大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116086
为了研究浑浊水体对成像质量的影响，利用单次Mie散射理论和蒙特卡罗法，在融合几何光学成像的基础上提出一种理论分析方法。该方法分析不同波长的点光源在不同粒径不同浓度的浑浊水体环境传输时的成像特征。结果表明：波长分别为456 nm、524 nm、620 nm的点光源经相同的水体环境和无散射环境进行偏振成像传输时，波长为456 nm的点光源的成像效果最好；波长为456 nm的点光源经过散射粒径大小分别为1 μm和2 μm的浑浊水体时，线偏振光的成像效果优于圆偏振光，圆偏振光优于自然光；当穿过散射粒径为3 μm、4 μm、5 μm的浑浊水体时，自然光成像效果最好，线偏振光成像效果最差。从理论上分析了不同波段的点光源经过不同水体进行偏振成像传输的成像效果，为水下偏振成像技术提供了新的思路和方法。
偏振传输 可见光波段 蒙特卡罗法 水下成像 偏振保持性 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411013
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
2 天津大学海洋科学与技术学院，天津 300072
水体中悬浮粒子对光的散射导致浑浊水下成像质量下降。偏振光学成像技术可基于偏振信息分离散射光和信号光，是浑浊水下成像的有效方法。然而，现有的水下偏振成像技术主要从空域分离散射光和信号光，对于散射光的抑制效果较为有限。利用散射光和信号光在频域的差异性，基于对偏振图像频谱信息的处理实现了对后向散射光的有效抑制，从而实现了成像清晰度的显著提升。在不同浑浊程度水体环境下对于不同物体开展了多组实验，实验结果表明，所提方法相对于传统的水下偏振成像方法可更好地抑制后向散射光和凸显物体信号光，最终实现在浑浊水体环境下的清晰成像，尤其对于高浑浊水体，成像清晰度提升效果明显。
偏振成像 水下成像 频谱 后向散射光 光学学报
2023, 43(18): 1811001
光子学报
2022, 51(12): 1211002
地球上海洋面积约占70%, 海面之下蕴含着大量的资源待人类探索、开发和利用。但由于水下环境复杂多变, 想要对水下世界进行探索和发现并不简单。偏振成像技术因其与传统光学成像技术相比具有多维偏振矢量信息, 一经提出便广受学术界关注, 这也促成了水下偏振探测及处理技术的蓬勃发展。在对水下目标物进行成像时, 因为水体中大量微粒和一些可溶性物质会对光产生吸收和散射作用, 导致进入接收器的光能量发生严重衰减, 致使水下图像模糊不清、质量不佳很难达到实际应用需求。文章通过研究不同类型光照条件下水下目标的偏振成像特性, 使用CMOS相机在不同类型光源的照射下对目标物分别进行水下偏振成像; 再对采集到的不同角度的偏振图像运用Stokes矢量法计算得到其偏振度、偏振角和反射光总光强等偏振分量图像; 通过图像融合的方式对获取到的偏振信息图像进行融合以结合不同偏振矢量图像的优势信息; 最后使用拉普拉斯边缘增强技术对融合图像进行增强进而实现退化图像的复原。
水下成像 偏振 斯托克斯矢量 图像融合 underwater imaging polarisation stokes vector image fusion
光子学报
2022, 51(11): 1101001
四川大学电子信息学院激光微纳工程研究所，四川 成都 610065
水下成像技术在**、海洋开发和工程应用中发挥着重要的作用。然而，传统成像方法在传播过程中会受到吸收、散射、湍流和复杂的光与物质相互作用效应的影响，进而难以获得清晰的水下图像。近年来，水下鬼成像逐渐成为研究热点，它采用无空间分辨能力的桶探测器，通过关联算法来获取目标的空间分布。与传统阵列成像相比，鬼成像具有灵敏度高、抗干扰和工作波长宽等特点，在弱光、特殊波段和提高成像距离等方面具有显著优势。综述了近年来水下鬼成像的研究进展，重点讨论了其发展历程、光路结构和关键技术，分析了影响水下鬼成像质量的因素和提升方法，并对水下鬼成像的未来应用方向进行了展望。
海洋光学 鬼成像 水下成像 单像素成像 压缩感知 深度学习 光学学报
2022, 42(17): 1701003
1 国防科技大学 电子科学学院，湖南 长沙 410073
2 中国科学院西安光学精密机械研究所 超快诊断技术重点实验室，陕西 西安 710119
3 中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南 郑州 450047
4 西北工业大学 光学影像分析与学习中心，陕西 西安 710072
5 国防科技大学 气象海洋学院，湖南 长沙 410073
针对水下目标探测应用场景，给出了相应的532 nm波长激光雷达系统参数，结合条纹管激光雷达和载波调制激光雷达的优点，设计研制了一套水下三维成像增程激光雷达原理样机。相对于常见的微波调制激光产生高频脉冲的方案，该原理样机采取调Q技术压缩激光脉冲，再结合F-P腔的特性产生高频激光脉冲，具有峰值功率高和输出能量高的优点。实验结果表明，该原理样机在清水环境中成像距离优于20 m，能够捕捉到13 m处直径9 mm的目标细节；在浊水环境中的信号处理增程能力达到81.4%，相对距离分辨误差为0.01 m。所获得的实验结果为进一步提升水下激光雷达的成像距离和分辨率进而发展水下成像装备奠定了基础。
高分辨率 水下成像 激光雷达 增程 high resolution underwater imaging lidar range-extended 红外与激光工程
2022, 51(3): 20210204
Author Affiliations
Abstract
1 School of Physics and Optoelectronic Engineering, Xidian University, Xi’an 710071, China
2 Xi’an Key Laboratory of Computational Imaging, Xi’an 710071, China
3 Academy of Advanced Interdisciplinary Research, Xidian University, Xi’an 710071, China
4 State Key Laboratory of Optical Engineering, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China
Polarization underwater imaging is of great potential to target detection in turbid water. Typical methods are challenged by the requirement on degrees of polarization (DoPs) of both target light and backscattering. A polarization descattering imaging method was developed using the Mueller matrix, which in turn derived a depolarization (Dep) index from the Mueller matrix to characterize scattering media by estimating the transmittance map by combining a developed optimal function. By quantifying light attenuation with the transmittance map, a clear vision of targets can be recovered. Only using the information of scattering media, the underwater vision under diverse water turbidity was enhanced by the results of experimental data.
Mueller matrix scattering depolarization underwater imaging Chinese Optics Letters
2022, 20(2): 022601
青岛大学计算机科学技术学院, 山东 青岛 266071
依据完整的水下光学成像模型,提出一种新的基于红通道稀疏先验的变分盲复原方法。为了能同时克服水下场景中因水体流动及悬浮颗粒对光的散射和吸收作用而引起的雾化、对比度低、色彩失真及模糊等退化问题,变分能量方程中引入不同功能的规则项。首先,根据水下光学成像模型的直接分量和后向散射分量得到拟恢复图像,将其作为图像色彩恢复的导向图;然后基于前向散射分量建立变分能量方程的数据保真项,利用水下图像红通道稀疏性先验引入L0范数并作为去模糊规则项。为了提高多规则项、多变量变分模型的运算效率,利用交替方向乘子法对其进行迭代求解。实验结果表明,本文方法不仅在去雾、提升对比度、恢复色彩方面效果出色,并能有效去除图像模糊,改善清晰度。
图像处理 完整水下成像模型 红通道稀疏先验 盲复原 变分模型 交替方向乘子法 激光与光电子学进展
2021, 58(16): 1610014
1 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
2 西安市计算成像重点实验室, 陕西 西安 710071
3 中国科学院光束控制重点实验室, 四川 成都 610209
受水体自身吸收和悬浮颗粒强散射的作用,水下光学成像存在严重的“帷幔效应”,造成场景中目标细节信息被淹没在背景散射光中,图像对比度大幅降低。由于目标和背景信息所具有的唯一性和差异性,从光场的偏振特性发展出的水下偏振成像技术可以对水下背景散射光进行有效抑制,利用目标信息光与背景散射光的偏振差异特性将二者有效分离,实现清晰化成像。目前,水下偏振成像技术发展迅猛,已在众多领域具有广泛应用和全新的研究成果。系统地介绍了水下偏振成像技术的基本原理、实现算法和成像效果,并依据现有技术的优缺点对水下偏振成像技术的未来发展进行分析展望。
物理光学 偏振 水下成像 散射 图像清晰度 激光与光电子学进展
2021, 58(6): 0600001
