水下阵列相机成像方法与流程

本发明属于光学技术领域，具体涉及一种水下阵列相机成像方法。

背景技术：

近年来，海洋资源探测与开发利用已经受到越来越大的关注。然而，由于海洋幅员辽阔，海水对电磁波信号的吸收，造成海洋资源探测的难度巨大。此外，海洋中的湍流以及海洋波浪，也对海洋资源探测造成了巨大的影响。当前的海洋探测，主要集中在水表区域，在水下区域的探测还相对较少。

本发明专利中，我们提出一种水下阵列相机成像方法，该方法在主动的激光光源照射下，利用阵列相机以及仿真算法，提取激光在照射成像物过程中，受到了水下湍流影响，以及光线在碰到海面波浪的不规则反射，重构出清晰的水下光学图像，该方法可应用到水下区域，在复杂的海洋环境下，获取海洋内部的光学图像。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种水下阵列相机成像方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

本发明的算法部分包括电场型蒙特卡洛仿真、海洋湍流模拟、波浪模拟以及频谱拼接图像重构算法，硬件部分包括激光器、阵列相机，由激光器发出主动照明的光源信号，经过水下湍流以及海面波浪反射后，照明成像物，成像物反射的激光光线，同样通过水下湍流以及海面波浪反射后，达到相机阵列，对于水下激光传输的电场型蒙特卡洛仿真，根据惠更斯-菲涅尔原理，激光的等相位面将离散为大量的次级球面子波源，子波源的密度与等相位面上的振幅分布对应，球面子波源将发射截面无限小的光电场，把截面无限小的光电场定义为“光子”，通过模拟大量的光子，可以模拟一个真实的球面子波源，通过对大量的球面子波源进行模拟，可以准确的模拟激光发射的光电场，激光的光电场在水下传输过程中，经过反射、吸收和散射，此外，水下湍流的存在会影响海水介质的相位，使用复数形式的高斯随机数值矩阵，利用湍流折射率功率谱对其进行滤波，再进行逆向傅里叶变换，得到湍流相位屏，将此湍流相位屏叠加到蒙特卡洛仿真的相位信息中，实现海洋湍流模拟，使用pierson–moskowitz谱模拟海洋波浪，激光器到达海洋波浪后，依据光学反射定律实现光学反射，当激光信号被阵列相机，再利用频谱拼接图像重构算法，重构成像物的图像。

所述电场型蒙特卡洛仿真，根据惠更斯-菲涅尔原理，激光的等相位面将离散为大量的次级球面子波源，子波源的密度与等相位面上的振幅分布对应，球面子波源将发射截面无限小的光电场，把截面无限小的光电场定义为“光子”，通过模拟大量的光子，可以模拟一个真实的球面子波源，通过对大量的球面子波源进行模拟，可以准确的模拟激光发射的光电场，激光的光电场在水下传输过程中，经过反射、吸收和散射，当光子到达水-气边界时，光子的折射角由斯涅尔定律所决定：nisinθi＝ntsinθt，其中θi和θt分别代表入射角和折射角，当偏振方向与反射面的夹角为σ时，其光强反射率为：此时，蒙特卡洛模拟程序会产生一个在(0,1)内均匀分布的随机数ε，当ε＞r(θi)，那么光子将会被折射，否则光子将被反射，海水的吸收和散射系数可分别定义为μa[cm^-1]和μs[cm^-1]，光子的初始传输方向为sk，其在笛卡尔坐标上的分量为(sx,sy,sz)。光子传输起点为(xk,yk,zk)。相应的水平偏振与竖直偏振方向为(mk,nk)。在模拟中，将依据公式l＝-in(ε)/(μs+μa)，抽样光子的迁移自由程，在完成了自由程的传输后，光子到达新的位置(xk+l×sx,yk+l×sy,zk+l×sz)，并被悬浮物所散射，依据mie散射定理，散射前后的场强关系由公式所决定，其中θ和为偏转角和方位角，取值范围是(0,π)，利用米散射定律抽样产生具体数值，经过散射后，光子的行进方向与相应的电场偏振方向改变为上述过程循环，直至光子进入阵列相机为止。

所述海洋湍流模拟，使用复数形式的高斯随机数值矩阵，利用湍流折射率功率谱对其进行滤波其中κ为空间频率，常数和c1的数值分别约等于0.72和2.35，dt和ds分别为分子热扩散率(molecularthermaldiffusivity)和分子盐度传递系数(molecularsalinitytransportcoefficient)，ν是水介质的运动粘度(kinematicviscosity)，ε是单位海水的动能耗散率，kolmogorov微尺度参数η＝(ν³/ε)^1/4，χt是温差耗散率，ω定义为温度导致和盐度导致的海洋光学湍流比值再进行逆向傅里叶变换得到湍流相位屏，将此湍流相位屏叠加到蒙特卡洛仿真的相位信息中，实现海洋湍流模拟。

所述波浪模拟，使用谱方程模拟海洋波浪的波谱，进行逆向抽样后，代入公式得到波浪高度，其中，an,ωn为组成波的振幅和圆频率，波的振幅表达式为εn为在0-2π内均匀分布的随机初相位。

所述频谱拼接图像重构算法，根据经典的光学衍射定律，从物体表面出射的相干光源，经过长距离传输后，等效于进行了光学傅里叶变换。相机对远距离物体成像，等效于先在傅里叶频谱域进行了孔径滤波后，再通过透镜获取相应图像。使用相机阵列对远距离物体成像，等效于在频谱域的不同频率进行孔径滤波后获取一系列图像。假设有相机数目为n，图像序列可定义为ilm，其中l表示相机的序号，取值范围是[1:n]，n是大于1的整数，利用水下光学仿真获取ilm后，使用如下算法过程①任意假设成像物的场强分布可假设为均匀强度的电场分布，使用傅里叶变换获得其频谱域u(kx,ky)；②使用电场型蒙特卡洛仿真，模拟光电场到达第l(l＝1:n)个相机像面的场强分布③将中的il，替换为使用相机i的探测的光强分布ilm，即④对进行傅里叶变换，并更新u(kx,ky)中的第l个孔径区域，并利用傅里叶逆变换获取相应的⑤重复②-④，直至计算结果收敛，通过上述过程，获得重构图像。

所述激光器，是一种发出相干光源的仪器，激光器前安装正焦透镜，用于实现扩束。

所述阵列相机，是由n个独立的相机组成，n是大于1的整数，在每个相机内部，都安装有镜头与感光芯片。

本发明的有益效果：通过本发明的装置与方法，使用激光作为主动照明光源，传播距离远，并且相干光的相位是可重构的，使用阵列相机，获取不同空间频谱下的光学图像，并结合电场型蒙特卡洛仿真与频谱拼接图像重构算法，分析海洋湍流与波浪反射对成像的影响，进而得到更清晰的光学图像。

附图说明

图1为水下阵列相机成像方法示意图。

具体实施方式

为了使公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

实施例1

下面结合附图1和实施例1对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种水下阵列相机成像方法，其算法部分包括电场型蒙特卡洛仿真、海洋湍流模拟、波浪模拟以及频谱拼接图像重构算法，硬件部分包括激光器1、阵列相机中分别包含相机2、相机3和相机4，由激光器发出主动照明的光源信号，经过水下湍流相位屏5以及海面波浪6反射后，照明成像物7，成像物7反射的激光光线，同样通过水下湍流相位屏5以及海面波浪6反射后，达到相机阵列，对于水下激光传输的电场型蒙特卡洛仿真，根据惠更斯-菲涅尔原理，激光的等相位面将离散为大量的次级球面子波源，子波源的密度与等相位面上的振幅分布对应，球面子波源将发射截面无限小的光电场，把截面无限小的光电场定义为“光子”，通过模拟大量的光子，可以模拟一个真实的球面子波源，通过对大量的球面子波源进行模拟，可以准确的模拟激光发射的光电场，激光的光电场在水下传输过程中，经过反射、吸收和散射，此外，水下湍流的存在会影响海水介质的相位，使用复数形式的高斯随机数值矩阵，利用湍流折射率功率谱对其进行滤波，再进行逆向傅里叶变换，得到湍流相位屏，将此湍流相位屏叠加到蒙特卡洛仿真的相位信息中，实现海洋湍流模拟，使用pierson–moskowitz谱模拟海洋波浪，激光器到达海洋波浪后，依据光学反射定律实现光学反射，当激光信号被阵列相机，再利用频谱拼接图像重构算法，重构成像物的图像。

所述电场型蒙特卡洛仿真，根据惠更斯-菲涅尔原理，激光的等相位面将离散为大量的次级球面子波源，子波源的密度与等相位面上的振幅分布对应，球面子波源将发射截面无限小的光电场，把截面无限小的光电场定义为“光子”，通过模拟大量的光子，可以模拟一个真实的球面子波源，通过对大量的球面子波源进行模拟，可以准确的模拟激光发射的光电场，激光的光电场在水下传输过程中，经过反射、吸收和散射，当光子到达水-气边界时，光子的折射角由斯涅尔定律所决定：nisinθi＝ntsinθt，其中θi和θt分别代表入射角和折射角，当偏振方向与反射面的夹角为σ时，其光强反射率为：此时，蒙特卡洛模拟程序会产生一个在(0,1)内均匀分布的随机数ε，当ε＞r(θi)，那么光子将会被折射，否则光子将被反射，海水的吸收和散射系数可分别定义为μa[cm^-1]和μs[cm^-1]，光子的初始传输方向为sk，其在笛卡尔坐标上的分量为(sx,sy,sz)。光子传输起点为(xk,yk,zk)。相应的水平偏振与竖直偏振方向为(mk,nk)。在模拟中，将依据公式l＝-in(ε)/(μs+μa)，抽样光子的迁移自由程，在完成了自由程的传输后，光子到达新的位置(xk+l×sx,yk+l×sy,zk+l×sz)，并被悬浮物所散射，依据mie散射定理，散射前后的场强关系由公式所决定，其中θ和为偏转角和方位角，取值范围是(0,π)，利用米散射定律抽样产生具体数值，经过散射后，光子的行进方向与相应的电场偏振方向改变为上述过程循环，直至光子进入阵列相机为止。

所述海洋湍流模拟，使用复数形式的高斯随机数值矩阵，利用湍流折射率功率谱对其进行滤波其中κ为空间频率，常数和c1的数值分别约等于0.72和2.35，dt和ds分别为分子热扩散率(molecularthermaldiffusivity)和分子盐度传递系数(molecularsalinitytransportcoefficient)，ν是水介质的运动粘度(kinematicviscosity)，ε是单位海水的动能耗散率，kolmogorov微尺度参数η＝(ν³/ε)^1/4，χt是温差耗散率，ω定义为温度导致和盐度导致的海洋光学湍流比值再进行逆向傅里叶变换得到湍流相位屏，将此湍流相位屏叠加到蒙特卡洛仿真的相位信息中，实现海洋湍流模拟。

所述波浪模拟，使用谱方程模拟海洋波浪的波谱，进行逆向抽样后，代入公式中，得到波浪高度，其中，an,ωn为组成波的振幅和圆频率，波的振幅表达式为εn为在0-2π内均匀分布的随机初相位。

所述频谱拼接图像重构算法，根据经典的光学衍射定律，从物体表面出射的相干光源，经过长距离传输后，等效于进行了光学傅里叶变换。相机对远距离物体成像，等效于先在傅里叶频谱域进行了孔径滤波后，再通过透镜获取相应图像。使用相机阵列对远距离物体成像，等效于在频谱域的不同频率进行孔径滤波后获取一系列图像。假设有相机数目为3，图像序列可定义为ilm，其中l表示相机的序号，取值范围是[1:3]，利用水下光学仿真获取ilm后，使用如下算法过程①任意假设成像物的场强分布可假设为均匀强度的电场分布，使用傅里叶变换获得其频谱域u(kx,ky)；②使用电场型蒙特卡洛仿真，模拟光电场到达第l(l＝1:3)个相机像面的场强分布③将中的il，替换为使用相机i的探测的光强分布ilm，即④对进行傅里叶变换，并更新u(kx,ky)中的第l个孔径区域，并利用傅里叶逆变换获取相应的⑤重复②-④，直至计算结果收敛，通过上述过程，获得重构图像。

所述激光器1，是一种发出相干光源的仪器，激光器前安装正焦透镜，用于实现扩束。

所述阵列相机，是由3个独立的相机组成，在相机2内部，安装有镜头2-1与感光芯片2-2，在相机3内部，安装有镜头3-1与感光芯片3-2，在相机4内部，安装有镜头4-1与感光芯片4-2，。