本文關鍵詞：便攜式水下連續(xù)光成像系統(tǒng)設計及成像質量增強技術研究

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【摘要】：水下連續(xù)光成像技術廣泛應用于海洋以及內陸江河湖泊的工程和科研領域,利用該技術設計的系統(tǒng)多搭載于水下機器人等水下探測設備中作為機器視覺。但是由于光在水中傳播受到吸收和散射的作用,系統(tǒng)的成像距離和成像質量受到嚴重的制約。盡管國內外學者利用同步掃描技術和距離選通技術獲得超過6倍衰減長度的成像距離,但是所耗費的巨額成本和系統(tǒng)龐大的體積使上述技術難以應用于便攜性要求較高的水下成像應用。設計一種便攜性和成像性能兼顧的水下連續(xù)光成像系統(tǒng)具有廣闊的應用前景。本論文基于國家縱向科研項目,從成像系統(tǒng)設計的各個環(huán)節(jié)出發(fā),研究并設計出一套便攜式水下連續(xù)光成像系統(tǒng),并通過大量的實驗研究,證明偏振成像技術作為圖像質量增強的硬件技術手段的可靠性。本論文首先利用經(jīng)典的水下成像模型詳細分析了水下成像過程,掌握成像系統(tǒng)接收信號組成及特點�；谠撍鲁上衲Ｐ偷南到y(tǒng)結構,對本課題組現(xiàn)有的蒙特卡羅水下探測模型進行改進,并增加偏振特征,獲得了帶有偏振特征的蒙特卡羅水下成像模型,實現(xiàn)對系統(tǒng)配置的模擬和主動偏振成像的仿真。為了對仿真和實驗的系統(tǒng)成像質量進行客觀評價,提出了利用對比度和調制傳遞函數(shù)分別作為成像對比度和分辨能力的評價標準,對系統(tǒng)在水下環(huán)境下的成像性能進行客觀的評定。根據(jù)本系統(tǒng)雙程光路的結構,利用改進的傾斜刃邊法從圖像結果中計算調制傳遞函數(shù),為后文的仿真和實驗結果的分析提供準確的評價標準。基于所建立的理論模型,采用綜合噪聲抑制技術對成像系統(tǒng)進行設計,并對系統(tǒng)所必需的光學參數(shù)進行了系統(tǒng)的仿真研究。通過仿真結果的比較,總結出系統(tǒng)各部分參數(shù)對成像質量的影響規(guī)律,并確定了參數(shù)配置范圍。據(jù)此設計并搭建了一套原理樣機。將樣機在不同水體條件下分別進行實驗研究,研究結果表明了仿真得出的參數(shù)配置的合理性,所設計的樣機獲得了實驗室水體4倍衰減長度,外場真實水體約2倍的衰減長度的成像距離。但是在成像清晰度和體積等方面不符合預期要求。根據(jù)原理樣機的實踐經(jīng)驗,對系統(tǒng)光源、成像器件、系統(tǒng)結構、水密設計等方面進行了大幅度的改進。改進后,體積縮小到原系統(tǒng)的三分之一,系統(tǒng)結構及參數(shù)配置更加合理。在系統(tǒng)組裝完成后,對該系統(tǒng)在實驗室條件水體和項目要求的典型水體進行了實驗研究,實驗過程體現(xiàn)了該系統(tǒng)便攜性的優(yōu)勢,并得到了在實驗室環(huán)境超過4倍衰減長度,真實水體約2.4倍衰減長度的成像距離的結果,達到了國際一流同類系統(tǒng)的性能指標。同時,成像系統(tǒng)的改進使得其不再是系統(tǒng)成像分辨能力的瓶頸。然而,系統(tǒng)的結構配置優(yōu)化對散射抑制方面仍存在極限,并且以上的研究都未提及對成像系統(tǒng)分辨能力的改進。本論文用圖像對比度和系統(tǒng)調制傳遞函數(shù)作為系統(tǒng)成像質量的衡量標準。為了能從根本上區(qū)分水體散射和目標信號,有效提高成像質量,將偏振成像技術引入到本系統(tǒng)中,研究該技術是否可以在提高對比度的前提下,提高系統(tǒng)成像分辨能力。利用已建立的偏振條件下的蒙特卡羅模型對偏振成像過程進行了仿真,得出了水體對光的不同偏振態(tài)的響應存在差異,合理選擇檢偏方式有助于提高系統(tǒng)成像分辨能力的結論。根據(jù)理論分析和原理樣機結構,搭建了一套水下主動偏振成像系統(tǒng),并自行設計了兩種不同表面偏振特性物體作為實驗目標。通過大量的實驗研究總結了檢偏方式在成像系統(tǒng)對兩種偏振特性的目標成像時的對比度與分辨能力的影響規(guī)律,并確定了低偏振度目標適合于正交偏振檢測,高偏振度目標適用于采用偏振差分算法來同時提高成像對比度和分辨能力。同時,根據(jù)非正交態(tài)差分算法的結果,得出了優(yōu)化偏振差分算法需要參考實際情況和系統(tǒng)特征的結論。以上分析證明了偏振技術在水下主動成像中應用,可以同時抑制后向散射和前向散射,從而對成像對比度和分辨能力同時提升。該結論對線偏振照明和圓偏振照明皆有效。此研究為進一步提高樣機的性能提供了一種簡便而充滿潛力的技術方法。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.41

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本文編號：1270548