很大的差距。北京理工大學(xué)正在研制一種適合水下成像系統(tǒng)的選通型ICCD器件，采用了國產(chǎn)某型高性能超二代像增強(qiáng)器，預(yù)計(jì)對我國水下成像系統(tǒng)的發(fā)展有一定的推動作用。

 

四、結(jié)束語

本文概述了當(dāng)前水下激光成像技術(shù)的工作原理、特點(diǎn)和發(fā)展?fàn)顩r，闡述了對水下圖像進(jìn)行處理的相關(guān)技術(shù)。從目前的技術(shù)狀況可知，水下成像技術(shù)是一個系統(tǒng)工程，它不但依賴于相應(yīng)的器件性能，而且依賴于整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此外，一些先進(jìn)的識別技術(shù)，如距離編碼、極化濾波、圖像提取等預(yù)計(jì)將進(jìn)一步在水下成像系統(tǒng)中得到應(yīng)用。