不同水质下光学偏振对距离选通成像目标识别距离的影响分析

水下光学成像技术对于海底资源勘测、海洋生态监测、水下搜索救援、水下考古等应用具有重要意义。相比传统水下摄像机,距离选通成像技术可以过滤选通切片外的后向散射噪声和环境背景噪声,实现高质量水下成像,但是在浑浊水体中仍然会受切片内后向散射噪声影响,导致成像距离缩短。对此,开展了光学偏振与距离选通成像结合的水下偏振选通成像技术研究,利用后向散射光良好的保偏性去除选通切片范围内的后向散射噪声,提升目标识别距离。通过理论仿真和实验研究,对比分析了不同水质下距离选通成像和偏振选通成像目标识别距离的差异。发现存在临界衰减系数c0:当水体衰减系数小于等于c0时,光学偏振对于提升距离选通成像工作距离无效果;当水体衰减系数大于c0时,偏振可提升距离选通成像工作距离。实验中还发现,目标反射率会影响临界衰减系数。该研究有利于不同水质下距离选通成像的优化应用。

距离选通成像系统中短脉冲激光驱动技术研究

基于单光子探测的距离选通成像系统中,需发射短脉冲激光并进行发射器和接收器之间的同步控制,使探测器工作在光子计数模式并在时间上进行积分,以完成成像操作。为了获得满足系统要求的短脉冲激光,同时减小系统体积、降低系统成本,本文提出将基于射频双极晶体管和基于阶跃恢复二极管SRD(结合短路传输线)两种产生窄脉冲电路应用于单光子距离选通成像系统。介绍了二者的原理与设计方法,进行了仿真验证、实物制作及测试,对脉冲发生器的特点、影响脉宽幅值的因素进行了分析。实物测试结果表明,基于晶体管方式可以产生上升时间为903.5 ps、下降时间为946.1 ps、脉冲宽度为824 ps、幅度为2.46 V的窄脉冲。基于SRD方式可以产生上升时间为456.8 ps、下降时间为458.3 ps、脉冲宽度为1.5 ns、幅度为2.38 V的窄脉冲,二者重复频率皆可达到50 MHz。利用这两种设计方法的任何一种配合外部电流驱动激光二极管都能够获得性能优良的短脉冲激光输出。

激光距离选通成像关键技术

距离选通技术是克服激光后向散射、提高激光距离选通成像系统信噪比的有效方法。阐述了激光距离选通成像原理 ,详细分析了距离选通关键技术 ,指出传统的距离选通同步控制系统的缺点 。

基于激光距离选通成像的非视域成像应用

非视域成像是国外近几年出现的一种新的成像模式,能够绕过拐角对难以直接观察的场景进行成像。介绍了基于激光距离选通成像技术的非视域成像模式,给出了国外的几个典型非视域成像实验及其结果。搭建了基于532 nm激光器和ICCD探测器的距离选通成像系统,以窗户玻璃和墙面瓷砖作为中介反射面,分别获得了50 m和20 m处目标的非视域图像。实验结果表明,非视域成像的效果与中介反射面的反射特性有关,许多具有一定镜面反射特性的建筑材料均可作为中介反射面,用于非视域成像;非视域成像模式在城市巷战、公安侦察以及抗灾救援等领域展现出潜在的应用前景,是一种具有发展前景的新型光电成像模式。

532nm激光距离选通成像系统

实现了一套基于532 nm波长的距离选通成像系统,并选择了几种典型环境进行了相应的原理验证实验。采用532 nm的全固态调Q脉冲激光器作为主动照明激光,激光单脉冲能量可以在35~100 mJ之间调节,系统接收望远镜口径为200 mm。采用PIN探测器获得激光脉冲发射时间,并控制目标成像的曝光时刻。成像探测器采用ICCD（intensified CCD）,最小曝光时间为2 ns。通过实验对比说明该系统能够在小雨天或者有烟雾的情况下正常工作,但是获得图像的信噪比会有所下降,同时能够在强光背景干扰的环境下获得目标的图像信息。该套系统的原理验证性实验能够为距离选通成像技术的进一步发展提供重要参考。

2D/3D距离选通成像的低对比度目标探测

低对比度目标探测在司法取证、反恐维安、远距离监控、搜救等应用中具有重要意义,然而传统二维成像方法则难以对其有效探测。由此,提出了基于2D/3D距离选通成像探测低对比度目标的方法:通过2D距离选通成像直接获取目标无背景或背景部分滤除的二维选通图像,从而突显目标,简化目标提取图像处理;当复杂背景无法有效滤除时,可进一步通过3D距离选通成像重建二维选通图像中丢失的三维空间信息,通过距离图区分目标与背景,实现目标有效探测。在该方法中,3D距离选通成像是基于上述二维选通图像采用超分辨率三维成像反演实现的,因此无需耗时获取新数据,从而提高了实时性,并压缩了数据量。研究和实验表明:该方法可有效解决低对比度目标探测问题,在低照度及恶劣天气环境下均可有效工作。

水下二维及三维距离选通成像去噪技术研究

相比传统水下摄像机,水下距离选通成像的作用距离可提高两三倍,同时基于该技术可实现快速高分辨率三维成像,在水底详查、避障导航、海洋科学研究、矿藏开发等方面具有广泛应用前景。虽然距离选通成像可通过空间切片的方式抑制水体的后向散射噪声,实现感兴趣区较高质量的成像,但是,在选通图像中仍不可避免地存在空间切片水体的后向散射噪声,导致图像信噪比和对比度降低,尤其是对于远距离目标或低反射率目标。介绍了针对水下距离选通二维成像及三维成像去噪方面的技术研究。在二维成像方面,一是采用双平台自适应增强算法提高图像对比度,更好地满足人眼视觉要求;二是采用参考水体去噪算法实现含目标图像的水体去噪,提高信噪比。在三维成像方面,针对距离能量相关三维成像,一是利用参考水体去噪算法实现去噪三维重建,二是采用双边滤波法对三维图像中数据空洞进行修复,提高三维图像质量。所述四种方法可独立或联合用于水下距离选通成像的去噪增强,提高水下距离选通成像技术的性能。

激光距离选通成像同步控制系统的设计与实现

针对传统的激光距离选通成像系统需要已知距离及精确的激光器传输时间延迟等先决条件,设计并实现了一种基于DSP的激光距离选通成像系统,并对其同步控制方法进行详细地探讨。该方案利用快速DSP控制器完成测距和距离延迟,产生纳秒级的选通脉冲选通ICCD摄像机,有效地实现了距离选通及精确的图像清晰度控制,在无需任何先决条件的情况下,可以获得目标的距离信息和距离选通图像。

激光照明距离选通成像技术研究进展

阐述了激光主动照明距离选通成像系统的工作原理,介绍了几种正在研制或已经研制成功的激光照明距离选通成像系统,并对激光主动照明距离选通成像技术的应用前景进行了分析。

激光距离选通成像技术及其组合应用模式综述

激光距离选通成像系统与热成像系统组合应用模式已成为国内外关注的发展趋势之一。简要阐述了激光距离选通成像系统的工作原理及技术特点;结合国外最新出现的主/被动成像组合模式,介绍了四种典型实验系统:单纯的激光距离选通成像系统、短波红外距离选通成像+热成像组合系统、热成像+激光雷达共光路组合系统、多波段双模成像系统,分析了各组合系统的结构组成、核心器件和技术优势;介绍了相关实验研究结果,着重介绍了两种新的成像模式——非视域成像模式和双基成像模式。分析了激光距离选通成像技术的发展趋势,对发展新型激光距离选通成像技术和装备具有参考价值。

脉冲计数可调式高重频水下距离选通成像系统

针对传统水下距离选通成像系统对激光器单脉冲能量要求较高的问题,设计了一种脉冲计数可调高重频水下距离选通成像系统。相对于传统单帧单脉冲水下距离选通成像系统,该系统能够在一帧内采用多个回波脉冲在成像器件上的积累实现多重曝光,并可实时调整一帧图像周期所需累积的脉冲数,仅需较低的单脉冲能量即可得到高质量图像。在水池内对系统进行了成像实验,结果表明:随着累积脉冲数目的增加,高重频水下成像的图像质量得到了改观;在更远距离处想要获得好的图像质量,则必须增加累积脉冲数。

基于图像亮度特性统计的水下距离选通成像自动增益控制方法

对水下激光距离选通成像质量与系统增益的关系进行了分析,提出了一种基于图像亮度特性统计的普适性自动增益控制方案。该方案通过设定不同灰度统计阈值,甄别目标图像的亮度特性,并以此作为控制系统增益的主要依据。在对水下大动态范围照度目标或慢速运动目标等进行成像的特殊场合,该方案也具备较强的适用性,能实时反馈控制系统增益,使成像质量优化。

水下线状目标距离选通成像探测研究

针对海底电缆、水下管道等水下线状目标的自动光电探测需求,基于距离选通成像探测方法,构造实验系统在实验船池环境下对水下线状目标进行探测实验,根据图像特征,采用了结合中值滤波、对比度拉伸和小波去噪的图像预处理方法改善图像质量,采用改进型Canny边缘检测算法识别线状目标边界,采用改进型RANSAC算法对水下线状目标进行曲线拟合。实验结果表明本文提出的方法可在5倍水下衰减长度内,有效用于二次曲线状目标检测,算法稳定可靠,可适用于任意形状的水下线状目标光电探测应用。

水下距离选通成像多分辨率爬山自动聚焦法

针对水下距离选通激光成像图像模糊导致自动聚焦难的问题,提出了多分辨率爬山自动聚焦法,解决了系统实时聚焦问题,获得了高清晰度高质量图片。该方法利用图像的多分辨率原理,通过空间采样处理形成不同分辨率采样层,减少数据量,降低图像处理时间,系统完成聚焦处理时间降低到约为传统方法的一半。进而利用帧间相关性对当前帧和相邻前两帧分别以0.5,0.3和0.2的加权系数进行加权计算,获得当前帧的边缘检测清晰度值,近乎以100%正确率解决爬山法由于局部峰值干扰错误判断可能收敛到局部最大值而导致聚焦失败的问题,最后利用爬山法实现自动聚焦。针对此方法进行多次选通系统实验验证,结果证明:该方法能够保证自动聚焦的速度和精度,提高系统聚焦判定的实时性、准确性和鲁棒性。

距离选通成像在无人机识别分类中的应用

针对无人机夜间难以识别的问题,采用YOLOv5算法对无人机激光图像进行识别分类。首先对距离选通成像原理进行了说明,其次介绍了YOLOv5网络结构,然后建立了五种无人机激光图像数据集,最后使用YOLOv5的四种网络模型对数据进行训练。实验结果得出,四种模型的准确率都是99.73%,损失率都在1%以内,同时,在YOLOv5s网络下五种无人机识别分类的平均识别率为96%、94.6%、95.2%、95.7%、95.4%,识别准确率较高。

激光距离选通三维成像技术研究进展(特邀)

随着人工智能时代的到来,同时获得反映目标辐射特性和纹理特征的高分辨率强度图像以及反映目标和所处场景的三维空间信息的稠密点云数据/三维图像的激光相机雷达技术已成为激光雷达的发展趋势。传统的摄像机与激光雷达复合的技术方案存在异源数据融合问题,尤其是在雾雨雪天气条件下以及水下等传输链路中存在严重散射的情况时难以有效工作。激光距离选通三维成像技术利用单一门控成像器件可同时获得高质量二维强度图像和高分辨率三维图像,其二维图像中的像素和三维图像中的体素一一对应,并继承了激光距离选通成像透散射成像的技术优势,具有实现高性能激光相机雷达的技术潜力。论文系统综述了步进延时扫描、增益调制、距离能量相关等激光距离选通三维成像技术的研究进展,介绍了该类技术的国内外典型应用情况,最后分析了该领域所面临的挑战及进一步发展方向和应用前景。

水下光电成像技术与装备研究进展(上)——水下激光距离选通技术

激光距离选通成像技术是当前国内外不断发展且应用有效的水下光电成像技术之一,国外20世纪90年代后陆续公开了一些水下光电成像探测系统和实验结果。结合海洋资源勘探、水下救援和侦察等应用领域的需求,全面介绍并对比分析了当前国内外典型水下激光距离选通成像装置和性能水平,讨论了其技术特点,对水下激光距离选通成像技术的发展和装置应用具有意义。

基于最小可分辨对比度的近红外距离选通成像系统作用距离模型

基于近红外或短波红外脉冲激光照明的距离选通成像(RGI)技术能够有效降低后向散射的影响,提高夜间以及恶劣环境下光电成像系统的作用距离。针对近红外RGI系统的设计与分析需要,研究提出RGI系统的作用距离模型和预测方法,即在按照传统连续(被动)成像模式计算或测试RGI系统最小可分辨对比度(MRC)性能的基础上,采用曝光时间积分等效的原理,折算周期性脉冲激光的成像效果,进而采用等效条带图案方式预测RGI系统对不同目标的作用距离。该方法预测结果与实际系统实验结果具有较好的一致性,表明该方法的有效性。该方法可用于各种近红外RGI系统的设计与性能分析,也可适用于短波红外RGI系统的作用距离预测。

基于激光距离选通的非视域成像特性分析

激光距离选通成像系统借助具有一定镜面反射特性的中介反射面可以实现绕过拐角对隐蔽目标成像,即非视域成像。在对中介反射面模型化的基础上,分析并推导非视域成像系统探测器光敏面上的信号辐照度与干扰辐照度,进而给出非视域图像的对比度模型;结合典型非视域成像系统参量,分析中介面反射特性及其位置对非视域成像的影响。分析结果表明:对于大多数实用的中介反射面,只有采用激光距离选通成像模式才能实现非视域成像;当探测器和目标的位置确定时,中介反射面距离目标越近,非视域成像系统探测、识别目标的难度就越大;在实际使用过程中,采取适当的使用策略或方法可以最大限度发挥系统的性能。文中建立的模型及分析结果对于非视域成像的理论研究、系统设计和实际应用具有指导意义。

空间光调制器扫描接收的距离选通成像激光雷达

激光距离选通的扫描式成像技术具有低成本、能避免多次散射等特点,成像扫描与激光束扫描的同步配合是扫描成像技术的难点。设计了一个基于空间光调制器(SLM)的扫描式距离选通激光雷达系统,保证目标反射光的可靠接收,并在时间上和空间上屏蔽后向散射光。在具有不同衰减长度的光散射环境中对本系统进行了测量,实现二维和三维成像。实验结果表明,本系统能够有效地实现光束扫描与距离选通成像扫描的同步,适用于光散射环境中光学成像的可视距离扩展。