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.     

烟雾环境下的偏振差成像方法

基于激光主动成像的烟雾环境下的目标探测具有重要研究意义,有效抑制光的散射作用是提高烟雾环境下成像质量的关键。根据光的偏振理论,仿真分析了光子单次散射的偏振特性与散射角的变化关系,并利用蒙特卡罗方法模拟了光在烟雾环境中传输的偏振特性,提出了利用偏振差法来抑制光散射作用,最后进行了简单的成像实验。结果表明,光在烟雾中传输时散射光主要由小角度散射光构成,仍然保留了初始激光的部分偏振特性,相比于直接灰度成像,偏振差法能够有效滤除小角度散射光的影响,增强成像目标的细节信息和图像的对比度。     

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。     

距离选通成像系统分辨率模拟测试装置

距离选通成像系统采用脉冲激光主动照明与ICCD选通技术相结合. 为了在室内模拟测试一定大气条件下距离选通成像系统的分辨率,设计了一套模拟测试装置. 采用两个模拟光源,分别模拟信号光和后向散射光. 结合大气距离选通成像系统后向散射光和信号光模型的研究结果,采用阴极面等效辐射照度法,给出了模拟光源功率的计算方法和功率范围的确定方法,以S-20光电阴极的像增强器与CCD耦合为例,计算了模拟光源功率.     

多尺度水下偏振成像方法

水下偏振成像技术利用散射光偏振特性能够有效提高水下成像质量,在水下目标探测和识别领域具有重要应用价值.针对该技术在背景散射光和目标信息光分离时由于噪声放大现象导致重建图像质量受限的问题,提出多尺度水下偏振成像方法.该方法利用图像分层处理思想,结合小波变换的多尺度特性,对体现图像高对比度的基础层和低对比度但细节信息丰富的细节层分别进行处理,重建高对比度、高信噪比的清晰场景图像.实验结果表明,多尺度水下偏振成像方法不仅能够大幅提高对比度,复原图像细节信息,而且能够有效抑制放大噪声,提高重建图像的信噪比,在水下偏振成像领域具有良好应用前景.     

基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术研究

针对浑浊水体偏振成像时由于强散射作用导致的背景散射光分布不均匀且目标信息被淹没,无法有效解译,难以实现清晰化成像的问题,提出基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术.该技术利用散射光场中偏振信息的共模抑制特性消除非均匀性,结合水下散射光场中背景信息纹理单一、信息相关性高以及目标信息空间占比小的特点,建立偏振域的稀疏-低秩信息分析处理模型,有效分离目标和背景信息,重建高对比度清晰目标图像.实验结果表明,基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术不仅能够有效地提升浑浊水下图像的对比度,复原细节信息,而且能够有效地抑制非均匀强散射,在水下偏振成像领域具有良好的应用前景.     

距离选通水下成像系统成像范围的分析与计算

距离选通水下激光成像系统是一种基于时间标记原理的水下光电成像系统,它能够有效抑制水体后向散射光的干扰,提高目标探测距离,具有较高的军事和民用价值。距离选通水下激光成像系统在对距离未知的目标搜索过程中,准确地设置系统的搜索范围,对于提高距离选通成像系统对距离未知目标的搜索效率具有重要的意义。根据距离选通成像原理,搭建了距离选通成像实验系统,建立了成像系统的几何模型,分析并计算了距离成像系统的最小探测成像距离和最大探测成像距离,给出了最小探测成像距离和系统结构参数之间关系的仿真计算结果,并用实验验证了最大探测成像距离与水体衰减系数之间的关系。     

距离选通成像系统分辨力模拟测试装置的设计

距离选通成像系统采用的是脉冲激光主动照明与ICCD选通技术相结合的方法。为了在室内模拟测试在一定大气条件下距离选通成像系统的分辨力,设计了一套模拟测试装置。以辐射传输理论为基础,建立了大气距离选通成像系统后向散射光和信号光的模型。该模型给出了后向散射光和信号光在光电阴极面上照度随时间的变化规律。采用两个模拟光源,分别模拟了信号光和后向散射光。采用阴极面等效辐射照度法,给出了模拟光源功率的方法。以S 20光电阴极的像增强器与CCD的耦合为例,计算了模拟光源的功率。     

基于微光像增强器的偏振成像系统设计与实验

为验证用微光像增强器实现偏振成像的可行性,根据偏振成像原理,设计了基于分时型偏振成像技术的微光偏振检偏器。选用三代像增强器和高动态范围数字CCD,设计了相应大口径成像物镜和中继光学耦合透镜,获得了高透过率、高调制函数（MTF）的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡,编写了相应图像处理软件,实现了实验室和野外微光条件下的人造目标和自然景物的偏振探测成像。结果表明,原始图像中目标与背景对比度之比为1.35,基于微光像增强器的偏振成像系统的目标与背景对比度之比为2.35,微光偏振成像能够提高夜间环境下人造目标和自然背景的对比度。     

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。     

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%。     

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...     

Three-dimensional visualization of objects in scattering medium using integral imaging and spectral analysis

This paper presents a three-dimensional visualization method of 3D objects in a scattering medium. The proposed method employs integral imaging and spectral analysis to improve the visual quality of 3D images. The images observed from 3D objects in the scattering medium such as turbid water suffer from image degradation due to scattering. The main reason is that the observed image signal is very weak compared with the scattering signal. Common image enhancement techniques including histogram equalization and contrast enhancement works improperly to overcome the problem. Thus, integral imaging that enables to integrate the weak signals from multiple images was discussed to improve image quality. In this paper, we apply spectral analysis to an integral imaging system such as the computational integral imaging reconstruction. Also, we introduce a signal model with a visibility parameter to analyze the scattering signal. The proposed method based on spectral analysis efficiently estimates the original signal and it is applied to elemental images. The visibility-enhanced elemental images are then used to reconstruct 3D images using a computational integral imaging reconstruction algorithm. To evaluate the proposed method, we perform the optical experiments for 3D objects in turbid water. The experimental results indicate that the proposed method outperforms the existing methods.     

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.     

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。     

天光背景下混浊大气中成像质量的分析方法

调制传递函数(MTF)定量描述混浊介质对图像质量的影响,它是混浊介质的固有光学特性,利用等效原理可以获得MTF从低频到高频的完整特征.在实际应用中,混浊介质中的图像质量不仅取决于介质的MTF,还与图像的背景辐射密切相关.本文从混浊大气中图像退化机理出发,理论分析了空间频域中天光背景下图像质量的退化过程.参考等效原理,提出了一种考虑天光背景的表观MTF,得到了表观MTF与介质MTF和天光背景的定量关系,从而得到了一种分析背景辐射下混浊介质中图像质量的有效便捷方法.针对图像质量优化方法,从空间频域的角度提出了一种评价原则.     

Multiple Backscattering Effects in Optical Coherence Tomography Images of Layered Turbid Media

We study the influence of multiple backscattering on optical coherence tomography (OCT) images or pulsed-sounding images of layered turbid media. A method for calculating the signal of various orders of backscattering is proposed. The retarding effects of OCT-signal dropping are analyzed. The contrast attenuation of an image of a layered medium due to multiple backscattering is examined. The blurring effect of an image of the back boundary of a scattering layer, caused by a delay of multiply scattered photons compared with single-scattered ones, is studied theoretically and experimentally using an OCT device.     

距离选通技术对后向散射抑制作用的理论分析

 从辐射度学的基本理论出发，建立了单CCD像元的距离选通激光主动成像模型。而后考虑成像质量，借助单CCD像元信噪比和图像均方差误差两个指标，阐明了距离选通技术是抑制后向散射、增大成像距离、提高图像质量的有效手段。最后从模型出发，导出了距离选通技术在激光主动成像中应用时一些关键参数的选取原则:(1) 尽可能减小激光脉冲宽度，以克服后向散射的影响；（2） 要能够达到尽可能远的观测距离，在激光功率一定的条件下，激光占空比越大越好；（3）在激光满足一定条件的情况下，脉冲频率越高越好。