距离选通激光水下成像系统的门控信号对图像质量的影响

研究了水体的前后向散射光和目标反射光的传输特性,运用脉冲激光器和增益型CCD(ICCD)搭建了距离选通激光水下成像实验系统,建立了计算距离选通激光水下成像系统光信号的数学模型,分析了图像对比度传递系数与门控信号的关系.编制计算机程序,根据所搭建实验系统参数计算并绘制了距离选通激光水下成像系统门控信号与图像对比度传递系数的关系曲线,提出了距离选通激光水下成像系统最佳门控策略.数值计算和实验结果表明:在ICCD未饱和的情况下.精确开门得到的图像质量最高,不论是滞后开门或是提前开门都会使图像分辨率有所下降,但滞后开门比提前开门较为有利,并且选通门开启的持续时间则应取激光脉宽的1～3倍.     

基于距离选通成像系统的水下目标探测技术研究

 基于距离选通原理,采用波长为532 nm、脉冲宽度为20 ns的Nd∶YAG激光器和距离选通ICCD成像系统,通过脉冲激光照射水下目标,ICCD系统同步选通接收,对漫射衰减系数约为0.45的8 m水深内的水下目标的成像能力进行了实验研究,获得了10 ns的图像选通效果和7 m的探测能力。实验结果表明,距离选通成像方法是一种快速、有效的水下目标探测和识别手段。     

集束光水下图像系统

报道了一种新型的适用于浑水条件下的集束光水下图像系统.分析了目前水下观察采用的两种技术—同步扫描技术和距离选通技术,介绍了该水下图像系统的构成原理以及系统组成.通过水池实验,验证了系统的有效性.给出了集束光水下图像系统与水下激光图像系统在探测距离及其它性能方面的比较结果.该系统有望在海洋工程及军事上得到广泛应用.     

激光照明水下目标距离选通成像系统的研制

基于水下目标探测的应用需求,研制开发了一套激光水下距离选通成像系统。系统采用波长532 nm、最大单脉冲能量400 mJ的Nd:YAG脉冲激光器作为照明光源,采用最小选通门宽3 ns、像元10241024的ICCD相机作为门选通器件和图像记录器件,利用DG535型数字脉冲发生器作为精确延时和同步控制器件实现激光脉冲和ICCD相机选通门的同步以实现距离选通功能。利用该系统在某水库进行了水下目标探测实验,实验结果表明,该系统可在6.5倍的衰减长度上识别目标,在8倍衰减长度上发现目标。     

距离选通切片图像高精度三维重构方法

高精度水下三维成像可以获取更多的目标信息,有利于提高水下目标的识别率,一直是水下光电成像的重要研究方向之一。距离选通成像技术可以获取目标的距离信息,但由于选通深度的限制,难以直接从多幅选通图像重构出高精度的三维图像。在基本距离选通成像技术基础上,以较小的选通延迟时间间隔获取多幅距离选通切片图像,对这些图像的像素灰度值进行统计分析和曲线拟合,可以获取每个像素的距离值,从而重构出高精度的目标三维图像。理论分析表明,该方法的距离解算精度可能达到厘米级。     

水下激光距离选通成像与脉冲展宽的时序模型

基于距离选通原理,深入分析了水下脉冲传输和探测器选通接收间的时序关系,建立了较为完善的距离选通时序模型;基于搭建的水下脉冲激光距离选通实验平台,设计了专门的模型验证实验。实验与仿真结果的一致性表明:模型能较好地描述水下距离选通成像过程,预测成像对比度随延迟时间的变化,可用于实际选通系统的性能预测和优化设计。此外,还借助模型讨论了各参量对成像对比度的影响,并介绍了利用距离选通技术直接测量水下脉冲时间展宽的方法。     

多帧距离选通图像点扩散函数估计的超分辨率重建

为了解决水下激光距离选通图像成像过程中退化模型复杂的难题,提出了利用连续帧图像估计点扩散函数的距离选通超分辨成像方法。首先,从连续帧图像中选取一帧为参考帧作为初始清晰图像,下一帧图像为模糊图像,用梯度约束的方法求出点扩散函数,用于优化清晰图像;然后,依次将后续帧图像当作模糊图像与清晰图像交替迭代求取点扩散函数并优化更新清晰图像;最后获得的清晰图像与参考帧图像用乘法更新的方法估计点扩散函数,结合凸集投影法算法进行超分辨率成像重建。仿真实验结果表明,改进的算法重建图像分辨率和质量明显优于原始的算法。     

水下距离选通成像系统参数对成像效果影响的实验研究

利用自行研制的水下距离选通成像系统在实验水池中对水下靶板进行成像探测,通过改变探测激光能量和像增强器增益,研究了不同系统参数对实际成像探测效果的影响。通过对实验数据的分析,得出了只是提高探测激光能量与ICCD增益不能继续改善探测图像质量,系统参数与探测结果之间存在最优化关系的结论,为水下距离选通成像系统设计提供了有益的...     

基于水下成像系统模型的水下图像超分辨率重建技术研究

水下成像技术在诸多领域获得了越来越多的应用,然而由于受到成像器件参数、水体特性等成像系统参数的影响,水下图像的分辨率普遍较低、像质较差。基于包括点扩散函数、衍射极限等水下成像系统模型的图像超分辨率重建技术,能够在提高图像分辨率的同时增强图像质量。为了尽可能提高图像分辨率,建立了基于光束传播理论的超分辨率成像模型,并将其应用于水下脉冲激光距离选通成像结果图像的超分辨率重构。重构实验的结果表明,所提出的方法可以有效地提高水下成像的分辨率和质量。     

基于图像亮度特性统计的水下距离选通成像自动增益控制方法

对水下激光距离选通成像质量与系统增益的关系进行了分析,提出了一种基于图像亮度特性统计的普适性自动增益控制方案。该方案通过设定不同灰度统计阈值,甄别目标图像的亮度特性,并以此作为控制系统增益的主要依据。在对水下大动态范围照度目标或慢速运动目标等进行成像的特殊场合,该方案也具备较强的适用性,能实时反馈控制系统增益,使成像质量优化。     

盲反卷积方法在水下激光图像复原中的应用

由于水体对激光存在着吸收和散射效应,距离选通水下激光成像系统所获得的图像存在不同程度的劣化问题,具有信噪比低、边缘模糊等特点。为提高图像质量,在分析水下激光成像劣化过程的基础上,研究了水下激光图像的基本噪声特征,并结合点扩展函数和调制传递函数,利用威尔斯小角度近似理论,将盲反卷积方法应用到水下激光图像复原中。在进行盲反卷积图像复原时,比较和讨论了将原始图像和经过降噪处理后的图像分别作为初始输入的处理结果;并对当人为改变调制传递函数和点扩展函数时所得到的图像复原结果进行了研究和讨论。处理结果表明该方法能达到抑制背景噪声、突出目标细节、提高对比度的效果,对水下激光图像增强十分有效。     

基于雪崩级联电路控制激光照明源的水下激光选通成像

基于雪崩级联原理研发了用于水下激光选通成像的MARX级联电路激光照明源。相对于普通激光驱动器,该MARX级联电路有输出脉冲窄、峰值高、上升沿短、重复频率高、成本低、体积小、质量轻等优点。采用级联电路研发的脉冲激光照明光源在实现ns量级脉冲宽度性能的基础上保持了照光源系统体积的小型化。该脉冲照明源结合激光整形及匀化光学技术进行了水下选通成像验证实验,在10 ns的脉冲宽度下,实现水下7倍衰减长度范围内的选通成像。该文涉及的电路、光学方面的改进对降低激光选通成像系统的体积、成本及实际应用具有重要意义。     

基于模糊度量的激光水下图像复原的盲去卷积方法

由于水体对激光存在着不可克服的吸收和散射效应,距离选通水下激光成像系统所获得的图像存在不同程度的劣化问题,具有信噪比低、边缘模糊等特点.为提高图像质量,将基于模糊度量的盲去卷积方法应用于激光水下成像的图像复原中.结合威尔斯小角度近似得出的点扩展函数与调制传递函数,分别讨论了最大期望,最小均方与多次乘法迭代盲去卷积算法,...     

基于梯度和小波变换的水下距离选通图像去噪

水体的散射效应、激光光斑、成像器件的非理想化等因素使得图像出现大量无规律粒状噪声,它们增加了水下距离选通图像的背景噪声,模糊了目标轮廓,掩盖了目标细节,降低了图像的信噪比。针对上述问题本文提出了一种基于梯度和小波变换的去噪方法。首先对图像进行余弦小波变换,得到不同频率空间的图像集。低频空间引入新的图像梯度强化方法以提高图像的纹理信息量;对应非均匀性条带的LH或HL空间做曲面拟合处理以消除非均匀性条带的影响;在HH空间去噪过程中,低层空间做非局部均值处理以保留图像相似信息,高层空间做分数阶积分处理以保留图像细节信息。最后小波逆变换得到结果图像。从实验水槽中采集水下图像进行算法验证,将改进方法与已有算法比对分析。实验表明,本文所研究的水下去噪算法,能够平滑噪声且更大限度地保留图像细节纹理,在客观评价指标上提升了6%。     

Comparative study on several blind deconvolution algorithms applied to underwater image restoration

Although the use of blind deconvolution of image restoration is a widely known concept, only few reports have discussed in detail its application to solving problem of restoration of underwater range-gated laser images. A comparative study of underwater image restoration using the Richardson-Lucy algorithm, the least-squares algorithm, and the multiplicative iterative algorithm for blind deconvolution is presented. All the deconvolution approaches use denoised underwater images and Wells’ small angle approximation theory of derived point spread function as the initial object and degradation guess, respectively. Owing the underwater no-reference imaging environment, image quality judgment based on the blur metric method is incorporated in our comparison to determine the appropriate deconvolution iteration number for each algorithm, which objectively evaluates the image restoration results. The performance of the three algorithms applied to underwater image restoration is discussed and reported.     

水下激光目标的统计对消分割法

水下激光目标的识别是一个崭新的研究领域,有许多问题需要解决,其中,目标分割是关键.水下激光图像中夹杂着严重的散斑噪声,受其影响,要识别水下激光目标,就要对图像进行有效的消噪,然后进行目标分割.本文依据具有相似统计特征的噪声可抵消图像中的相应噪声这一基理,结合小波变换和统计法,提出了一种水下激光目标的统计对消分割法,以去除噪声,提取目标.实验结果表明该方法是有效可行的.     

水下光束漂移激光图像抗畸变识别

针对水下激光传输存在光束漂移现象,分析了光束漂移图像对光学相关识别的影响和帧间光束漂移图像噪声的不相关性。研究了抗畸变匹配滤波器设计,提出了基于相位匹配的畸变图像共同特征提取,并作为综合鉴别函数子特征的训练样本,设计了抗畸变综合鉴别匹配滤波器,并进行了仿真验证。Matlab仿真结果证明:抗畸变综合鉴别匹配滤波器设计,结合待识别图像随机散射噪声预滤波,可有效提高光学相关识别输出相关峰的峰值-相关能量比值和相关峰鉴别率值。     

Divergent-beam Lidar imaging in turbid water

Although there are rapid developments of underwater robotics vehicles in recent years, the underwater visual sensing or/and underwater imaging is still regarded as a major undertaking challenge, particularly in turbid water condition. Currently, a divergent-beam underwater Lidar imaging (UWLI) system has been finished and it precisely captured nano-seconds fast-gated images in highly turbid water. This permits the receiver to collect only the image-containing light pulse returned by the target and thus reduce the water-scattering related noise of underwater image dramatically. The end result is greatly improved intensity and contrast of the detected images. Based on our newly designed series targets, we are the first to successfully demonstrate UWLI in such a short 3 m water tank, and show the fast range-gated phenomenon in water much more clearly. The attenuation coefficients in turbid waters are 1.0 m and 2.3 m⁻¹, respectively.