1、水下光電成像系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真摘要：為進(jìn)行水下目標(biāo)探測，該文針對Jaffe模型的不足，利用小角度近似原理， 建立了水下光電成像系統(tǒng)的理論模型?？紤]散射光的影響，給出了給定距離處 的水下成像面各像素的信號(hào)輻射量的計(jì)算方法和對比度模型。對常規(guī)激光助視 水下成像探測系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，研究了光源系統(tǒng)和接受系統(tǒng)的距離與成像對比 度的關(guān)系。與Jaffe模型相比，該文所建模型中變量的物理意義更加明確，而仿 真結(jié)果與其類似，證明該文所述方法的正確性。水下光電成像探測系統(tǒng)在海洋探測、水下兵器試驗(yàn)等方面有著越來越重 要的應(yīng)用1，2 。水下光電成像探測系統(tǒng)的主要類型包括：攝像機(jī)-光源緊 湊型、攝像機(jī)-光源分開型、距離門選

2、通型和激光同步掃描型。這些不同類型 的水下成像探測系統(tǒng)在不同的場合均有不同的應(yīng)用。符合實(shí)際的水下成像系統(tǒng) 模型有廣泛的應(yīng)用，它可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)、后續(xù)圖像處理算法研究、水下圖像識(shí) 別等提供重要的指導(dǎo)3;也可以為海水光學(xué)特性研究和測量提供更加便利和 快捷的方法，例如人們研究發(fā)現(xiàn)海水的相位函數(shù)和傳遞函數(shù)之間存在傅里葉變 換的關(guān)系，從而為相位函數(shù)的計(jì)算提供了便利4。研究人員對水下光電成像 探測系統(tǒng)的系統(tǒng)建模作了大量工作:Tan等人5研究了短距離工作時(shí)的距離門 選通水下光電成像探測系統(tǒng)的計(jì)算模型，黃有為等人6研究了基于光束空間 展寬的水下前向散射成像模型，Jaffe7分析了同步掃描水下成像的性能極限， R

3、ampolla基于后向散射效應(yīng)給出了激光助視光電成像系統(tǒng)的理論模型8。在 這些模型中，除Jaffe外,均沒有考慮整個(gè)系統(tǒng)的成像過程，雖然3?考慮小角 度散射原理所建立的模型最為貼近實(shí)際，但在其模型中，并沒有給出各種參量 的具體計(jì)算方法。本文針對Jaffe模型的不足利用小角度近似原理，建立了水下 光電成像系統(tǒng)詳細(xì)的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，給出了仿真步驟，得到仿真結(jié)果。與Jaffe 模型相比，本文所建模型中各項(xiàng)的物理意義更加明確，而仿真結(jié)果與其模型類 似，表明本文所述方法的正確性。信號(hào)輻射計(jì)算模型水下光學(xué)成像系統(tǒng)的建模反映了從發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的光線到達(dá)接受系統(tǒng)的 過程。如圖1所示，從光源發(fā)出的光可以有三種到達(dá)接

4、受系統(tǒng)的途徑：直接傳 輸、前向散射和后向散射。光源發(fā)出的光直接經(jīng)目標(biāo)反射到達(dá)接收系統(tǒng)稱為直 接傳輸;經(jīng)水的散射再經(jīng)目標(biāo)發(fā)射到達(dá)接收系統(tǒng)稱為前向散射，這部分光稱為 前向散射光;沒有經(jīng)過目標(biāo)發(fā)射而是經(jīng)過水的散射進(jìn)入接收系統(tǒng)稱為后向散 射，這部分光稱為后向散射光。假設(shè)成像系統(tǒng)接收的總輻射光通量ET是這3 個(gè)元件的線性組合ET = Ed + Efs + Ebs式中：Ebs為后向散射;Efs為前向散射;Ed為直接傳輸。圖1水下光電成像探測系統(tǒng)光線示意圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型考慮發(fā)射和接收系統(tǒng)間的距離，成像系統(tǒng)框圖如圖2所示，假定接收系統(tǒng) 與發(fā)射系統(tǒng)之間的間距為d。距接收系統(tǒng)Rm遠(yuǎn)處與接收系統(tǒng)全視場對應(yīng)的物 面寬度

5、為Wm、高度為Hm。以物面中心（Wm/2，Hm /2）處為視場坐標(biāo)原點(diǎn)， 點(diǎn)（m，n）處極限可分辨單元的角坐標(biāo)為（。R，p R）對應(yīng)的直角坐標(biāo)為（H，W ） 已知物面處的標(biāo)準(zhǔn)像素間距為0，則它們之間有如下關(guān)系m = (m-H)/ 52n = (Wm - W)/ 52圖2水下成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型在該物面與接收系統(tǒng)之間的輻射傳播空間內(nèi)（m，n）成像主光線路徑上任選 的至接收系統(tǒng)OR距離為Ra的空間點(diǎn)（。Rq R，Ra ）相對于發(fā)射系統(tǒng)Ol的極 坐標(biāo)為（。1，q 1，R1 ），其值可由（2）決定。|6i =aittar tan楫廿二 . rZ & co如co選ico sfli tan饑S = a it

6、 tan&3晏R ,7?i =Ra sin如 /siuti信號(hào)和前向散射輻射量計(jì)算為計(jì)算景物面的直接反射量，必須首先計(jì)算到物面的照射光強(qiáng)。假設(shè)物 面（m，再相對于發(fā)射系統(tǒng)O1的極坐標(biāo)為（。s， s，Rs ），激光束沿著主軸 Rm方向照射，其強(qiáng)度為I，在考慮的物面單元（m，n）方向的輻射強(qiáng)度為I （0 s， s ）經(jīng)光強(qiáng)被衰減而且球面展開，有E；（m,鳧 B如如）cosy （ - tx氏 J 武Y為01與物點(diǎn)（m，n）的連線與過點(diǎn)（m，。）且垂直于物面的直線的夾角。 顯見，根據(jù)圖2，Rs和Y的大小為孩=礦+忒+ 砂尸秩、Y = aiccos r .、即+最+心叼對反射光線而言，點(diǎn)（m，n）可視為

7、開始點(diǎn)，入射輻射光通量用EI （m，n， 0）表示，且有Ez I （m， n，0） = E I （m，n， 0 s， s ）。為精確考慮入射 光通量，必須考慮由于小角度前向散射部分形成的照射，這可以通過引入點(diǎn)擴(kuò) 散函數(shù)8得到EI 血 n3 Oj = E；0）建（m, n G, c7B）現(xiàn)計(jì)算反射輻射，典型海洋地圖中0. 02忍p （m，n） 0. 1。同時(shí)考慮郎伯 定律，如果出射光線與點(diǎn)（m, n）的連線與穿過該點(diǎn)垂直于物面的直線夾角為0 必須引入1個(gè)幾何因子cos0。后向散射輻射量計(jì)算由于后向散射從大角度范圍內(nèi)進(jìn)入接收系統(tǒng)，所以后向散射是水下成像系 統(tǒng)模型計(jì)算中最費(fèi)時(shí)的一部分。目前通用的方法

8、是將三維空間切成平行于接收 系統(tǒng)像面厚度為 Zi的一系列平面，分別計(jì)算入射到這些平面的輻射量，方 法與前面一樣，即分別計(jì)算直接輻射和小角度散射引起的附加輻射。然后計(jì)算 由于分割的切片對入射光向著接收系統(tǒng)方向散射（即后向散射）而到達(dá)接受系 統(tǒng)的輻射量。從發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的光傳輸?shù)饺S空間的入射光通量用Es（x， y，z，）表示，根據(jù)以上討論，入射到體積元的入射量是直接投射和E （m, n, R ） = I （9 ,。）exp（偵 %）s,d11 1R 21E , （m, n, R. ） = E （m, n, R. ） * g （m, n I R. , G, a , B）前向散射之和E5 （m n R

9、i）=戲（mf nf& （mf nf Ry）由于散射作用，切片將部分入射光散射轉(zhuǎn)換到接受系統(tǒng)方向的信號(hào)通路 中，具體轉(zhuǎn)換大小由介質(zhì)的內(nèi)在特性體積散射函數(shù)決定。在體積V的水域 對入射光向著接受系統(tǒng)單元（x，y）散射的輻射強(qiáng)度為式中：P （?）為體積散射函數(shù)， V是三維空間中一個(gè)遞增的體積， bs 是計(jì)算的體積元和光源的連線與體積元和接受系統(tǒng)的連線的夾角。P （q bs ）=6 （0 R -0 1， R叩1 ）表示從（。1， 1 ）方向的入射光經(jīng)切 片單元散射轉(zhuǎn)向（。R，q R ）方向從而進(jìn)入信號(hào)通道的能力。最后對所有的切 片形成的輻射量進(jìn)行相加，并考慮光學(xué)系統(tǒng)的影響，后向散射的直接部分為N玖小伽

10、，心=玲沖-OB fMJ x凡(m n Ru)ooi。二式中： Rai是后向散射體積 V的厚度，Rai是接受系統(tǒng)中某個(gè)像素到 水體切片中心的距離，N是切片的總個(gè)數(shù)，同樣考慮后向散射光向接受系統(tǒng) 傳輸時(shí)前向散射的影響，由于后向散射引起的總輻射量為I珞如，n) =d (mf n) +瓦司如,n) X gW nRRj G, O仿真分析仿真工作主要針對一般激光助視水下成像系統(tǒng)，主要研究激光發(fā)射系統(tǒng)和 接受系統(tǒng)的距離與對比度的關(guān)系。假設(shè)光源系統(tǒng)與接受系統(tǒng)平行放置，為簡化 計(jì)算，且假設(shè)光源向各個(gè)方向發(fā)出的光強(qiáng)相同。仿真中，前向散射系數(shù)為0. 5。 仿真結(jié)果如圖3所示，可知：兩種方法得到的結(jié)果類似;適當(dāng)拉開光源系統(tǒng)和接 受系統(tǒng)的距離，有助于降低散射光特別是后向散射光對系統(tǒng)對比度的影響，從 而提高系統(tǒng)的成像性能。從物理結(jié)構(gòu)上這也容易解釋，拉開距離意味著增大 了入射和散射角，有利于降低散射作用，同時(shí)由于激光主軸仍然對著探測物面， 因此信號(hào)光并沒有受到太大的影響。發(fā)射系統(tǒng)和攙收系統(tǒng)的理離項(xiàng)-之協(xié)力留於打W結(jié)束語利用小角度散射近似，考慮水下激光成像系統(tǒng)的成像過程，建立了水下 成像探測系統(tǒng)理論模型?？紤]散射光的