便携式水下连续光成像系统设计及成像质量增强技术研究

发布时间：2017-12-09 13:24

  本文关键词：便携式水下连续光成像系统设计及成像质量增强技术研究

  更多相关文章： 水下成像 连续光成像 对比度 调制传递函数 蒙特卡罗模型 偏振成像 偏振差分算法

【摘要】：水下连续光成像技术广泛应用于海洋以及内陆江河湖泊的工程和科研领域,利用该技术设计的系统多搭载于水下机器人等水下探测设备中作为机器视觉。但是由于光在水中传播受到吸收和散射的作用,系统的成像距离和成像质量受到严重的制约。尽管国内外学者利用同步扫描技术和距离选通技术获得超过6倍衰减长度的成像距离,但是所耗费的巨额成本和系统庞大的体积使上述技术难以应用于便携性要求较高的水下成像应用。设计一种便携性和成像性能兼顾的水下连续光成像系统具有广阔的应用前景。本论文基于国家纵向科研项目,从成像系统设计的各个环节出发,研究并设计出一套便携式水下连续光成像系统,并通过大量的实验研究,证明偏振成像技术作为图像质量增强的硬件技术手段的可靠性。本论文首先利用经典的水下成像模型详细分析了水下成像过程,掌握成像系统接收信号组成及特点。基于该水下成像模型的系统结构,对本课题组现有的蒙特卡罗水下探测模型进行改进,并增加偏振特征,获得了带有偏振特征的蒙特卡罗水下成像模型,实现对系统配置的模拟和主动偏振成像的仿真。为了对仿真和实验的系统成像质量进行客观评价,提出了利用对比度和调制传递函数分别作为成像对比度和分辨能力的评价标准,对系统在水下环境下的成像性能进行客观的评定。根据本系统双程光路的结构,利用改进的倾斜刃边法从图像结果中计算调制传递函数,为后文的仿真和实验结果的分析提供准确的评价标准。基于所建立的理论模型,采用综合噪声抑制技术对成像系统进行设计,并对系统所必需的光学参数进行了系统的仿真研究。通过仿真结果的比较,总结出系统各部分参数对成像质量的影响规律,并确定了参数配置范围。据此设计并搭建了一套原理样机。将样机在不同水体条件下分别进行实验研究,研究结果表明了仿真得出的参数配置的合理性,所设计的样机获得了实验室水体4倍衰减长度,外场真实水体约2倍的衰减长度的成像距离。但是在成像清晰度和体积等方面不符合预期要求。根据原理样机的实践经验,对系统光源、成像器件、系统结构、水密设计等方面进行了大幅度的改进。改进后,体积缩小到原系统的三分之一,系统结构及参数配置更加合理。在系统组装完成后,对该系统在实验室条件水体和项目要求的典型水体进行了实验研究,实验过程体现了该系统便携性的优势,并得到了在实验室环境超过4倍衰减长度,真实水体约2.4倍衰减长度的成像距离的结果,达到了国际一流同类系统的性能指标。同时,成像系统的改进使得其不再是系统成像分辨能力的瓶颈。然而,系统的结构配置优化对散射抑制方面仍存在极限,并且以上的研究都未提及对成像系统分辨能力的改进。本论文用图像对比度和系统调制传递函数作为系统成像质量的衡量标准。为了能从根本上区分水体散射和目标信号,有效提高成像质量,将偏振成像技术引入到本系统中,研究该技术是否可以在提高对比度的前提下,提高系统成像分辨能力。利用已建立的偏振条件下的蒙特卡罗模型对偏振成像过程进行了仿真,得出了水体对光的不同偏振态的响应存在差异,合理选择检偏方式有助于提高系统成像分辨能力的结论。根据理论分析和原理样机结构,搭建了一套水下主动偏振成像系统,并自行设计了两种不同表面偏振特性物体作为实验目标。通过大量的实验研究总结了检偏方式在成像系统对两种偏振特性的目标成像时的对比度与分辨能力的影响规律,并确定了低偏振度目标适合于正交偏振检测,高偏振度目标适用于采用偏振差分算法来同时提高成像对比度和分辨能力。同时,根据非正交态差分算法的结果,得出了优化偏振差分算法需要参考实际情况和系统特征的结论。以上分析证明了偏振技术在水下主动成像中应用,可以同时抑制后向散射和前向散射,从而对成像对比度和分辨能力同时提升。该结论对线偏振照明和圆偏振照明皆有效。此研究为进一步提高样机的性能提供了一种简便而充满潜力的技术方法。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP391.41

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