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科技成果——彩色图像声纳技术开发单位中国船舶重工集团公司七五〇试验场技术简介在低光照条件或者浑浊水质中，水下光学摄像系统难以发挥效用，而彩色图像声纳确可几乎不受影响生成近似光学影像质量的高分辨率声纳图像，可以弥补水下光学摄像系统的不足。
经过多年的应用与技术改进，研制出的图像声纳设备采用了一体化的换能器设计，实现了高、低两种频率工作，既保证了图像声纳高分辨率的特点，又有效地解决了探测距离的问题，使声纳性能有了大幅提高。
从设备的实际试验结果来看，效果明显，对小目标的有效探测距离达到了160米以上。
设备采用的数字声纳设计技术，在声纳中集成了多种传感器，包括有磁罗经、压力传感器、高度计等，由于采用了数字化设计理念，大大简化了电路难度，增加了设备的可靠性。
此外，采用的技术成熟的无源陶瓷滤波器，大大提高了接收电路的信噪比。
彩色图像声纳是一种利用超声波进行水下目标探测的声学设备。
它通过声纳头上的换能器发射出声波，声波在水下传播，遇到物体就会形成反射的回波，回波被换能器接收到以后，经信号处理后形成声纳图像，显示在主机屏幕上。
彩色图像声纳是一种机械扫描式声纳，声纳头上的换能器在处理主机的控制下，可以360度旋转扫描。
换能器的旋转角度可以精确控制，换能器旋转到一个角度时，换能器发射出声波，在既定的量程里，反射回波被接收到后，换能器才旋转到下一个角度。
这个时间非常短，足够声波到达目标并形成反射回波，并被换能器接收到。
由于声波在水下传播的速度是已知的（约1500m/s），声波发射和接收到回波的时间也是已知的（信号处理计算得出），故而可以得出目标与换能器之间的距离。
换能器连续转动，就可以得到目标的连续声纳影像。
在这个影像中，可以得到目标与换能器的方位和距离。
声波在水中会衰减，不同频率的声波衰减程度不同，通常情况下，频率越高，衰减得越快。
衰减意味着声波能量的消耗，能量消耗越快，声波传播的距离就越近。
故而相同能量的声波，低频传播的距离要比高频远。
第31卷第11期2009年11月舰船科学技术SH I P SC I E NCE AND TECHNOLOGY Vol .31,No .11Nov .,2009水下微光高速摄像系统在潜艇实验中的应用沈凌敏1,2,何俊华1,张琦3,陈良益1(1.中国科学院西安光学精密机械研究所先进光学仪器实验室,陕西西安710119;2.中国科学院研究生院,北京100039;3.中国人民解放军91550部队220所,辽宁大连116023摘要:介绍了用于潜艇实验的水下微光高速摄像系统,并对设计的关键技术做了论述。
根据潜艇上的实际情况,设计了最优的设备工作布局,使全系统能发挥最佳的效果。
分析了水下30~40m 的光照度,进而设计了适合的水下照明方案,尽量采取微光照明的方式,使环境散射达到最低。
最后将该系统应用于水下微光高速摄像试验,实验证明该系统在水下重要武器,尤其是水下潜艇等实验中具有广阔的应用前景。
关键词:高速摄像;水下微光;光照度;水下照明中图分类号:U674.76;T N946文献标识码: A文章编号:1672-7649(200911-0055-04DO I:1013404/j 1issn 11672-7649120091111010Appli ca ti on of underwa ter low 2li ght 2level h i gh 2speed photograph syste m i n sub mar i n eSHEN L ing 2m in1,2,HE Jun 2hua 1,Z HANG Q i 3,CHEN L iang 2yi1(borat ory of Advanced Op tical I nstrument,Xi πan I nstitute of Op tics and Precisi on Mechanics,Chinese Acade my of Sciences,Xi πan 710119,China;2.Graduate I nstitute of Chinese Acade my of Sciences,Beijing 100039,China;3.220I nstitute of 95510A r my of the Chinese P LA ,Dalian 116023,China Abstract:An under water l ow light level i m aging syste m f or submarine trial is intr oduced and s ome key techniques are discussed .According t o the p ractical conditi ons of sub marine an op ti m ized illu m inati on syste m is designed .For the best i m aging quality of under water high 2s peed phot ograph syste m ,by thethor ough analysis of illum inance require ment in both object s pace and i m age s pace f or high sensitive high 2s peed ca mera in the circum stance of l ow light level bet w een 30and 40meter under the water,a p lan app lied t o under water lighting is designed .Some anti 2corr osi on methods are used f or the stability of the syste m.The syste m is app lied in under water l ow light level high s peed detecting and has a wide app licable future in the field of under water weapons,es pecially submarine .Key words:high 2s peed phot ograph;under water l ow 2light 2level;illum inance;under water lighting收稿日期:2009-02-17;修回日期:2009-03-25基金项目:国防科技重点实验室基金项目资助(51448030105ZK1801作者简介:沈凌敏(1983-,男,硕士,研究方向为水下光电探测技术。
用于水下考古的高清多光谱成像系统设计一、水下考古的高清多光谱成像系统概述随着科技的发展，水下考古学已经成为考古学领域中一个重要且活跃的分支。
水下考古不仅能够揭示古代文明的海洋活动，还能为研究历史提供珍贵的实物证据。
然而，由于水下环境的特殊性，传统的考古方法在水下考古中面临诸多挑战。
高清多光谱成像技术作为一种先进的水下探测技术，能够提供比传统方法更为清晰和详细的图像，对于水下考古具有重要的应用价值。
1.1 高清多光谱成像系统的核心特性高清多光谱成像系统的核心特性在于其能够捕捉到不同波长的光，从而获取到比传统单色成像更为丰富的信息。
这种系统通常包括多个光谱通道，能够同时捕获从可见光到近红外光的广泛光谱范围。
通过分析这些光谱数据，可以揭示出水下物体的材质、年代和环境条件等信息。
1.2 高清水下成像系统的应用场景高清多光谱成像系统在水下考古中的应用场景十分广泛，包括但不限于以下几个方面：- 沉船考古：对沉船遗址进行详细的图像记录，分析船体结构和遗物分布。
- 珊瑚礁生态研究：监测珊瑚礁的健康状况，评估环境变化对珊瑚礁的影响。
- 水下文物保护：对水下文物进行无损检测，评估其保存状态和保护需求。
- 海底地形测绘：绘制海底地形图，为海洋资源开发和环境监测提供基础数据。
二、高清多光谱成像系统的设计与实现高清多光谱成像系统的设计与实现是一个复杂的过程，涉及到光学、电子、计算机科学等多个领域的技术。
以下是该系统设计的关键组成部分和实现步骤。
2.1 光学成像组件光学成像组件是高清多光谱成像系统的核心部分，它包括镜头、滤光片、成像传感器等。
镜头负责聚焦光线，滤光片用于选择特定波长的光，而成像传感器则负责捕捉这些光线并将其转换为电信号。
为了获得高清的图像，需要选择高分辨率的成像传感器，并设计合适的光学系统以减少像差和提高成像质量。
2.2 光谱分离与合成技术多光谱成像系统需要将不同波长的光分离并捕获，这通常通过使用分光器和多个成像传感器来实现。
水声成像中的图像处理技术在探索海洋的奥秘和进行水下作业的过程中，水声成像技术发挥着至关重要的作用。
而在水声成像系统中，图像处理技术犹如一位幕后英雄，默默提升着成像的质量和信息的准确性，为我们揭示水下世界的神秘面纱。
水声成像，简单来说，就是利用声波在水中传播和反射的原理来获取水下物体的图像。
然而，由于水介质的复杂性以及各种干扰因素的存在，获取到的原始图像往往存在诸多问题，比如噪声干扰、分辨率低、对比度差等。
这时候，图像处理技术就登场了。
噪声是水声成像中常见的问题之一。
水中的各种颗粒、水流波动以及仪器自身的电子噪声等，都会导致图像中出现杂乱无章的干扰信号。
为了去除这些噪声，图像处理技术中的滤波方法被广泛应用。
比如中值滤波，它能够有效地去除椒盐噪声，保持图像的边缘信息；还有均值滤波，通过对邻域像素值的平均来平滑噪声，但在一定程度上会模糊图像的细节。
如何在去除噪声的同时最大程度地保留有用信息，是图像处理中需要权衡的关键。
除了噪声，低分辨率也是一个棘手的问题。
在水声成像中，由于声波的传播衰减和散射，图像的分辨率往往难以达到理想状态。
为了提高分辨率，超分辨率重建技术应运而生。
这种技术通过对多幅低分辨率图像的分析和处理，利用算法推测出更高分辨率的图像。
它就像是一个神奇的魔法，能够让原本模糊不清的物体轮廓变得清晰可辨。
对比度的增强对于突出图像中的目标物体同样重要。
对比度低的图像，目标物体与背景的区分度不明显，给后续的分析和识别带来困难。
通过直方图均衡化等方法，可以调整图像的灰度分布，使得暗的地方更暗，亮的地方更亮，从而增加图像的对比度。
这样，目标物体就能更加醒目地呈现在我们眼前。
在图像处理中，边缘检测也是一项关键技术。
边缘是图像中物体与背景的分界线，准确检测出边缘对于物体的识别和定位具有重要意义。
常见的边缘检测算法有 Sobel 算子、Canny 算子等。
这些算法能够敏锐地捕捉到图像中的灰度变化，勾勒出物体的轮廓。
水下声学成像技术的研究与应用水下声学成像技术，是指以声波作为探测信号，将收集到的水下声信号进行处理，从而获得反映水下目标的信息的技术手段。
它可以应用于水下探测、水下勘探、海底地貌研究、水下文物探测等方面，在海洋和水利工程、水下安全保障等领域得到了广泛应用。
本文将探讨水下声学成像技术的研究与应用。
一、水下声学成像技术的研究水下声学成像技术可以分为主动成像和被动成像两种。
主动成像是指通过发射声波探测水下目标并接收回波信号来实现成像；被动成像是指利用水下噪声等源头，进行成像处理。
其中，主动成像技术的应用更为广泛。
主动成像技术主要有侧扫声纳、多普勒声纳、相控阵声纳等技术。
侧扫声纳通过发射一束声波，将其聚焦在一个小面积范围内，利用聚焦点的声波反向散射将目标的信息反馈出来；多普勒声纳利用多普勒效应测量来自移动物体的速度和方向，实现对水下动态信息的监测；相控阵声纳通过计算机控制声源阵列的发射相位和振幅实现对水下目标进行成像。
被动声学成像技术主要有声学相干探测（其中最常用的是小波包变换与STFT分析）、自适应干扰抵消、阵列信号处理以及扩展卡尔曼滤波等技术。
这些算法主要以水下噪声作为信号源，通过对接收的声信号进行处理实现对水下目标的成像。
二、水下声学成像技术的应用1、水下探测水下声学成像技术可以用于水声通信、海底地貌监测、水下障碍物检测、水下管道检测等多种水下探测任务。
比如，利用侧扫声纳可以实现对水下地形、海底地貌的精细化测绘，从而为海洋科学研究以及水下资源探测开发提供帮助。
2、海洋资源勘探海洋资源勘探是水下声学成像技术的主要应用领域之一。
随着人类对海洋资源的需求和海底地理环境的不断了解，利用水下声学成像技术对海底资源的勘探和开发越来越重要。
例如，利用多普勒声纳可以实现对水下的固体物体进行测量，从而获得岩石密度、声波速度等基本参数，为油气勘探提供数据支撑。
3、水下文物探测和水下考古水下文物探测和水下考古是利用水下声学成像技术的另一个重要应用领域。
水声成像技术的高分辨率实现方法在探索海洋奥秘、水下资源开发以及军事防御等众多领域，水声成像技术都发挥着至关重要的作用。
然而，要获得清晰、高分辨率的水下图像并非易事，这需要综合运用多种先进的技术和方法。
要实现水声成像的高分辨率，首先得从信号处理方面入手。
在水下环境中，声波会受到散射、吸收和噪声等多种因素的干扰。
为了降低这些干扰的影响，我们可以采用先进的滤波算法。
例如，自适应滤波技术能够根据接收信号的特点实时调整滤波参数，从而有效地去除噪声，突出有用的信号。
波束形成技术也是提高分辨率的关键之一。
通过合理地控制换能器阵列中各个阵元的相位和幅度，可以将声波能量聚焦在特定的方向上，增强目标回波的强度，同时抑制旁瓣的干扰。
这就好像我们用手电筒聚光一样，把光线集中在一个点上，看得更清楚。
多波束成像技术则是在波束形成的基础上进一步发展而来。
它通过同时发射和接收多个波束，能够快速地覆盖较大的区域，大大提高了成像的效率。
而且，多波束成像技术还可以通过对多个波束的数据进行融合处理，进一步提高图像的分辨率和精度。
除了信号处理，硬件设备的改进也是实现高分辨率水声成像的重要途径。
换能器作为水声成像系统的核心部件，其性能直接影响着成像的质量。
目前，新型的压电陶瓷材料和复合材料的应用，能够提高换能器的灵敏度和带宽，从而获得更清晰的回波信号。
此外，提高系统的采样频率和位数也能够增加数据的信息量，为高分辨率成像提供更有力的支持。
就好比我们拍照时，像素越高，照片就越清晰。
在成像算法方面，合成孔径技术是一个重要的突破。
它通过虚拟地增大换能器的孔径，有效地提高了横向分辨率。
其原理类似于我们在移动中拍摄多张照片，然后通过后期处理合成一张更清晰、更宽广的图像。
还有一种叫做层析成像的技术。
它通过对多个角度的测量数据进行反演计算，能够重建出物体的三维结构。
这对于复杂水下物体的成像和分析具有重要意义。
为了进一步提高分辨率，我们还可以结合多种成像技术的优点。
