水下光學探測發(fā)展綜述

水下光學探測發(fā)展綜述水下光學探測發(fā)展綜述一、水下探測技術發(fā)展現(xiàn)狀光在水中傳播，接收器接收的光信息主要由3 部分組成：從目標反射回來并經(jīng)水介質光在水中傳播接收器接收的光信息主要由3部分組成從目標反射回來并經(jīng)水介質吸收散射損耗后的成像光束；光源與目標之間水介質散射的影響圖像對比度的后向散射光目標與接收器之間水介質散射較小角度并直接影響目標細節(jié)分辨率的前向散射光與大氣成像技術相比水下成像技術的研究重點就是減小水介質所具有的強散射效應和快速吸收功率衰減特性對水下通信、成像目標探測所造成的影響目前主要有幾種成像技術在實際中得到應用且達到較好的工作效果，它們的工作原理和技術特點如下所述。1 同步掃描成像美國Westinghouse公司為美國海軍生產(chǎn)的一種機械同步掃SM2000～5倍，有效視場可達30m作用距離上可分辨25mm量級的圖像。該系統(tǒng)的有效視場大約為距離選通技術的5 倍,成像質量(即分辨)也比距離選通好。圖1：2、距離選通技術距離選通技術是利用脈沖激光器和選通攝像機此種方法對解決由海水中的懸浮顆粒引起的后向散射問題很有1ns激光脈沖和寬度為1ns306倍衰減長度的距離上該成像技術具有成像識別目標的能力10個衰減長度的距離上探測到目標。圖2目前典型的水下距離選通光電成像系統(tǒng)主要有：⑴目前典型的水下距離選通成像系統(tǒng)是加拿大 DRDC國防研究所的LUCIE（LaserUnderwaterCameraImage EnhancerLUCIE）系列產(chǎn)品，裝載在 ROV上可工作在200m 的海下，對港口和深海進行探測和監(jiān)測。該產(chǎn)品至今已發(fā)展了三代。第三代手持式由DRDC&NSSLUCIE2系統(tǒng)可在7.35射衰減到1/e時的傳輸距離）5.0AL處可分辨16mm/lp5ns脈寬532nmYAG激光器，單脈沖能量160AndrzejSluzekAquaLynx水下距離選通相機H.M.Tulldahl2006c＝0.45bb＝0.0055m－1c＝1.75。衰減和后向散射系數(shù)采用標定的HobLabsc-Beta透射計測得。實驗結果表明，2倍，識別距離是傳統(tǒng)攝像機的1.5倍。⑷中國：北京理工大學水下距離選通相機“十五”期間北京理工大學與北方夜視公司合作研制成功適合水下激光成像系統(tǒng)用的高性能ns 級選通型超二代微光ICCD器件，突破了距離選通成像小型程控電源及其控制技術，成功進行了水下和陸上的選通成像實驗。2006年獲得國家863計劃“海洋技術”領域“深海探測與作業(yè)技術”專題“水下運載技術”方向“深海水下運載平臺的激光距離選通成像探測技術研究”的支持，開展水下脈沖激光距離選通成像技術研究，采用5ns 脈寬的距離選通ICCD成像系統(tǒng)和DPLNd:YAG大功率脈沖激光器，研制成水下距離選通成像實驗系統(tǒng)進行了實際水下成像實驗連續(xù)實時上傳的水下視頻圖像具有較好的成像效果。3、偏振成像技術偏振成像技術是利用物體的反射光和后向散射光的偏振特性的不同來改善成像的分辨率激光波長與海水及海水中懸浮顆粒和有機物分子的尺寸相當其相對折射率為1.00一般遵從瑞利或米氏散射理論根據(jù)散射理,懸浮粒子后向散射的退偏振度小于物體后向散射光的退偏振度如果在水下用偏振光源照,則大部分后向散射光也將是偏振的, 如果采用適當取向的檢偏器對后向散射光加以抑制從而可使圖像對比度增強如當檢偏器的偏振方向與光源的偏振方向平,物體反射光能量和散射光能量大約相,對比度最小,圖像模糊;而當兩者偏振方向垂直,接收到的物體反射光能量則遠大于光源的散射光能,對比度最,圖像清晰。在近幾年的科研中以色列理工大學在水下偏振光成像技術中取得了顯著的成果 2005 年以色列理工的 Nir karrpel 和 YoarY.Schechner開發(fā)了便攜式偏振水下成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)有如下特點：1、有已知的線性輻射響應2、較低的噪聲影響3、便攜無需外部設備和外接電源。其設備如圖：2009TaliTreibitz發(fā)表了關于主動偏振去3D如圖：重構效果:4水下激光三維成像技術（1）條紋管成像激光雷達可提供很好的三維信息，其原理是通過測量短脈沖激光在發(fā)射機與目標之間的往返時間該技術使用脈沖激光發(fā)射器和時間分辨條紋管接收器。如圖3，（激光束由接收光學系統(tǒng)靜電聚焦到條紋管的狹縫離-強度-方位角的圖像信息，并由耦合在條紋管熒光屏上的CCD在STIL結構中,每個激光脈沖在整個扇形光束產(chǎn)生一個圖像，CCD技術所能STIL具(高于512像素)等優(yōu)點。近年水下激光三維成像技術被廣泛運用于水下探測領域。2002KarlD.Moore和JulesS.Jaffe1.35實驗原理如圖：2006 年日本靜岡大學的 Atsushi Yamashita, ShinsukeIkeda 等發(fā)表了運用激光測距儀對未知水生環(huán)境進行三維測量的論文文中針對淺水測量中由于水汽交界面引起折射造成的圖像失真進行了分析和復原。如圖：2010RogerStettner3D據(jù)傳輸速率，通過增加相關的三維焦平面陣列FP）能夠大大提高數(shù)據(jù)的傳輸速率其原理如下圖：5、使用結構光技術(StructuredCCDCCD攝像機鏡頭主點之間的距離。卡耐基梅隆大學的S.G.Narasimhan使用距離補償技術如圖：該系統(tǒng)使用投影機創(chuàng)造機構光模型使用星群照明光源。每個亮點攝像特點的方位。當不同設置的光照明源活動時可獲取多個框6、多個視角的圖像建設所獲取的一個圖像場景收集了從不同的位置的圖像信息這可以通過對所需區(qū)域進行高分辨率的光學探測而完成或plumemapper,啟動本地化的化學和通過熱液溫口的溫度信號；另一個水下機器人7、線性激光掃描法（LLS）激光線性掃描系統(tǒng)是一種用激光掃描出一條狹窄的瞬時視場盡管線性激光掃描系統(tǒng)能夠有效地去除散射光。但是LLS系統(tǒng)依然受限于源于目標返回和體積散射引起的接收器散粒噪聲LLS系統(tǒng)（連續(xù)波線性激光掃描系統(tǒng)）使用增強的光源--接收器分離裝置從而減少近場多次散射造成的不6另一種技術使用高頻率脈沖激光接受選通器LASERLINESCAN7PPL（6--7）其水池實驗表明時間選通激光脈沖掃描系統(tǒng)TG在信噪比和對比度上都要優(yōu)于連續(xù)波線性激光掃描系統(tǒng)如下圖：8、使用調制解調技術去除后向散射光調制技術能夠有效的提高接收器的信噪比CWLLS解調。這樣能夠有效地去除后向散射光影響。2007年佛羅里達州弗特皮斯海洋（HBOI）研究院測試了美國海軍CW系統(tǒng)。結果證明經(jīng)過調制的CWLLSCW系統(tǒng)。如圖：二、本實驗室研究成果1、水下非均勻光場探測系統(tǒng)：我們設計的非均勻光場中,其能量分布與水下三維空間坐標軸上按所在水介質光衰減規(guī)律相匹,如圖,對近距離目標用弱光場照明, 以盡可能減小后向散射噪音的影響; 遠距離目標用強光場照明,來提高目標信號的強度, 同時較強的后向散射光經(jīng)過長距離的傳輸?shù)竭_接收器時也會降低。為了實現(xiàn)非均勻光場的光場分布,構建了以集束式光源為核心的集束光水下圖像系統(tǒng),其結構如圖為了驗證所設計集束光水下圖像系統(tǒng)的成像性能,進行了相關8365,水池透明度為3.540.5cm50.5cm板,如圖7.8c=7m-150cm),在不同觀測距離上的實驗圖片.由觀測結果可以看出,集束光水下圖像系統(tǒng)所產(chǎn)生的非均勻光場,在水池中距離30cm(0.6倍能見) 的情況,可以清晰分辨1mm 細節(jié);距離50cm(1 倍能見度) 時, 可分辨目標輪;距離75cm(1.5倍能見度),可探測到目標.在目前電功率150W情況下,最大視距可達1.65倍能見度.2、基于雙激光的水下測距技術單點式激光三角測距是基于激光束入射到被測物體后產(chǎn)生反射，入射光與反射光構成了一個光三角形我們再此基礎上改進了方法提出雙激光的水下測距技術方案，是在相機的兩側各放置一個激光器，平行于相機的光OO AABY目標物體dOXf激光器L/2激光器接收器經(jīng)過水下實驗得到測量結果如下表：未校正數(shù)據(jù)校正數(shù)據(jù)未校正數(shù)據(jù)校正數(shù)據(jù)距離）像素距離計算距誤差離(cm)（cm）誤差百分比4598像素距離10計算距誤差(cm)誤差百分比45.490.491.0944.771-0.220.504646904868756074.30-0.690.926074.619-0.380.50105431054378 22103.6 -1.31853 47291.2521431104.11 -0.8895 0580.8386經(jīng)驗證可以說明我們在水下實驗中標定的參數(shù)仍然是有效地。雖然由于水下光線的散射和反射等原因，在水下測量的有效范圍相對于空氣中的較小，但也說明通過雙激光進行水下測量的方法是有效地、可行地。3、激光差頻掃描探測我們實驗室提出了激光差頻掃描三維圖像信息高速獲取術以及實時顯示多點深度信息的人機交互界面方法。其原理圖如下：試驗結果表明激光差頻掃描三維視覺技術具有高速采集多點三潛水水下手勢大全水下通聯(lián)CommunicationsUnderwater水下通聯(lián)是團隊潛水的中心構件。潛伴之間，導潛和潛客之間都要通過手勢，燈光或者接觸信號相互溝通。因此對于潛水員來說必須熟練掌握水下通聯(lián)方式和信號。手勢信號在近距離，如果能見度好，潛水員之間通常比較容易通聯(lián)。最常用的通聯(lián)方式就是手勢信號。如果要表達的意思太復雜或者不能被對方正確理解，就要把信息寫在水下書寫板上給對方看?；◣酌腌姇r間確保正確通聯(lián)不但可以節(jié)省時間而且還很可能挽救生命。在中近距離上手勢是最快的通聯(lián)方式，因此所有潛水員都應該熟悉手勢信號。下面復習一下潛水時常見的幾種最基本通聯(lián)信號。潛水員們除了應該熟悉這些信號之外還應該熟悉潛點當?shù)丶s定俗成一些信號。如果和新的潛伴一起潛水，下水之前要約定手勢信號，因為這些信號各個地區(qū)可能不一樣，每個潛水員所掌握的也可能不一樣。經(jīng)常在一起的潛伴之間通常使用一個廣泛的信號列表，有些信號甚至可以稱為手語?；臼謩葸@個手勢即可以作為詢問也可以作為回答：OK“是的，OK?！監(jiān)OK手勢時必須用確認手勢或者反應某一問題的手勢響應。記

水面OK 水面OKOK“你OK嗎？”“是的，OK?！边@個手勢的意思是“Hold”（別動）。回答必須也是“Hold”而不是“OK”Stop/Hold（停止/別動）：不能正確識別和響應Stop（停止）Hold（別動）指令非常危險。誤解Hold（別動）信號會導致混亂和傷亡事故。Stop（停止）放慢/放松伸出右手掌手心朝下AtThis保持這一深度伸慢慢上下擺動。 出右手掌，手心朝下，左右移動。Up升水/終止?jié)撍簼撍畣T用拇指朝Down下潛：上的手勢表示要升水或終止?jié)撍@伸出右手，握拳，大拇指朝下，表示開始下個信號通常意味著已經(jīng)到達某種極 潛，潛水通常以這個手勢開始。呆在一起 分開一點 我跟著你你的潛伴呢？先做“呆在一起”手勢，后跟“不知道”手勢。提醒對方去尋找潛伴。你 我問題與呼救手勢

Come,過來出現(xiàn)問題：伸出右手掌，手心朝下，五指可以分開也可以合攏（各地不同），手掌兩側搖擺幾下，指向問題部位，比如耳朵，面鏡等。水面呼救：抬起一只手高過頭頂，上下或左右揮動呼叫船只緊急救援。outofair：用手沿著喉頭做割喉動作。這是一BSAC45成員以縮短相應時間。請求得到氣體：先舉起右手掌心朝里放到左胸部位，與鎖骨取齊，然后指指自己的呼吸器?；蛘邔⒑粑鲝目谥腥〕鲇煤粑髦钢缸约旱淖?。余氣不多：用右手指指自己的呼吸器。抽筋：握緊拳頭指向抽筋部 惱火：食指指向太陽穴轉位。 圈。

呼吸困難耳壓平衡出現(xiàn)問題：拇指指 氣壓還剩50Bar 暈眩向耳朵，手掌做開合動作。開始使用備用氣壓 寒冷氣體相關手勢請報剩余氣壓

回答舉例1：50Bar+20Bar=70Bar報氣壓時向下取舍，以10的倍數(shù)為最小單位，比如，78Bar就報70Bar，依此類推....檢查你的空氣表

回答舉例2：50Barx2次+30Bar=130Bar報氣壓時向下取舍，以10的倍數(shù)為最小單位，比如，138Bar就報130Bar，依此類推....50Bar深度與時間手勢

重復做2次=100Bar 半途時間到或100Bar升水至特定深度，后面的數(shù)字代表米，下潛至特定深度，后面的數(shù)字代表米，本例為升水至6米。 本例為下潛至10米。注意時間 停留3分鐘單手數(shù)字表示法下面介紹用一只手代表數(shù)字1-10的方法，取材于GUE的基本教材DIR（DoingItRight）DavidRhea一 六1 6二 七2 7三 八3 8四 九4 9五 十5 10方向手勢這邊走從那邊走？ 示意水下行進路線。 會合握拳，伸出拇指，輪流繞過，越過，穿過.....向兩邊指。船海洋生物手勢

沉船 家海龜:大拇指活動

MantaRay緩慢煽動手掌

海鰻 龍蝦錘頭鯊訓練及其它常用手勢

鯊魚 獅子魚看我 我負責（軍士符號）

不要摸：上兩個手指沿下手指移動幾次。危險：伸出一個拳頭，或者雙手握拳與肩同高?？矗ㄗ⒁饪矗菏持负椭邢戎该骁R，然 想想看，回憶一下。后指要對方看的東西。手拉手：兩手在胸前扣合 不知道：兩手攤開，聳聳肩膀我 你或那里加快明白嗎？ 綁上線繩、泥沙、氣泡相關手勢線繩：食指與中指交叉是通用的線繩手勢。潛水員用線繩手勢與其它手勢相結合可以傳遞更詳細的信8交替做線繩手勢和剪刀手勢表示“把線繩剪斷”。泥沙（Silt）：蕩起水底沉積物時，例如泥沙，可以手心朝下用拇指揉搓其它手指的指尖。潛水員用這個手勢提醒潛伴注意不要蕩起泥沙或者警告他們前面是混水區(qū)域。氣泡（Bubble）：發(fā)現(xiàn)潛伴出現(xiàn)漏氣的氣泡時，伸出手，食指與大拇指反復做一開一合的動作，如果氣泡大，食指與大拇指之間的距離就拉大。潛水員用這個手勢通知潛伴“供氣管或者呼吸調節(jié)器漏氣”。燈光信號燈光信號可能是一種重要的通聯(lián)工具，因為燈光信號可以在很多情況下使用并有效地吸引團隊中其他潛伴的注意。在黑暗的環(huán)境中，潛