水下成像探测能量阈值的分析

刘艳

（91550部队，大连 116021）

水下成像探测能量阈值的分析

刘艳

（91550部队，大连 116021）

近年来，水下成像系统已成为海洋开发中必不可少的探测设备。在水下要清晰成像，成像接收器件接收到的能量必须满足能量阈值的要求。以光在海水中的传输特性为基础，分析光的能量传递过程，深入研究了水下成像接收器最低灵敏度与光子传递能量阈值关系。研究结果表明，可根据目标物的特性，科学设计辅助光源、选取摄像机的参数，合理布设光源、摄像机的位置。旨在建立全新的水下非均匀光场，为水下远距离、高清晰获得图像提供技术支撑。

水下成像；能量阈值；光传输特性

水下成像探测在海洋开发、工程应用及军事行动等诸多方面具有广阔的应用前景而受到各国高度重视。美国已经通过激光水下成像系统在近海成功地用来监视走私船等水面观测目标，也用于水下管道和海底电缆的检测和维修。特别是在海底军事目标，如潜艇、水雷等的探测、搜索和监视方面发挥重要作用［1］。水下成像探测系统是在海水中暗弱光照度和高散射介质环境约束条件下，完成水环境中所发生的快速事件进行清晰成像和实时记录［2］。要实现清晰成像就必须满足二个条件，一是满足从目标到探测设备能量阈值需求；二是满足从目标到探测设备衬度阈值需求。水下成像探测系统通常是由成像探测装置、控制录取、辅助照明三个主要部分组成。在特定使用环境条件下，系统所接收到的水下目标能量主要与成像探测器件属性、辅助照明光源的光学特性有关。选取具有合适光学特性的辅助照明光源，进行组合辅助光源优化布局，以构建满足能量阈值的水下光场，不失为增大水下成像作用距离、提高成像质量的有效手段。海水环境特性的影响受限，并不是辅助照明系统的照度越大，成像接收器件获得能量越大。基于海水的传输特性，分析水下光能量传递的过程，研究辅助照明的光学特性、布设方式对成像器件接收接收能量的影响，为水下非均匀光场的设计应用提供理论依据和技术支撑，从而实现水下远距离大范围清晰成像。

1 海水中光传输的特性

海面、海水和海底构成一个复杂的海洋空间。海洋是个复杂的物理、化学、生物光学系统。海洋中的溶解物质、悬浮体和各种各样的活性有机体是海洋中的主要成分［3］。这种成分和海水的各种不均匀性使得光被强烈的散射和吸收。在水下特殊的环境中，海水对光有着严重的吸收和散射作用，因此光在海水中传输时衰减很大。光在水中传输时被水体吸收和散射，吸收使光子消失，能量转变为其它形式的能。散射使光子的行进方向发生改变，致使辐射光照度降低［4］。在有悬浮粒子的混浊水中散射更为严重。经过海水散射的光呈喇叭状展开，且中间的光子密度大，向四周逐渐减小。因此人眼在海水中不能看得很远。即使通过人工照明的水下电视摄像机，一般也只能观察到几米远处的物体。海洋环境下光的传输特性，集中表现在光的吸收和散射特性上。

1.1 海水中光吸收的特性

海水的吸收表现为入射到海水中的部分光子能量转化为其他形式的能量。主要由纯水、被溶解物、浮游生物引起的。海水中所含成分的吸收特性决定着海水的吸收特性。海水的吸收系数大小依赖于光波波长。对清澈的大洋水，物质的附加吸收很小，吸收最小的光波波段为450～480nm，对浑浊海水，吸收最小的光波波段为530～570nm。海水对紫外和红外表现出强烈的吸收。除海水外，溶解物和浮游物也表现出对可见光强烈地吸收。

1.2 海水中光散射特性

海水中的光散射是由海水和海水中悬浮粒子引起的。海水本身的光散射是由密度起伏、各向异性的水分子运动方向起伏、溶解物质的浓度起伏三种类型的变化来决定的。悬浮粒子对光散射的作用取决于其浓度、折射率及形状大小的分布。当散射粒子直径接近入射光波长时，粒子的散射遵从米氏散射规律。海水散射系数主要受米氏散射的影响，其大小可由体积散射函数来表示。清洁大洋水中主要是水分子产生的瑞利散射，沿岸混浊水主要是大粒子产生的米氏散射。对于我国近岸比较混浊的水，能见度一般在0.5～20m，也是主要受大粒子散射的影响。散射分为前向散射和后向散射。前向散射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，后向散射是遇到悬浮粒子后发生的向后的散射。前向散射有利于光的传输但会影响图像分辨率，后向散射则会严重影响水下观察。

2 水下光场目标探测能量阈值模型

海水中光衰减是由于海水对光的吸收和散射作用造成的。光在海水中能量的衰减是以光衰减系数呈指数规律衰减。一方面由于吸收作用使水下光场的能量在不断减弱，但吸收作用不影响光在传输过程中形成的光场分布；另一方面由于散射作用使光子改变方向，形成新的水下光场分布，为漫射光场［6］。

光在水中传播，接收器接收的光信息主要由二部分组成：从目标反射回来并经水介质吸收、散射损耗后的直射光束和水介质散射光束。散射光束分为前向散射光和后向散射光。直射光和前向散射光，影响目标细节分辨率。后向散射光的变化随着测量距离的增加，降低成像的对比度。为了提高水下成像的成像质量，一般水下成像系统都具有水下辅助照明系统。受海水光衰减机理的影响，并不是水下辅助照明的照度越大越好。照度大，光后向散射强烈，不能有效成像。在水下光场中，照射到目标上的光由自然光和辅助照明光两部分组成。经过目标反射后传递给接收器。水下自然光经过水介质的吸收和散射，将直射光和散射光的能量传递给成像设备接收器。辅助照明光发射一定照度的辅助光，经水介质的吸收和散射，将直射光和散射光的能量传递给目标物。目标物对光进行了吸收和反射，再次经过水介质的吸收和散射，将直射光和散射光的能量传递给成像设备接收器。

2.1 目标物接收光能量传递模型

目标物接收光能量由自然光和辅助照明光两部分传递的能量组成。自然光经过水下一定深度的传递，最终到达被测目标。辅助照明光经过水介质一定照明距离的传递，目标物接收辅助光源直射光和散射光能量的传递。

2.1.1 目标物接收自然光传递模型

自然光主要包括太阳光和天光。照在海面的天光和太阳光的近似比为0.4，在海水下，自然光中的蓝绿光被称为“水下窗口”，能够以较小的衰减传送到水下。由于海水的吸收和杂质的散射作用，在不同的水深下光照度明显不同。太阳光在直射地面，地面照度为（1～1.3）×105lx，太阳与天顶角为θ角时，海面的照度可用下式表示：

式中，E0为海面光照度。

不同的天气条件，地面所获得的太阳光照度变化很大。一般选择好的天气条件和太阳高度，才能获得水下足够的自然光照度。自然光经过水介质传入到水中，有效光谱能量随着水深的变化衰减得很快。由太阳光的光谱分布曲线可以看出：海水对长于0.6μm波长的光吸收严重，到水深10m以下，就只有蓝绿光存在了［7］。蓝绿光约占可见光波段的40%。对于蓝绿光传入到不同水深下的光照度可用下式表示：

式中，E为水下光照度，c为不同波长的传输衰减系数，z为水深度。

2.1.2 目标物直射光传递模型

水下成像探测系统是由成像装置、辅助照明、控制录取三个主要部分组成。在水下探测目标其水下光源、目标物和接收器的布放示意图如图1所示。

图1 水下光源、目标物、接收器布放示意图

图中光源是具有光强度为I(θ)函数的辐射体光源，距离目标物的距离为L，接收器距离目标物的距离为r，接收器和光源的距离为S0，定义为光轴距。根据照度学的平方率反比定律和水介质的朗伯贝尔衰减规律［8］，可得对于目标A处面积元ds上的直射光产生的照度为：

其中，I(θ)辐射体光源光强，c为水介质的体积衰减系数。

2.1.3 目标物散射光传递模型

公式（3）描述了光在水下的能量衰减过程是采用的准直光束的测量结果，对于实际的水下工作情况具有一定的局限性。在不考虑二次散射的前提下，经过散射的光子，无法对光束传播轴向上的目标物实现有效照明。而实际工程应用中采用的照明光源都是具有一定的发散角度，导致其任意发散角产生的部分散射光子会进入光束范围内的另一发散角方向上，从而使方向角上的光强度得到补偿抑或增强。研究表明由于散射光能量提供的有效照明使得远距离目标物的照明强度得到一定程度的增强。

Duntley导出了距离光源L处的能够提供有效照明的散射光能量公式，可用于克服以上目标物照度估算中只采用直射光成分带来的不妥：

其中，φ为光源辐射光束的全张角，单位为弧度，k为漫射光的体积衰减系数，一般的水质情况c/k= 2.7是一种比较通用的换算关系，I为光源发光强度，L为光源与目标物的距离。

2.1.4 目标物总照度模型

按照图1所分布的水下视觉系统目标物所接收到的总照度ETsum包括三部分即自然光直射和散射的能量、光源直射光能量、光源散射光能量的总和，即：

2.2 接收器接收回程光能量传递模型

接收器接收回程光能量包括回程的直射光和回程的散射光二部分能量。水下目标一般为朗伯漫反射体，目标物接收的光能量，经过目标物的反射，反射光在一定探测距离的传递，最终到达CCD探测器。

2.2.1 接收器接收回程直射光照度模型

被照明目标物设定为朗伯漫反射体，目标物的反射率为ρ。经过光能量的反射，可以将目标物看成具有面积S的朗伯光源，其在各个方向上有大小相同的光亮度分布，如图1所示：若照明目标物的面积为S，接收器距离为r，在水介质衰减系数c的作用下，经过传播距离为r的能量传输后到达接收器外侧时的光通量Φr，设成像系统中光学透镜等的透过系数τ，其中，ρ为目标物的反射率，LT为目标物上的亮度分布，ETsum目标物总照度。常用的水下对焦无限远、固定焦距的CCD镜头系统，得到CCD成像面接收到的来自目标物的直射光照度值的表达式：

其中，D为接收器口径大小，πD2/4为接收器的通光面积。f为摄像机焦距。

将（5）式代入（6）式进一步整理可得：

公式（7）即为按照图1所示的水下辅助照明几何配置的方法解算出来的在CCD成像平面上的直射光照度值公式，从中可以看出：接收器接收到的光照度值同光源强度I(θ)、目标物反射系数ρ、成像系统光学透镜透过率τ成正比例关系；光子能量从离开光源经过目标物的反射后返回到接收器经历了e-c(r+l)的双程e指数衰减；式中项D/f为接收器镜头相对孔径，在通用的摄像设备参数中都可以直接或间接的找到此参数。

2.2.2 接收器接收回程散射光照度模型

与光源对目标物进行光能量的输运过程中散射光成分可提供有效的照明一样，在经过具有朗伯漫反射特性的目标物的反射之后，在距离接收器为r处、面积为S的照明目标物看作成具有亮度为LT的朗伯光源，其在各个方向上的光辐射强度IT(θ)可表示为：

其中，θ为光辐射强度方向与目标物面积元ds法线方向的夹角，S为照明目标物的面积。

在实际计算中我们假设目标物面积元ds的法线方向与接收器视角主轴重合，θ为00。朗伯目标物光源具有漫反射特性，光源发散角取为π，成像系统中光学透镜等的透过系数τ，朗伯光源在水介质衰减作用下，经过传播距离为r的能量输运后到达接收器时散射光子所提供的有效照度值可表示为：

公式（9）即为按照图1所示的水下辅助照明几何配置的方法解算出来的在CCD成像平面上的散射光照度值公式，从中可以看出：接收器接收到的光照度值同光源强度I(θ)、目标物反射系数ρ、成像系统光学透镜透过率τ成正比例关系；光子能量从离开光源经过目标物的反射后返回到接收器经历了e-c(r+l)的双程e指数衰减；式中项D/f为接收器镜头相对孔径，在通用的摄像设备参数中都可以直接或间接的找到此参数。

2.2.3 接收器接收探测目标总照度

在水下探测系统中，照明目标物收到的光子能量来源于自然光照射和辅助照明光源的照射。CCD成像光电单元是否能够得到有效触发，取决于到达CCD像面的目标物反射的散射光和直射光的照度。水下成像系统能量阈值接收器收到的来自目标物反射回来的总的光照度包括直射回到接收器的照度分量为ERd(l,r)和散射回到接收器的照度分量为ERs(l,r)，总的照度量为：

其中，φ为光源辐射光束的全张角，单位为弧度；c为水介质的体积衰减系数；k为漫射光的体积衰减系数，一般的水质情况c/k=2.7是一种比较通用的换算关系；I(θ)为光源发光强度；L为光源与目标物的距离；r为接收器与目标物的距离；D/f为接收器的相对孔径；ρ为目标物反射系数；τ为光学成像系统透过率。

3 仿真计算

公式（10）提供了一个水下成像系统光能量传递到接收器总的照度计算模型。接收器接收的光信息能量阈值模型的建立，为试验海域的选定、水下辅助光源的设计、光源位置的布设、最低成像作用距离的分析、探测器件的选型提供了技术支撑。通过向公式（10）中代入水体参数、设备光学参数、设备布放几何参数，可解算出接收设备成像光电单元上的有效照度大小ERsum，一般的水下成像CCD设备都有自己的最小照度灵敏度指标，例如某型摄像机感光度ISO为2000，选定拍摄频率500fps，计算摄像机最低照度为0.2lux，当把此设备用作水下成像接收器时，当ERsum＜0.2lux时，接收光子的能量便不足以触发CCD的感光单元，便不会形成有效成像。表1为水下成像系统仿真参数设定表。利用MTLAB计算分析软件，通过改变不同的参数，获得图2～图7接收机接收的总照度。

仿真计算的结果表明：

（1）水下成像系统借助自然光和辅助照明光源可以提高接收器的接收照度。

（2）由图3和图5可知，不同水深和不同的海水衰减系数对接收器的接收照度有影响，深度越深、海水衰减系数越大接收器的接收照度越小。说明海水环境条件的选定对水下成像的影响很重要。

表1 水下成像系统仿真参数设定表

图2 不同深度，不同光轴距下，直视光轴距目标物接收的总照度

图3 不同深度，不同光轴距下，直视深度目标物接收的总照度

图4 不同光轴距，不同衰减系数下，直视光轴距接收器接收的总照度

图5 不同光轴距，不同衰减系数下，直视衰减系数接收器接收的总照度

图6 不同探测距离，不同发散角下，接收器接收的总照度

图7 不同探测距离，不同光源发光强度下，接收器接收的总照度

（3）由图6和图7可知，不同的发散角和不同的发光强度对接收器的接收照度有影响，发散角度越小、发光强度越大，接收器的接收照度越大。说明辅助照明光源的设计对水下成像的影响较大。

（4）由图2和图4可知，不同的光轴距对接收器的接收照度的影响，光轴距越小，接收器的接收照度越大。说明水下辅助照明光场的布设直接影响接收器的接收照度的大小，合理布设水下光场是获得水下清晰图像的有效手段。

4 结论

在水下高速运动的目标测量过程中，水下成像技术是获取目标水下运动姿态的主要测量手段。照射到目标上的光由自然光和辅助照明光两部分组成。水下自然光经过水介质的吸收和散射，到达目标物，经过目标反射后传递给接收器。辅助照明光发射一定照度的辅助光，经水介质的吸收和散射，将直射光和散射光的能量传递给目标物。经过目标反射后传递给接收器。接收器接收的光信息主要由二部分组成：从目标反射回来并经水介质吸收、散射损耗后的直射光束；从目标反射回来水介质吸收、散射损耗后散射光束。接收器接收的目标信息能量达到探测器件的灵敏度要求是水下成像系统获得清晰可靠图像的必要条件。水下成像探测能量阈值分析旨在建立全新的水下非均匀光场，根据目标物的特性，科学设计辅助光源和摄像机的参数，合理布设光源、摄像机的位置。接收器接收的光信息能量阈值模型的建立，为试验海域的选定、水下辅助光源的设计、光源位置的布设、最低成像作用距离的分析、探测器件的选型提供了技术支撑。

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［4］刘艳.基于能量传递链的水下微光成像系统性能评价［J］.弹箭与制导学报，2010（5）：196-198.

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［8］章毓晋.图像工程（下册）图像理解［M］.北京：清华大学出版社，2007.

Analysis of Energy Threshold for Underwater Imaging Detection

LIU Yan
（Troops 91550 of PLA，Dalian 116021）

The system of underwater imaging is the indispensable detecting equipment in ocean development in recent years. In order to image clearly，the energy that imaging receiver received must meet the requirements of the energy threshold. Based on the transmission characteristics of light in the sea.I analyze the transfer process of light energy，and research the relationship of the lowest sensitivity of underwater imaging receiver with the photon energy threshold deeply.Consequently，according to the objects’characteristics，designing auxiliary light source，selecting the parameters of the camera legitimately and positioning the camera and lights are available.The final purpose is to build a new underwater non-uniform light field and provide technology supports for receiving underwater images in long-distance clearly.

underwater imaging；energy threshold；transmission characteristics of light

TP391

A

1672-9870（2016）06-0138-06

2016-09-05

刘艳（1968-），女，高级工程师，E-mail：liuyan8721@sina.com