基于计算鬼像的水下超长距离成像装置及成像方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于计算鬼像的水下超长距离成像装置及方法，装置包括预置光源系统和探测系统，预置光源系统包括光源、光调制器和同步控制模块，所述的光调制器用于形成在强度随机涨落分布的光场，同步控制模块实现预置光源系统与探测系统的时间同步；探测系统包括光强探测器、数据采集模块、数据同步与处理模块；本发明专利技术使用了一种新型的收发分离模式的水下成像技术，可用于探测水底地貌，水下环境以及水下航行物体和生物种群等，与传统水下光学成像手段相比较，能有效提高水下成像距离和在复杂水体环境下的成像质量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于水下目标探测成像
，具体涉及基于计算鬼像的水下超长距离成像系统。
技术介绍
水下目标探测技术在海洋军事应用、海洋资源勘察和海洋环境研究等具有非常重要的意义。目前，声呐成像技术凭借声场在水中传播距离远、能量损耗小的独特优势，成为水下目标探测的主要手段。然而，由于声波波长较长，易受噪声干扰等因素，声呐成像技术存在图像质量差、目标分辨率低等诸多缺点。更为严重的是，在水深较浅的近海区域，由于受到水底混响、多途反射等因素的强烈干扰，声呐成像技术难以捕获和辨识出可靠的目标信号，存在不可避免的探测盲区。而光学成像技术则能够在一定程度上弥补声纳成像的不足，具有分辨率高、成像质量好等优点。从早期的被动照明成像开始，水下光学成像便引起了人们广泛的关注，发现了适合水下光波传输的“蓝绿窗口”，并利用蓝绿激光器实现了水下主动照明成像的工程应用。经典光学成像技术应用于水下目标探测，但由于光在传输过程包括了吸收和散射的过程，使得光在水中传输时能量迅速衰减，通常的水下成像系统很难达到理想的成像效果，在远距离成像时图像质量较差，甚至不能成像。在此背景下，通过新型成像技术和手段对水下成像和水下目标探测、识别等研究工作就显得的极为重要。最早的关联成像方案使用了纠缠双光子作为光源并且具有非定域成像和突破瑞利衍射极限等奇特的特性，并因此得到人们的广泛关注。人们在最近的研究进展中打破了纠缠光源的限制，使用到了更普遍存在以及更容易获得的赝热光源、热光源来实现关联成像。关联成像包含了呈现物体的空间分布图像，呈现物体的衍射干涉图像和傅里叶变换图像等。总而言之，关联成像是通过光场的高阶性质(即强度涨落关联)来获得物体信息，并且这种信息在关联成像的系统装置中是无法从低阶的光场关联中得到的。因为鬼成像具有抗湍流扰动能力和可无透镜成像等诸多优点，因此其在对地观测、保密通信、雷达成像、生命科学等领域具有极其广泛的应用前景和应用价值。最初实验中所有的关联成像的装置都需要使用两路探测器来探测具有一定的关联性的两个光场，最终得到物体的像。美国麻省理工大学的沙皮罗(Shapiro)在2008年时给出了计算鬼像方案：仅使用一个点(单像素)探测器来完成成像。实验使用激光照射在空间光调制器(SLM)上产生随机分布的光斑，代替赝热光用激光照射旋转毛玻璃产生散斑的方式。由于前方案中的光源的强度是未知的、被动式光源，其光源强度也只能通过探测得到。在装置中保留的一路是探测光路，即有物体以及桶探测器的一路，而原来的参考光路被取消。可以通过已知的对于激光的空间调制，利用衍射理论计算得到在适当位置的光强的分布，而传统的关联成像是通过在相同位置的点阵探测器得到的。基于计算鬼像技术利用光场的空间关联实现成像，其具有抗扰动能力强等优点，本专利技术结合计算鬼像方法和水体介质的实际情况，设计了基于计算鬼像的水下超长距离成像系统。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有水下光学成像技术中存在的成像距离短，成像效果不理想等问题，提供一种基于计算鬼像的水下超长距离成像装置及其成像方法。本专利技术的具体技术方案如下：基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，包括预置光源系统和探测系统，所述的预置光源系统包括光源、光调制器和同步控制模块，所述的光调制器用于形成在强度随机涨落分布的光场，同步控制模块实现预置光源系统与探测系统的时间同步；所述的探测系统包括光强探测器、数据采集模块、数据同步与处理模块，其中数据采集模块用于获取光强探测器的信号，数据同步与处理模块用于控制光调制器与数据采集模块间的数据同步，并进行关联计算得到待测物体图像。上述基于计算鬼像的水下超长距离成像装置中，同步控制模块和数据同步与处理模块通过水下无线方式通信连接。上述基于计算鬼像的水下超长距离成像装置中，同步控制模块和数据同步与处理模块分别采用内部同步时钟实现预置光源系统与探测系统时间同步。上述基于计算鬼像的水下超长距离成像装置中，数据采集模块由前置转换放大电路与数据采集卡组成，前置转换放大电路将电流信号转化为电压信号，同时进行信号放大；数据采集卡以与光调制器同频率的速率连续性地采集放大后的电压信号。上述基于计算鬼像的水下超长距离成像装置中，光调制器为DMD。上述基于计算鬼像的水下超长距离成像装置中，光强探测器为光电倍增管或光电二极管。上述基于计算鬼像的水下超长距离成像装置中，探测系统安装在水下潜航装置，与安装在舰船上的探测系统通过无线方式通信。一种基于计算鬼像的水下超长距离成像方法，其特征在于，包括以下步骤：(a)、预置光源系统中的同步控制模块控制光源照射到光调制器上；(b)、预置光源系统中的光调制器在数据同步控制模块的驱动和控制下载入预置随机图，并调制光源发出的光，形成涨落随机的强度分布光场；(c)、预置光源系统的出射光经待测物体反射或透射到探测系统；(d)、探测系统中的光强探测器探测到总光强值并转换成与总光强值正相关的电流信号；(e)、探测系统中的数据采集模块接收电流信号并转化为电压信号，同时进行信号放大，得到总光强值涨落信息；(f)、探测系统中的数据同步与处理模块控制协调控制预置光源系统和探测系统协同工作，关联计算后得到待测目标待测物体的图像。上述基于计算鬼像的水下超长距离成像方法中，步骤(f)中的关联计算采用的公式为G(x，y)＝<(Si-<Si>)Pi(x，y)>其中G(x，y)为目标待测物体的图像，<>表示对N次测量取系综平均值，Pi(x，y)为载入到电光调制器阵列调制系统中的第i个随机图的强度分布，Si为光强探测器探测得到的对应于Pi(x，y)的总光强值。本专利技术具有的有益技术效果如下：1、本专利技术使用了一种新型的收发分离模式的水下成像技术，可用于探测水底地貌，水下环境以及水下航行物体和生物种群等，与传统水下光学成像手段相比较，能有效提高水下成像距离和在复杂水体环境下的成像质量。2、本专利技术所具有的极强的抗散射优势和抗扰动能力，能够消除湍流扰动或散射介质等对成像质量的影响，提高了在实际水下环境或某种极端水下环境(如浑浊水体)中的成像质量。3、本专利技术中成像系统由于采用了收发分离的系统组成结构，因此能有效地提高了水下光学成像的成像距离；算法采用计算关联成像手段，依靠调制产生强度分布的随机分布涨落光场，直接用不需要具有空间分辨能力的光探测器测量光强分布，简化了成像系统的组成结构。附图说明图1是本专利技术基于计算鬼像的水下超长距离成像系统原理图；图2是本专利技术基于计算鬼像的水下超长距离系统组网应用示意图；图3是本专利技术基于计算鬼像的水下超长距离成像系统实验光路图；图4是利用图2装置获得的成像结果空间图片；图5是传统成像方法受到水散射得到的成像结果图片。附图标记如下：1—预置光源系统；2—同步控制模块；3—光源；4—光调制器；5—待测物体；6—探测系统；7—光强探测器；8—数据采集模块；9—数据同步与处理模块；13—水体；14—分束器；15—透镜；16——连续衰减器；17—光强探测器；18—CCD；19—计算机；30—舰船或浮标；31—水下机器人或水下潜航装置。具体实施方式基于计算鬼像技术利用光场的空间关联实现成像，其具有抗扰动能力强等优点。计算鬼成像属于鬼成像的一个特例，与鬼成像技术相比较，计算鬼成像本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：包括预置光源系统和探测系统，所述的预置光源系统包括光源、光调制器和同步控制模块，所述的光调制器用于形成在强度随机涨落分布的光场，同步控制模块实现预置光源系统与探测系统的时间同步；所述的探测系统包括光强探测器、数据采集模块、数据同步与处理模块，其中数据采集模块用于获取光强探测器的信号，数据同步与处理模块用于控制光调制器与数据采集模块间的数据同步，并进行关联计算得到待测物体图像。

【技术特征摘要】
1.基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：包括预置光源系统和探测系统，所述的预置光源系统包括光源、光调制器和同步控制模块，所述的光调制器用于形成在强度随机涨落分布的光场，同步控制模块实现预置光源系统与探测系统的时间同步；所述的探测系统包括光强探测器、数据采集模块、数据同步与处理模块，其中数据采集模块用于获取光强探测器的信号，数据同步与处理模块用于控制光调制器与数据采集模块间的数据同步，并进行关联计算得到待测物体图像。2.根据权利要求1所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：所述的同步控制模块和数据同步与处理模块通过水下无线方式通信连接。3.根据权利要求1所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：所述的同步控制模块和数据同步与处理模块分别采用内部同步时钟实现预置光源系统与探测系统时间同步。4.根据权利要求1所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：所述数据采集模块由前置转换放大电路与数据采集卡组成，前置转换放大电路将电流信号转化为电压信号，同时进行信号放大；数据采集卡以与光调制器同频率的速率连续性地采集放大后的电压信号。5.根据权利要求1所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：所述的光调制器为DMD。6.根据权利要求1所述的基于计算鬼像的水下超长距离成像装置，其特征在于：光强探测器为光电倍增管或光电二极管。7.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑淮斌，乐明楠，刘建彬，周宇，陈辉，袁园，徐卓，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61