一種基于圖像復(fù)原的湍流水體目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種基于圖像復(fù)原的湍流水體目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，特別涉及一種在湍流水體中利用氣泡檢測(cè)湍流場(chǎng)并進(jìn)行圖像復(fù)原的一種湍流水體目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，屬水下目標(biāo)成像技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]在海洋、江河以及湖泊的水下目標(biāo)探測(cè)過(guò)程中，湍流水體會(huì)對(duì)成像探測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生嚴(yán)重的退化影響。湍流是一種高頻隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)，海洋湖泊水體的運(yùn)動(dòng)大多呈現(xiàn)湍流這種復(fù)雜的流動(dòng)形式。在真實(shí)海洋環(huán)境中，湍流成為影響水下目標(biāo)檢測(cè)與偵別成像真實(shí)性(距離和像質(zhì))的重要因素。目前已有很多針對(duì)大氣湍流的研宄，比如根據(jù)現(xiàn)有的各種湍流模型結(jié)合實(shí)地環(huán)境參數(shù)的數(shù)值計(jì)算，比較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果，進(jìn)而得到適用于當(dāng)?shù)丨h(huán)境的湍流模型。而對(duì)水下湍流的研宄主要集中在理論研宄上，應(yīng)用已有的湍流模型結(jié)合實(shí)際的邊界條件進(jìn)行仿真。隨著實(shí)驗(yàn)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研宄湍流獲得很大進(jìn)展。
[0003]粒子成像技術(shù)由于其非介入的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于流體流動(dòng)(不僅限于湍流)測(cè)量中?，F(xiàn)有的水體圖像恢復(fù)方法，最具實(shí)用性的是盲去卷積濾波，該方法通過(guò)假設(shè)退化模型進(jìn)行去卷積和規(guī)整化迭代運(yùn)算進(jìn)行圖像的恢復(fù)，但該方法缺乏一定的針對(duì)性?；诖?，創(chuàng)新的方法是通過(guò)對(duì)水體中的湍流進(jìn)行測(cè)量，從而有針對(duì)性的進(jìn)行圖像復(fù)原，可大大提升水下目標(biāo)探測(cè)的效率。
[0004]現(xiàn)有測(cè)湍流場(chǎng)的粒子成像法，一般是在液態(tài)流體的測(cè)量中加入示蹤粒子，如發(fā)明專利《一種水流中流跡線的動(dòng)態(tài)顯示系統(tǒng)及其顯示方法》(申請(qǐng)?zhí)?201210079105.1)所述示蹤粒子，該粒子是特制的玻璃體或者熒光體，玻璃體粒子的粒徑大小不均勻，價(jià)格相對(duì)便宜；熒光粒子的粒徑一致性好，但價(jià)格昂貴，由于這些加入水體中的粒子不可循環(huán)利用，亦即加入水體中后不能再分離及回收利用，存在浪費(fèi)現(xiàn)象，另一方面加入的粒子對(duì)流體產(chǎn)生了一定的污染。
[0005]現(xiàn)有的水下目標(biāo)探測(cè)器材，大多采用提高傳感器性能的方法來(lái)改進(jìn)探測(cè)效果；現(xiàn)有的水體圖像恢復(fù)方法，大多是基于光線傳播的點(diǎn)擴(kuò)散模型，其中對(duì)于湍流水體則一般采用現(xiàn)有的理論模型，同樣的缺乏針對(duì)性。
[0006]一種采用氣泡作為示蹤粒子，探測(cè)氣泡在水體中的流動(dòng)，從而反映水體的流動(dòng)，由此檢測(cè)湍流場(chǎng)并進(jìn)行在湍流影響下的水下目標(biāo)圖像的復(fù)原裝置，未見(jiàn)于已公開(kāi)專利或文獻(xiàn)中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型的目的是針對(duì)【背景技術(shù)】所提出問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于圖像復(fù)原的湍流水體目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，是同時(shí)探測(cè)和記錄湍流水體中目標(biāo)圖像和氣泡圖像，根據(jù)氣泡圖像測(cè)出湍流場(chǎng)速度，建立退化模型，采用半盲解卷積算法，進(jìn)行目標(biāo)圖像復(fù)原，獲取清晰的目標(biāo)圖像裝置，解決了湍流水體探測(cè)目標(biāo)圖像的降質(zhì)問(wèn)題，提高了圖像復(fù)原質(zhì)量。滿足小型化、低成本、高性能、節(jié)能環(huán)保等要求。
[0008]為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用以下方案:
[0009]一種基于圖像復(fù)原的湍流水體目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括:LED發(fā)射模塊、氣泡發(fā)生模塊、信號(hào)接收模塊、互相關(guān)處理模塊和圖像復(fù)原模塊；其中:
[0010]LED發(fā)射模塊是產(chǎn)生LED光信號(hào)探測(cè)氣泡及水下目標(biāo)模塊；包括:LED陣列燈、微透鏡陣列和反射鏡，所述LED陣列燈發(fā)射出的LED光信號(hào)分為兩路，再分別通過(guò)所述微透鏡陣列的反射鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下目標(biāo)在湍流水體中的成像點(diǎn)照明；
[0011]氣泡發(fā)生模塊是在湍流水體中產(chǎn)生氣泡模塊；包括:氣泡發(fā)生器，所述氣泡發(fā)生器內(nèi)包括鉬絲電解水裝置；所產(chǎn)生的氣泡直徑設(shè)定為亞毫米量級(jí)；
[0012]信號(hào)接收模塊是接收水下探測(cè)目標(biāo)及氣泡圖像成像點(diǎn)模塊；包括:第一光學(xué)接收模塊、第二光學(xué)接收模塊；所述第一光學(xué)接收模塊用于以固定的曝光時(shí)間及幀頻記錄兩幅氣泡圖像，所述第二光學(xué)接收模塊是利用圖像傳感器接收水下目標(biāo)經(jīng)湍流水體后的成像信號(hào)模塊；
[0013]互相關(guān)處理模塊是處理氣泡圖像并計(jì)算湍流場(chǎng)速度模塊；包括:將接收到的兩個(gè)氣泡圖像進(jìn)行相似比對(duì)、根據(jù)雙幀單曝光的成像方式對(duì)先后采集的兩幅圖像進(jìn)行互相關(guān)運(yùn)算單元，以及:選取合適的問(wèn)詢區(qū)域及窗口移動(dòng)大小，計(jì)算每個(gè)問(wèn)詢區(qū)的兩速度分量并得到整個(gè)粒子圖像速度處理單元；
[0014]圖像復(fù)原模塊是將采集的目標(biāo)圖像信號(hào)送入處理器進(jìn)行圖像復(fù)原處理模塊；
[0015]所述用于信號(hào)接收模塊的第一光學(xué)接收模塊和互相關(guān)處理模塊演算出湍流場(chǎng)的速度參數(shù)，作為第二光學(xué)接收模塊和圖像復(fù)原模塊的湍流退化模型的先驗(yàn)知識(shí)。
[0016]如上所述一種基于圖像復(fù)原的湍流水體目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:所述氣泡直徑設(shè)定值為0.0lmm?0.2_。其有益效果是:該大小尺寸的氣泡，進(jìn)入湍流水體后，其流動(dòng)速度才能和水體的流速保持一致，因此氣泡圖像的速度才能等效為湍流水體的流體速度。
[0017]本實(shí)用新型基于圖像復(fù)原的湍流水體目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的工作原理是:
[0018]通過(guò)LED陣列產(chǎn)生的光信號(hào)經(jīng)微透鏡組分為兩路光信號(hào)，其中一路光信號(hào)通過(guò)反光鏡照射到水下探測(cè)目標(biāo)，另一路光信號(hào)照射由氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的部分氣泡，第一光學(xué)接收模塊中CCD以連續(xù)兩次曝光捕獲兩幅氣泡圖像，采用雙幀單曝光記錄方式，兩幅圖像信號(hào)送入互相關(guān)處理模塊，采用互相關(guān)算法，其原理是連續(xù)兩次曝光分別產(chǎn)生兩幅氣泡圖像，在第一幅氣泡圖像中，設(shè)定一個(gè)包含單個(gè)(或多個(gè))氣泡的區(qū)域。在第二幅圖像中，選擇含前幅圖中相同氣泡成像的對(duì)應(yīng)區(qū)域，計(jì)算兩幅圖中該區(qū)域的相似性，即兩者的相關(guān)系數(shù)，大的相關(guān)系數(shù)值反映的就是同一個(gè)氣泡在兩幅圖像上的像對(duì)，峰值對(duì)應(yīng)平面上的坐標(biāo)就是氣泡像對(duì)的位移，由湍流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)方向與氣泡運(yùn)動(dòng)方向的二維關(guān)系，可得出湍流場(chǎng)速度。目標(biāo)圖像由第二光學(xué)接收模塊的圖像傳感器捕獲，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像復(fù)原處理，根據(jù)湍流場(chǎng)速度可得出圖像傳感器與目標(biāo)間存在一維運(yùn)動(dòng)X (t)，x(t)的概率密度函數(shù)就反映在圖像平面的強(qiáng)度分布。利用第一光學(xué)接收模塊和互關(guān)處理模塊演算出湍流場(chǎng)的速度參數(shù)，作為第二光學(xué)接收模塊和圖像復(fù)原模塊的湍流退化模型的先驗(yàn)知識(shí)。由于運(yùn)動(dòng)概率密度函數(shù)與圖像擴(kuò)散函數(shù)相等，能從概率密度函數(shù)中估計(jì)出運(yùn)動(dòng)調(diào)制傳遞函數(shù)，再將半盲解卷積算法應(yīng)用于目標(biāo)圖像復(fù)原，主要思想是用正則化公式和邊緣檢測(cè)作為約束解決圖像復(fù)原的數(shù)學(xué)病態(tài)性問(wèn)題，保留在圖像復(fù)原過(guò)程中圖像的輪廓細(xì)節(jié)，得到清晰目標(biāo)圖像。
[0019]本實(shí)用新型的有益效果是:
[0020](I)用LED陣列做光源，利用微透鏡陣列技術(shù)改善LED的光學(xué)性能、提高取光效率。
[0021]⑵利用采集的氣泡圖像計(jì)算湍流場(chǎng)速度，采用半盲解卷積算法，提高圖像復(fù)原質(zhì)量。
[0022]⑶因此本專利采用氣泡作為示蹤粒子探測(cè)水體的流動(dòng)，不污染環(huán)境也不影響成像。
[0023]⑷本系統(tǒng)滿足小型化、低成本、高性能、節(jié)能環(huán)保等要求，性價(jià)比高，對(duì)各種水體的水下目標(biāo)成像探測(cè)應(yīng)用有著十分重要的意義。
【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例結(jié)構(gòu)框圖。
[0025]圖中的標(biāo)記說(shuō)明:I一LED發(fā)射模塊，2—探測(cè)目標(biāo)，3—信號(hào)接收模塊。
【具體實(shí)施方