水下成像

水下光学和海洋光学学科的重要研究方向

水下成像是水下光学和海洋光学学科的重要研究方向，是人类认识海洋、开发利用海洋和保护海洋的重要手段和工具，具有探测目标直观、成像分辨率高、信息含量高等优点。该技术已经被广泛的应用于水中目标侦察/探测/识别、水下考古、海底资源勘探、生物研究、水下工程安装/检修、水下环境监测、救生打捞等领域。

优点

制约因素

吸收作用

水体中的水分子和水体中含有的各种物质都对光有吸收作用。水体对光能量的吸收作用会损耗照明光束和成像光束的能量，使得超过一定距离的成像光束无法到达成像面，或到达成像面的光能量过于微弱而被噪声光淹没。而水体中各种物质对光能量均有强烈的吸收作用，从而严重的限制了水下光学成像的距离。

水分子对光的吸收作用具有明显的光谱特性，在紫外和红外谱段的吸收效果较强，在可见光谱段的吸收较弱。这是由于水分子是极化的，使得在紫外和红外谱段上极化水分子会与光线产生强烈的共振，而在可见光谱段，光线与水分子产生的共振相对紫外和红外谱段较弱。

水体中包含的物质大多对光也有吸收作用，但不同的物质对光的吸收具有明显的频谱特性。悬浮颗粒物对光的吸收和散射主要集中在600nm波段以下，其对绿光波段的光能量有强烈的吸收作用。可溶性有机物对光的衰减主要集中在550 nm以下的短波部分。浮游藻类对400-700 nm的光合作用波段的光能量有强烈的吸收作用。在海水中，可溶性有机物的吸收起主要作用，其对光能量的吸收占总吸收的65% 以上。同时其对光波的吸收呈现明显的随波长的减小而迅速增大的特性。而在江、河、湖泊等淡水系统中，悬浮颗粒物和浮游藻类等物质的含量显着增加，对光波的吸收作用贡献明显。在二者的共同作用下，淡水系统中的水下光传输窗口有明显的向红光方向移动的特点。含杂质量越大，偏移量则越大。

散射作用

影响水下光学成像的另一重要光学效应是散射作用。散射作用使得光线的传播路径产生复杂变化从而改变光能量在空间和时间分布。其对水下成像的影响主要体现在三个方面：一、损耗了光束传播方向上的光能量，从而降低了成像距离。二、后向散射的光进入成像系统，产生大量噪声，影响成像的信噪比。后向散射严重时甚至无法成像。三、前向散射分散了成像光束的能量。在成像时使得所呈图像的轮廓线条虚化、模糊，影响成像的视觉效果。

散射是由水体中的粒子造成的，水体中的粒子粒径跨度较大，小到直径比光波长小2个数量级左右的水分子，大到厘米量级的可溶性物质、悬浮的颗粒与生物组织。这些不同粒径的粒子所引起的散射效果有所不同，由水分子引起的散射在总体散射中只占很小的一部分，可以简单的认为水分子引起的散射为一不变常量；而引起水体散射特性变化的主要是水体中粒径较大的部分，其粒径与可见光波长同量级，其成分和数量的不同会使得水体的散射特性产生巨大的变化。例如，通过对海洋水体散射的研究调查表明，由于不同地区海水中所含杂质的多少不同其散射系数差异极大，从10 m到10 m量级，跨度达到10。在深海清洁海水的散射系数约为0.02m，而在近海水体中因其悬浮粒子的增加散射系数一般为0.15m左右。

技术分类

水下主动照明成像

水下主动照明成像主要为了解决水下环境对成像光束的高损耗问题，一般使用532nm左右波长的激光对成像空间进行人工主动照明，在高损耗的情况下保证成像回波信号的绝对能量。主动照明在增强成像光束能量的同时，也会产生大量的后向散射光，影响成像质量。因此，一般水下照明系统采用成像与照明分离布局，以减少后向散射对成像的影响。

水下距离选通成像

水下距离选通成像技术主要以解决后向散射等杂散光对成像的影响为目的。对于主动脉冲照明，后向散射光和目标反射光到达成像接收器件具有时间差。距离选通成像技术通过控制成像快门的开闭，将非目标反射光束到达时间段的光束隔离在接受器件之外，只接收目标反射光束到达时间段的光信号，达到排除杂散光干扰，提高接收数据的信噪比的目的，进而增加成像距离和提高成像质量。

水下距离选通成像技术一般主要由高峰值功率脉冲激光器、距离选通快门、光学系统、高精度时序控制系统和接收系统（CCD、CMOS、ICCD等）组成。通过计算照明激光脉冲照明预订距离目标并返回到接收系统的时间，控制选通快门在激光脉冲经目标反射返回到达成像系统时开启，在激光脉宽时间后关闭。使包含有目标信息的回波信号进入接收器件成像。理论上该技术的成像距离最远可达到4－6倍衰减长度，但该技术单次成像只能获取预设好距离的目标，如对其他距离成像则需重新设置快门。

水下激光扫描成像

水下激光扫描成像技术主要解决的是水下光学成像距离近的问题。通过线扫描或点扫描的方式对目标进行采样，然后将采样信号按位置拼接得到目标的灰度图像。由于照明激光能量更为集中，单位面积的目标反射能量更高，使用该方法成像能有效的增加回波信号的强度，从而增加成像距离。水下激光扫描成像技术一般由高重频和高峰值功率脉冲激光器、激光整形或准直光学系统、扫描机构、光学系统、高精度时序控制系统和接收系统构成。激光器发射的激光脉冲经过光学系统的整形成为准直激光或线激光束；扫描机构控制整形后的激光脉冲的方向，使其按顺序在空间上排列成阵列来扫描目标区域；通过接收回波信号组成目标的灰度图。理论上，点激光扫描成像技术最大作用距离能达到10倍衰减长度。但是由于水体对准直光束的扩散作用和系统硬件的限制，其成像分辨率较水下距离选通成像技术低。同时由于其多次采样的原因，采样时间较长。

水下压缩感知成像

针对水下距离选通成像和水下激光扫描成像的弊端，近年来，提出了基于压缩感知理论的新型水下成像方法。与传统的距离选通技术相比，该技术同样利用杂散光和回波信号光的非同时性来排除杂散光对成像的影响。但不设置距离选通快门等硬件，而是利用采样频率10Hz以上的水下压缩感知单像素相机系统作为成像接收器，对激光照明脉冲发射后的回波信号全程接收。接收器接收到的是时间序列回波信号，不同距离的回波信号被按时间顺序接收。需要对哪一距离的目标成像，则将每一采样序列中对应时间的数据提取出来，组成压缩感知采样值向量。将该向量代入重构算法中即可计算出相应距离的图像。

相比于水下距离选通成像方法，该技术成像距离可提高1倍；相比于水下激光扫描成像技术，该技术采样数量60%~90%，大大降低了系统硬件的成本和难度，具有成像灵活、系统简单、成本低廉和系统误差小等诸多优点。

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