為直觀、全面、系統(tǒng)地分析設(shè)備參數(shù)、水體光學(xué)傳輸特性和目標(biāo)反射特性對(duì)水下激光主動(dòng)成像的影響,為水下光電成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供可視化參考依據(jù),建立了水下激光主動(dòng)成像的可視化模型。該模型基于蒙特卡羅方法追蹤整個(gè)水下成像過程中光子的狀態(tài)變化,分別采用幾何光學(xué)近似和隨機(jī)碰撞原理模擬隨機(jī)粗糙表面和水體懸浮粒子對(duì)光的散射,并通過高斯物像公式獲得最終的仿真圖像,實(shí)現(xiàn)水下目標(biāo)激光成像的可視化。為驗(yàn)證仿真結(jié)果,對(duì)在實(shí)驗(yàn)室受控水箱環(huán)境中獲得的實(shí)際圖像與相同參數(shù)條件下的模擬圖像進(jìn)行比較。結(jié)果表明,仿真圖像與實(shí)驗(yàn)圖像具有相同的特征及變化規(guī)律,表明該模型較好地模擬了水下激光主動(dòng)成像的過程,準(zhǔn)確度較高、可用性較好。 

【文章來源】：中國激光. 2020,47(05)北大核心

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

水下激光成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖7所示為3種水質(zhì)中目標(biāo)區(qū)域圖像的仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果,第一行為仿真結(jié)果,第二行為實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從左至右所對(duì)應(yīng)的水體水質(zhì)分別為I、II、III。主觀上比較,由圖7可知,隨著水質(zhì)的變差,目標(biāo)區(qū)域的清晰度逐漸降低,由于水體的多次散射作用,目標(biāo)表面被照亮的面積增大,仿真圖像和實(shí)驗(yàn)圖像的變化趨勢(shì)一致�？陀^上,采用無參考圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)BRISQUE[17]對(duì)目標(biāo)區(qū)域圖像進(jìn)行計(jì)算,并比較同一種水質(zhì)下的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差。計(jì)算結(jié)果如表2所示,隨著水質(zhì)的變差,仿真和實(shí)驗(yàn)圖像的BRISQUE參數(shù)都呈增大趨勢(shì),表明隨著水體散射系數(shù)增大,目標(biāo)區(qū)域的圖像的對(duì)比度降低,仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最大相對(duì)誤差為2.71%。

圖8所示為同時(shí)包含目標(biāo)及后向散射光的總體仿真和實(shí)驗(yàn)圖像,為了便于觀察仿真結(jié)果,第一、二列分別列出三維仿真圖像和二維仿真圖像,第三列為實(shí)驗(yàn)圖像,第一至三行所使用的水體水質(zhì)分別為I、II、III。主觀比較圖8(a)、(d)、(g)可知,隨著水體散射系數(shù)增大,后向散射光的強(qiáng)度逐漸增強(qiáng),且目標(biāo)的前向散射光也顯著增強(qiáng)�？陀^上,為了比較目標(biāo)強(qiáng)度與水體后向散射光強(qiáng)度的關(guān)系,對(duì)所有的圖像進(jìn)行歸一化,如圖8(i)所示,框選出了5塊區(qū)域,計(jì)算所有仿真和實(shí)驗(yàn)圖像在這些區(qū)域內(nèi)的歸一化光強(qiáng)的均值,區(qū)域1為目標(biāo)光斑中心,平均光強(qiáng)設(shè)為It,區(qū)域2～5為成像距離逐漸減小的后向散射光區(qū)域,設(shè)平均相對(duì)光強(qiáng)為Ib。計(jì)算每幅圖像后向散射光與信號(hào)光的比值,計(jì)算結(jié)果如圖9所示。由圖9可知:隨著水體散射系數(shù)的增大,Ib/It增大。當(dāng)散射不太強(qiáng)時(shí),后向散射光的強(qiáng)度分布幾乎不隨成像距離變化,但當(dāng)散射足夠強(qiáng)時(shí),后向散射光的強(qiáng)度隨著成像距離的增大迅速減弱,仿真圖像和實(shí)驗(yàn)圖像均符合以上趨勢(shì)。但是在水質(zhì)I、II條件下,目標(biāo)和后向散射光的相對(duì)光強(qiáng)仿真結(jié)果較好;在水質(zhì)III條件下,仿真圖像的后向散射光平均光強(qiáng)的變化率大于實(shí)驗(yàn)圖像。分析可能跟所加入的SiO2微球的沉降有關(guān),根據(jù)沉降速率測(cè)量結(jié)果,所加入粒子的濃度越大,沉降越快,所以在水質(zhì)III下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),實(shí)際的散射系數(shù)可能比標(biāo)定的值偏小,這導(dǎo)致后向散射光強(qiáng)度上升的速率降低。圖9 區(qū)域2～5的后向散射光與目標(biāo)區(qū)域的

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]同步掃描水下激光成像系統(tǒng)的蒙特卡洛仿真及優(yōu)化[J]. 肖國梁,屠大維,張旭.  激光與紅外. 2019(08)
[2]一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水下光電圖像質(zhì)量優(yōu)化方法[J]. 張清博,張曉暉,韓宏偉.  光學(xué)學(xué)報(bào). 2018(11)
[3]云霧后向散射激光回波特性研究[J]. 王鳳杰,陳慧敏,馬超,龍胤宇.  紅外與激光工程. 2018(05)
[4]蒙特卡洛仿真的水下激光通信信道特性[J]. 黃愛萍,張瑩珞,陶林偉.  紅外與激光工程. 2017(04)
[5]水下藍(lán)綠激光傳輸?shù)乃p系數(shù)與水體濁度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 丁琨,黃有為,金偉其,金凱佳,李海蘭.  紅外技術(shù). 2013(08)
[6]基于微面斜率法的粗糙表面半透明介質(zhì)層光譜散射特性分析[J]. 陳學(xué),孫創(chuàng),夏新林.  光學(xué)學(xué)報(bào). 2012(12)
[7]粗糙表面計(jì)算機(jī)模擬[J]. 陳輝,胡元中,王慧,王文中.  潤滑與密封. 2006(10)

碩士論文
[1]基于Metropolis的CBCT光子輸運(yùn)快速蒙特卡羅模擬[D]. 陳宇思.南方醫(yī)科大學(xué) 2018



本文編號(hào)：3090090