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水下目标偏振成像探测技术研究

韩平丽  
【摘要】:水下光学成像技术是水下目标探测技术的一个重要组成部分,其在海洋资源勘探、海上搜救、水产养殖等多个领域都具有巨大应用潜力。由于光波在水下传播过程中会受严重的吸收作用和散射作用影响,造成成像结果亮度降低、对比度下降、图像模糊、分辨率降低等图像质量退化问题,因此普通光学成像技术在水下环境中通常难以获得理想成像效果。如何实现高质量水下光学成像、提高水下目标探测能力是一个极具应用潜力的研究课题。针对水下光学探测对高质量成像效果的需求,本论文开展主动水下偏振成像技术的研究。国内外相关领域研究表明,利用入射偏振光在水下传播过程中偏振特性的变化规律,能够分离场景中的目标信息光和背景散射光,有效恢复清晰场景,提高成像结果对比度和清晰度,为水下目标探测识别提供帮助。光波在水体中的传播特性是所有水下成像的物理基础,文中首先研究了光波在水下的传播模型,主要可以分为吸收模型和散射模型。利用吸收模型和散射模型分析偏振光在水下传播时的偏振特性变化情况,得到了水下场景中前向散射光和后向散射光都具有一定保偏特性,但散射程度随介质浓度不同的结论。为利用光波的偏振特性实现水下目标探测提供了理论依据。从水下成像中目标信息光与背景散射光产生的物理机理出发,分析了利用光波的偏振特性抑制背景散射光的可行性。通过建立成像噪声分析模型研究偏振成像过程中引入的噪声对最终成像质量的影响,结果表明偏振成像过程和偏振信息处理过程势必会造成成像结果噪声放大,且所需探测次数越多引入噪声越严重。基于这一研究结果,提出一种基于光学相关的主动水下偏振成像方法,该方法利用探测过程中采集的两幅偏振态正交的子图像间的相关性,获取最佳偏振子图像,最大程度降低噪声的引入,保证成像质量;并通过评价参数建立了子图像与成像效果间的对比关系。影响主动水下成像质量的主要因素为前向散射光和后向散射光,由于人眼视觉系统对图像对比度的变化更敏感,因此水下光学成像方法多集中于后向散射光的抑制。但由于前向散射光在各类水体中普遍存在,且随米氏散射的增强而增强,忽略前向散射光的影响会导致探测能力下降。因此本论文中开展了去除主动水下成像中前向散射光的研究,从图像退化模型出发,将图像退化视为前向散射光和后向散射光两部分共同影响的结果,利用刃边法估计前向散射光退化函数,并进一步复原清晰场景图像,获得了理想的成像效果。最后针对水下搜救经常面临的低能见度高浑浊度水体中的目标探测问题,从限制偏振成像探测效果的原因出发,分析高浑浊度水体对光波的散射和吸收作用,提出一种基于波长选择的高浑浊度水体中的近距离主动成像技术,建立高浑浊度水体中的偏振成像模型,最后利用光学相关原理获取目标信息光和背景散射光偏振度,恢复清晰场景。大量实验结果表明,该方法能够有效实现高浑浊度水体中的成像距离,提高成像质量和探测效果,为江河、近海区域的水下搜救工作提供支持。


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