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水下非均匀光场的目标探测研究

徐洪梅  
【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。


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