水下成像技術在水下目標發現、海麵材料探測及海洋地理工程中具有廣泛而重要的應用價值，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不同，水介質的特性是強散射效應和快速吸收功率衰減，因此直接將攝像機運用到水中，由於強散射效應，圖像的噪聲很大，且距離有限。激光器的運用從某種程度解決了成像的距離問題，在過去的幾年中，成像距離和圖像質量得到了很大程度的提高，這些進步都是因為采用了非傳統成像技術和激光技術。本文對主要的幾種水下成像技術進行了分析，討論了它們各自的技術原理和發展動態。

 

一、工作原理

由上所述，與(yu) 大氣成像技術相比，水下成像技術的重點是要減小水這一特定介質所具有的強散射效應和快速吸收功率衰減特性對成像質量的限製，目前已經有幾種成像技術在實際中得到應用且達到較好的工作效果。

⒈ 常規水下成像技術

常規水下成像技術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後向散射光強相對中心軸迅速減小的原理。在這種係統中，探測器與(yu) 激光束分開放置，激光發射器使用的是窄光束的連續激光器，同時使用窄視場角的接收器，兩(liang) 個(ge) 視場間隻有很小的重疊部分，從(cong) 而減小探測器所接收到的散射光。利用同步掃描技術，逐個(ge) 像素點探測來重建圖像。因此這種技術主要依靠高靈敏度探測器在窄小的視場內(nei) 跟蹤和接收目標信息，從(cong) 而大大減小了後向散射光對成像的影響，進而提高了係統信噪比和作用距離。

距離選通成像係統采用一個(ge) 脈衝(chong) 激光器，具有選通功能的像增強型CCD成像期間，通過對接收器口徑進行選通來減小從(cong) 目標返回到探測器的激光後向散射。在該係統中，非常短的激光脈衝(chong) 照射物體(ti) ，照相機快門打開的時間相對於(yu) 照射物體(ti) 的激光發射時間有一定的延遲，並且快門打開的時間很短，在這段時間內(nei) ，探測器接收從(cong) 物體(ti) 返回的光束，從(cong) 而排除了大部分的後向散射光。由於(yu) 從(cong) 物體(ti) 返回來的第一個(ge) 光子經受的散射最小，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(ti) 的三維信息，可以通過使用多個(ge) 探測器設置不同的延遲時間來獲得物體(ti) 在不同層次的信息，因而它提供了成像物體(ti) 準三維信息的能力。

⒉ 水下激光三維成像技術

以上兩(liang) 種技術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可提供很好的三維信息。條紋管水下激光三維成像技術使用脈衝(chong) 激光，接收裝置是時間分辨條紋管。發射器發射一個(ge) 偏離軸線的扇形光束，然後成像在條紋管的狹縫光電陰極上。用平行板電極對從(cong) 光電陰極逸出的光電子進行加速、聚焦和偏轉。同時垂直於(yu) 扇形光束方向有一個(ge) 掃描電壓能夠實時控製光束偏轉，這樣就能得到每個(ge) 激光脈衝(chong) 的距離和方位圖像。采用傳(chuan) 統的CCD技術對這些距離和方位圖像進行數字存貯，使係統的脈衝(chong) 重複頻率與(yu) 平台的前進速度同步，以壓式路刷方式掃過掃描路線。這種成像結構中，每個(ge) 激光脈衝(chong) 在整個(ge) 扇形光束產(chan) 生一個(ge) 圖像，用來提供更大的幅寬。因此，使用當前的激光器和CCD技術和相對適中的脈衝(chong) 重複頻率，就能得到較高的搜索速度。

⒊ 偏振光水下成像技術

97%的海洋水體(ti) 中，在數量上占優(you) 勢的散射顆粒為(wei) 直徑小於(yu) 1Lm的小顆粒，其相對折射率為(wei) 1100～1115。它們(men) 一般地遵從(cong) 瑞利或米氏散射理論。如果在水下用偏振光源照明，則大部分後向散射光也將是偏振的，這就可以采用適當取向的檢偏器對後向散射光加以抑製，從(cong) 而可使圖像對比度增強。偏振成像技術是利用物體(ti) 的反射光和後向散射光的偏振特性的不同來改善成像的分辨率。根據散射理論，物體(ti) 反射光的退偏度大於(yu) 水中粒子散射光的退偏度。如果激光器發出水平偏振光，當探測器前麵的線偏振器為(wei) 水平偏振方向時，物體(ti) 反射光能量和散射光能量大約相等，對比度最小，圖像模糊；當線偏振器的偏振方向與(yu) 光源的偏振方向垂直時，則接收到的物體(ti) 反射光能量遠大於(yu) 光源的散射光能量，所以對比度最大，圖像清晰。

在以上幾種技術中，我們(men) 認為(wei) 距離門選通是比較重要的一種，因為(wei) 實際上三維成像技術中也用到了距離選通的原理，隻是采用方法不同，因此它們(men) 對成像探測器的性能要求是相同的。

 

二、關(guan) 鍵器件發展狀況

⒈ 激光器技術

激光掃描水下成像係統大多采用氬離子連續波激光器，其輸出功率小於(yu) 5W。氬離子連續波激光器具有光束質量好、分辨率高、圖像穩定等特點。由於(yu) 更大的激光功率並不能明顯提高成像距離，因此氬離子連續波激光器是激光掃描水下成像係統比較好的選擇。

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

對Nd:YAG激光器，隨著成本的下降，未來的發展趨勢是采用激光二極管泵浦，並且是連續二極管激光泵浦。其原因很簡單，二極管激光器體(ti) 積小，重量輕，非常適合於(yu) 水下工作。

⒉ 接收器技術

水下成像環境要求成像係統具有弱光成像能力和具有消除後向散射幹擾的選通特性，這就要求接收器必須具備高速外觸發功能、高分辨率、高靈敏度、低噪聲、足夠的增益動態範圍。因此一般采用微光成像攝像機。典型的微光成像攝像機包括：矽增強靶(SIT)攝像機、增強型矽增強靶(ISIT)攝像機、電荷藕荷器件(CCD)攝像機、增強型電荷藕荷器件(ICCD)攝像機。這幾種器件相比較而言，由於(yu) ICCD具有較高的靈敏度，因此是目前接收器件的首選。

另外，正在發展中的器件有電子轟擊CCD(E2BCCD)成像器件和電子倍增CCD(EMCCD)。由於(yu) ICCD 受MCP、光纖麵板窗以及熒光屏的影響，噪聲及MTF經過多個(ge) 傳(chuan) 遞環節的衰減使像質變差。美國在1996年研製出了電子轟擊CCD，它將CCD放置在真空管電子成像麵處，利用高能電子的電子增益實現圖像的電子增強，因此器件不受微通道板和光纖麵板的影響，具有很高的靈敏度和幾乎無噪聲的增益。EM CCD是當前采用最新的CCD生產(chan) 工藝製造的成像器件，它在繼承了CCD器件優(you) 點的同時，具有與(yu) ICCD器件相近的靈敏度。

 

三、係統發展狀況

美國在十幾年前實際上已開始激光掃描水下成像係統的研究，由於(yu) 保密原因，沒有正式報道。目前，國外已研製出多種型號激光掃描水下成像係統，有的已成功地用於(yu) 海下勘測、搜索和攝像。西屋水下激光係統公司和應用遙測技術公司分別研製成功出了各自的同步掃描激光水下成像係統，其中西屋公司的激光水下成像係統70°的有效視場掃描時間為(wei) 011ms。該係統被布設在潛艇下麵，或者拖曳在水麵艦船的後麵。當船向前航行時，該係統就成像出海底的二維圖像，水下觀測和成像距離可達4個(ge) 衰減長度(光在水中的衰減隨光的波長和水質的變化而變化)，其圖像分辨率和清晰度都很高。遙測技術公司的同步掃描係統的水下成像距離可以達到5個(ge) 衰減長度。遙測技術公司的係統使用快速旋轉的棱鏡控製激光束掃描，目前該係統已裝備潛艇。

距離選通激光水下成像技術的研究比較早，美國早在1966年就已開始研究。最近美國Sperry海洋有限公司報道的實驗室模擬結果表明，在衰減係數為(wei) 0.1/m的水體(ti) 中，觀察距離與(yu) 理論計算相近，達160m，在混濁的近岸水體(ti) 中，也能觀察到30m距離。它使用的光源是倍頻Nd:YAG激光器，接收器是該公司製造的增強型CCD相機。Sparta公司研製成功的距離選通激光水下成像係統采用閃光燈泵浦Nd:YAG激光器，其激光輸出經倍頻後產(chan) 生532nm的綠光，重複工作頻率為(wei) 10Hz，轉換成綠光的電效率為(wei) 1%,功耗為(wei) 250W，係統視場達12°。此係統在港口水域中的成像距離是500W燈泡照射係統的5倍。另外，采用倍頻Nd:YAG激光器的測距係統也達到30～50m的成像距離。

三維成像技術研究方麵，美國圖森Arete協會(hui) 在海軍(jun) 研究局的資助下在實驗室對基於(yu) 條紋管技術的高分辨率三維成像係統進行了初步實驗，確定了條紋管接收器的橫向和距離分辨率。在亞(ya) 利桑那大學光學科學中心的配合下，實現高分辨率三維圖像。使用倍頻Q開關(guan) 鎖模Nd:YAG激光器，每秒產(chan) 生35個(ge) 532nm的脈衝(chong) ，在一般水域中，實驗得到三維方向上的分辨率高於(yu) 6 135mm；在深水池中，試驗得到距離分辨率約為(wei) 91144m，橫向分辨率約為(wei) 6135mm，距離分辨率受到Q開關(guan) 激光器9ns脈寬的限製。若使用每秒產(chan) 生3個(ge) 580nm脈衝(chong) 的碰撞脈衝(chong) 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距離遠的高分辨率圖像，需要使用高能脈衝(chong) 激光來克服海水的衰減和散射影響。為(wei) 了提高距離分辨率，LietCycles有限公司研製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高的目標進行清晰成像。

偏振光水下成像技術方麵，國外從(cong) 20世紀60年代起做了不少模擬實驗。英國海軍(jun) 潛水醫學研究實驗室在遊泳池中實驗結果表明：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(wei) 好。自由活動的潛水員還要經常調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，且一些實驗表明，大多數漫射目標傾(qing) 向於(yu) 使圓偏振光退偏振的程度優(you) 於(yu) 對線偏振光的退偏振。美海軍(jun) 水下研究及發展中心、海軍(jun) 武器試驗站對用圓偏振光照明提高能見度作了模擬實驗，取得了肯定結果，並測量了漫射目標及水體(ti) 的偏振係數。

國內(nei) 方麵，近幾年來，西安光機所、長春光機所、上海光機所和天津電視技術研究所、北京理工大學、華中理工大學、東(dong) 南大學等單位均對水下成像係統進行了研究，但與(yu) 國際先進水平相比還有很大的差距。北京理工大學正在研製一種適合水下成像係統的選通型ICCD器件，采用了國產(chan) 某型高性能超二代像增強器，預計對我國水下成像係統的發展有一定的推動作用。

 

四、結束語

本文概述了當前水下激光成像技術的工作原理、特點和發展狀況，闡述了對水下圖像進行處理的相關(guan) 技術。從(cong) 目前的技術狀況可知，水下成像技術是一個(ge) 係統工程，它不但依賴於(yu) 相應的器件性能，而且依賴於(yu) 整體(ti) 係統的設計。此外，一些先進的識別技術，如距離編碼、極化濾波、圖像提取等預計將進一步在水下成像係統中得到應用。

(文/孔捷 張保民/南京理工大學/摘自網絡)