一种水下激光成像的新方法Ξ郑　冰1,孙骁禾1,粟　京2(1.中国海洋大学信息科学与工程学院,山东青岛266071;2.中海石油研究中心,北京100027)摘　要:　在我国沿海近岸,急需通过激光同步扫描方法建立1套浑水观测系统,解决水下视觉问题。

本文研究了激光在水下的传输特性,结合散射光的分布特性,确定同步扫描的光学结构设计,通过对获得的系统各类信号特性的分析,设计合适的成像系统;并从理论和水池试验两方面分别论证了这种系统消除散射影响的有效性;论述了这种系统在浑水中的宽视角场和全景深的优良特性。

关键词:　水下激光成像;同轴同步扫描;高速电机飞线扫描中图法分类号:　P733.3+3 文献标识码:　A 文章编号:　167225174(2006)012119204 近十几年来,由于陆地资源紧缺,特别是能源紧缺,人们十分重视海上石油和天然气的开发。

由于资源开发活动主要集中在海底,因此近几年来国际上转向发展浑水中的观察技术,研究水下激光成像,这已经成为海洋开发技术中的重要环节之一。

水下激光成像是在浑水中进行的,由于水介质对光的吸收和散射,不但光能量损耗很多,而且水介质产生的严重的散射光,降低了成像质量[1]。

如何克服后向散射及利用目标前向散射来更好的提高成像距离和成像质量,目前可归结为2种方法———同步扫描法和距离选通法,距离选通已较少使用[124]。

1.Synchronization controlser scanning device3.Back multi 2scattering4.Back one 2way scattering5.Incident laser6.Forward scattering7.Reflected laser8.Receiver图1　同步扫描水下激光成像系统的光路原理图Fig.1　The principle of the underwater lasersynchronization scanning system图1是同步扫描水下激光成像系统的典型光路图。

光在水中传播,接收器接收的光信息主要由3部分组成:从目标反射回并经水介质吸收、散射损耗后的成像光束;光源与目标之间水介质散射的后向散射光;目标与接收器之间水介质散射较小角度并直接影响目标细节分辨率的前向散射光[1]。

其中后向散射光是最主要的影响因素,在浑水中多次散射光影响图像清晰度尤为重要[1]。

水下激光成像还受其他一些水下环境因素的干扰,像太阳光、水质混浊度等,但是这些影响可以用很多方法来去除,所以影响成像的主要因素是散射光[1]。

因此在混浊水中的水下观察问题既要解决散射光噪声又必须同时解决多次散射光的影响。

1　同轴同步飞线扫描技术1.1理论分析激光束在浑水中传播时,接收光学系统单程接收到的多次后向散射光分布与单程散射光分布结果是不一样的。

研究表明,在浑水中,单次散射光形成的光带将很淡,而多次散射光将充满整个视场。

因此解决浑水中的水下激光观察必须解决多次散射和近距离的强烈单程散射光噪声。

从浑水中水下激光传输接收理论,和目标前向多次散射光信息的利用研究分析,浑水中多次散射光的路径是随机且无法控制的,因此目前国际上提出的用激光距离选通是无效的。

在研究同步扫描的基础之上,本文提出了同轴同步飞线扫描方法,如图2所示。

近距离A 区内强烈的单程和多次散射光用全反射法进行隔离,而B 区域中的多次和单程散射光用同步扫描法加以隔离,使散射光影响降到最低限度。

并且观察系统可获得其他激光系统所不具备的性能———宽视角和全景深的观察性能。

Ξ基金项目:国家高技术研究发展计划项目(2001AA602022)资助收稿日期:2005203211;修订日期:2005204218作者简介:郑　冰(19682),男,硕士,副教授。

E 2mail :bingzh @第36卷　第1期　2006年1月　中国海洋大学学报PERIODICAL OF OCEAN UNIV ERSITY OF CHINA36(1):119～122Jan.,2006ser emitter2.Scanning system3.Coaxial frame scanning hexahedron4.Target5.Receiving lens6.SlitD or PEM 8～9.Window图2　同轴同步飞线扫描法的光路图Fig.2　The principle of the coaxial synchronization scanning system1.2同轴同步飞线扫描方法同轴同步飞线扫描方案的工作原理如图2所示。

激光器(1)发射的激光束通过扩束器(或高速行扫描器)展开形成1条飞线。

进行自上而下垂直行扫描,再经过同轴帧扫描六面体把行扫描线进行水平扫描,通过水密窗口(9)对海底目标(4)进行二维光栅式扫描照明。

激光束扫描照明到C时,目标直接反射光及其前向多次散光通过窗口(8)及同轴扫描六面体(3),再经过接收物镜(5),会聚到狭缝(6)上,最终进入接收器(7)(CCD或光电倍增管)上,此系统的水平扫描角120°,垂直扫描40°。

而接收仅开1条适当宽的狭缝,这样把上图B区内的大部分多次散射光就被消除掉;适当调整发射窗口(8)和(9)的夹角,利用水是光密介质,窗口(8)内是空气(光疏)及二窗口间有一定光轴距S的关系,根据全反射原理就可把近距离(A区)内的强烈单程散射光和多次后向散射光消除掉。

同步扫描方法光学设计的困难点是接收口径不能太大,否则整个系统的体积太大,导致无法使用。

本方案采用多面体双面接收,光路图见图3。

接收多面体与帧扫描镜同轴旋转,在每一个时刻多面体的双面均接收到光线,因此在较小体积下得到了较大的口径。

由于实际设计的接收多面体体积不能太大,所以很难保证各方向上光线全部接收。

但是能保证在水平视场的边缘部分,接收到的能量也超过视场中间部分能量的60%,因此系统整个视场是比较均匀的。

图3　多面体双面接收光路图Fig.3　The principle of polyhedron double side receiving本方法综合考虑光线在浑水中吸收散射特性,既考虑到消除后向散射,又利用目标反射的多次前向散射作成像光束。

并且由于采用了多面体双面接收方案,得到了小体积下大口径、视场均匀等优良光学性能。

021中　国　海　洋　大　学　学　报2006年2　高速电机飞线扫描系统及实验2.1系统上述同轴同步飞线扫描方法,可以通过2种系统来实现,既激光扩束飞线扫描系统和高速电机飞线扫描系统。

激光扩束飞线扫描系统所使用的接收器是CCD ,高速电机飞线扫描系统使用的是光电倍增管。

前者使用的是几何光学成像方法,成像质量与景深有关,而后者属于能量成像,成像质量与景深无关。

此外两者在成像速率上也有差别。

经过实验表明,对于CCD 本身来讲,高速扫描与其灵敏度的高低是一对矛盾,相互制约。

目前的线阵CCD 的灵敏度在高速扫描的情况下达不到要求,本系统采用高速电机飞线扫描方案。

高速电机飞线扫描原理框图如图4所示。

1.Displayer2.Video signal composing3.Amplifier4.Synchronization signal composing5.PEMser7.Line scanning device8.Frame scanning device9.Slit scanning device图4　高速电机飞线扫描原理框图Fig.4　Block diagram of the high s peed electrom otor scanning system2.2实验及结果分析水池试验的目的主要是验证本系统是否与理论上所计算的作用距离相一致,考察系统是否达到所要求的观察距离及分辨率的指标。

实验中目标为相隔10cm并排的钢管。

实验1条件:透明度为0.5m 时距离0.3m ,效果如图5所示。

0.3m 时的分辨率为2mm ,管子直径为15cm 中间距离10cm 。

实验2条件:透明度为0.5m 时距离0.3m 。

图6为实验目标分辨率板,在实验2条件下的成像效果图如图7所示。

图5　实验1的成像效果图Fig.5　Imaging effect of Experiment 1图6　实验中用到的目标分辨率板Fig.6　The target board in the experiment图7　实验2条件下的成像结果Fig.7　The imaging result of Experiment 2图8　实验3条件下的成像结果Fig.8　The imaging result of Experiment 31211期郑　冰,等:一种水下激光成像的新方法实验3(最远距离)条件:透明度为0.9m时距离1.1m,实验目标分辨率板为图8。

以上3个实验表明,在水池中用高速电机飞线扫描所得出的图像的分辨率在2mm以内,显示图像较清晰,能够满足水下工程观察的需要。

3　结语在5320激光输出功率50mW情况下,同轴同步飞线扫描方法的观察距离在混浊水质中达4AL。

并且视场较大(水下90°×30°),景深较大,无盲区。

所以本系统较好地隔离了单程和多次散射光,能获得比较清晰的图像,若激光的功率增大到1000mW时,混浊水中视距可达5.5AL,达到在水下工程中的观测要求。

所以本系统在水下许多活动中可广泛应用,可用于浑水海域中海底管线的水下观测工作,以检查海底管线受海流冲刷产生的悬跨和损伤等情况,解决一般水下电视在浑水海域难以观测的问题。

参考文献:[1]　刘雪明,张明德,张小菡.同步扫描水下激光成像系统主要参数的分析[J].东南大学学报,1999,29(1):1292134.[2]　张博,刘智深,丁田夫.水下激光线扫描探测系统的设计及试验[J].青岛海洋大学学报,2004,34(4):6552661.[3]　Marshall L R.Blue2green laser plumb the mysteries of the deep[J].Laser Focus World,1993,(4):1852195.[4]　郑冰,李欣,谭锐,等.激光扫描实时获取水下图象信息的方法与系统[J].青岛海洋大学学报,2000,30(4):7012705.[5]　Jaffe J puter modeling and the design of optical underwaterimaging system[J].IEEE Journal of Ocean Engineering,1999,15(2):1012111.[6]　章正宇,周寿桓.水下目标探测中的激光技术[J].西安电子科技大学学报(自然科学版),2001,28(12):7972801.[7]　Feng Tianjin,Li Xin,Ji Guangrong,et al.A new laser2scanningsensing technique for underwater engineering inspection[J].Artificial Intelligence in Engineering,1996,10:3632368.A New Underwater La ser Imaging MethodZHEN G Bing1,SUN Xiao2He1,SU Jing2(1.School of Information Science and Engineering,Ocean University of China,Qingdao266071,China;2.China Offshore Oil Research Center,Beijing100027,China)Abstract:　A turbid water observation system using the laser synchronization scanning method is urgently needed to solve the problem of underwater vision in the coastal water.This article first researches underwater laser transmission characteristics,then presents the design of the optical structure of synchronization scanning in combination with the distribution characteristics of scattered laser.An appropriate imaging system is designedby analysing all kinds of signals obtained.The system can be widely used in ocean engineering as it has effec2 tively eliminated the influence of backscattering,and is of wide visional angel and full depth of field in turbid water.Key words:　underwater laser imaging;coaxial synchronous scanning;high speed electromotor line scanning责任编辑　陈呈超221中　国　海　洋　大　学　学　报2006年。