專利名稱：基于偏振識別的水下攝像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于偏振識別的水下攝像系統(tǒng)。
二、背景技術(shù)水下攝像系統(tǒng)是用于探測水中物體，并在水上進行電視顯象的光學(xué)觀測工具，它為實時觀察水中目標提供高分辨率的視頻圖象。它已成為進行水下作業(yè)所必要的設(shè)備之一。尤其在人們無法和難以直接觀察的海下空間更是不可少?，F(xiàn)已普遍用于包括軍事目的大內(nèi)的各種水下作業(yè)中，包括用于觀察武器試驗、艦船修造、探索水雷、魚雷和檢查布雷情況；觀察、控制海底工程作業(yè)和水下建筑過程，偵察和選擇水下施工地址、設(shè)備安裝以及定期檢查工程建筑質(zhì)量情況；在海洋研究中，用于考察海底地貌形態(tài)和海底表層地質(zhì)結(jié)構(gòu)，觀察海中生物的生活習(xí)性和活動規(guī)律等。但是在水下環(huán)境中，水(衰減)非常大，而且水中存在著各種懸浮物，這些懸浮物的性能各異，對光有散射作用。由于水對光的吸收和散射，使整個水下影像呈現(xiàn)霧化效果， 對比度較差，所以只能看到近處的物體。尤其散射光對影像襯度影響較大，它造成了圖像對比度下降，對水下成像影響極大，使影像襯度成為水下成像中最嚴重的問題之一。通常的水下光強度成像系統(tǒng)是根據(jù)光強的差別來區(qū)分目標，由于散射導(dǎo)致的水下物體和背景強度差別不明顯或目標背景很雜亂時，用強度來區(qū)分目標就很困難，而利用光的另一個特性-偏振特性來區(qū)別目標，可以克服由于光強差太小所帶來的困難。水下偏振成像探測系統(tǒng)正是為適應(yīng)這樣的需要而發(fā)展起來的。國外對偏振成像的研究開展的比較早，二十世紀七十年代以來，各國科學(xué)家對多種物體的偏振特性研究做了大量的工作，掌握了許多數(shù)據(jù)，從中獲得物質(zhì)偏振特性的規(guī)律， 分析偏振產(chǎn)生的機理，為偏振的應(yīng)用提供理論依據(jù)和必要的原始資料。國內(nèi)關(guān)于偏振成像方面的研究基礎(chǔ)比較落后，僅在高校和研究所等少數(shù)單位開展一些工作。1997-2000年，安光所研究人員利用532mm的激光作為光源，面陣CCD作為探測器，利用水中粒子和水中物體的退偏振差異，重點研究了水中物體的偏振成像。通過理論計算得出了水下目標成像對比度、成像距離、水體衰減常數(shù)之間的關(guān)系，并推導(dǎo)出了水下目標最遠成像距離的計算公式。 獲取了 532mm圓偏振光照射下水中物體的偏振圖像，并測得了水體衰減常數(shù)為0. 5時，圓偏振成像系統(tǒng)最遠成像距離為1.92m。后來的工作中，又利用線偏振光作了類似的實驗。但是以上偏振成像方法對水體清澈程度有一定要求。而且由于近年來資源開發(fā)活動主要在海底，近幾年來國際上重點發(fā)展渾水中的水下成像觀察技術(shù)，這已經(jīng)成為海洋開發(fā)技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)之一。
三、實用新型內(nèi)容本實用新型的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種基于偏振識別的水下攝像系統(tǒng)，可以獲取水下物體的基于偏振信息而不是光強信息的圖像，可實現(xiàn)較混濁水體的水下物體成像?！N基于偏振識別的水下攝像系統(tǒng)的技術(shù)方案是包括水下光源、偏振調(diào)制部分和圖像采集及處理部分；所述的水下光源包括半導(dǎo)體激光器、濾光片、起偏器、偏振旋轉(zhuǎn)器和擴束器，半導(dǎo)體激光器所發(fā)的激光光束經(jīng)濾光片濾光后，再經(jīng)起偏器變?yōu)槠窆?，該偏振光?jīng)偏振旋轉(zhuǎn)器和擴束器后變?yōu)槠穹较蚩烧{(diào)的線偏振光；所述偏振調(diào)制部分包括檢偏器、步進電機、步進電機控制器和紅外探測器；所述圖像采集及處理部分包括高頻CCD攝像機、圖像采集系統(tǒng)和計算機；水下的目標物經(jīng)所述的線偏振光照射后，其反射光射入偏振調(diào)制部分，首先進入由步進電機控制的檢偏器，經(jīng)檢偏器出射后的光束被高頻CCD攝像機采集后和紅外探測器的信號同步送入計算機處理。上述的偏振旋轉(zhuǎn)器為扭轉(zhuǎn)向列型液晶旋轉(zhuǎn)偏振器，通過控制可以對偏振旋轉(zhuǎn)角度進行精確控制，可以快速旋轉(zhuǎn)線偏振光束的偏振方向。上述的檢偏器的外圈上設(shè)有多個觸發(fā)孔，排列在多個標定的透光方向上。上述的紅外探測器由紅外發(fā)射端和接收端兩部分組成。本實用新型的有益效果是本實用新型可以有效提高目標成像的對比度和清晰度；提高目標探測和識別效率；偏振成像可以利用不同目標退偏振的差異消除背景光的干擾，提供了從雜亂背景中識別目標的手段，較普通的光強度成像識別目標的方法具有明顯優(yōu)勢。

附圖1是本實用新型的結(jié)構(gòu)原理圖；附圖2是本實用新型的檢偏器的結(jié)構(gòu)示意圖；外圈1、觸發(fā)孔2、半導(dǎo)體激光器3、濾光片4、起偏器5、偏振旋轉(zhuǎn)器6、擴束器7、目標物8、紅外探測器9、檢偏器10、高頻CXD攝像機11、步進電機12、步進電機控制器13、圖像采集系統(tǒng)14、計算機15。
五具體實施方式
結(jié)合附圖1-2，對本實用新型作進一步的描述一種基于偏振識別的水下攝像系統(tǒng)的技術(shù)方案是包括水下光源、偏振調(diào)制部分和圖像采集及處理部分；所述的水下光源包括半導(dǎo)體激光器3、濾光片4、起偏器5、偏振旋轉(zhuǎn)器6和擴束器7，所述偏振調(diào)制部分包括檢偏器10、步進電機12、步進電機控制器13和紅外探測器9 ；所述圖像采集及處理部分包括高頻CCD攝像機11、圖像采集系統(tǒng)14和計算機 15。其中，偏振旋轉(zhuǎn)器6為扭轉(zhuǎn)向列型液晶旋轉(zhuǎn)偏振器，通過控制可以對偏振旋轉(zhuǎn)角度進行精確控制，可以快速旋轉(zhuǎn)線偏振光束的偏振方向。檢偏器10的外圈1上設(shè)有多個觸發(fā)孔2，排列在多個標定的透光方向上。紅外探測器9由紅外發(fā)射端和接收端兩部分組成。 濾光片采用干涉濾光片；起偏器采用格蘭泰勒棱鏡起偏器，本實用新型的水下攝像方法具體如下半導(dǎo)體激光器3發(fā)出的激光經(jīng)干涉濾光片，再經(jīng)過直徑IOmm的格蘭泰勒棱鏡起偏器后產(chǎn)生線偏振光，偏振光經(jīng)過偏振旋轉(zhuǎn)器6后再經(jīng)過5 X顯微物鏡的擴束器7，使水下目標物8恰好被全部照亮，目標物8的反射或散射光經(jīng)檢偏器10后由高頻CCD攝像機11探測。旋轉(zhuǎn)偏振片6的透光軸是AO軸，步進電機12控制旋轉(zhuǎn)頻率，使得四個標定的透光方向 A0、B0、C0和DO依次經(jīng)過X軸。高頻CXD攝像機11記錄進入CXD的動態(tài)光強的變化，形成空間物體某波長處的強度變化圖。檢偏器10的外圈有4個觸發(fā)孔2，排列在四個標定的透光方向上。紅外探測器9發(fā)出平行于系統(tǒng)ζ軸的紅外光，當旋轉(zhuǎn)的觸發(fā)孔恰好處于光路上時，紅外探測器9接收到光信號，將圖像送入計算機中。觸發(fā)孔2按順時針方向旋轉(zhuǎn)，系統(tǒng)清零后，觸發(fā)孔A對準光路，此后B、C、D依次對準光路。抓取的五個偏振方向的光強圖像依次為I。。，I30-，145。，I60-，I90-形成強度灰度圖像。圖像上每一像素記錄空間物體某波長處的輻射被旋轉(zhuǎn)偏振片調(diào)制的結(jié)果，選取四個偏振方向的強度值可計算出目標背景的偏振參量，進而計算得到相應(yīng)像素對應(yīng)的空間某波長處的偏振度和偏振角，形成偏振度和偏振角灰度圖像。本實用新型的實驗結(jié)果及分析實驗采用半導(dǎo)體激光器作為照明光源，照明目標為白色打印紙片、1分硬幣和紙片上的鉛筆涂層(長方形)。實驗采集了不加偏振片時自然光下的目標圖像(強度圖)以及加偏振片且起偏器透光方向和檢偏器透光方向夾角分別為0°、30°、45°、60°、90°時共 6幅目標的圖像，分別為(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)六幅圖像。(a)目標圖像與背景圖像對比度較小，細節(jié)不清晰。比較(b)、(c)、(d)三幅偏振圖像可以看出，隨著偏振夾角增加硬幣逐漸變暗。(d)是偏振夾角為45°時所成的偏振圖像， 長方形涂層的輪廓已顯現(xiàn)出來。(f)是偏振夾角為90°時所成圖像，硬幣已完全變暗，且硬幣和鉛筆涂層的輪廓均非常清晰，成像效果明顯好于強度圖。其原因為當激光照射在硬幣上時，以反射光和單次散射光為主，而反射光和單次散射光的偏振度較大，當兩個偏振片相互平行時，透射光最強，此時硬幣最亮；當兩個偏振片相互垂直時，透射偏振光強度最小，此時硬幣灰度降低。白紙基本上完全退偏，無論兩個偏振片相互之間夾角多大，都有多次散射光透射出來，并且透射光基本保持不變。所以這一光強度基本不變的背景襯托出硬幣和涂層灰度的變化。綜合以上可以看出，退偏振小的物體(硬幣)明暗變化明顯；目標(涂層) 和背景(紙片)對入射線偏振光退偏振的差異導(dǎo)致在90°時涂層較不加偏振時明顯變暗， 而紙片變化較小，所以提高了成像對比度。正是因為不同的目標具有不同的偏振特性，所以偏振探測成為目標識別的有力手段。根據(jù)以上由實驗獲得的強度圖像和偏振圖像，可以看出(b)、(c)、(d)、(e)和(f) 五幅圖像中，雖然背景光被完全消除了，但同時目標的反射光也被很大程度地濾除掉了，影響了成像效果，這是我們所不希望看到的情況。所以為了濾除背景散射光，同時又不影響成像效果，本文根據(jù)理論公式，利用圖像融合技術(shù)，選取偏振方向為0°，45°和90°的偏振圖像，計算了目標的Stokes圖像和偏振度及偏振角圖像，其中I、Q、U和偏振度圖像分別為 Stokes參量的I、Q、U分量與偏振度值組成的圖像?？梢钥闯隼脠D像融合技術(shù)計算得到的目標物的Stokes圖像壓縮了背景的信號，但是效果不明顯。計算得到的目標的偏振度圖像，極大地壓縮了雜亂背景信號，而目標物反射光壓縮較小，效果明顯好于直接探測得到的強度圖像和偏振圖像，這為進一步目標探測和識別提供了方便。所以綜合利用偏振探測技術(shù)和圖像融合技術(shù)壓縮雜亂背景信號， 使得復(fù)雜背景下的目標檢測和識別成為可能。[0026] 實驗采用激光作為照明光源，獲取了目標的強度圖像和不同偏振夾角情況下的偏振圖像，并對強度圖像和不同偏振夾角的偏振圖像進行了對比分析。結(jié)果顯示偏振成像技術(shù)可以提高目標成像的對比度；相對于退偏振強的目標，退偏振弱的目標圖像亮度變化明顯。所以偏振成像技術(shù)可以有效地提高目標探測和識別效率。偏振成像可以利用不同目標退偏振的差異消除背景光的干擾，提供了從雜亂背景中識別目標的手段，較光強識別目標的方法具有明顯優(yōu)勢。
權(quán)利要求1.一種基于偏振識別的水下攝像系統(tǒng)，其特征是包括水下光源、偏振調(diào)制部分和圖像采集及處理部分；所述的水下光源包括半導(dǎo)體激光器(3)、濾光片G)、起偏器(5)、偏振旋轉(zhuǎn)器(6)和擴束器(7)，半導(dǎo)體激光器C3)所發(fā)的激光光束經(jīng)濾光片(4)濾光后，再經(jīng)起偏器( 變?yōu)槠窆?，該偏振光?jīng)偏振旋轉(zhuǎn)器(6)和擴束器(7)后變?yōu)槠穹较蚩烧{(diào)的線偏振光；所述偏振調(diào)制部分包括檢偏器(10)、步進電機(12)、步進電機控制器(1 和紅外探測器(9)；所述圖像采集及處理部分包括高頻CCD攝像機(11)、圖像采集系統(tǒng)(14)和計算機 (15)；水下的目標物(8)經(jīng)所述的線偏振光照射后，其反射光射入偏振調(diào)制部分，首先進入由步進電機(1 控制的檢偏器(10)，經(jīng)檢偏器(10)出射后的光束被高頻CCD攝像機(11) 采集后和紅外探測器(9)的信號同步送入計算機(15)進行異或圖像算法處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振識別的水下攝像系統(tǒng)，其特征是所述的偏振旋轉(zhuǎn)器(6)為扭轉(zhuǎn)向列型液晶旋轉(zhuǎn)偏振器，通過控制可以對偏振旋轉(zhuǎn)角度進行精確控制，可以快速旋轉(zhuǎn)線偏振光束的偏振方向。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振識別的水下攝像系統(tǒng)，其特征是所述的檢偏器 (10)的外圈(1)上設(shè)有多個觸發(fā)孔O)，排列在多個標定的透光方向上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于偏振識別的水下攝像系統(tǒng)，其特征是所述的紅外探測器(9)由紅外發(fā)射端和接收端兩部分組成。
專利摘要本實用新型涉及一種光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于偏振識別的水下攝像系統(tǒng)。技術(shù)方案是包括水下光源、偏振調(diào)制部分和圖像采集及處理部分；所述的水下光源包括半導(dǎo)體激光器、濾光片、起偏器、偏振旋轉(zhuǎn)器和擴束器，所述偏振調(diào)制部分包括檢偏器、步進電機、步進電機控制器和紅外探測器；所述圖像采集及處理部分包括高頻CCD攝像機、圖像采集系統(tǒng)和計算機；有益效果是本實用新型可以有效提高目標成像的對比度和清晰度；提高了目標探測和識別效率；偏振成像可以利用不同目標退偏振的差異消除背景光的干擾，提供了從雜亂背景中識別目標的手段，較普通的光強度成像識別目標的方法具有明顯優(yōu)勢。
文檔編號G03B15/05GK202067058SQ20112004235
公開日2011年12月7日 申請日期2011年2月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月21日
發(fā)明者李代林, 裴紅艷 申請人:中國石油大學(xué)(華東)