劉艷

（91550部隊，大連 116021）

水下成像探測能量閾值的分析

劉艷

（91550部隊，大連 116021）

近年來，水下成像系統(tǒng)已成為海洋開發(fā)中必不可少的探測設(shè)備。在水下要清晰成像，成像接收器件接收到的能量必須滿足能量閾值的要求。以光在海水中的傳輸特性為基礎(chǔ)，分析光的能量傳遞過程，深入研究了水下成像接收器最低靈敏度與光子傳遞能量閾值關(guān)系。研究結(jié)果表明，可根據(jù)目標(biāo)物的特性，科學(xué)設(shè)計輔助光源、選取攝像機的參數(shù)，合理布設(shè)光源、攝像機的位置。旨在建立全新的水下非均勻光場，為水下遠(yuǎn)距離、高清晰獲得圖像提供技術(shù)支撐。

水下成像；能量閾值；光傳輸特性

水下成像探測在海洋開發(fā)、工程應(yīng)用及軍事行動等諸多方面具有廣闊的應(yīng)用前景而受到各國高度重視。美國已經(jīng)通過激光水下成像系統(tǒng)在近海成功地用來監(jiān)視走私船等水面觀測目標(biāo)，也用于水下管道和海底電纜的檢測和維修。特別是在海底軍事目標(biāo)，如潛艇、水雷等的探測、搜索和監(jiān)視方面發(fā)揮重要作用［1］。水下成像探測系統(tǒng)是在海水中暗弱光照度和高散射介質(zhì)環(huán)境約束條件下，完成水環(huán)境中所發(fā)生的快速事件進行清晰成像和實時記錄［2］。要實現(xiàn)清晰成像就必須滿足二個條件，一是滿足從目標(biāo)到探測設(shè)備能量閾值需求；二是滿足從目標(biāo)到探測設(shè)備襯度閾值需求。水下成像探測系統(tǒng)通常是由成像探測裝置、控制錄取、輔助照明三個主要部分組成。在特定使用環(huán)境條件下，系統(tǒng)所接收到的水下目標(biāo)能量主要與成像探測器件屬性、輔助照明光源的光學(xué)特性有關(guān)。選取具有合適光學(xué)特性的輔助照明光源，進行組合輔助光源優(yōu)化布局，以構(gòu)建滿足能量閾值的水下光場，不失為增大水下成像作用距離、提高成像質(zhì)量的有效手段。海水環(huán)境特性的影響受限，并不是輔助照明系統(tǒng)的照度越大，成像接收器件獲得能量越大?；诤Ｋ膫鬏斕匦?，分析水下光能量傳遞的過程，研究輔助照明的光學(xué)特性、布設(shè)方式對成像器件接收接收能量的影響，為水下非均勻光場的設(shè)計應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，從而實現(xiàn)水下遠(yuǎn)距離大范圍清晰成像。

1 海水中光傳輸?shù)奶匦?/h2>

海面、海水和海底構(gòu)成一個復(fù)雜的海洋空間。海洋是個復(fù)雜的物理、化學(xué)、生物光學(xué)系統(tǒng)。海洋中的溶解物質(zhì)、懸浮體和各種各樣的活性有機體是海洋中的主要成分［3］。這種成分和海水的各種不均勻性使得光被強烈的散射和吸收。在水下特殊的環(huán)境中，海水對光有著嚴(yán)重的吸收和散射作用，因此光在海水中傳輸時衰減很大。光在水中傳輸時被水體吸收和散射，吸收使光子消失，能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪?。散射使光子的行進方向發(fā)生改變，致使輻射光照度降低［4］。在有懸浮粒子的混濁水中散射更為嚴(yán)重。經(jīng)過海水散射的光呈喇叭狀展開，且中間的光子密度大，向四周逐漸減小。因此人眼在海水中不能看得很遠(yuǎn)。即使通過人工照明的水下電視攝像機，一般也只能觀察到幾米遠(yuǎn)處的物體。海洋環(huán)境下光的傳輸特性，集中表現(xiàn)在光的吸收和散射特性上。

1.1 海水中光吸收的特性

海水的吸收表現(xiàn)為入射到海水中的部分光子能量轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。主要由純水、被溶解物、浮游生物引起的。海水中所含成分的吸收特性決定著海水的吸收特性。海水的吸收系數(shù)大小依賴于光波波長。對清澈的大洋水，物質(zhì)的附加吸收很小，吸收最小的光波波段為450～480nm，對渾濁海水，吸收最小的光波波段為530～570nm。海水對紫外和紅外表現(xiàn)出強烈的吸收。除海水外，溶解物和浮游物也表現(xiàn)出對可見光強烈地吸收。

1.2 海水中光散射特性

海水中的光散射是由海水和海水中懸浮粒子引起的。海水本身的光散射是由密度起伏、各向異性的水分子運動方向起伏、溶解物質(zhì)的濃度起伏三種類型的變化來決定的。懸浮粒子對光散射的作用取決于其濃度、折射率及形狀大小的分布。當(dāng)散射粒子直徑接近入射光波長時，粒子的散射遵從米氏散射規(guī)律。海水散射系數(shù)主要受米氏散射的影響，其大小可由體積散射函數(shù)來表示。清潔大洋水中主要是水分子產(chǎn)生的瑞利散射，沿岸混濁水主要是大粒子產(chǎn)生的米氏散射。對于我國近岸比較混濁的水，能見度一般在0.5～20m，也是主要受大粒子散射的影響。散射分為前向散射和后向散射。前向散射是光在水中傳播的過程中遇到水中懸浮粒子后發(fā)生的光向前的散射，后向散射是遇到懸浮粒子后發(fā)生的向后的散射。前向散射有利于光的傳輸?shù)珪绊憟D像分辨率，后向散射則會嚴(yán)重影響水下觀察。

2 水下光場目標(biāo)探測能量閾值模型

海水中光衰減是由于海水對光的吸收和散射作用造成的。光在海水中能量的衰減是以光衰減系數(shù)呈指數(shù)規(guī)律衰減。一方面由于吸收作用使水下光場的能量在不斷減弱，但吸收作用不影響光在傳輸過程中形成的光場分布；另一方面由于散射作用使光子改變方向，形成新的水下光場分布，為漫射光場［6］。

光在水中傳播，接收器接收的光信息主要由二部分組成：從目標(biāo)反射回來并經(jīng)水介質(zhì)吸收、散射損耗后的直射光束和水介質(zhì)散射光束。散射光束分為前向散射光和后向散射光。直射光和前向散射光，影響目標(biāo)細(xì)節(jié)分辨率。后向散射光的變化隨著測量距離的增加，降低成像的對比度。為了提高水下成像的成像質(zhì)量，一般水下成像系統(tǒng)都具有水下輔助照明系統(tǒng)。受海水光衰減機理的影響，并不是水下輔助照明的照度越大越好。照度大，光后向散射強烈，不能有效成像。在水下光場中，照射到目標(biāo)上的光由自然光和輔助照明光兩部分組成。經(jīng)過目標(biāo)反射后傳遞給接收器。水下自然光經(jīng)過水介質(zhì)的吸收和散射，將直射光和散射光的能量傳遞給成像設(shè)備接收器。輔助照明光發(fā)射一定照度的輔助光，經(jīng)水介質(zhì)的吸收和散射，將直射光和散射光的能量傳遞給目標(biāo)物。目標(biāo)物對光進行了吸收和反射，再次經(jīng)過水介質(zhì)的吸收和散射，將直射光和散射光的能量傳遞給成像設(shè)備接收器。

2.1 目標(biāo)物接收光能量傳遞模型

目標(biāo)物接收光能量由自然光和輔助照明光兩部分傳遞的能量組成。自然光經(jīng)過水下一定深度的傳遞，最終到達(dá)被測目標(biāo)。輔助照明光經(jīng)過水介質(zhì)一定照明距離的傳遞，目標(biāo)物接收輔助光源直射光和散射光能量的傳遞。

2.1.1 目標(biāo)物接收自然光傳遞模型

自然光主要包括太陽光和天光。照在海面的天光和太陽光的近似比為0.4，在海水下，自然光中的藍(lán)綠光被稱為“水下窗口”，能夠以較小的衰減傳送到水下。由于海水的吸收和雜質(zhì)的散射作用，在不同的水深下光照度明顯不同。太陽光在直射地面，地面照度為（1～1.3）×105lx，太陽與天頂角為θ角時，海面的照度可用下式表示：

式中，E0為海面光照度。

不同的天氣條件，地面所獲得的太陽光照度變化很大。一般選擇好的天氣條件和太陽高度，才能獲得水下足夠的自然光照度。自然光經(jīng)過水介質(zhì)傳入到水中，有效光譜能量隨著水深的變化衰減得很快。由太陽光的光譜分布曲線可以看出：海水對長于0.6μm波長的光吸收嚴(yán)重，到水深10m以下，就只有藍(lán)綠光存在了［7］。藍(lán)綠光約占可見光波段的40%。對于藍(lán)綠光傳入到不同水深下的光照度可用下式表示：

式中，E為水下光照度，c為不同波長的傳輸衰減系數(shù)，z為水深度。

2.1.2 目標(biāo)物直射光傳遞模型

水下成像探測系統(tǒng)是由成像裝置、輔助照明、控制錄取三個主要部分組成。在水下探測目標(biāo)其水下光源、目標(biāo)物和接收器的布放示意圖如圖1所示。

圖1 水下光源、目標(biāo)物、接收器布放示意圖

圖中光源是具有光強度為I(θ)函數(shù)的輻射體光源，距離目標(biāo)物的距離為L，接收器距離目標(biāo)物的距離為r，接收器和光源的距離為S0，定義為光軸距。根據(jù)照度學(xué)的平方率反比定律和水介質(zhì)的朗伯貝爾衰減規(guī)律［8］，可得對于目標(biāo)A處面積元ds上的直射光產(chǎn)生的照度為：

其中，I(θ)輻射體光源光強，c為水介質(zhì)的體積衰減系數(shù)。

2.1.3 目標(biāo)物散射光傳遞模型

公式（3）描述了光在水下的能量衰減過程是采用的準(zhǔn)直光束的測量結(jié)果，對于實際的水下工作情況具有一定的局限性。在不考慮二次散射的前提下，經(jīng)過散射的光子，無法對光束傳播軸向上的目標(biāo)物實現(xiàn)有效照明。而實際工程應(yīng)用中采用的照明光源都是具有一定的發(fā)散角度，導(dǎo)致其任意發(fā)散角產(chǎn)生的部分散射光子會進入光束范圍內(nèi)的另一發(fā)散角方向上，從而使方向角上的光強度得到補償抑或增強。研究表明由于散射光能量提供的有效照明使得遠(yuǎn)距離目標(biāo)物的照明強度得到一定程度的增強。

Duntley導(dǎo)出了距離光源L處的能夠提供有效照明的散射光能量公式，可用于克服以上目標(biāo)物照度估算中只采用直射光成分帶來的不妥：

其中，φ為光源輻射光束的全張角，單位為弧度，k為漫射光的體積衰減系數(shù)，一般的水質(zhì)情況c/k= 2.7是一種比較通用的換算關(guān)系，I為光源發(fā)光強度，L為光源與目標(biāo)物的距離。

2.1.4 目標(biāo)物總照度模型

按照圖1所分布的水下視覺系統(tǒng)目標(biāo)物所接收到的總照度ETsum包括三部分即自然光直射和散射的能量、光源直射光能量、光源散射光能量的總和，即：

2.2 接收器接收回程光能量傳遞模型

接收器接收回程光能量包括回程的直射光和回程的散射光二部分能量。水下目標(biāo)一般為朗伯漫反射體，目標(biāo)物接收的光能量，經(jīng)過目標(biāo)物的反射，反射光在一定探測距離的傳遞，最終到達(dá)CCD探測器。

2.2.1 接收器接收回程直射光照度模型

被照明目標(biāo)物設(shè)定為朗伯漫反射體，目標(biāo)物的反射率為ρ。經(jīng)過光能量的反射，可以將目標(biāo)物看成具有面積S的朗伯光源，其在各個方向上有大小相同的光亮度分布，如圖1所示：若照明目標(biāo)物的面積為S，接收器距離為r，在水介質(zhì)衰減系數(shù)c的作用下，經(jīng)過傳播距離為r的能量傳輸后到達(dá)接收器外側(cè)時的光通量Φr，設(shè)成像系統(tǒng)中光學(xué)透鏡等的透過系數(shù)τ，其中，ρ為目標(biāo)物的反射率，LT為目標(biāo)物上的亮度分布，ETsum目標(biāo)物總照度。常用的水下對焦無限遠(yuǎn)、固定焦距的CCD鏡頭系統(tǒng)，得到CCD成像面接收到的來自目標(biāo)物的直射光照度值的表達(dá)式：

其中，D為接收器口徑大小，πD2/4為接收器的通光面積。f為攝像機焦距。

將（5）式代入（6）式進一步整理可得：

公式（7）即為按照圖1所示的水下輔助照明幾何配置的方法解算出來的在CCD成像平面上的直射光照度值公式，從中可以看出：接收器接收到的光照度值同光源強度I(θ)、目標(biāo)物反射系數(shù)ρ、成像系統(tǒng)光學(xué)透鏡透過率τ成正比例關(guān)系；光子能量從離開光源經(jīng)過目標(biāo)物的反射后返回到接收器經(jīng)歷了e-c(r+l)的雙程e指數(shù)衰減；式中項D/f為接收器鏡頭相對孔徑，在通用的攝像設(shè)備參數(shù)中都可以直接或間接的找到此參數(shù)。

2.2.2 接收器接收回程散射光照度模型

與光源對目標(biāo)物進行光能量的輸運過程中散射光成分可提供有效的照明一樣，在經(jīng)過具有朗伯漫反射特性的目標(biāo)物的反射之后，在距離接收器為r處、面積為S的照明目標(biāo)物看作成具有亮度為LT的朗伯光源，其在各個方向上的光輻射強度IT(θ)可表示為：

其中，θ為光輻射強度方向與目標(biāo)物面積元ds法線方向的夾角，S為照明目標(biāo)物的面積。

在實際計算中我們假設(shè)目標(biāo)物面積元ds的法線方向與接收器視角主軸重合，θ為00。朗伯目標(biāo)物光源具有漫反射特性，光源發(fā)散角取為π，成像系統(tǒng)中光學(xué)透鏡等的透過系數(shù)τ，朗伯光源在水介質(zhì)衰減作用下，經(jīng)過傳播距離為r的能量輸運后到達(dá)接收器時散射光子所提供的有效照度值可表示為：

公式（9）即為按照圖1所示的水下輔助照明幾何配置的方法解算出來的在CCD成像平面上的散射光照度值公式，從中可以看出：接收器接收到的光照度值同光源強度I(θ)、目標(biāo)物反射系數(shù)ρ、成像系統(tǒng)光學(xué)透鏡透過率τ成正比例關(guān)系；光子能量從離開光源經(jīng)過目標(biāo)物的反射后返回到接收器經(jīng)歷了e-c(r+l)的雙程e指數(shù)衰減；式中項D/f為接收器鏡頭相對孔徑，在通用的攝像設(shè)備參數(shù)中都可以直接或間接的找到此參數(shù)。

2.2.3 接收器接收探測目標(biāo)總照度

在水下探測系統(tǒng)中，照明目標(biāo)物收到的光子能量來源于自然光照射和輔助照明光源的照射。CCD成像光電單元是否能夠得到有效觸發(fā)，取決于到達(dá)CCD像面的目標(biāo)物反射的散射光和直射光的照度。水下成像系統(tǒng)能量閾值接收器收到的來自目標(biāo)物反射回來的總的光照度包括直射回到接收器的照度分量為ERd(l,r)和散射回到接收器的照度分量為ERs(l,r)，總的照度量為：

其中，φ為光源輻射光束的全張角，單位為弧度；c為水介質(zhì)的體積衰減系數(shù)；k為漫射光的體積衰減系數(shù)，一般的水質(zhì)情況c/k=2.7是一種比較通用的換算關(guān)系；I(θ)為光源發(fā)光強度；L為光源與目標(biāo)物的距離；r為接收器與目標(biāo)物的距離；D/f為接收器的相對孔徑；ρ為目標(biāo)物反射系數(shù)；τ為光學(xué)成像系統(tǒng)透過率。

3 仿真計算

公式（10）提供了一個水下成像系統(tǒng)光能量傳遞到接收器總的照度計算模型。接收器接收的光信息能量閾值模型的建立，為試驗海域的選定、水下輔助光源的設(shè)計、光源位置的布設(shè)、最低成像作用距離的分析、探測器件的選型提供了技術(shù)支撐。通過向公式（10）中代入水體參數(shù)、設(shè)備光學(xué)參數(shù)、設(shè)備布放幾何參數(shù)，可解算出接收設(shè)備成像光電單元上的有效照度大小ERsum，一般的水下成像CCD設(shè)備都有自己的最小照度靈敏度指標(biāo)，例如某型攝像機感光度ISO為2000，選定拍攝頻率500fps，計算攝像機最低照度為0.2lux，當(dāng)把此設(shè)備用作水下成像接收器時，當(dāng)ERsum＜0.2lux時，接收光子的能量便不足以觸發(fā)CCD的感光單元，便不會形成有效成像。表1為水下成像系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)定表。利用MTLAB計算分析軟件，通過改變不同的參數(shù)，獲得圖2～圖7接收機接收的總照度。

仿真計算的結(jié)果表明：

（1）水下成像系統(tǒng)借助自然光和輔助照明光源可以提高接收器的接收照度。

（2）由圖3和圖5可知，不同水深和不同的海水衰減系數(shù)對接收器的接收照度有影響，深度越深、海水衰減系數(shù)越大接收器的接收照度越小。說明海水環(huán)境條件的選定對水下成像的影響很重要。

表1 水下成像系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)定表

圖2 不同深度，不同光軸距下，直視光軸距目標(biāo)物接收的總照度

圖3 不同深度，不同光軸距下，直視深度目標(biāo)物接收的總照度

圖4 不同光軸距，不同衰減系數(shù)下，直視光軸距接收器接收的總照度

圖5 不同光軸距，不同衰減系數(shù)下，直視衰減系數(shù)接收器接收的總照度

圖6 不同探測距離，不同發(fā)散角下，接收器接收的總照度

圖7 不同探測距離，不同光源發(fā)光強度下，接收器接收的總照度

（3）由圖6和圖7可知，不同的發(fā)散角和不同的發(fā)光強度對接收器的接收照度有影響，發(fā)散角度越小、發(fā)光強度越大，接收器的接收照度越大。說明輔助照明光源的設(shè)計對水下成像的影響較大。

（4）由圖2和圖4可知，不同的光軸距對接收器的接收照度的影響，光軸距越小，接收器的接收照度越大。說明水下輔助照明光場的布設(shè)直接影響接收器的接收照度的大小，合理布設(shè)水下光場是獲得水下清晰圖像的有效手段。

4 結(jié)論

在水下高速運動的目標(biāo)測量過程中，水下成像技術(shù)是獲取目標(biāo)水下運動姿態(tài)的主要測量手段。照射到目標(biāo)上的光由自然光和輔助照明光兩部分組成。水下自然光經(jīng)過水介質(zhì)的吸收和散射，到達(dá)目標(biāo)物，經(jīng)過目標(biāo)反射后傳遞給接收器。輔助照明光發(fā)射一定照度的輔助光，經(jīng)水介質(zhì)的吸收和散射，將直射光和散射光的能量傳遞給目標(biāo)物。經(jīng)過目標(biāo)反射后傳遞給接收器。接收器接收的光信息主要由二部分組成：從目標(biāo)反射回來并經(jīng)水介質(zhì)吸收、散射損耗后的直射光束；從目標(biāo)反射回來水介質(zhì)吸收、散射損耗后散射光束。接收器接收的目標(biāo)信息能量達(dá)到探測器件的靈敏度要求是水下成像系統(tǒng)獲得清晰可靠圖像的必要條件。水下成像探測能量閾值分析旨在建立全新的水下非均勻光場，根據(jù)目標(biāo)物的特性，科學(xué)設(shè)計輔助光源和攝像機的參數(shù)，合理布設(shè)光源、攝像機的位置。接收器接收的光信息能量閾值模型的建立，為試驗海域的選定、水下輔助光源的設(shè)計、光源位置的布設(shè)、最低成像作用距離的分析、探測器件的選型提供了技術(shù)支撐。

［1］何照才，胡保安.光學(xué)測量系統(tǒng)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2002.

［2］向世明，倪國強.光電子成像器件原理［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1999.

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［4］劉艷.基于能量傳遞鏈的水下微光成像系統(tǒng)性能評價［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2010（5）：196-198.

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［6］武征，孫翱.海上靶場試驗測控技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

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［8］章毓晉.圖像工程（下冊）圖像理解［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

Analysis of Energy Threshold for Underwater Imaging Detection

LIU Yan
（Troops 91550 of PLA，Dalian 116021）

The system of underwater imaging is the indispensable detecting equipment in ocean development in recent years. In order to image clearly，the energy that imaging receiver received must meet the requirements of the energy threshold. Based on the transmission characteristics of light in the sea.I analyze the transfer process of light energy，and research the relationship of the lowest sensitivity of underwater imaging receiver with the photon energy threshold deeply.Consequently，according to the objects’characteristics，designing auxiliary light source，selecting the parameters of the camera legitimately and positioning the camera and lights are available.The final purpose is to build a new underwater non-uniform light field and provide technology supports for receiving underwater images in long-distance clearly.

underwater imaging；energy threshold；transmission characteristics of light

TP391

A

1672-9870（2016）06-0138-06

2016-09-05

劉艷（1968-），女，高級工程師，E-mail：liuyan8721@sina.com