水的光学特性对水下光学成像质量影响的分析

2013-09-26张辉

电子测试 2013年20期

张辉

（中船重工750试验场，云南昆明，650051）

水下光学成像技术是当前探索水下奥秘的基本方法之一，在生物学、地质学、港口工程等多个领域内有重要的意义，但由于水本身的性质，其作为介质时的光学性质与空气有所不同，光线在水下传播时水体对光线的吸收和后向散射会造成很大的图像噪声，降低图像质量，加之传输距离有限，一般的成像系统在水中使用时像差会发生变化，色差和畸变明显增大，成像质量差，图像清晰度低，因此有必要对水的光学特性及其对水下光学成像质量的影响进行研究，以为适用于水下环境的特殊成像系统的研制提供理论基础。

1 水的光学特性

光在水介质和空气介质中的传输有着较大的差异，介质的密度对光的吸收和散射有着很大的影响，空气的密度小因而对光的吸收和散射也相对较小，水的密度为空气的800多倍，对可见光有着严重的吸收和散射作用。水对光波的散射和吸收可造成光在水中的衰减，即使是在最纯净的水中，水对光也有着严重的衰减，且是按指数规律迅速衰减，水介质对光的衰减特性通常是使用衰减长度表示。

1.1 水对光的吸收

光束在水中传播时，水分子及水中各种颗粒、粒子等对光有着吸收作用，在这一作用中，水分子发挥着重要的作用，在不同的光谱区域水分子对光的吸收具有明显的选择性，纯净的水对光的吸收是光波长的复杂函数，对紫外线和红外部分表现出强烈的吸收，其峰值位于红外波段，在可见光谱区段，吸收最大的是红、黄和淡绿色光谱区。较为纯净的水和清洁的海洋水在光谱的蓝绿光区域波长为462-475nm的蓝光为吸收的最小值，衰减最少，但由于水对光吸收的宽带效应，即便是在存在着吸收最小值的区域水的吸收也可使光的强度以每米约4%的速度衰减，其他颜色的光衰减更多，通常在几米之内就完全消失。

1.2 水对光的散射

光束在水下传播时水分子及水中各种颗粒、粒子等对光还有着严重的散射作用，这使得水下光学成像更加复杂。水中散射包括纯水本身对光产生的散射和水中悬浮粒子引起的散射，主要有前向散射和后向散射，前者是光在水中传播的过程中遇到水中悬浮粒子后发生的光向前的散射，后者是遇到悬浮粒子后发生的向后的散射。

水对光的吸收使光子在能量转变为热能时消失，从而造成光束能量的衰减，但并不会影响到接受到的信息，不影响像的衬度。而发生散射时，被散射的光子并未消失而是改变了传播路径，多次散射中被散射到光束外后还可能再散射回直射光中，这增加了像的照度，但叠加入直射光中的散射光会湮没直射光，降低像的衬度，使成像系统不能接受到有用的信息。同时水对光的散射还会随着照明的增强而更加严重，使得通过增加直射光强度来提高水下成像距离的方法难以实现。

2 水的光学特性对水下光学成像质量的影响

2.1 水中光衰减对光学成像的影响

光在水中的衰减是在吸收和散射这两个不相关的物理过程作用下发生的，光子消失的过程称为吸收，被吸收的光子转化为热能从光束中被吸收，光子前进方向发生变化称为散射，除散射粒子外，水折射率的微小变化也可能引起光的散射，被散射的光子不同于被吸收的光子，其并未消失且有可能再次叠加入光束中，通常水对光的散射引起的光衰减多于水对光的吸收引起的光衰减，在清澈透明的水中，水中光衰减有60%是由散射引起，40%为吸收引起，而在浑浊的水中，由于悬浮粒子的增加，水对光散射增强，由散射引起的光衰减还会增加。

单色平行光束光衰减可用朗伯定律表示，单色平行光束在某水层中传输L路程后的光强I可用下式一表示：

式中Io为某水层的光强，α为体积衰减系数，单位为m-1，表示光在水中传输1m后能量衰减的自然对数，包括吸收和散射两个过程，以公式表示为：

式中a为吸收系数，b为衰减系数。水中光衰减是波长的复杂函数，在纯净的蒸馏水中可见光谱区域中的体积衰减系数α和衰减长度L的关系如下图1所示。

图1 蒸馏水中可见光谱区域中的体积衰减系数α和衰减长度L的关系

从上图中可看出在480nm-500nm光谱区域内水中光的衰减系数最小，据前人研究结果发现在此区域内蒸馏水的衰减系数约为0.037 m-1，清洁的海水衰减系数约为0.05 m-1，此波段内的光衰减比起其他光波段小得多，证实在海洋中存在着一个类似于“大气窗口”的透明“水下窗口”，而根据这一物理现象，在开发研制水下成像系统时即可利用工作在蓝绿光波段的系统研究出基于此物理原理下水下视觉的各种技术。

2.2 水中光的吸收特性对光学成像的影响

水分子是极化分子，在紫外和红外谱带上有着强烈的由电子激发的紫外共振和由分子激发的红外共振，因此对此区域吸收强烈，尤其是对红外的吸收十分强烈。水对光吸收宽带效应使得光在水中传播时虽然不存在光在空气传播中存在的“窗口”，但在蓝绿区域水对光的吸收达到最小值，习惯上将此区域认为是光在水中传播时的“窗口”。

光束在水中传播时，水对光的选择性吸收，使得白光照射下，随着拍摄物体所处深度的增加其颜色也会发生变化，通常在水下1-2m内近距离拍摄时，物体的颜色基本可以较好地反映出来，而超过2m后被拍摄物体的颜色就会发生变化，一般在水下6m时红色就会基本消失，在水下20m时黄色会消失，同时红色会变成黑色，在30m时物体基本完全变成蓝色或者蓝绿色，因此在水下拍摄时，要进行彩色摄影需使用光谱滤色镜等进行一些彩色校正措施，远距离拍摄时则通常采用黑白图像。

2.3 水中光的散射特性对光学成像的影响

水对光的散射可对成像距离增加困难，使图像对比度下降，随着成像距离的增大，水下成像的画面反差随之降低，细节画面也会随距离增加而更模糊。

水对光的散射系数与散射粒子的大小相关，水中散射粒子的大小分布是不一致的，水分子、可溶性物质、悬浮的无机颗粒、微生物等可对光产生散射作用的粒子大小从零点几纳米到几毫米不等，对于水分子来说，其对光的散射遵循瑞利散射规律，即是散射光强B与入射波长λ的四次方成反比，以SR表示瑞利散射系数，而用公式可表为：

在波长为480nm时，水分子引起的瑞利散射衰减系数约为0.004m-1，而纯净的蒸馏水光束的有效衰竭系数约为0.037 m-1，可知水分子的瑞利散射衰减只是水中光衰减中的一小部分。

水中对光束可产生散射作用的散射粒子直径与入射光波长接近时，散射粒子对光的散射存在着一个复杂的共振状态，此时散射光强与波长几乎没有关系，而遵循米氏散射定律，其衰减系数SM以公式可表示为：

式中R表示散射粒子半径，N为每立方米水体中的离子数，Ks为实际散射截面与几何截面的比值，当散射粒子的尺度远大于波长时，近似考虑为散射截面与几何截面相等，即Ks取1。

光在水中传播的过程中，再被吸收消失之前可遇到很多的散射粒子，发生多次散射，多次散射总效应的计算是复杂的过程，通常只能通过实验和定性的方法得出。光在水中传播的过程中散射部分主要是由环境光散射和照明光散射组成的，而照明光的散射部分是导致图像衬度变差的主要原因。

2.4 水中照明对光学成像的影响

水中照明有自然光源和人工光源，自然光源在水中传播时，随着深度增加更为分散直至趋于只与天顶角相关的渐进分布，在浅层水摄影中，若天气为晴朗的白天，则自然光所提供的照明已足够进行水下拍摄，而在深层水拍摄或夜晚摄影时，水下的光照度很低，水下使用成像系统时绝大多数情况下需要照明系统，因此有必要将水下照明对光学成像的影响进行考虑。水下照明人工光源一般认为是点光源，水下拍摄物体时，目标所受到的光源照度It可用公式表示为：