石 峰，程宏昌，閆 磊，郭 欣，李世龍，邱洪金，丁習(xí)文

〈綜述與評(píng)論〉

水下光電成像技術(shù)研究進(jìn)展

石 峰1,2，程宏昌1,2，閆 磊1,2，郭 欣1,2，李世龍1,2，邱洪金1,2，丁習(xí)文1,2

（1. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；2. 微光夜視技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

隨著我國(guó)海洋、江河和地下水資源勘探、開(kāi)發(fā)和利用的日益深入，以及領(lǐng)海主權(quán)防衛(wèi)的軍事需求日趨迫切，在水下獲取遠(yuǎn)距離條件下高質(zhì)量的目標(biāo)圖像已成為水下環(huán)境勘測(cè)、目標(biāo)探測(cè)與敵我對(duì)抗等許多領(lǐng)域迫切需要解決的問(wèn)題。目前，水下成像探測(cè)技術(shù)主要有聲探測(cè)和光電探測(cè)兩種途徑。本文研究了目前主要水下高分辨力光電探測(cè)成像技術(shù)現(xiàn)狀，分析了不同技術(shù)途徑的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)比了各種水下探測(cè)/成像系統(tǒng)中采用的光電探測(cè)器的情況，結(jié)合自身技術(shù)背景，提出了應(yīng)加快發(fā)展高靈敏度、低噪聲、高增益、快響應(yīng)、寬動(dòng)態(tài)范圍、良好線性度的GaAsP光陰極雙微通道板像增強(qiáng)器，從而簡(jiǎn)化光電系統(tǒng)中因探測(cè)器性能不佳帶來(lái)的靈敏度低、噪聲大、增益低、處理時(shí)間長(zhǎng)等不足，加速各種新技術(shù)向產(chǎn)品、實(shí)用化設(shè)備的轉(zhuǎn)化。本文成果對(duì)水下光電成像技術(shù)發(fā)展將有一定支撐作用。

水下探測(cè)；光電成像；探測(cè)器

0 引言

地球表面超過(guò)70%以上都是海洋，其中蘊(yùn)藏著豐富的油氣資源、生物資源、空間資源和可再生能源資源等，是人類(lèi)賴(lài)以生存的重要環(huán)境以及謀求發(fā)展的未知領(lǐng)域。21世紀(jì)以來(lái)，海洋作為國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和對(duì)外開(kāi)放的重要窗口，在維護(hù)國(guó)家主權(quán)和獲取經(jīng)濟(jì)利益方面的作用日益突出[1]。

隨著我國(guó)海洋、江河和地下水資源勘探、開(kāi)發(fā)和利用程度的日益深入，以及領(lǐng)海主權(quán)防衛(wèi)的軍事需求日趨迫切，實(shí)現(xiàn)水下高分辨力環(huán)境勘測(cè)、目標(biāo)探測(cè)與定位分析已成為眾多領(lǐng)域水下裝備作業(yè)迫切需要。目前水下成像探測(cè)技術(shù)主要有聲探測(cè)和光電探測(cè)兩種技術(shù)途徑[2-10]。聲探測(cè)技術(shù)探測(cè)距離較遠(yuǎn)，但成像空間分辨力較差，難以完全適應(yīng)諸多水下運(yùn)載平臺(tái)以及深海探測(cè)作業(yè)對(duì)高分辨成像探測(cè)、觀察和定位的需要；水下光電成像技術(shù)以其分辨能力高、直觀快速地傳遞目標(biāo)與景物的二維乃至三維信息，且輸出圖像更符合人的視覺(jué)與心理特征等優(yōu)點(diǎn)，已被諸多潛水器、水下作業(yè)系統(tǒng)、目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)所采用。然而由于光線在水中隨傳輸路徑快速衰減，使得水下光電成像需要輔助照明，且由于水下光電成像裝備中照明往往與成像系統(tǒng)同向，照明光的后向散射已成為影響水下光電成像系統(tǒng)作用距離的重要因素，使得人眼直接觀察以及傳統(tǒng)的連續(xù)照明光電成像的有效作用距離較短，無(wú)法成為實(shí)用性的水下光電成像方案，因此在現(xiàn)代水下運(yùn)載平臺(tái)和其他應(yīng)用領(lǐng)域普遍采用一些特殊的光電成像模式。

目前，水下光電成像技術(shù)主要有：距離選通光電成像技術(shù)、激光同步線掃描技術(shù)、結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)、多視角圖像重構(gòu)技術(shù)、散射計(jì)算光學(xué)技術(shù)、偏振光成像技術(shù)、水下鬼影成像技術(shù)以及基于深度學(xué)習(xí)水下成像技術(shù)等。

本文將對(duì)上述技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行綜述，并對(duì)這些系統(tǒng)中所用的探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比分析，提出建議發(fā)展水下光電成像系統(tǒng)中探測(cè)器的發(fā)展方向，以期對(duì)探測(cè)器及水下光電成像技術(shù)、裝備發(fā)展提供一些參考和借鑒。

1 水下光電成像技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 距離選通光電成像技術(shù)

脈沖激光照明距離選通光電成像技術(shù)是一種有效的水下光電成像技術(shù)，目前已經(jīng)在遙控?zé)o人潛水器（remote operated vehicle, ROV）或自主式水下航行器（autonomous underwater vehicle, AUV）平臺(tái)以及水下救援等方面得到了廣泛的應(yīng)用[11]，并且隨著激光器技術(shù)和選通成像設(shè)備技術(shù)的成熟，水下光電成像裝置也在不斷迭代升級(jí)，性能自然也得到巨大提升，作用距離甚至比水下連續(xù)照明光電成像系統(tǒng)以及潛水員在自然光照射下水下觀察距離高出5～10倍。

1.1.1 技術(shù)原理

距離選通技術(shù)是利用脈沖激光器和選通門(mén)控?cái)z像機(jī)，將不同距離的散射雜光與目標(biāo)景物的反射光分離，從而在攝像機(jī)特定開(kāi)啟的選通時(shí)間內(nèi)將目標(biāo)景物反射的輻射脈沖送至相機(jī)并對(duì)其進(jìn)行成像[5]（圖1）。距離選通水下激光成像技術(shù)通過(guò)對(duì)成像系統(tǒng)快門(mén)的時(shí)間進(jìn)行控制，在時(shí)域內(nèi)對(duì)大部分會(huì)進(jìn)入成像系統(tǒng)的無(wú)效光信號(hào)進(jìn)行屏蔽，從而大幅降低水體后向散射對(duì)成像系統(tǒng)探測(cè)效果的影響，同時(shí)也會(huì)提高成像系統(tǒng)的工作范圍。當(dāng)選通脈沖寬度和激光脈沖寬度都很窄，就只有激光探測(cè)目標(biāo)附近的反射光可以到達(dá)攝像機(jī)并最終成像，這樣就可以進(jìn)一步有效減少后向散射的影響，從而提高系統(tǒng)的探測(cè)和識(shí)別距離。

圖1 水下距離選通成像系統(tǒng)原理[5]：(a) 攝像機(jī)關(guān)閉狀態(tài)；(b) 攝像機(jī)開(kāi)啟狀態(tài)

1.1.2 研究現(xiàn)狀

Duntley等人[12]在1963年對(duì)光波在海洋中的傳播特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，470～540nm的光波在海水中的衰減要遠(yuǎn)小于其他波段的光波，這個(gè)波段被稱(chēng)為“藍(lán)綠窗口”，由于藍(lán)綠激光在海水的優(yōu)異的穿透能力，逐漸引起了人們的高度重視，成為了水下距離選通成像系統(tǒng)中的理想光源。1990年加拿大啟動(dòng)有關(guān)水下距離選通成像的研究，經(jīng)過(guò)整整20年深入探索，已研制出LUCIE1、LUCIE2、LUCIE3這三代產(chǎn)品[13-14]（如圖2所示）；1994年美國(guó)SPARTA公司開(kāi)發(fā)出的See Ray測(cè)距成像系統(tǒng)能夠檢測(cè)到衰減長(zhǎng)度為6.4倍的目標(biāo)[14]。此外，丹麥、瑞典、新加坡等國(guó)家也在這一領(lǐng)域有了一定的突破。

鑒于國(guó)外技術(shù)封鎖，國(guó)內(nèi)應(yīng)用需求較少，且研究成本較大，故國(guó)內(nèi)關(guān)于水下藍(lán)綠激光成像系統(tǒng)的研究進(jìn)展緩慢。其中國(guó)內(nèi)距離選通水下成像技術(shù)研究主要包括：探測(cè)距離估算與模擬、圖像增強(qiáng)及降噪、三維成像等方面。

為全面、系統(tǒng)地建立水下距離選通成像系統(tǒng)的綜合性能模型，胡玲等[15]將一些典型水下激光成像系統(tǒng)與像增強(qiáng)型電荷耦合器件（intensified charge-coupled device, ICCD）相結(jié)合，并對(duì)后向散射光強(qiáng)度、背景輻射強(qiáng)度等與時(shí)間和探測(cè)距離的相關(guān)性進(jìn)行了研究，選取了海水的典型參數(shù)后利用Matlab對(duì)該過(guò)程進(jìn)行模擬仿真。結(jié)果表明：隨著選通時(shí)間、空間頻率和探測(cè)距離的增加，系統(tǒng)的信噪比（signal-noise ratio, SNR）和調(diào)制傳遞函數(shù)（modulation transfer function, MTF）均會(huì)顯著變差；付學(xué)志等[16]給出了一種簡(jiǎn)便的計(jì)算作用距離的方法，由此可以得到在不同水質(zhì)條件下裝置的作用距離；王磊等[17]分析了水下藍(lán)綠激光主動(dòng)成像目標(biāo)與背景的輻射特性、海水后向散射特性、距離選通特性以及激光發(fā)射器和接收器的性能；提出了一種基于光束擴(kuò)展函數(shù)（beam spread function, BSF）的探測(cè)靈敏度模型。該模型在海水散射系數(shù)與衰減系數(shù)之比介于0～1的范圍內(nèi)都適用。

由于水下距離選通成像存在噪聲大、對(duì)比度差、照明不均勻的情況，許廷發(fā)等[18]提出了一種對(duì)圖像采用二維直方圖雙平臺(tái)均衡化聯(lián)合帶有估計(jì)誤差抑制的Retinex（視網(wǎng)膜增強(qiáng)）算法，改善了圖像的整體質(zhì)量，尤其針對(duì)簡(jiǎn)單無(wú)突變背景的水下情景時(shí)有較為明顯的效果。

由于距離選通成像可通過(guò)控制激光脈沖和選通脈沖之間的延時(shí)對(duì)所需測(cè)量的空間進(jìn)行成像，因此，時(shí)間與空間之間存在映射關(guān)系，利用這種關(guān)系可實(shí)現(xiàn)三維成像。目前水下距離選通三維成像主要發(fā)展了時(shí)間切片掃描成像和距離能量相關(guān)三維成像技術(shù)。中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所研制了一系列水下激光三維成像系統(tǒng)，并搭載遙控?zé)o人潛水器、自主式水下航行器和深海著陸器等進(jìn)行了水下試驗(yàn)驗(yàn)證[19]。王新偉等[20]針對(duì)水下距離選通成像中由于水體散射干擾、目標(biāo)反射率差異、極限距離探測(cè)等因素引起的二維圖像信噪比和對(duì)比度下降，三維圖像距離分辨率降低，甚至數(shù)據(jù)出現(xiàn)空洞等問(wèn)題，開(kāi)展了水下二維及三維距離選通成像去噪技術(shù)研究。

1.2 激光線掃描技術(shù)

由于光在水中的傳播，不僅會(huì)產(chǎn)生吸收損失，而且會(huì)產(chǎn)生很大的散射，從而使成像距離變得更短，圖像質(zhì)量也會(huì)下降。采用同步掃描技術(shù)可以有效地降低水下圖像的傳輸損耗[21]。窄的光束重疊區(qū)域和發(fā)射端接收端之間的幾何間隔非常大，這就導(dǎo)致了接收端接收信號(hào)的區(qū)域會(huì)變得更小，因此也降低了產(chǎn)生干擾的后向散射數(shù)目。通過(guò)改變兩個(gè)光束的會(huì)聚角度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同距離目標(biāo)的觀測(cè)。

1.2.1 技術(shù)原理

激光線掃描（laser line scanning, LLS）技術(shù)是一種利用準(zhǔn)直線陣激光與瞬時(shí)視場(chǎng)很窄的接收器同步掃描成像技術(shù)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)準(zhǔn)直線光源對(duì)目標(biāo)視野進(jìn)行了光束掃描，與此同時(shí)，具有非常窄的瞬間視野的接收器也會(huì)對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描[21]（如圖3所示）。這樣的話，接收器只會(huì)受到與接收光束重疊的光源反向散射的影響，而在其他位置發(fā)生的反向散射則會(huì)被阻擋。其介于早期的點(diǎn)激光二維掃描以及距離選通成像之間，相對(duì)于點(diǎn)激光掃描提高了成像速度，相對(duì)于距離選通成像降低了對(duì)激光功率的要求，激光同步線掃描系統(tǒng)接收器常采用光電倍增管或高速成像的條紋管作為成像器件。

圖2 從左到右依次為加拿大研制的LUCIE 1～LUCIE3系列產(chǎn)品[13-14]

圖3 線掃描示意圖[21]

Fig 3 line scan schematic[21]

1.2.2 研究現(xiàn)狀

水下激光線掃描成像系統(tǒng)利用掃描光線對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)獲得的各掃描點(diǎn)的位置信息，構(gòu)建目標(biāo)區(qū)域的表面形狀。采用這種方法可以獲得水下物體的立體影像，其識(shí)別效果優(yōu)于傳統(tǒng)的無(wú)旋轉(zhuǎn)成像技術(shù)。其中最具代表性的就是西屋公司SM2000同步掃描水下激光成像系統(tǒng)[13]，該系統(tǒng)通過(guò)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)掃描鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，使發(fā)射光束與接收視野同步掃描。在不同的渾濁程度下，成像距離可達(dá)2.5～45m，在常用探測(cè)距離其分辨率基本可以達(dá)到較高水平。目前來(lái)說(shuō)，國(guó)外主要將激光同步掃描成像技術(shù)用于機(jī)載水下探測(cè)系統(tǒng)。美國(guó)Kaman宇航公司研究的“魔燈”水雷探測(cè)激光雷達(dá)將線掃描激光器與選通攝像機(jī)的同步掃描成像相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)在450m的最大海面高度左右的探測(cè)活動(dòng)，探測(cè)淺水區(qū)的最大深度為60m[14]（圖4）。隨后，Kaman公司研制的ALMDS機(jī)載激光探測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)被安裝在直升機(jī)上，可以在12.2m左右深水域情況的快速探測(cè)[14]（圖4）。

Fig 4 “Magic Lamp” mine detection lidar(left) and ALMDS airborne lidar(right)[14]

1996年，華中科技大學(xué)進(jìn)行了激光單點(diǎn)掃描成像試驗(yàn)，其探測(cè)深度可以達(dá)到為60m；自2009年起，北京科技大學(xué)就開(kāi)始了水下激光線掃描成像技術(shù)的理論研究，并成功開(kāi)發(fā)了線激光掃描成像系統(tǒng)；2004年，中國(guó)海洋大學(xué)研制出了水下激光三維掃描成像系統(tǒng)的工作原理樣機(jī)[5]，并在水中進(jìn)行了長(zhǎng)方形物體的成像試驗(yàn)；采用脈沖激光源和選通型探測(cè)器，構(gòu)成脈沖選通激光線掃描（pulse gating laser line scanning，PG-LLS）成像系統(tǒng)，模擬仿真表明其成像距離可超過(guò)7AL。佛羅里達(dá)大西洋大學(xué)（Florida Atlantic University，F(xiàn)AU）海港分院海洋研究所（Harbor Branch Oceanographic Institution, HBOI）開(kāi)發(fā)了一款脈沖激光線掃描成像系統(tǒng)樣機(jī)[22]，采用光電倍增管（photon multiplier tubes, PMT）及高重頻（357kHz）、高功率綠光激光器半峰全寬（full width at half maxima, FWHM）為6～7 ns的高斯脈沖。

1.3 結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)

結(jié)構(gòu)光[23-24]根據(jù)投射光條模式的不同，可以劃分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光、網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光模式等。對(duì)光學(xué)三角原理最簡(jiǎn)單直接的應(yīng)用就是點(diǎn)結(jié)構(gòu)光，操作簡(jiǎn)便，運(yùn)算量小，但其每次只能獲取單個(gè)激光點(diǎn)的三維信息，數(shù)據(jù)量太小，無(wú)法適用于大范圍測(cè)量以及水下精細(xì)作業(yè)。網(wǎng)結(jié)構(gòu)光能從單幅攝像機(jī)拍攝的二維圖像中獲取最多信息，提高了三維掃描的范圍和效率，但是網(wǎng)結(jié)構(gòu)光操作復(fù)雜、實(shí)現(xiàn)過(guò)程有一定難度。利用結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)進(jìn)行三維立體測(cè)量時(shí)，由于折射的原因，會(huì)導(dǎo)致光線的傳播路徑發(fā)生變化，以透視法為基礎(chǔ)的線性測(cè)量模式已不能滿足要求；其次，在水下可視化測(cè)量系統(tǒng)的參數(shù)校準(zhǔn)中，由于所涉及的校準(zhǔn)參數(shù)遠(yuǎn)大于大氣中的校準(zhǔn)數(shù)量，這就給系統(tǒng)的校準(zhǔn)帶來(lái)了一定的困難。

1.3.1 技術(shù)原理

結(jié)構(gòu)光技術(shù)的實(shí)質(zhì)就是利用三角測(cè)量法來(lái)確定空間目標(biāo)的三維信息，其普遍是由一臺(tái)攝像機(jī)和一臺(tái)投影儀組成的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)[25]，如圖5(a)所示，利用主動(dòng)投射結(jié)構(gòu)光源的方式在被測(cè)目標(biāo)中人為地增加特征點(diǎn)。在被投射的物體中，由于目標(biāo)表面起伏的空間位置不同，照相機(jī)所拍出的結(jié)構(gòu)光圖案會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變形。結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)正是利用投影光圖形的變形信息來(lái)獲取三維曲面的形態(tài)。

圖5 結(jié)構(gòu)光成像示意圖[25]

1.3.2 研究現(xiàn)狀

與地面測(cè)量技術(shù)相比，水下照相機(jī)在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行攝像時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光線的折射。由于折射具有非線性特性，傳統(tǒng)的立體測(cè)量模式已不適合在海洋環(huán)境中進(jìn)行三維立體測(cè)量。2007年Enrique等[26]在實(shí)驗(yàn)室條件下，使用線結(jié)構(gòu)光測(cè)量系統(tǒng)掃描測(cè)量了水箱中的水下沉積物表面；2012年，西班牙的Mario Prats等在水下結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)引導(dǎo)水下機(jī)器人-機(jī)械手系統(tǒng)作業(yè)方面取得進(jìn)展[27]（圖6）。

圖6 水下自主作業(yè)機(jī)器人搭載結(jié)構(gòu)光裝置[27]

Fig 6 Structured light device for underwater autonomous operation robot[27]

在水下結(jié)構(gòu)光成像研究中，如果忽視了光線的折射效應(yīng)，往往會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大的誤差。因此，許多學(xué)者在進(jìn)行水下三維測(cè)量時(shí)都會(huì)將光線的折射效應(yīng)考慮到測(cè)量中[28]。王玲玲[29]采用結(jié)構(gòu)光技術(shù)進(jìn)行水下三維測(cè)量，采用修正原理對(duì)水下影像進(jìn)行恢復(fù)，最終獲得了與大氣中近似的影像。但是在對(duì)水下成像系統(tǒng)進(jìn)行校正和三維重構(gòu)時(shí)，由于沒(méi)有考慮相機(jī)自身參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，使得測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)了偏差；喬金鶴[30]、李文莉[31]等人利用結(jié)構(gòu)光技術(shù)進(jìn)行水下三維測(cè)量時(shí)，將影像恢復(fù)與立體匹配相結(jié)合，但對(duì)于一些失真的影像，不能進(jìn)行立體匹配；丁萬(wàn)山[32]等人利用水下三維測(cè)量系統(tǒng)，利用光線的折射原理，對(duì)被測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了折射校正；王宗義[33]等人在完成了傳統(tǒng)的陸地立體測(cè)量之后，采用了激光三角法對(duì)水下測(cè)量中被測(cè)點(diǎn)進(jìn)行折射補(bǔ)償。

隨后又有人對(duì)結(jié)構(gòu)光成像做了相應(yīng)的優(yōu)化，提出了距離補(bǔ)償型以及合成孔徑照明型結(jié)構(gòu)光成像。①距離補(bǔ)償型：當(dāng)使用結(jié)構(gòu)光照明時(shí)，一束窄激光束被投射到場(chǎng)景中，且投射方向偏離相機(jī)的中心光軸，能部分消除后向散射光成分，有助于通過(guò)三角測(cè)量法恢復(fù)場(chǎng)景的3-D結(jié)構(gòu)。2005年Narasimhan[34]等提出了兩種具有創(chuàng)新性的補(bǔ)充：結(jié)構(gòu)光成像中的掃描并沒(méi)有任何主要運(yùn)動(dòng)部分，而是由使用數(shù)字光處理投影儀的空間光調(diào)制器控制；其次當(dāng)恢復(fù)目標(biāo)亮度時(shí)，對(duì)水體衰減進(jìn)行了補(bǔ)償。②合成孔徑照明：Levoy等[35]2004年提出了一種將背景目標(biāo)與其前景后向散射光分離的方法（圖7）。該方法基于照明光源群，且每個(gè)光源均以獨(dú)特的位置和方向照射場(chǎng)景，而以往幾乎所有結(jié)構(gòu)光成像方法均基于來(lái)自同一方向的照明。

1.4 散射光計(jì)算成像技術(shù)

計(jì)算成像技術(shù)[36]是一種新型的系統(tǒng)成像方法，它不同于傳統(tǒng)的“看見(jiàn)什么就是什么”。隨著計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力不斷提高，計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)正逐漸成為一種新興的技術(shù)。計(jì)算成像技術(shù)是通過(guò)收集和處理光場(chǎng)的信息，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)成像技術(shù)所難以兼顧的高分辨率、遠(yuǎn)探測(cè)距離、大光學(xué)視野的要求。

圖7 水下合成孔徑成像實(shí)驗(yàn)裝置[35]

1.4.1 技術(shù)原理

總的來(lái)說(shuō)，只要在成像過(guò)程中引入了某種計(jì)算方法，就都可以被看作是一種計(jì)算成像。它其實(shí)就是通過(guò)計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的運(yùn)算能力，間接或者直接地參與到成像中去，從而達(dá)到改善成像的效果[36]，其大致流程如圖8所示。而從具體某個(gè)方面來(lái)說(shuō)，則是利用信息的獲取、傳遞和解釋來(lái)描述光場(chǎng)，這是一種全新的圖像處理模式，它將光學(xué)、數(shù)學(xué)和信號(hào)處理結(jié)合在一起，它將徹底改變以圖像為中心的光學(xué)圖像只依賴(lài)于有序的信息傳遞，在光場(chǎng)維度上擴(kuò)大信息的獲取、利用和編譯能力，從而進(jìn)一步提高光電成像的上限。

而在水下成像條件時(shí)，由于光子隨機(jī)傳輸問(wèn)題，并不能在這些區(qū)域中直接獲得目標(biāo)信息，獲取到的是由散射光產(chǎn)生的無(wú)規(guī)律分布的散射光場(chǎng)，散射光成像技術(shù)就是通過(guò)對(duì)這些攜帶隱藏目標(biāo)信息的散斑圖像進(jìn)行深度解譯，復(fù)原出清晰目標(biāo)信息的一種成像技術(shù)。主要有基于波前整形的散射光成像復(fù)原清晰目標(biāo)圖像。

1.4.2 研究現(xiàn)狀

2007年VELLEKOOP. I. M[37]等首次提出基于波前整形的散射光成像技術(shù)，該方法包括基于反饋的波前整形、傳輸矩陣（transfer matrix，TM）測(cè)量和光學(xué)相位共軛（optical phase conjugation, OPC）3部分。

基于反饋的波前整形成像技術(shù)通過(guò)反饋算法調(diào)控空間光調(diào)制器（spatial light modulator, SLM），以此補(bǔ)償入射波前，同時(shí)結(jié)合光學(xué)相位共軛實(shí)現(xiàn)在散射層后聚焦成像[38]，其實(shí)驗(yàn)裝置及成像效果如圖9所示，當(dāng)光束通過(guò)強(qiáng)散射介質(zhì)時(shí)，散射層后每個(gè)位置的相位隨機(jī)分布，形成一幅散斑圖像（如圖9(b)所示），而當(dāng)引入反饋信號(hào)后（如圖9(c)所示），散射層后目標(biāo)的亮度比散斑圖像高出3個(gè)量級(jí)，聚焦效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于光學(xué)透鏡。2010年VELLEKOOP. I. M等[39]基于反饋的波前整形成像技術(shù)在傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)后放置一個(gè)厚度為6mm的散射介質(zhì)，利用該方法獲得的光斑直徑為傳統(tǒng)成像的1/10，光學(xué)系統(tǒng)的分辨率得到了極大提高。2012年，KATZ. O等[40]基于反饋的波前整形方法采用非相干光源實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)透散射介質(zhì)成像，其成像效果如圖10所示，極大推動(dòng)了基于反饋的波前整形技術(shù)的工程化應(yīng)用。

圖8 計(jì)算成像流程示意圖[36]

Fig.8 Schematic diagram of imaging process calculation[36]

圖10 非相干光源成像效果[40]

Fig 10 Imaging effect of incoherent light source[40]

基于散射介質(zhì)傳輸矩陣測(cè)量的方法由POPOFF. S首次提出[41]，如圖11所示。其原理主要是入射光場(chǎng)通過(guò)復(fù)雜矩陣與出射光場(chǎng)相聯(lián)系，測(cè)量這個(gè)復(fù)雜矩陣并結(jié)合OPC技術(shù)可實(shí)現(xiàn)任一位置、任一時(shí)刻聚焦成像。目前測(cè)量TM的方法有四步相移、相位恢復(fù)算法等。2015年，LIUTKUS S.等[42]在TM測(cè)量中引入壓縮感知思想，大幅降低傳輸矩陣的測(cè)量難度。同年，ANDREOLI D.等[43]提出一種不同波長(zhǎng)下測(cè)量TM的方法，該方法通過(guò)建立三維多光譜TM解決了寬譜聚焦成像問(wèn)題。對(duì)于多光譜研究，2019年DONG. J等[44]采用了多路復(fù)用相位反演的方法成功實(shí)現(xiàn)透散射介質(zhì)成像，其單點(diǎn)聚焦如圖12所示。

圖11 基于光學(xué)傳輸矩陣的散射光成像[41]

基于光學(xué)相位共軛的散射光成像技術(shù)是指利用渾濁介質(zhì)的互易性和發(fā)生時(shí)間反轉(zhuǎn)時(shí)光路不變的性質(zhì)，從反向光路獲得原始入射光場(chǎng)信息的技術(shù)[45]，其原理如圖13所示。與基于反饋的波前整形技術(shù)相比，該方法中的可測(cè)量信道數(shù)并非單信道而是多個(gè)信道，使得該技術(shù)可用于實(shí)時(shí)測(cè)量。

1.5 偏振光成像技術(shù)

偏振是光的一種內(nèi)在特性，它可以反映出目標(biāo)的許多物理特性，并能檢測(cè)到一般的光學(xué)圖像所不能察覺(jué)的信息。偏振成像探測(cè)技術(shù)還具有抑制介質(zhì)雜散光、降低背景干擾、實(shí)現(xiàn)被測(cè)對(duì)象景物復(fù)原、獲得被測(cè)對(duì)象的有效信息等優(yōu)點(diǎn)。

1.5.1 技術(shù)原理

偏振成像是在實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)偏振信息的基礎(chǔ)上利用所得到的信息進(jìn)行目標(biāo)重構(gòu)增強(qiáng)的過(guò)程，偏振信息與傳統(tǒng)成像中獲取的信息是有所不同的，它是把圖像的信息從光強(qiáng)度、光譜、空間擴(kuò)展到多維（偏振度、偏振角、折射率、表面粗糙度等）[46-47]。與傳統(tǒng)成像方法比較，偏振成像方法能夠靈敏且精確地獲得目標(biāo)的更多信息，例如：玻璃表面的缺陷極不易檢測(cè)，當(dāng)偏振光打入玻璃中，由于玻璃不是均勻的，受到各個(gè)方向的扭曲和壓力，這樣內(nèi)部分子的結(jié)構(gòu)就會(huì)有所不同，所以玻璃的表面缺陷就可以被顯示了出來(lái)了[48]（圖14中所示）。近年來(lái)，由于偏振檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展以及偏振散射的基礎(chǔ)理論的不斷發(fā)展，使得偏振成像技術(shù)在水下光電成像領(lǐng)域受到了重視。

圖12 透復(fù)雜散射介質(zhì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果[44]

圖13 基于光學(xué)相位共軛的散射光成像技術(shù)[45]

圖14 玻璃的缺陷圖像[48]

1.5.2 研究現(xiàn)狀

水下偏振成像技術(shù)通過(guò)對(duì)背景散射光進(jìn)行抑制，利用目標(biāo)信息與背景散射光的偏振度差異得到清晰的復(fù)原圖像。目前典型的水下偏振成像技術(shù)[49]主要包括：水下偏振差分成像、被動(dòng)水下偏振成像以及主動(dòng)水下偏振成像等。

由于動(dòng)物視覺(jué)可以獲得和解碼正交偏振信息，因此在1995年ROWE M. P.等人[50]受此啟發(fā)提出了一種基于偏振差分的成像技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)是將偏振裝置置于探測(cè)器前端，以獲得沿偏振方向相互正交的景物，并利用偏振圖像的差值消除背景散射，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)景物更加清晰的檢測(cè)。偏振差分成像可以解譯原始強(qiáng)度圖像中不易看到的細(xì)節(jié)信息，如圖15所示，提高了水下成像的探測(cè)能力，為水下成像提供了新的技術(shù)思路。

圖15 原始強(qiáng)度圖像與復(fù)原圖像的對(duì)比[50]

在光照條件較好的情況下，由于主動(dòng)光源和自然光的重疊會(huì)影響偏振信息的精確采集，因此，被動(dòng)成像的優(yōu)越性就凸顯出來(lái)了。Schechner于2005年[51]首次提出了水下被動(dòng)偏振成像，其主要用于在白天和日光能到達(dá)的淺水區(qū)消除散射光效應(yīng)，并解決了由于水體的吸收而導(dǎo)致的彩色失真。2016年，黃等人[52]提出了基于目標(biāo)光的水下被動(dòng)偏振成像，并對(duì)其與正交差分信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系進(jìn)行了分析，從而解決了高偏振性圖像恢復(fù)失敗的問(wèn)題。2017年，胡等人[53]根據(jù)目標(biāo)的偏振特征，提出了一種利用透射比修正的水下無(wú)源偏振成像技術(shù)。劉等人[54]針對(duì)傳統(tǒng)的水下偏振法在水下攝像過(guò)程中因水體吸收而產(chǎn)生的顏色失真的問(wèn)題，利用獲得的背景散射光強(qiáng)分析出場(chǎng)景深度信息，并構(gòu)造出水下朗伯體（Lambertian）反射模式，使水下物體成像清晰，不會(huì)產(chǎn)生顏色失真，從而大大提高了水下檢測(cè)和識(shí)別的性能，如圖16所示。相對(duì)于常規(guī)的水下偏振成像，水下被動(dòng)偏振成像具有更廣泛的應(yīng)用前景，但是在高渾濁的水體中，其成像性能還需進(jìn)一步提高。

被動(dòng)水下偏振與主動(dòng)水下偏振成像的不同之處在于：在水下被動(dòng)偏振成像中，自然光在水中受到吸收和衰減而變?yōu)榫植科窆?；而在水下主?dòng)偏振技術(shù)則是利用完全偏振光源來(lái)實(shí)現(xiàn)成像，因?yàn)樗w對(duì)入射光的吸收與散射，使完全偏振光轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠制窆狻?/p>

在深海地區(qū)，通過(guò)采集目標(biāo)和背景的偏振信息，再利用目標(biāo)與背景之間的偏振度差異，就可以獲得被測(cè)目標(biāo)的偏振信息，從而獲得清晰的成像效果。近年來(lái)，越來(lái)越多的學(xué)者深入地研究了水下主動(dòng)偏振成像技術(shù)。2018年，韓平麗[55]提出了一種基于圖像邊緣法估計(jì)正向散射光衰減函數(shù)的算法，則可以有效地克服由于正向散射光線造成的圖像劣化問(wèn)題，極大地改善了圖像的顯示效果，使景物變得更加清晰。隨后，又在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于頻譜和空間特征的多尺度水下偏振成像方法，將一張偏振影像分成具有高反差的基礎(chǔ)層和低反差的細(xì)節(jié)層，采用聯(lián)合雙邊濾波來(lái)降低基本層的噪聲，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊圖像的復(fù)原[56]（如圖17所示）。

圖16 成像效果對(duì)比圖[54]：(a) 字母“XiDian UNIVERSITY”的原始圖像；(b) 字母“XiDian UNIVERSITY”的被動(dòng)水下偏振成像方法的結(jié)果；(c) 地中海的原始圖像；(d) 地中海被動(dòng)水下偏振成像方法的結(jié)果；(e) 圖(d)中A區(qū)域的放大結(jié)果；(f) 圖(d)中B區(qū)域的放大結(jié)果

Fig 16 Comparison of imaging effects[54]: (a) The original image of the letters"XiDian UNIVERSITY"; (b) The results by passive underwater polarization imaging method of the letters" XiDian UNIVERSITY" ; (c) The original image of the Mediterranean ; (d) The results by passive underwater polarization imaging method of the Mediterranean;(e) The enlarged result of area A in Fig (d);(f) The enlarged result of area B in Fig (d)

圖17 不同目標(biāo)復(fù)原效果（每張圖片左半邊為原始圖像，右半邊為復(fù)原圖像）[56]

1.6 水下鬼成像技術(shù)

由于水下探測(cè)時(shí)受到吸收、散射、湍流等因素的影響，傳統(tǒng)的成像技術(shù)很難得到清晰的水下影像。而水下鬼影成像在渾濁、可見(jiàn)度極低的水下環(huán)境中具有克服這種局限性的特殊優(yōu)勢(shì)，與常規(guī)成像技術(shù)相比，鬼成像有如下特點(diǎn)：①實(shí)現(xiàn)了物像的分離；②實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度信息的關(guān)聯(lián)，具有更強(qiáng)的抵抗惡劣天氣等干擾的能力；③突破了衍射的極限，具有超高分辨率。在弱光、特殊波段和增加成像距離上具有明顯的優(yōu)越性。

1.6.1 技術(shù)原理

解釋“鬼成像”之前，我們不妨先了解一下“人成像”。人類(lèi)90%的信息都來(lái)源于視覺(jué)，即由物體自身或其反射的光線在我們視網(wǎng)膜上形成的影像。而人眼的晶狀體就像是透鏡一樣，可以在目標(biāo)和“所見(jiàn)”之間形成一個(gè)個(gè)點(diǎn)和點(diǎn)的對(duì)應(yīng)。

“鬼成像”作為量子光學(xué)的一個(gè)重要分支，它的最大特點(diǎn)就是物像分離。它的成像系統(tǒng)主要包括兩條光路，一條是基準(zhǔn)光路，通過(guò)空間分辨率檢測(cè)器采集被測(cè)對(duì)象的信息，而另外一條是信號(hào)光路則通過(guò)沒(méi)有空間分辨率的桶式檢測(cè)器采集被測(cè)對(duì)象的信息，通過(guò)兩個(gè)路徑的相關(guān)運(yùn)算，最終可以得到被測(cè)對(duì)象的圖像[57]（如圖18）。量子成像能利用兩個(gè)探測(cè)光路分別對(duì)物體的空間分布和強(qiáng)度分布進(jìn)行探測(cè)，其中任何一路信息都無(wú)法單獨(dú)成像，唯有兩路信息共同探測(cè)，才能通過(guò)測(cè)量進(jìn)行關(guān)聯(lián)成像。這就好比我們?cè)谑彝獍惭b一個(gè)探測(cè)器后，只需要在室內(nèi)再配置一個(gè)探測(cè)器進(jìn)行采樣，就可做到“不出門(mén)而盡知門(mén)外事”仿佛幽靈般洞察著外面的事物。正是這種打破常規(guī)的方式，才使得量子成像得名“鬼成像”。

圖18 傳統(tǒng)鬼成像原理[57]

1.6.2 研究現(xiàn)狀

1988年，前蘇聯(lián)莫斯科國(guó)立大學(xué)Klyshko D. N.[58]提出了一種由亞穩(wěn)態(tài)原子或非線性晶體發(fā)射的雙光子寬帶輻射，來(lái)實(shí)現(xiàn)雙光子關(guān)聯(lián)成像的目的；1995年，Pittman等人利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的糾纏光子對(duì)[59]（實(shí)驗(yàn)裝置如圖19所示），首次在實(shí)驗(yàn)上觀察到鬼成像，進(jìn)而證實(shí)了量子鬼成像的有效性；2001年，波士頓大學(xué)的Abouraddy[60]提出了一種分布式量子成像系統(tǒng)，其中一個(gè)光子用于探測(cè)遠(yuǎn)程透射或散射物體，而另一個(gè)用作參考，進(jìn)一步證明了量子糾纏是實(shí)現(xiàn)量子成像的先決條件，由此引發(fā)了人們用經(jīng)典光源實(shí)現(xiàn)鬼成像的實(shí)驗(yàn)研究和理論探討。

圖19 雙光子光學(xué)成像實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[59]

由于鬼成像首先是利用具有糾纏特性的光子對(duì)完成的，所以早期很多科學(xué)家錯(cuò)誤地認(rèn)為只有具有量子的糾纏特性，才能實(shí)現(xiàn)鬼成像，并認(rèn)為這是一種量子效應(yīng)，直到2002年，情況才發(fā)生了很大的轉(zhuǎn)變。R. S. Bennink等[61]基于光場(chǎng)的二階強(qiáng)度關(guān)聯(lián)函數(shù)，利用隨機(jī)指向的激光束首次實(shí)現(xiàn)了熱光的鬼成像。證明了量子糾纏不是實(shí)現(xiàn)鬼成像的必要條件，而是基于經(jīng)典光場(chǎng)的強(qiáng)度（即光強(qiáng)）時(shí)空漲落和關(guān)聯(lián)。而且熱光源更加容易獲得，而且數(shù)據(jù)處理相對(duì)也簡(jiǎn)單，因此熱光鬼成像實(shí)際應(yīng)用更加廣泛。

2017年，西安交通大學(xué)Le等[62]針對(duì)水下長(zhǎng)距離和不同角度條件下的計(jì)算鬼成像（computational ghost imaging, CGI）進(jìn)行了實(shí)證研究（系統(tǒng)原理如圖20所示），與此同時(shí)還對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行了廣泛的模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了計(jì)算鬼成像對(duì)水中濁度的變化不敏感。通過(guò)計(jì)算鬼成像獲得的重建可能比經(jīng)典的光學(xué)成像方法更理想；2018年，羅等[63]基于鬼成像（ghost imaging, GI）理論，利用海水折射率的空間功率譜，建立了在海洋湍流中運(yùn)行的CGI和計(jì)算鬼衍射（calculation of ghost diffraction, CGD）的統(tǒng)一成像公式，并分析了圖像質(zhì)量會(huì)受到海洋湍流的影響；2019年，張等[64]針對(duì)高散射海水介質(zhì)中目標(biāo)成像的問(wèn)題，使用了黑色墨水來(lái)增加海水對(duì)光的散射，通過(guò)二階相關(guān)函數(shù)分析了衰減對(duì)水下鬼影成像的影響。在不同濁度的海水通道中進(jìn)行了偽熱鬼成像實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使在CCD的低照度水平下，微分鬼成像的成像質(zhì)量也相對(duì)較好，應(yīng)用壓縮感知的方法可以顯著提高水下鬼影成像的質(zhì)量。由于衰減系數(shù)越大，就相當(dāng)于光在水中的傳輸距離越遠(yuǎn)，鬼影成像可能是遠(yuǎn)距離水下成像的有效方法。此外，鬼成像對(duì)散射不敏感，因此具有在多變和惡劣的海洋環(huán)境中探索的優(yōu)勢(shì)。

圖20 計(jì)算鬼成像實(shí)驗(yàn)裝置示意圖[62]

1.7 基于深度學(xué)習(xí)水下成像技術(shù)

由于數(shù)據(jù)量的增加、計(jì)算能力的提高、學(xué)習(xí)算法的日趨成熟、應(yīng)用場(chǎng)景的不斷增加，人們對(duì)這種“嶄新”的處理方式——深度學(xué)習(xí)產(chǎn)生了濃厚的興趣。深度學(xué)習(xí)是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的，它最初是為了解決機(jī)器學(xué)習(xí)中的表達(dá)式學(xué)習(xí)問(wèn)題而設(shè)計(jì)的。然而，由于其強(qiáng)大的性能，使得它被應(yīng)用于許多常規(guī)的水下光電圖像中去解決一些棘手問(wèn)題。基于深度學(xué)習(xí)的水下光電成像技術(shù)不僅需要經(jīng)過(guò)縝密的數(shù)理分析進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且要有相應(yīng)領(lǐng)域的理論依據(jù)。

1.7.1 技術(shù)原理

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個(gè)重要研究方向，它旨在通過(guò)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)模擬人類(lèi)大腦進(jìn)行分析學(xué)習(xí)，并模仿人類(lèi)大腦的工作原理，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像、聲音和文字等信息的解讀。深度學(xué)習(xí)是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種新的模式[65-66]，它包含了多層的隱層感知器（圖21），這些感知器可以將底層的特征結(jié)合起來(lái)，得到更高層次的描述，從而發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布特性。它具有功能強(qiáng)大、適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，在數(shù)據(jù)分析、圖像識(shí)別、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、機(jī)器翻譯、機(jī)器博弈等方面都有廣泛的應(yīng)用。深度學(xué)習(xí)不僅可以提供不依賴(lài)任務(wù)類(lèi)型的通用程序算法，而且還具有極高的泛化性能（從已有的數(shù)據(jù)中獲取適合所有情況的知識(shí)）。

隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多學(xué)者選擇用深度學(xué)習(xí)來(lái)解決散射光成像中的有關(guān)問(wèn)題。如果將傳統(tǒng)散射光成像看作是一個(gè)前向傳播過(guò)程，則基于深度學(xué)習(xí)的散射光成像就是一個(gè)逆向的求解過(guò)程，通過(guò)建立合適的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)輸出的光場(chǎng)強(qiáng)度得到輸入的光場(chǎng)信息。

1.7.2 研究現(xiàn)狀

2015年，ANDOT等[67]在散射成像中首次引入深度學(xué)習(xí)，利用支持向量機(jī)對(duì)采集的人臉數(shù)據(jù)和非人臉數(shù)據(jù)的散斑強(qiáng)度圖進(jìn)行了分類(lèi)。2018年，LI Y.等[68]對(duì)不同散射介質(zhì)的散斑圖進(jìn)行訓(xùn)練，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可自主利用訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的統(tǒng)計(jì)特征實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型物體和不同散射介質(zhì)下的物體圖像恢復(fù)。2019年，LYU M.等[69]建立混合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（hybrid neural networks, HNN）模型，在強(qiáng)散射介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)對(duì)隱藏目標(biāo)的恢復(fù)，如圖22所示，HNN重建結(jié)果與原始圖像相似，而在相同條件下基于光學(xué)記憶效應(yīng)的重建結(jié)果并不能恢復(fù)出圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明基于深度學(xué)習(xí)的散射光成像恢復(fù)范圍比光學(xué)記憶效應(yīng)范圍廣。深度學(xué)習(xí)中通過(guò)訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重建圖像需要系統(tǒng)保持恒定，考慮實(shí)際應(yīng)用，需要訓(xùn)練出能對(duì)多個(gè)散射系統(tǒng)適用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。2021年，華僑大學(xué)LAI等人[70]在不同種類(lèi)物體和不同種類(lèi)散射介質(zhì)的恢復(fù)問(wèn)題中引入遷移學(xué)習(xí)思想，通過(guò)訓(xùn)練來(lái)自多模光纖（multimode fiber，MMF）的數(shù)據(jù)，將其遷移至散射介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)不同物體、不同散射介質(zhì)下的圖像恢復(fù)。

圖21 含多個(gè)隱層的深度學(xué)習(xí)模型[65-66]

Fig.21 Deep learning model with multiple hidden layers[65-66]

圖22 字符重建結(jié)果[69]

相比于傳統(tǒng)散射光成像，基于深度學(xué)習(xí)的散射光成像表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)強(qiáng)度測(cè)量即可實(shí)現(xiàn)透散射介質(zhì)成像，且在強(qiáng)散射介質(zhì)情況下能夠獲得較大視場(chǎng)的成像等；但該方法仍然存在不足之處，深度學(xué)習(xí)并不能解釋光在散射介質(zhì)中傳播的物理規(guī)律，計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)、成本高、靈活性較弱，此外，訓(xùn)練較好的網(wǎng)絡(luò)對(duì)其他系統(tǒng)并沒(méi)有很好的適應(yīng)性，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不能根據(jù)成像環(huán)境的改變而自動(dòng)調(diào)整參數(shù)。

1.8 各種水下成像技術(shù)的對(duì)比

目前，水下光電成像主流技術(shù)包括：距離選通光電成像技術(shù)、激光同步線掃描技術(shù)、結(jié)構(gòu)光成像技術(shù)、多視角圖像重構(gòu)技術(shù)、散射計(jì)算光學(xué)技術(shù)、偏振光成像技術(shù)、水下鬼影成像技術(shù)以及基于深度學(xué)習(xí)水下成像技術(shù)等。經(jīng)過(guò)對(duì)上述主流光電成像技術(shù)的原理及發(fā)展的闡述，再進(jìn)一步歸納總結(jié)了各種水下光電成像技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，如表1所示。

表1 各種水下光電成像技術(shù)的對(duì)比

2 探測(cè)器對(duì)比分析

經(jīng)過(guò)對(duì)上述參考文獻(xiàn)中采用的各種水下光電成像系統(tǒng)/探測(cè)系統(tǒng)分析可知，在激光線掃描技術(shù)（LLS）系統(tǒng)的接收器一般采用光電倍增管或高速成像的條紋管作為成像器件；雙光子量子糾纏中一般采用干冰制冷的蓋革模式的雪崩光電二極管作為探測(cè)器記錄信號(hào)信息；在水下鬼成像系統(tǒng)中一般采用桶探測(cè)器進(jìn)行單光子探測(cè)；在水下低照度高靈敏度鬼影成像系統(tǒng)中一般采用了CCD作為探測(cè)器；通過(guò)深度學(xué)習(xí)的散射介質(zhì)壓縮鬼成像的探測(cè)器一般采用單光子探測(cè)器（single photon detector, SPD）；基于多尺度生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算鬼成像系統(tǒng)中一般采用光電倍增管；瞬時(shí)鬼成像中為了降低背景噪聲提高鬼成像的魯棒性，首先對(duì)532nm的激光進(jìn)行分束，然后用兩個(gè)CMOS器件分別作為參考探測(cè)器和甄別探測(cè)器，然后采用算法進(jìn)行降噪；基于陣列采樣的計(jì)算鬼成像系統(tǒng)中為了提高成像質(zhì)量和響應(yīng)速度慢的問(wèn)題，采用計(jì)算鬼成像方法與多個(gè)不同規(guī)格的陣列傳感器進(jìn)行采樣相結(jié)合的方法取得了較好效果；基于生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)的水下鬼成像中采用生產(chǎn)對(duì)抗性網(wǎng)絡(luò)的方法提高圖像質(zhì)量，在探測(cè)器中一般采用多層陣列型探測(cè)器組成探測(cè)器組解決水下光能量低，探測(cè)難度大的問(wèn)題。

總體來(lái)說(shuō)，探測(cè)器主要有非成像型探測(cè)器和成像型探測(cè)器兩大類(lèi)。其中，非成像型探測(cè)器包括光電倍增管、雪崩光電二極管、單光子探測(cè)器，成像型探測(cè)器包括微光像增強(qiáng)器、電荷耦合器件（charge coupled device, CCD）和互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（complementary metal oxide semiconductor, CMOS）等。

光電倍增管[71]是一種真空玻璃管，由入射窗、光陰極面、倍增系統(tǒng)和陽(yáng)極等部分組成，如圖23所示。光透過(guò)入射窗后到達(dá)光陰極面，由于光電效應(yīng)光子轉(zhuǎn)換為電子，經(jīng)過(guò)聚焦電極和各倍增極后實(shí)現(xiàn)電子倍增（二次電子倍增），最后由陽(yáng)極輸出電流信號(hào)。光電倍增管的靈敏度、暗電流、響應(yīng)時(shí)間、增益及線性度都表現(xiàn)得極其優(yōu)秀，但是由于光電倍增管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其電子倍增部分尺寸較大而且電子倍增過(guò)程中還需要高電壓，使其不利于水下探測(cè)器件的集成化。

圖23 傳統(tǒng)光電倍增管結(jié)構(gòu)圖[71]

Fig.23 Structure diagram of traditional photomultiplier tube[71]

雪崩光電二極管[71]是具有內(nèi)部光電流增益的半導(dǎo)體光電子器件，其工作原理如圖24所示，光生載流子在二極管耗盡層內(nèi)的碰撞電離效應(yīng)而獲得光電流的雪崩倍增。但是載流子在耗盡層中獲得的雪崩增益越大，雪崩倍增過(guò)程所需的時(shí)間就越長(zhǎng)。因此雪崩光電二極管在高增益情況下，往往靈敏度和響應(yīng)時(shí)間就表現(xiàn)得一般。其次由于其暗電流較大會(huì)引入更多的噪聲，進(jìn)而影響最終的成像質(zhì)量。

圖24 雪崩光電二極管工作原理[71]

單光子探測(cè)器[71]是一種對(duì)微弱光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)的設(shè)備，輸入光強(qiáng)度最低可到單光子水平，一般應(yīng)用于信號(hào)強(qiáng)度僅為幾個(gè)光子能量級(jí)的探測(cè)中。其工作原理是利用工作于蓋革模式下的InGaAs/InP雪崩光電二極管進(jìn)行單光子探測(cè)。單光子探測(cè)器在水下探測(cè)時(shí)有著不錯(cuò)的靈敏度、響應(yīng)時(shí)間以及增益，但是也會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)不小的噪聲。微光像增強(qiáng)器[71]的工作原理如圖25所示，微弱光射在光電陰極上發(fā)射出光電子，光電子經(jīng)過(guò)偏置電壓加速后進(jìn)入微通道板，高速電子射到微通道板內(nèi)壁時(shí)，連續(xù)與內(nèi)壁體內(nèi)電子碰撞使電子受激而逸出表面，形成倍增電子，倍增后的電子撞擊熒光屏轉(zhuǎn)化為光子，即電子轉(zhuǎn)化光子。由于其光陰極產(chǎn)生的光電子是信號(hào)源，因此在倍增過(guò)程中實(shí)際上是對(duì)信號(hào)進(jìn)行了倍增，噪聲沒(méi)有倍增，因而具有較高的信噪比，其光陰極響應(yīng)很快，光陰極靈敏度高，在微弱光探測(cè)成像方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外水下探測(cè)成像領(lǐng)域中均有應(yīng)用，各項(xiàng)性能指標(biāo)均表現(xiàn)得不錯(cuò)。

CCD與CMOS傳感器[72]是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，兩者都是利用光電二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而其主要差異是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳送的方式不同。CCD傳感器中每一行中每一個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出[71]，其工作原理可以通過(guò)如圖26所示的模型表示；而在CMOS傳感器中，每個(gè)像素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類(lèi)似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。使用過(guò)程中每個(gè)像素中的光電二極管同時(shí)又充當(dāng)了電容，無(wú)光照時(shí)電容會(huì)釋放電荷從而產(chǎn)生暗電流。

圖25 微光像增強(qiáng)器工作原理[71]

圖26 CCD工作原理模型[71]

針對(duì)探測(cè)器所需具備的性能要求，通過(guò)對(duì)探測(cè)器工作環(huán)境分析可知：①水下對(duì)波長(zhǎng)在530nm附近的藍(lán)綠光吸收較弱，即在此波段透過(guò)率較高，所以就必須要求探測(cè)器在530nm波長(zhǎng)處具有較高的靈敏度；②水下藍(lán)綠光信號(hào)比陸地上還微弱，因此還應(yīng)具備高分辨率、低噪聲、高增益的特點(diǎn)，即能夠?qū)崿F(xiàn)在保證低噪聲的同時(shí)下獲得較好的增益效果；③探測(cè)器應(yīng)具備較寬范圍的、良好的線性度，以及較快的響應(yīng)速度，即在一個(gè)較寬的變化范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)輸入光照增加，輸出圖像或信號(hào)的迅速成倍增加，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)成像。據(jù)此，可以得出結(jié)論，探測(cè)器需要具備高速外觸發(fā)功能、高分辨率、高靈敏度、低噪聲、足夠的增益動(dòng)態(tài)范圍。綜合上述各種水下光電探測(cè)器的性能，對(duì)比分析如表2所示。

為了獲得較高成像質(zhì)量且便于集成化，可以選擇微光像增強(qiáng)器作為水下光電成像探測(cè)器。目前常用的像增強(qiáng)器一般為三代微光像增強(qiáng)器和超二代微光像增強(qiáng)器，這兩種微光像增強(qiáng)器在波長(zhǎng)532nm處的量子效率通常只有10%～20%，但是如果更換光陰極材料為GaAsP材料[73]，波長(zhǎng)532nm處的量子效率可大大提高。GaAsP基于外光電效應(yīng)原理工作，具備響應(yīng)速度快、噪聲低的特點(diǎn)，且直徑18mm有效面積的GaAaP光陰極光譜響應(yīng)0.4～0.8mm，在0.53μm波長(zhǎng)處量子效率達(dá)到58.8%，采用GaAsP光陰極制作的微光像增強(qiáng)器積分靈敏度達(dá)到1600mA/lm，分辨率達(dá)到50lp/mm，該類(lèi)像增強(qiáng)器高藍(lán)綠光響應(yīng)既適用深海目標(biāo)探測(cè)，寬光譜響應(yīng)又適應(yīng)于長(zhǎng)波范圍淺水目標(biāo)探測(cè)。根據(jù)作用距離的前人經(jīng)驗(yàn)公式可得出結(jié)論，微光像增強(qiáng)器水下光電成像的作用距離可以大大提升。

表2 各種水下光電成像/探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)器的對(duì)比分析

通過(guò)改變光陰極電壓、MCP輸出端電壓對(duì)單MCP和雙MCP微光像增強(qiáng)器的輻射增益分別進(jìn)行了測(cè)試分析，雙MCP像增強(qiáng)器的輻射增益會(huì)比單MCP像管的輻射增益高100倍[74]。如果引入雙微通道板技術(shù)就能夠?qū)崿F(xiàn)電子增益達(dá)到104～106量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)高增益特性。再通過(guò)技術(shù)優(yōu)化可以顯著提升微通道板的線性度和動(dòng)態(tài)范圍，從而可達(dá)到了水下探測(cè)成像系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器應(yīng)該具備的低噪聲、高靈敏度、高增益、高線性度的特性要求[73-74]，可以預(yù)測(cè)GaAsP光陰極雙微通道板像增強(qiáng)器會(huì)成為未來(lái)水下探測(cè)器發(fā)展的一個(gè)重要方向。

3 結(jié)論

水下光電成像技術(shù)以其分辨能力高、直觀快速地傳遞目標(biāo)與景物的二維乃至三維信息，且輸出圖像更符合人的視覺(jué)與心理特征等特點(diǎn)具有廣泛的應(yīng)用需求。由于光在水中散射強(qiáng)，水下光電探測(cè)需要多維度探測(cè)光場(chǎng)信息且需要使用高性能的探測(cè)器才能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離、更清晰、實(shí)時(shí)成像。其中，主動(dòng)距離選通利用微光像增強(qiáng)器探測(cè)照度閾值低、響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)水下快速高質(zhì)量成像；水下偏振成像探測(cè)利用目標(biāo)和背景之間偏振差異，可以解析出更多的目標(biāo)信息；水下鬼成像利用光場(chǎng)二階相關(guān)性成像，抗干擾能力強(qiáng)、水下探測(cè)距離遠(yuǎn)但需要雙光路，使用不便；計(jì)算成像通過(guò)保持物體光束并利用計(jì)算的場(chǎng)模式來(lái)使得成像質(zhì)量更佳。各種水下光電成像技術(shù)都各有其特點(diǎn)，可以將各個(gè)成像技術(shù)相互借鑒相互融合，可以利用主動(dòng)式距離選通微光成像技術(shù)搭配水下目標(biāo)偏振特性主被動(dòng)探測(cè)或者計(jì)算鬼成像方式，最后由具有高速解算能力的深度學(xué)習(xí)計(jì)算系統(tǒng)解算目標(biāo)信息也許會(huì)成為未來(lái)水下實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離、高分辨力成像的技術(shù)實(shí)現(xiàn)途徑之一。

為了提高成像質(zhì)量且易于集成，可以采用微光像增強(qiáng)器作為水下光電成像探測(cè)器。藍(lán)綠光敏感GaAsP光陰極雙微通道板像增強(qiáng)器光譜響應(yīng)匹配水下透射窗口，波長(zhǎng)530nm處量子效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前常用的三代與超二代微光像增強(qiáng)器，且其積分靈敏度、分辨率均達(dá)到了較高水平。藍(lán)綠光敏感GaAsP光陰極雙微通道板像增強(qiáng)器具備低噪聲、高靈敏度、高增益、高線性度的特性要求，既適用深海目標(biāo)探測(cè)，寬光譜響應(yīng)又適應(yīng)于長(zhǎng)波范圍淺水目標(biāo)探測(cè)，建議可以將其應(yīng)用到水下成像領(lǐng)域。

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Advances in Underwater Photoelectric Imaging Technology

SHI Feng1,2，CHENG Hongchang1,2，YAN Lei1,2，GUO Xin1,2，LI Shilong1,2，QIU Hongjin1,2，DING Xiwen1,2

(1.,650223,; 2.,710065,)

With the increasing exploration, development, and utilization of China's oceans, rivers, and groundwater resources, as well as the increasingly urgent military need for sovereign defense in territorial waters, obtaining high-quality target images under long-distance underwater conditions has become an urgent problem to be solved in many fields, such as underwater environmental surveys, target detection, and enemy-self confrontation. Currently, the underwater imaging detection technology includes two main methods: acoustic and photoelectric detection. In this study, the current status of the main underwater high-resolution photoelectric detection imaging technology is studied, the advantages and disadvantages of different technical approaches are analyzed, and the photodetectors used in various underwater detection/imaging systems are compared. Combined with its own technical background, it is proposed that the development of a GaAsP photocathode dual microchannel plate image intensifier with high sensitivity, low noise, high gain, fast response, wide dynamic range, and good linearity should be accelerated to simplify the low sensitivity, high noise, low gain, and long processing time, owing to the poor performance of the detector in the photoelectric system, and accelerate the conversion speed of various new technologies into products and practical equipment. The results of this study support the development of underwater photoelectric imaging technology.

underwater detection, photoelectric imaging, detector

O439

A

1001-8891(2023)10-1066-18

2022-07-20；

2022-11-14.

石峰（1968-），男，博士，研究員，主要從事微光夜視技術(shù)研究。E-mail：shfyf@126.com。

程宏昌（1974-），男，博士，正高工，主要從事微光夜視技術(shù)研究。E-mail：chh600@163.com。