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提高水下激光成像衬度的方法研究

孙晶华

  近年来,随着海洋资源开发和水下机器人技术的发展,水下激光成像技术在水下地形地貌的绘制、水下考古、海上救生、水下作业、堤坝安全隐患探查、海底沉船及飞机残骸探测等领域发挥着重要的作用。此外,水下激光成像技术可作为声呐探测的重要辅助手段,弥补成像声呐在分辨率上的不足,非常适合以水下机器人(ROV、AUV)等小平台为载体的近距离目标探测,并具有一定的灵活性。 由于各种因素的影响,光在海水中传播比在空气中复杂得多。水下观察和摄影效果主要依赖于光在水中的传播特性。海水中不仅有大量的无机物质,而且还有各种大小、形状、性质不同的有机物质,从而使光发生散射。光在海水中的衰减来自海水介质的吸收和散射,如果只有吸收而无散射时,能见度仅与光源光强和接收器的灵敏度有关,提高两者之一都可以增加能见度的范围。但是,由于海水对光的散射作用,光强太强反而降低成像衬度。本文以研究“提高水下激光成像衬度的方法”为中心,做了以下几个方面的工作: 1、对水介质的光学特性进行了较详细的实验研究,测量了海水和清水的透射光谱;测量了纯净水、清水和海水在室温下的折射率以及折射率随温度变化的曲线;测量了海水和清水对绿光(λ=532nm)的衰减系数;比较了清水和海水的光谱特性、折射率和衰减特性的差异,为以后章节中的理论分析和实验研究提供依据。 2、根据光波在水中的传输特性,依据光学散射理论,对海水中粒子的散射特性进行了系统的分析和计算,推导出了水下激光成像衬度的计算公式,深入分析了影响水下激光成像衬度的因素。 3、提出了提高水下激光成像衬度的方法,理论和实验两方面分析研究表明,采用对称性双光源,是提高水下激光成像衬度的一种有效方法。 4、根据薄膜光学理论,设计了空气-光学玻璃界面和海水-光学玻璃界面间的减反射膜,并给出了计算结果和反射率曲线。 5、采用波长λ=532nm的激光作为光源,在清水中掺入烟尘粉末模拟海水中的散射粒子,在暗室中的小水槽内进行了实验,并将理论计算和实验结果进行了对比分析;根据水下光学图像的特点,对实验中拍摄的水下图像进行了处理,总结并给出了水下图像的处理方案。 论文的最后,总结了本文的研究结果,并对下一步工作进行了展望。……   
[关键词]:水下激光成像;成像衬度;水介质的光学特性;散射;减反射膜;对称性双光源
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:哈尔滨工程大学2010年