水下非均匀光场的分布特性

为了克服水下探测中后向散射光背景噪音的影响,提出了非均匀光场水下探测方法,推导得出非均匀光场的照度分布函数与接收口径、目标与接收器的距离以及海水的体积衰减系数几个因素有关.通过搭建集束光水下图像系统,对其产生的非均匀光场的分布特性和水下探测特性进行了水池实验.观测结果为,在0.6倍能见度下,可分辨1mm细节,在1倍能见度时,可分辨目标轮廓,在1.5倍能见度时,可探测到目标.结果证明,该系统具有宽视角、全景深、图像清晰度高等特点.     

浑水中非均匀光场探测图像方法

分析了传统的水下观测和激光观测技术在能见度约为0.5~1.5 m的浑浊水域和0.2 m的特浑水域观测遇到的理论和技术上的局限性.叙述了一种非均匀光场集束光水下目标图像探测方法和系统，并在各种浑浊水质中进行其特性的试验.试验结果表明该系统基本上解决了浑浊水中的观测问题.     

水下光场的蒙特卡罗法求解

水下光场分布对水下光电成像质量具有决定性的影响,通过水下光场分布可以得到水下图像的传输退化模型。在给定水体光学参数的前提下,建立光子水下传输概率模型,利用Monte Carlo法模拟光子在水下的运动,可以获得水下光子散射点体积密度分布,求解出水下光场;在水体体散射函数为球形对称的条件下,利用Monte Carlo法得到的水下光场分布与理论公式的计算结果具有很好的一致性,验证了该方法的有效性;最后给出了水下理想点光源形成的水下光场分布。基于此结论,可以将Monte Carlo法求解水下光场的应用范围推广至水体体散射函数为一般表达式的情形。     

基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术研究

针对浑浊水体偏振成像时由于强散射作用导致的背景散射光分布不均匀且目标信息被淹没,无法有效解译,难以实现清晰化成像的问题,提出基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术.该技术利用散射光场中偏振信息的共模抑制特性消除非均匀性,结合水下散射光场中背景信息纹理单一、信息相关性高以及目标信息空间占比小的特点,建立偏振域的稀疏-低秩信息分析处理模型,有效分离目标和背景信息,重建高对比度清晰目标图像.实验结果表明,基于稀疏低秩特性的水下非均匀光场偏振成像技术不仅能够有效地提升浑浊水下图像的对比度,复原细节信息,而且能够有效地抑制非均匀强散射,在水下偏振成像领域具有良好的应用前景.     

集束光水下图像系统

报道了一种新型的适用于浑水条件下的集束光水下图像系统.分析了目前水下观察采用的两种技术—同步扫描技术和距离选通技术,介绍了该水下图像系统的构成原理以及系统组成.通过水池实验,验证了系统的有效性.给出了集束光水下图像系统与水下激光图像系统在探测距离及其它性能方面的比较结果.该系统有望在海洋工程及军事上得到广泛应用.     

非临界压缩光场探测的实验方案研究

压缩态光场作为一种重要的量子光源,在量子计算、量子通信、精密测量等领域有广泛的应用前景.在非临界压缩光场产生的理论预测中,阈值以上泵浦的简并光学参量振荡器(DOPO)产生横向空间分布为一阶厄米高斯模式的非临界压缩光场,具有对泵浦光功率波动鲁棒性的量子特性,因此在实验中具有重要的应用价值.然而该非临界压缩光场的横向幅角随机旋转,导致无法利用本底探针光对其压缩特性进行稳定的平衡零拍实验探测.本文提出利用DOPO同时产生的与压缩光场空间正交的明亮光场作为本底探针光的实验探测方案.理论分析表明,该方案虽然引入了真空噪声,但可以很好地抵消压缩光场空间模式随机旋转引入的探测输出动态波动,得到3 d B的稳定探测结果,且对本底探针光的相位波动具有鲁棒性.因此该探测方案对于非临界压缩光场的实验研究具有重要的实用价值.     

激光照明水下目标距离选通成像系统的研制

基于水下目标探测的应用需求,研制开发了一套激光水下距离选通成像系统。系统采用波长532 nm、最大单脉冲能量400 mJ的Nd:YAG脉冲激光器作为照明光源,采用最小选通门宽3 ns、像元10241024的ICCD相机作为门选通器件和图像记录器件,利用DG535型数字脉冲发生器作为精确延时和同步控制器件实现激光脉冲和ICCD相机选通门的同步以实现距离选通功能。利用该系统在某水库进行了水下目标探测实验,实验结果表明,该系统可在6.5倍的衰减长度上识别目标,在8倍衰减长度上发现目标。     

本期重点推荐论文北大核心

《水下光场的蒙特卡罗法求解》针对水下光电成像的应用需求,建立光子水下传输概率模型,利用蒙特卡罗方法求解水下光子照度随深度的分布特性,并与文献迭代法的计算结果进行比对,验证了该方法的有效性。在此基础上,模拟分析了水下点光源形成的光子照度随深度的分布特性,论文有关结果对实际工作有一定参考价值。     

太湖梅梁湾水下光场扰动的特征分析

在水体表面波的扰动作用下,水下光场随深度呈现较为明显的波动现象,且水中光合作用会对水下光场波动作出响应,因而此现象引起了广泛的关注。基于太湖梅梁湾观测的水下光场数据,计算了水下光场随深度的变化,并分析了其波动特征。结果表明:表面波引起了水下光场较为明显的波动现象,波动振幅最大的深度基本小于20 cm,远小于海洋中对应的深度;水下光场波动的振幅随深度呈e的负指数衰减,漫射消光系数越大,水下光场的波动衰减得也越快;当深度大于30 cm时,水下光场的扰动现象基本消失。还计算了船舶对水下光场观测的影响,发现直射光未被遮挡的情况下,漫射比例越高,其相对误差越大。     

光电成像系统动态图像分辨特性测试方法的研究

研究分析了光电成像系统观察运动目标时对图像探测特性的影响因素和数学模型 ;讨论了测试方法并建立了测试装置 ;对微光电视系统进行了动态图像分辨特性的测试并给出了测试结果和测试曲线     

不同光照条件下水下成像背景光的建模与研究

由于光在水中传输时的衰减和散射效应, 水下成像系统通常很难达到令人满意的成像效果, 而成像过程中由于光散射产生的背景光则是造成水下图像退化的主要原因. 本文对自然光照和人工光照两种不同光照条件下的水下成像背景光进行了建模和仿真分析. 结果显示: 自然光照下的无穷远处背景光与衰减系数成反比, 与散射系数成正比; 人工光照下的无穷远处背景光则与衰减系数、散射系数和相机-光源距离有关. 两种光照条件下的背景光都可以用无穷远处背景光的指数衰减表达式来表示. 水下图像背景光的强度主要与水体光学参数、相机-景物的距离、相机-光源的距离及相机成像角等因素有关. 本文的研究结论不仅可用于水下成像系统的设计与优化, 也可用来从水下图像背景光中估计水体光学参数、相机-景物距离等图像信息.     

Hybrid multi-resolution detection of moving targets in infrared imagery

A hybrid moving target detection approach in multi-resolution framework for thermal infrared imagery is presented. Background subtraction and optical flow methods are widely used to detect moving targets. However, each method has some pros and cons which limits the performance. Conventional background subtraction is affected by dynamic noise and partial extraction of targets. Fast independent component analysis based background subtraction is efficient for target detection in infrared image sequences; however the noise increases for small targets. Well known motion detection method is optical flow. Still the method produces partial detection for low textured images and also computationally expensive due to gradient calculation for each pixel location. The synergistic approach of conventional background subtraction, fast independent component analysis and optical flow methods at different resolutions provide promising detection of targets with reduced time complexity. The dynamic background noise is compensated by the background update. The methodology is validated with benchmark infrared image datasets as well as experimentally generated infrared image sequences of moving targets in the field under various conditions of varying illumination, ambience temperature and the distance of the target from the sensor location. The significant value of F-measure validates the efficiency of the proposed methodology with high confidence of detection and low false alarms.     

超大视场红外告警系统的成像特点分析

为了设计出适用于超大视场红外鱼眼告警系统的有效算法,对超大视场红外鱼眼告警系统所拍摄的红外图像进行分析,结果发现:超大视场红外图像中目标只表现为一个点,红外图像的背景非常复杂;对于天空背景,随着仰角的增大,其辐射亮度逐渐变小,目标的运动轨迹被弯曲,并随视场角的增大其弯曲程度越甚。从红外鱼眼镜头的设计理论出发,对系统的像面照度进行了分析,并采用美国光电工业公司的CDS100-04型黑体作为标准辐射源对分析结果进行了实验验证,结果表明:不同位置处灰度值的相对标准偏差仅为2.26%,说明该系统的像面照度是均匀的;最后,对系统的作用距离进行了分析,其作用距离约为9.6 km,基本满足实际需要。     

基于双向反射函数的水下激光引信回波仿真方法

针对鱼雷激光近炸引信探测水下近场目标的需求,开展了水下激光引信回波蒙特卡洛仿真方法研究.结合水下激光引信探测特点建立水下目标回波的蒙特卡洛仿真模型.为了提高水中非朗伯目标表面回波仿真的准确度,推导了基于双向反射函数的光子反射方向概率分布,根据概率分布随机抽样光子反射方向.仿真了不同距离和入射角度条件下的水中目标回波信号.仿真结果表明:目标回波幅度随目标距离和入射角度的增大迅速下降,目标距离在6~12m内变化时,信号峰值动态范围为11.5dB;目标距离为8m,激光入射角在0~45°内变化时,信号峰值动态范围为9.2dB.为验证仿真方法的正确性,在水池中进行水中目标蓝绿激光探测实验,实验结果和仿真结果一致.研究成果可为解决传统蒙特卡洛方法在水中非朗伯面目标回波仿真中的适用性问题及水下激光引信优化设计提供参考.     

Region-specialized underwater image restoration in inhomogeneous optical environments

Underwater optical imaging and image processing play an important role in oceanic scientific research and practical applications. However, as light is absorbed and scattered by the water which it passes through, the underwater image acquired is seriously degraded. The resolution and contrast are lowered by light scattering and color is distorted by the wavelength-selective absorption. In order to solve these problems, various artificial sources are widely used in underwater imaging systems. However, additional sources except the parallel background light will cause pollution to the underwater optical environments, making it inhomogeneous. In this condition, the popular image processing methods based on the assumption of the homogeneous ambient light are weak or even futile. Aimed to solve this problem, a region-specialized method for underwater image restoration is proposed in this paper. Region-varied changes in the ambient light are taken into consideration for dehazing and color compensation. In contrast to the references including the state of art methods for both underwater image enhancement and restoration, the enhanced clarity and color fidelity are obtained through visual evaluation. Moreover, the highest score of no-reference perceptual quality assessment is obtained by the proposed method as well.     

基于菌落挑选仪的暗视场照明的优化设计

针对高通量菌落挑选仪研发的照明设计,采用暗视场照明方式,在保证照度均匀的同时大幅提升了所采集菌落图像的对比度,以提高仪器整体性能。分析了影响照度均匀度的三个重要因素,LED环形光源中灯珠的投射角度、LED环形光源的阵列层数以及LED环形光源距目标面距离。模拟结果表明,当灯珠投射角度为75°、LED环形光源阵列为三层以及LED环形光源距目标面距离为61cm时,照度均匀度最优为93.16%。采用所设计的暗视场照明方式搭建实验系统,实验结果达到项目要求,并与软件模拟结果相匹配。     

大气非均匀路径中图像退化光学模型

均匀路径中图像退化光学模型广泛应用于大气中退化图像的复原,而对于斜程观测情况,视线路径中的光照和光学性质是非均匀的,即使在水平路径中也会面临不均匀的状况。从平面平行大气辐射传输理论出发,建立了非均匀路径中图像退化光学模型,并在典型大气、观测条件下对模型进行了仿真分析。结果表明,对于近水平观测,非均匀路径退化模型简化为均匀路径中的退化模型;当观测距离较小时,两个模型在表达形式上是一致的,并且相对于长波段,短波段更满足此结论;不同观测方向和太阳的方位角差对退化模型的影响只在于观测处背景光的不同;此外,退化模型依赖于近地面水平能见度。     

多尺度水下偏振成像方法

水下偏振成像技术利用散射光偏振特性能够有效提高水下成像质量,在水下目标探测和识别领域具有重要应用价值.针对该技术在背景散射光和目标信息光分离时由于噪声放大现象导致重建图像质量受限的问题,提出多尺度水下偏振成像方法.该方法利用图像分层处理思想,结合小波变换的多尺度特性,对体现图像高对比度的基础层和低对比度但细节信息丰富的细节层分别进行处理,重建高对比度、高信噪比的清晰场景图像.实验结果表明,多尺度水下偏振成像方法不仅能够大幅提高对比度,复原图像细节信息,而且能够有效抑制放大噪声,提高重建图像的信噪比,在水下偏振成像领域具有良好应用前景.     

水下激光目标的统计对消分割法

水下激光目标的识别是一个崭新的研究领域,有许多问题需要解决,其中,目标分割是关键.水下激光图像中夹杂着严重的散斑噪声,受其影响,要识别水下激光目标,就要对图像进行有效的消噪,然后进行目标分割.本文依据具有相似统计特征的噪声可抵消图像中的相应噪声这一基理,结合小波变换和统计法,提出了一种水下激光目标的统计对消分割法,以去除噪声,提取目标.实验结果表明该方法是有效可行的.