水下非均匀光场的目标探测研究

论文摘要

水下成像对于军事、海洋开发和工程应用都具有极其重要的意义。克服后向散射效应是水下目标探测中要解决的关键问题。为了消除水下光探测中的后向散射背景噪声,提高成像质量,增加水下观察距离,本文提出了一种新的水下目标图像探测的方法——水下非均匀光场的目标探测。在非均匀光场中,水下三维空间坐标轴上的光场按所在水介质光衰减规律分布：即在图像接收系统的近距离范围内,用低能量密度照明,以尽可能减小后向散射噪声的影响；对于较远目标,用高能量密度照明,提高目标信号的强度,同时克服目标信号自身产生的散粒噪声及接收器的本底噪声。论文给出了非均匀光场的实现方法,即构造了以集束光源为核心的集束光水下图像系统,并推导得出了非均匀光场照度分布函数的公式,建立了非均匀光场的数学模型。非均匀光场的照度分布函数与接收口径、目标与接收器的距离以及海水的体积衰减系数几个因素有关。在其它参数一定的情况下,探测目标距离越远,所需要的光场强度就越强,二者之间基本上遵循指数规律变化。论文对非均匀光场的能见度理论进行了研究。与均匀光场一样,非均匀光场的能见度不决定于接收器的灵敏度及照明强度,而是取决于衬度。建立了非均匀光场的能见度模型,通过对模型的分析,得出非均匀光场中被探测目标图像的能见度L主要取决于散射体积长度Δl的结论。分析了非均匀光场的能见度L与散射体积长度Δl、接收器视角2η以及光轴距S0的关系。为给设计和研制集束光源提供理论依据,本文还对产生非均匀光场的核心器件——集束光源的分布特性进行了研究。得出了集束光源照度函数的变化规律,并对集束光源分布函数的特性进行研究,从而得出结论：无论在何种水质中,每增加一倍衰减长度,集束光源的能量应上升一个数量级。最后构建了以集束光源为核心,包括水下探测部分、水上控制部分以及连接两者的缆线三部分的集束光水下图像系统,进行非均匀光场的水池实验和海上实验,来验证本文所述的非均匀光场理论的正确性和可行性。对集束光水下图像系统所产生的光场分布特性和能见度特性分别进行了实验,并将其与其它水下光探测系统进行了对比实验。实验结果证明：该系统具有宽视角、全景深、图像清晰度高的优良性能,而且体积、重量、耗电量又小。论文提出的水下非均匀光场目标图像探测方法,是一种创新的能够有效克服后向散射光影响的水下探测方法,在全空间范围内可接收到极低的背景噪声(包括单次和多次散射背景噪声),且不存在接收盲区问题,因而大大地提高了水下探测距离。这种建立在非均匀照明光场理论基础上的观测技术,不仅开辟了水下观测技术的另一创新途径,而且其进一步的发展有望应用于航空航天、汽车舰船等恶劣气候中的观测。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 水下光学成像技术
• 1.2 水下光学成像的关键技术
• 1.2.1 距离选通法
• 1.2.2 同步扫描法
• 1.2.3 增加水下探测距离和成像质量的其它方法
• 1.3 国内外水下光学成像技术的发展现状
• 1.4 本论文的主要内容及安排
• 2 水的光学特性及其对水下成像的影响
• 2.1 几个常用的海洋光学参数
• 2.2 光在海水中的传输特性
• 2.3 散射光对水下成像的影响
• 2.3.1 光在海水中的散射特性
• 2.3.2 散射对水下成像的影响
• 2.4 水下光学成像质量的衡量指标
• 2.5 本章小结
• 3.非均匀光场的概念及其光场分布模型的建立
• 3.1 非均匀光场概念的提出
• 3.2 非均匀光场的实现方案
• 3.3 非均匀光场分布模型的建立
• 3.3.1 目标反射光功率计算公式
• 3.3.2 非均匀光场的分布函数
• 3.4 本章小结
• 4.非均匀光场能见度模型的建立与研究
• 4.1 水中能见度的一般理论
• 4.1.1 固有衬度和表观衬度
• 4.1.2 水中衬度传输方程
• 4.1.3 海水能见度的测定
• 4.2 非均匀光场能见度模型的建立
• 4.2.1 非均匀光场的衬度分析
• 4.2.2 非均匀光场能见度模型
• 4.3 改善非均匀光场能见度的方法分析
• 4.4 本章小结
• 5.集束分布光源的分布特性研究
• 5.1 集束分布光源的工作原理
• 5.2 集束分布光源的分布函数与照度曲线
• 5.2.1 集束光源的分布函数
• 5.2.2 集束光源的照度曲线
• 5.3 集束分布光源的分布特性分析
• 5.3.1 光源归一化分布函数随夹角θ的变化规律
• 5.3.2 光源归一化分布函数随衰减长度倍数的变化规律
• 5.3.3 一倍衰减长度处的分布函数特性
• 5.4 本章小结
• 6. 基于非均匀光场分布的集束光水下图像系统实验
• 6.1 实验系统组成
• 6.1.1 水下探测部分
• 6.1.2 连接电缆
• 6.1.3 水上控制部分
• 6.2 系统的技术指标
• 6.3 实验中基本技术指标的测定
• 6.3.1 实验环境
• 6.3.2 观测目标
• 6.3.3 测水池透明度方法
• 6.3.4 观测景深的测定
• 6.3.5 水下接收视角的测定
• 6.4 集束光水下图像系统的能见度实验
• 6.4.1 观测结果
• 6.4.2 结果分析
• 6.5 非均匀光场的分布特性实验
• 6.5.1 水下非均匀光场的建立
• 6.5.2 实验数据及分析
• 6.5.3 非均匀光场分布特性的定量分析
• 6.6 集束光水下图像系统与其它水下光探测系统的对比实验
• 6.6.1 集束光水下图像系统与普通水下摄像机/照明灯系统的对比实验
• 6.6.2 氙灯照明的均匀光场与集束光照明的非均匀光场的对比实验
• 6.6.3 集束光水下图像系统与激光水下探测系统的对比实验
• 6.6.4 与美国XP21—Laser Line Scanner等激光系统的参数比较
• 6.7 海上实验
• 6.8 本章小结
• 7. 总结与展望
• 7.1 本文工作总结
• 7.2 论文创新点
• 7.3 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文
• 参加的研究项目