一種基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置，包括隨機光源、分束器、桶探測器和數(shù)據(jù)處理單元，隨機光源出射的隨機光經過分束器分束后照射到待成像物體，經過待成像物體反射后的信號光入射進桶探測器，數(shù)據(jù)處理單元將桶探測器的信號與隨機光源傳播至與桶探測器相同光程處的光強分布值進行二階關聯(lián)計算，得出待成像物體的像；本發(fā)明具有抗擾動，不易受海水溫度、鹽度變化以及水流速度影響等特點，與已有的各種水下目標探測方法相比，具有分辨率高、成像質量高等優(yōu)點。
【專利說明】
-種基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于水下目標成像探測技術領域，具體設及一種利用計算鬼成像原理實現(xiàn) 水下目標成像探測的裝置。
【背景技術】
[0002] 無論是海洋勘測、海事捜救等民用領域，還是反潛反導、水下偵察等軍事領域，都 對水下目標的探測技術有著廣泛而迫切的應用需求。根據(jù)成像原理的不同，水下成像技術 可分為聲納成像和光學成像兩大類。目前，聲響成像技術憑借聲場在水中傳播距離遠、能量 損耗小的獨特優(yōu)勢，成為水下目標探測的主要手段。然而，由于聲波波長較長，易受噪聲干 擾等因素，聲響成像技術存在圖像質量差、目標分辨率低等諸多缺點。更為嚴重的是，在水 深較淺的近海區(qū)域，由于受到水底混響、多途反射等因素的強烈干擾，聲響成像技術難W捕 獲和辨識出可靠的目標信號，存在不可避免的探測盲區(qū)。
[0003] 而光學成像技術則能夠在一定程度上彌補聲納成像的不足，具有分辨率高、成像 質量好等優(yōu)點。從早期的被動照明成像開始，水下光學成像便引起了人們廣泛的關注，發(fā)現(xiàn) 了適合水下光波傳輸?shù)?藍綠窗口"，并利用藍綠激光器實現(xiàn)了水下主動照明成像的工程應 用。經典光學成像技術應用于水下目標探測，在遠距離成像時圖像質量較差，甚至不能成 像。
[0004] 在水下目標探測技術領域，由于水體中環(huán)境復雜，不僅含有水分子和無機溶解 質，還懸浮著大量礦物顆粒W及可溶性有機物(黃色物質）等，光波在水體中傳播時會經歷 多重散射，使得成像光場隨機素亂，導致成像距離較短，在遠距離成像時質量較差，甚至不 能成像。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為了解決傳統(tǒng)水下目標探測分辨率低、抗擾動性能弱、成像質量 差等問題，提出的一種基于計算鬼成像原理模擬真實水下環(huán)境中水下目標探測的裝置。
[0006] 本發(fā)明的目的是通過下述技術方案實現(xiàn)的：
[0007] -種基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置，包括隨機光源、分束器、桶探 測器和數(shù)據(jù)處理單元，隨機光源出射的隨機光經過分束器分束后照射到待成像物體，經過 待成像物體反射后的信號光經過分束器后入射進桶探測器，數(shù)據(jù)處理單元將桶探測器探測 到的信號光與隨機光源傳播至與桶探測器相同光程處的光強分布值進行二階關聯(lián)計算，得 出待成像物體的像;所述的桶探測器為可將經過分束器的反射光信號全部接收的光探測 器。
[0008] 上述基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置中，待成像物體反射后的信號 光經過分束器的后向反射后入射進桶探測器。
[0009] 上述基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置中，隨機光源為光源出口設置 空間光調制器SLM或數(shù)字微鏡晶片DMD而成，并通過預先控制實現(xiàn)隨機輸出。
[0010] 上述基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置中，桶探測器為具有時間分辨 力的大面積光功率計。
[0011] 上述基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置中，待成像物體為水下目標。
[0012] 上述基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置中，隨機光源、分束器和桶探 測器均設置在同一個殼體內。
[0013] 本發(fā)明克服了傳統(tǒng)鬼成像技術應用的限制，首次將計算鬼成像技術應用于海洋水 下目標探測，具有經典光學成像不可比擬的優(yōu)勢，具有的有益技術效果是：
[0014] (1)抗擾動，不易受海水溫度、鹽度變化W及水流速度影響等特點，具有良好的抗 擾動特性；
[0015] (2)分辨率高，與已有的各種水下目標探測方法相比，該成像系統(tǒng)能夠更加精確地 呈現(xiàn)被測目標物體的像；
[0016] (3)成像質量高，與已有的各種水下目標探測方法相比，能夠實現(xiàn)遠距離目標較高 質量的成像。
【附圖說明】
[0017] 圖1是鬼成像探測原理圖。
[0018] 圖2是計算鬼成像探測原理圖。
[0019] 圖3是本發(fā)明水下目標探測裝置的成像系統(tǒng)原理圖。
[0020] 圖4是本發(fā)明水下目標探測裝置的成像系統(tǒng)實驗光路圖。
[0021 ]圖5是利用圖4裝置獲得的雙縫目標成像結果空間分布圖。
[0022] 圖6是利用圖4裝置獲得的雙縫目標成像結果空間分布曲線。
[0023] 圖7為流體擾動環(huán)境下的雙縫目標成像結果空間分布圖。
[0024] 圖8是流體擾動環(huán)境下的雙縫目標成像結果空間分布曲線。
[0025] 圖9是實施例3中水下目標探測裝置的成像系統(tǒng)實驗光路圖。
[0026] 附圖標記為：1一隨機光源，2-分束器，3-桶探測器，4-待成像物體，5-關聯(lián)器， 6-信號光，7-參考光，8-隨機光源計算值，9-CCD探測器，12-數(shù)據(jù)處理單元，13-普通 照相機。
【具體實施方式】
[0027] 下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明，但不應W此限制本發(fā)明的保護范圍。本發(fā)明 的基本思想是結合計算鬼成像特點，利用計算鬼成像技術實現(xiàn)對海洋水下目標的探測。
[0028] 傳統(tǒng)的"鬼成像"技術是利用光源的二階關聯(lián)特性，通過雙路符合測量對物體進行 成像。如圖1所示，隨機光源1的輸出光經過分束器2分束后，形成信號光6和參考光7,信號光 在空間自由傳播照射到待成像物體4后，經過物體衍射后的光進入沒有空間分辨率，但具有 一定時間分辨率，且可W將入射光束全部收集的桶狀探測器3。參考光并不經過物體，只是 在空間自由衍射傳播，并且與信號光到物平面具有相同的距離，然后進入具有空間分辨率 的CCD探測器9。最后把桶探測器3探測到的光強與CCD接收到的光場分布進行強度關聯(lián)，從 而恢復出物體的圖像信息。
[0029] 計算鬼成像屬于鬼成像的一個特例，與鬼成像技術相比較，計算鬼成像的特點是 不需要收集參考光，通過分析光源在空間的分布，即可通過計算得到參考光的信息。如圖2 所示的計算鬼成像原理中，1為預置隨機光源，其光場分布表示為6(0，〇,62(0，〇為光源￡ (P，t)經過空間自由傳播到達物體表面的光場分布，4為待成像物體，3為桶探測器，5為關聯(lián) 器，8為預置隨機光源計算值A/|(p,，〇,該裝置中只用了一個桶狀探測器進行信號探測。假 設連續(xù)的激光束經過空間光調制器調制得到預置隨機光場6(0，〇,62(0，〇場是6(0，〇經 過一段空間的自由傳播入射到物體上的分布，經物體衍射后的光被桶探測器3接收，然后 與參考光符合計算，就可通過關聯(lián)計算得出物體的像。
[0030]在圖2"計算鬼成像"原理圖中，相對于傳統(tǒng)鬼成像需要使用CCD探測參考光傳播L 距離處的光斑分布，在本發(fā)明中通過計算可得參考光在距離L處的光斑分布，進而可得光強 分布Ii(t)。
[0031] 參考光傳播L距離處的光斑分布為
[0032]
[0033] 所W，在相同傳播條件下，參考光傳播L距離處的光斑分布，即物體表面的光強分 布為
[0034] i2(t)= |E2(化，t) |2
[0035] 假設預置隨機光源傳播L的長度到達待成像物體，則物體表面的光場分布為
[0036]
[0037] 上式中化為物體空間坐標，A為波長，k =化A，k為波數(shù)，i為相位。
[0038] 假設物體的孔徑函數(shù)為T(P'），桶探測器的面積為A2,因此桶探測器探測到的光強 為
[0039]
[0040] 剛可得黃聯(lián)巧#
[0041]
[0042] 上式方程中，aL = 2L/kp〇，化二化Aao，k =化A，山和化為Z = 0和=L的光強半徑和 散斑半徑，q是電子電荷量，n是桶狀探測器的量子效率，A是波長，Al為計算得到的參考光傳 播L距離的光斑分布面積，P為光源的光強漲落，單孔探測器的面積，A2為桶狀探測器的面 積。用運個關聯(lián)函數(shù)就可W恢復出物體的像。
[0043] 本發(fā)明是將上述計算鬼成像原理應用于水下成像探測技術中，成像系統(tǒng)如圖3所 示。圖中箭頭所指為光波傳播方向。其中1代表隨機光源，可W通過控制空間光調制器SLM或 數(shù)字微鏡晶片DMD等產生;2為分束器，用于反射隨機光源入射到物體表面后產生的隨機光 束;4為目標物體;3為桶探測器，用于接收經過物體反射回來的光強信息。數(shù)據(jù)處理單元12 內置關聯(lián)器模塊，用于將計算所得參考光傳播相同距離處的光強分布，即參考光信息，與桶 探測器所探測到物體的光強進行二階關聯(lián)計算，得出目標物體的像。
[0044] 實驗中，我們使用美國NI公司的虛擬儀器開發(fā)平臺Labview,利用它在信號處理、 圖形呈現(xiàn)W及用戶界面設計上的優(yōu)勢，實現(xiàn)Labview控制產生模擬光源，W及直接在計算機 內關聯(lián)成像，由于Labview設計的程序界面更加友好，使用起來更加簡單，可W隨意改變物 理參量，克服了光學實驗上許多難W實現(xiàn)的操作。我們只使用一個桶探測器，收集經過物體 反射后總的光強。如圖3所示，光源在Labview控制下，經過自由衍射的傳播達到物平面，生 成相位隨機圖片，到達物體表面后，反射的光波進入桶探測器，由探測器探測到的光強經過 數(shù)據(jù)采集卡進入計算機，在Labview中實現(xiàn)計算。參考光為通過控制空間光調制器或數(shù)字微 鏡晶片等產生的相位隨機圖片，并且在Labview中控制DMD產生20000個相位隨機圖片，設置 參考光像素為40 X 40，然后與在物體表面反射的光強在計算機中進行關聯(lián)計算，從而恢復 出物體的信息。與傳統(tǒng)的鬼成像實驗相比，實驗中省去參考光路運一臂，即省去了圖1中 CCD運一臂，而用計算機Labview虛擬計算出參考光傳播L距離處的光強分布。
[0045] 實施例1
[0046] 本發(fā)明所述的計算鬼成像裝置的構成如圖4所示，包括：1為隨機光源(德州儀器生 產的DMD)，2為分束器(大恒光學分束器），4為待成像物體（即目標物體，委托加工而成的雙 縫物體），3為桶探測器，利用計算機Labview軟件實現(xiàn)關聯(lián)器5。
[0047] 目標探測方法:在實驗室條件下，使用魚缸模擬海洋水下目標探測，將雙縫物體置 于魚缸中。Labview控制DMD產生20000個相位隨機圖片(像素為40 X 40 )，即隨機光源。隨機 光源經過分束器然后在水下傳播80cm的距離到達雙縫物體，經過雙縫物體反射再次沿原光 路返回到達分束器，再經分束器反射被桶探測器接收，與計算所得參考光傳播相同距離處 的光強分布進行二階關聯(lián)計算，得出目標物體的像。
[0048] 目標探測結果如圖5和圖6,實驗結果比較清晰的恢復了目標物體強度分布信息， 且能夠比較直觀地辨別出雙縫目標物體。
[0049] 實施例2
[0050] 在實施例1的基礎上，在實驗環(huán)境中制造浪涌，實驗環(huán)境及參數(shù)與例1相同。
[0051] 目標探測方法:在實施例1的基礎上，在魚缸中避開光源傳播路徑置入24w的魚缸 造浪累，模擬真實海洋水流動態(tài)下的水下目標探測，重復實施例1的操作方法。目標探測結 果如圖7、圖8,實驗結果比較清晰的恢復了目標物體強度分布信息，且能夠比較直觀地辨別 出雙縫目標物體。
[0052] 根據(jù)實驗結果可W得出本發(fā)明不易受水下端流的影響，具有良好的抗擾動特性。 [0化3]實施例3
[0054] 與實施例1實驗條件不變，直接使用一階成像的方法，即使用普通照相機對目標物 體拍照成像，實驗光路圖如圖9普通照相機成像光路圖所示，包括：1為隨機光源(德州儀器 生產的DMD)，2為分束器(大恒光學分束器），3為桶探測器，4為目標物體(委托加工而成的雙 縫物體），使用魚缸模擬水下環(huán)境，利用計算機Labview軟件實現(xiàn)關聯(lián)器，13為普通照相機。 與實施例1實驗環(huán)境及條件不變，直接在圖9普通照相機成像光路圖中所標注的位置對雙縫 目標物體進行拍照成像。
[0055] 目標探測結果表明普通相機一階成像的方法無法直觀地分辨物體，更不能對物體 清晰地成像。如圖5至圖8所示，本發(fā)明成像質量較高，能夠比較清晰的恢復物體的強度分布 信息，且能夠比較直觀地辨別出雙縫目標物體。
【主權項】
1. 一種基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置，其特征在于：包括隨機光源 (1) 、分束器(2)、桶探測器(3)和數(shù)據(jù)處理單元（12)，隨機光源（1)出射的隨機光經過分束器 (2) 分束后照射到待成像物體(4)，經過待成像物體反射后的信號光入射進桶探測器(3)，數(shù) 據(jù)處理單元（12)將桶探測器探測到的信號光與隨機光源（1)傳播至與桶探測器相同光程處 的光強分布值進行二階關聯(lián)計算，得出待成像物體的像;所述的桶探測器為可將經過分束 器的反射光信號全部接收的光探測器。2. 根據(jù)權利要求1所述的基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置，其特征在于： 所述的待成像物體反射后的信號光經過分束器(2)的后向反射后入射進桶探測器(3)。3. 根據(jù)權利要求1所述的基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置，其特征在于： 所述的隨機光源為光源出口設置空間光調制器SLM或數(shù)字微鏡晶片DMD而成，并通過預先控 制實現(xiàn)隨機輸出。4. 根據(jù)權利要求1所述的基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置，其特征在于： 所述的桶探測器(3)為具有時間分辨力的大面積光功率計。5. 根據(jù)權利要求1所述的基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置，其特征在于： 所述的待成像物體(4)為水下目標。6. 根據(jù)權利要求1所述的基于計算鬼成像原理實現(xiàn)水下目標探測的裝置，其特征在于： 所述的隨機光源(1)、分束器(2)和桶探測器(3)均設置在同一個殼體內。
【文檔編號】G01S17/89GK106019306SQ201610292440
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月5日
【發(fā)明人】鄭淮斌, 王凡, 劉建彬, 周宇, 陳輝, 袁園, 徐卓
【申請人】西安交通大學