专利名称：基于偏振识别的水下摄像系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种光学仪器技术领域，特别涉及一种基于偏振识别的水下摄像系统 及方法。
背景技术：
水下摄像系统是用于探测水中物体，并在水上进行电视显象的光学观测工具，它 为实时观察水中目标提供高分辨率的视频图象。它已成为进行水下作业所必要的设备之 一。尤其在人们无法和难以直接观察的海下空间更是不可少。现已普遍用于包括军事目的 大内的各种水下作业中，包括用于观察武器试验、舰船修造、探索水雷、鱼雷和检查布雷情 况；观察、控制海底工程作业和水下建筑过程，侦察和选择水下施工地址、设备安装以及定 期检查工程建筑质量情况；在海洋研究中，用于考察海底地貌形态和海底表层地质结构，观 察海中生物的生活习性和活动规律等。但是在水下环境中，水(衰减)非常大，而且水中存在着各种悬浮物，这些悬浮物 的性能各异，对光有散射作用。由于水对光的吸收和散射，使整个水下影像呈现雾化效果， 对比度较差，所以只能看到近处的物体。尤其散射光对影像衬度影响较大，它造成了图像对 比度下降，对水下成像影响极大，使影像衬度成为水下成像中最严重的问题之一。通常的水 下光强度成像系统是根据光强的差别来区分目标，由于散射导致的水下物体和背景强度差 别不明显或目标背景很杂乱时，用强度来区分目标就很困难，而利用光的另一个特性一偏 振特性来区别目标，可以克服由于光强差太小所带来的困难。水下偏振成像探测系统正是 为适应这样的需要而发展起来的。国外对偏振成像的研究开展的比较早，二十世纪七十年代以来，各国科学家对多 种物体的偏振特性研究做了大量的工作，掌握了许多数据，从中获得物质偏振特性的规律， 分析偏振产生的机理，为偏振的应用提供理论依据和必要的原始资料。国内关于偏振成像 方面的研究基础比较落后，仅在高校和研究所等少数单位开展一些工作。1997-2000年，安 光所研究人员利用532nm的激光作为光源，面阵CCD作为探测器，利用水中粒子和水中物体 的退偏振差异，重点研究了水中物体的偏振成像。通过理论计算得出了水下目标成像对比 度、成像距离、水体衰减常数之间的关系，并推导出了水下目标最远成像距离的计算公式。 获取了 532nm圆偏振光照射下水中物体的偏振图像，并测得了水体衰减常数为0. 5时，圆偏 振成像系统最远成像距离为1.92m。后来的工作中，又利用线偏振光作了类似的实验。但是 以上偏振成像方法对水体清澈程度有一定要求。而且由于近年来资源开发活动主要在海底，近几年来国际上重点发展浑水中的水 下成像观察技术，这已经成为海洋开发技术中的重要环节之一。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种基于偏振识别的水下 摄像系统及方法，可以获取水下物体的基于偏振信息而不是光强信息的图像，可实现较混浊水体的水下物体成像。—种基于偏振识别的水下摄像系统的技术方案是包括水下光源、偏振调制部分 和图像采集及处理部分；所述的水下光源包括半导体激光器、滤光片、起偏器、偏振旋转器 和扩束器，半导体激光器所发的激光光束经滤光片滤光后，再经起偏器变为偏振光，该偏振 光经偏振旋转器和扩束器后变为偏振方向可调的线偏振光；所述偏振调制部分包括检偏 器、步进电机、步进电机控制器和红外探测器；所述图像采集及处理部分包括高频CCD摄像 机、图像采集系统和计算机；水下的目标物经所述的线偏振光照射后，其反射光射入偏振调 制部分，首先进入由步进电机控制的检偏器，经检偏器出射后的光束被高频CCD摄像机采 集后和红外探测器的信号同步送入进行异或图像算法处理。上述的偏振旋转器为扭转向列型液晶旋转偏振器，通过控制可以对偏振旋转角度 进行精确控制，可以快速旋转线偏振光束的偏振方向。上述的检偏器的外圈上设有多个触发孔，排列在多个标定的透光方向上。上述的红外探测器由红外发射端和接收端两部分组成。另外，一种基于偏振识别的水下摄像方法，其技术方案是由半导体激光器所发的 激光光束经滤光片滤光后，再经起偏器变为偏振光，该偏振光经偏振旋转器和扩束器后变 为偏振方向可调的线偏振光；水下的目标物经所述的线偏振光照射后，其反射光射入偏振 调制部分，首先进入由步进电机控制的检偏器，经检偏器出射后的光束被高频CCD摄像机 采集后和红外探测器的信号同步送入计算机处理。本发明的有益效果是本发明可以有效提高目标成像的对比度和清晰度；提高目 标探测和识别效率；偏振成像可以利用不同目标退偏振的差异消除背景光的干扰，提供了 从杂乱背景中识别目标的手段，较普通的光强度成像识别目标的方法具有明显优势。
四
附图1是本发明的结构原理图；附图2是本发明的检偏器的结构示意图；附图3是本发明的目标物的光强度图像及偏振图像；附图3(a)是未加偏振片的自然光下的目标物的光强度图像；附图3(b_f)是加偏振片且起偏器透光方向和检偏器透光方向夹角分别为0°、 30°、45°、60°、90°时的目标物的光强度图像；附图4(a_d)分别是本发明获取的偏振特征量I、偏振特征量Q、偏振特征量U和偏 振度图像；外圈1、触发孔2、半导体激光器3、滤光片4、起偏器5、偏振旋转器6、扩束器7、目 标物8、红外探测器9、检偏器10、高频CXD摄像机11、步进电机12、步进电机控制器13、图 像采集系统14、计算机15。
五具体实施例方式结合附图1-4，对本发明作进一步的描述一种基于偏振识别的水下摄像系统的技术方案是包括水下光源、偏振调制部分 和图像采集及处理部分；所述的水下光源包括半导体激光器3、滤光片4、起偏器5、偏振旋转器6和扩束器7，偏振调制部分包括检偏器10、步进电机12、步进电机控制器13和红外探 测器9 ；图像采集及处理部分包括高频CXD摄像机11、图像采集系统14和计算机15。其中，偏振旋转器6为扭转向列型液晶旋转偏振器，通过控制可以对偏振旋转角 度进行精确控制，可以快速旋转线偏振光束的偏振方向。检偏器10的外圈1上设有多个触 发孔2，排列在多个标定的透光方向上。红外探测器9由红外发射端和接收端两部分组成。 滤光片采用干涉滤光片；起偏器采用格兰泰勒棱镜起偏器，本发明的水下摄像方法具体如下半导体激光器3发出的激光经干涉滤光片，再经过直径IOmm的格兰泰勒棱镜起偏 器后产生线偏振光，偏振光经过偏振旋转器6后再经过5 X显微物镜的扩束器7，使水下目 标物8恰好被全部照亮，目标物8的反射或散射光经检偏器10后由高频CCD摄像机11探 测。旋转偏振片6的透光轴是AO轴，步进电机12控制旋转频率，使得四个标定的透光方向 A0、B0、C0和DO依次经过X轴。高频CXD摄像机11记录进入CXD的动态光强的变化，形成 空间物体某波长处的强度变化图。检偏器10的外圈有4个触发孔2，排列在四个标定的透 光方向上。红外探测器9发出平行于系统ζ轴的红外光，当旋转的触发孔恰好处于光路上 时，红外探测器9接收到光信号，将图像送入计算机中进行异或图像算法处理(异或图像算 法为现有技术)。触发孔2按顺时针方向旋转，系统清零后，触发孔A对准光路，此后B、C、 D依次对准光路。抓取的五个偏振方向的光强图像依次为I。。，I30-，145。，I60-，I90-形成强度灰度图 像。图像上每一像素记录空间物体某波长处的辐射被旋转偏振片调制的结果，选取四个偏 振方向的强度值可计算出目标背景的偏振参量，进而计算得到相应像素对应的空间某波长 处的偏振度和偏振角，形成偏振度和偏振角灰度图像。本发明的实验结果及分析实验采用半导体激光器作为照明光源，照明目标为白色打印纸片、1分硬币和纸片 上的铅笔涂层(长方形)。实验采集了不加偏振片时自然光下的目标图像(强度图)以及 加偏振片且起偏器透光方向和检偏器透光方向夹角分别为0°、30°、45°、60°、90°时共 6幅目标的图像，实验图像如图3所示，分别为(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)六幅图像。图3(a)目标图像与背景图像对比度较小，细节不清晰。比较(b)、(C)、(d)三幅 偏振图像可以看出，随着偏振夹角增加硬币逐渐变暗。(d)是偏振夹角为45°时所成的偏 振图像，长方形涂层的轮廓已显现出来。(f)是偏振夹角为90°时所成图像，硬币已完全变 暗，且硬币和铅笔涂层的轮廓均非常清晰，成像效果明显好于强度图。其原因为当激光照 射在硬币上时，以反射光和单次散射光为主，而反射光和单次散射光的偏振度较大，当两个 偏振片相互平行时，透射光最强，此时硬币最亮；当两个偏振片相互垂直时，透射偏振光强 度最小，此时硬币灰度降低。白纸基本上完全退偏，无论两个偏振片相互之间夹角多大，都 有多次散射光透射出来，并且透射光基本保持不变。所以这一光强度基本不变的背景衬托 出硬币和涂层灰度的变化。综合以上可以看出，退偏振小的物体(硬币)明暗变化明显；目 标(涂层)和背景(纸片)对入射线偏振光退偏振的差异导致在90°时涂层较不加偏振时 明显变暗，而纸片变化较小，所以提高了成像对比度。正是因为不同的目标具有不同的偏振 特性，所以偏振探测成为目标识别的有力手段。根据以上由实验获得的强度图像和偏振图像，可以看出附图3中的(b)、(c)、(d)、
5(e)和(f)五幅图像中，虽然背景光被完全消除了，但同时目标的反射光也被很大程度地滤 除掉了，影响了成像效果，这是我们所不希望看到的情况。所以为了滤除背景散射光，同时 又不影响成像效果，本文根据理论公式，利用图像融合技术，选取偏振方向为0°，45°和 90°的偏振图像，计算了目标的Stokes图像和偏振度及偏振角图像，具体参照附图4。其中 I、Q、U和偏振度图像分别为Stokes参量的I、Q、U分量与偏振度值组成的图像。可以看出利用图像融合技术计算得到的目标物的Stokes图像压缩了背景的信 号，但是效果不明显。计算得到的目标的偏振度图像，如(d)图，极大地压缩了杂乱背景信 号，而目标物反射光压缩较小，效果明显好于直接探测得到的强度图像和偏振图像，这为进 一步目标探测和识别提供了方便。所以综合利用偏振探测技术和图像融合技术压缩杂乱背 景信号，使得复杂背景下的目标检测和识别成为可能。实验采用激光作为照明光源，获取了目标的强度图像和不同偏振夹角情况下的偏 振图像，并对强度图像和不同偏振夹角的偏振图像进行了对比分析。结果显示偏振成像技 术可以提高目标成像的对比度；相对于退偏振强的目标，退偏振弱的目标图像亮度变化明 显。所以偏振成像技术可以有效地提高目标探测和识别效率。偏振成像可以利用不同目标 退偏振的差异消除背景光的干扰，提供了从杂乱背景中识别目标的手段，较光强识别目标 的方法具有明显优势。
权利要求
1.一种基于偏振识别的水下摄像系统，其特征是包括水下光源、偏振调制部分和图 像采集及处理部分；所述的水下光源包括半导体激光器(3)、滤光片(4)、起偏器(5)、偏振 旋转器(6)和扩束器(7)，半导体激光器(3)所发的激光光束经滤光片(4)滤光后，再经起 偏器(5)变为偏振光，该偏振光经偏振旋转器(6)和扩束器(7)后变为偏振方向可调的线 偏振光；所述偏振调制部分包括检偏器(10)、步进电机(12)、步进电机控制器(13)和红外探测 器(9)；所述图像采集及处理部分包括高频CCD摄像机(11)、图像采集系统(14)和计算机 (15)；水下的目标物(8)经所述的线偏振光照射后，其反射光射入偏振调制部分，首先进入 由步进电机(12)控制的检偏器(10)，经检偏器(10)出射后的光束被高频CCD摄像机(11) 采集后和红外探测器(9)的信号同步送入计算机(15)进行异或图像算法处理。
2.根据权利要求1所述的基于偏振识别的水下摄像系统，其特征是所述的偏振旋转 器(6)为扭转向列型液晶旋转偏振器，通过控制可以对偏振旋转角度进行精确控制，可以 快速旋转线偏振光束的偏振方向。
3.根据权利要求1所述的基于偏振识别的水下摄像系统，其特征是所述的检偏器 (10)的外圈(1)上设有多个触发孔(2)，排列在多个标定的透光方向上。
4.根据权利要求1所述的基于偏振识别的水下摄像系统，其特征是所述的红外探测 器(9)由红外发射端和接收端两部分组成。
5.一种基于偏振识别的水下摄像方法，其特征是由半导体激光器(3)所发的激光光 束经滤光片(4)滤光后，再经起偏器(5)变为偏振光，该偏振光经偏振旋转器(6)和扩束器 (7)后变为偏振方向可调的线偏振光；水下的目标物(8)经所述的线偏振光照射后，其反射 光射入偏振调制部分，首先进入由步进电机(12)控制的检偏器(10)，经检偏器(10)出射 后的光束被高频CCD摄像机(11)采集后和红外探测器(9)的信号同步送入计算机(15)处 理。
全文摘要
本发明涉及一种光学仪器技术领域，特别涉及一种基于偏振识别的水下摄像系统及方法。技术方案是包括水下光源、偏振调制部分和图像采集及处理部分；所述的水下光源包括半导体激光器、滤光片、起偏器、偏振旋转器和扩束器，所述偏振调制部分包括检偏器、步进电机、步进电机控制器和红外探测器；所述图像采集及处理部分包括高频CCD摄像机、图像采集系统和计算机；有益效果是本发明可以有效提高目标成像的对比度和清晰度；提高了目标探测和识别效率；偏振成像可以利用不同目标退偏振的差异消除背景光的干扰，提供了从杂乱背景中识别目标的手段，较普通的光强度成像识别目标的方法具有明显优势。
文档编号G03B15/05GK102116997SQ201110041008
公开日2011年7月6日 申请日期2011年2月21日 优先权日2011年2月21日
发明者李代林, 裴红艳 申请人:中国石油大学(华东)