水下激光成像系统探测距离的计算与仿真

水下激光测距技术在海洋工程中的应用随着海洋资源的开发和海洋工程的建设，对海底的高精度测量需求不断增加。

而传统的测量方法，如声纳测距和卫星测距存在着各种局限性和不足之处，因此，水下激光测距技术成为了一种更先进、更精确的高精度测量手段，被广泛应用于海洋工程中。

一、水下激光测距技术的基本原理水下激光测距技术是一种基于激光原理的高精度测距方法。

它主要由激光发生器、水下光纤通信系统、接收器等组成。

利用激光作为测量信号，通过水体中的透过率高的光线来进行测量，并传输到接收器进行信号处理和分析，最终得到了测量结果。

二、1、海洋资源勘探水下激光测距技术在海底资源勘探中具有十分重要的应用价值。

通过其高精度、高效率、高清晰度的测量方式，可以对海底沉积物质、岩石结构、生物体等进行精确、全面的测量和记录，为海洋资源勘探提供了有力的技术手段。

2、海底工程建设在海底工程建设中，水下激光测距技术也扮演着不可替代的角色。

例如，在海底油田的开发建设过程中，可以利用水下激光测距技术来实现管道的精确定位、修建等工序。

又例如在海洋港口的建设过程中，可以利用水下激光测距技术来实现海洋工程建设中的定位、防护等复杂的工作。

3、海洋科学研究水下激光测距技术还可以应用于海洋科学研究中。

通过其高精度的测量方式，可以对海洋中的各种活动进行实时观测和记录，例如测定海洋中的水质和水流速，探测海底地形和海底动态等，为海洋科学研究和海洋环境保护提供了极大的帮助。

三、发展趋势与未来展望随着科学技术的不断发展和应用，水下激光测距技术在海洋工程中的应用前景广阔。

未来，随着水下激光测距技术的不断优化和升级，其精度和性能将不断提高，各种特种材料也会不断地被开发和使用，同时更加智能化的数据分析和设计软件也会逐步成熟。

可以预见，水下激光测距技术在海洋工程建设中的应用将会越来越广泛，在海洋资源勘探、海洋科学研究以及海底工程建设方面都将发挥越来越重要的作用。

结语：水下激光测距技术是一种高精度、先进的测量方法，应用于海洋工程中具有十分重要的意义。

同步扫描水下激光成像系统的蒙特卡洛仿真及优化肖国梁;屠大维;张旭【摘要】针对水下激光同步扫描三角测距成像系统受水介质散射和吸收影响导致作用距离减小、目标反射点图像质量变差等问题,从辐射传输理论出发,采用蒙特卡洛方法建立水下激光传输的随机模型,利用TracePro软件进行光线追迹仿真,得到反射点图像相对散射光背景的对比度.探讨了目标距离、激光光强、基线距离、物镜口径等改变对对比度的影响关系,从而对水下激光同步扫描三角测距成像系统参数作了优化设计.最后从系统实际情况和需要出发,确定激光光强1W,基线距离250 mm,成像物镜50 mm/F2,确保在7.5m距离范围内,有较好的目标反射点图像对比度,从而保证了同步扫描三角测距原理的实施.【期刊名称】《激光与红外》【年(卷),期】2019(049)008【总页数】6页(P950-955)【关键词】同步扫描;对比度;蒙特卡洛;优化【作者】肖国梁;屠大维;张旭【作者单位】上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072;上海大学机电工程与自动化学院,上海200072【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言水下光成像,尤其是水下主动激光成像技术,相比于水下声成像有较高的成像分辨率,因而在海洋探索以及海洋军事方面具有重要的应用价值。

然而,由于水介质具有较强的吸收和散射光学特性,激光在水下传播受到了较大的衰减作用,限制了探测距离,也影响了水下激光成像系统的成像质量。

因此,如何合理设计水下激光成像系统以减小散射光对系统的干扰,显得尤为重要。

目前,已有多种提高水下激光成像系统的技术方法,如：基于时间分离的距离选通法[1-2]、基于空间分离的同步扫描法[3-4],以及基于偏振抑制的偏振成像法[5-7]等,这些方法从定性上讲都能够起到抑制散射的作用,也取得了较好的实际成像效果。

然而由于水介质对激光吸收和散射的复杂性,很难对水下激光成像系统进行优化设计,以求达到最佳成像质量和效果。

饱和潜水系统中的水下光学观测和探测水下光学观测和探测是饱和潜水系统中的重要环节和任务之一。

在深海中，光的传播受到水的吸收、散射和折射等因素的影响，使得可见光的传输距离有限。

然而，水下光学观测和探测在许多应用领域中至关重要，如海洋科学研究、水下工程、资源勘探和环境监测等。

因此，为了满足这些需求，饱和潜水系统采用了一系列先进的水下光学观测和探测技术。

一、水下光学观测技术1. 主动光学观测技术主动光学观测技术是指通过发送光源，利用相机或激光扫描来观测和记录水下目标的信息。

其中，相机是最常用的水下观测工具之一。

近年来，随着数码相机和高清晰度相机的发展，相机观测技术在水下光学观测领域得到了广泛应用。

此外，激光扫描技术通过激光束的扫描，可以获取更详细的三维形态信息，对于水下地形的观测和测量有着重要的应用价值。

2. 被动光学观测技术被动光学观测技术是指通过接收自然光或他物体发出的光来观测和记录水下目标的信息。

最常用的被动光学观测技术包括水下摄影和水下望远镜。

水下摄影利用自然光来观测水下景观，可以获得真实而清晰的图像。

水下望远镜则通过光学放大系统来观察水下目标，可以获得更加清晰和详细的观测结果。

另外，红外探测技术也被广泛应用于水下光学观测中，其可以通过探测红外热辐射来获取水下目标的信息。

二、水下光学探测技术1. 激光雷达技术激光雷达技术是对水下目标进行高精度远距离测量的一种先进技术。

激光雷达利用脉冲激光束发射与接收，通过测量激光束传播的时间差来计算水下目标的距离。

激光雷达具有高分辨率、高测量精度和高数据获取速率的优点，广泛应用于水下地形测绘、目标探测和导航定位等领域。

2. 声呐技术声呐技术是使用声波进行水下目标探测和测量的一种常用方法。

声呐利用声波的传播速度和回波的时间来测量水下目标的距离。

声呐具有远距离传播、可穿透性强、适应复杂水域环境等优点，被广泛应用于水下地质勘探、声纳图像生成和水下声学通信等领域。

三、水下光学观测和探测的挑战和发展方向虽然水下光学观测和探测技术在一定程度上满足了饱和潜水系统的需求，但仍然存在一些挑战和问题。

距离选通激光成像水体后向散射光能量分布计算随着光学技术的发展，研究人员开发出了一种有效的技术，即可以扫描水体表面的激光成像，从而测量水中分布的光能量。

这种技术可以提供一种实时获取水下环境信息的方法，从而支持水下监测和分析。

然而，这项技术需要计算水体表面后向散射光能量分布，以便获得更准确的结果。

激光成像水体后向散射光能量分布计算是一种复杂的仿真计算，主要由试验数据、仿真计算和实验验证组成。

首先，要选取合理的光源和水体表面材质，本实验使用激光作为光源，水体表面材质采用非导体材质。

然后，需要构建试验系统，并且进行实验测量，测量水体表面的后向反射能量分布。

接下来，利用获得的实验观测数据，通过仿真计算，得到光能量在水体表面上分布的准确状态，以便比较实验和仿真计算结果的差异。

最后，使用实验和仿真计算结果进行比对，得出激光成像水体后向散射能量分布的精确状态。

激光成像水体后向散射光能量分布的计算，有助于更加准确地测量水下光照度，可以更好地评估海洋水体环境，改善水体质量监测技术，提高水体环境评估的准确性。

这种技术可以更好地应用于渔业科学研究，监测水生动植物生物分布，研究可持续开发策略，等等。

因此，计算激光成像水体后向散射光能量分布具有重要意义。

在实际应用过程中，计算激光成像水体后向散射光能量分布的过程包括：（1）给定海洋水体环境参数；（2）准备激光源和光谱仪；（3）计算光源和海水表面散射后的照度分布特征；（4）通过仿真计算，获得海水表面的精确照度分布；（5）使用实验和仿真计算结果进行比对，得出精确的激光成像水体后向散射光能量分布结果。

在建立激光成像水体后向散射光能量分布计算模型时，需要考虑光源和反射表面的选择，提前准备实验所需的设备，并进行仔细设计实验以测量出水体表面的精确照度分布。

实验结果可以与仿真计算进行对比，以确定计算结果的准确性。

总之，激光成像水体后向散射光能量分布的计算是一项复杂的，但又重要的工作，它有助于更准确地测量水下环境并实施相关的评估。

水下激光成像系统探测距离的计算与仿真王磊;徐智勇;张启衡;王华闯;于学刚;杨建军【摘要】为了估计水下激光成像系统的工作距离,根据水下激光成像系统的成像过程,通过分析目标的辐射特性,水体的衰减特性等各因素,建立了水下激光成像系统的信噪比模型.根据识别目标所需要的信噪比阈值、脉冲激光器等器件的性能指标,推导出水下激光成像系统的工作距离公式,并且完成了系统成像距离的计算与仿真.采用532 nm的Nd∶YAG固体激光器、自组ICCD相机以及基于FPGA技术设计的同步控制电路板,进行了距离选通水下激光成像实验.实验结果表明:理论模型计算的信噪比与实际图像的信噪比平均误差为1.37 dB,证实了该模型的合理性.%In order to estimate the detection range of underwater laser imaging system, according to the imaging mechanism, the analysis of target radiation is reported, along with the analysis of seawater attenuation and other factors, and then the Signal-to-noise Ratio(SNR) model of the underwater laser imaging system is established. According to the threshold of SNR for recognizing the target, along with the performance of laser and other devices, formulation of detection range is obtained. Then computation and simulation of detection range is implemented. By adopting a 532nmNd:YAG laser, self-made ICCD camera and a range-gated sync control board based on FPGA technology, the underwater laser imaging experiment is done. The experimental results, which indicate that the average error of SNR between theoretical model and real image is 1.37dB, show the rationality of the SNR model.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2012(039)005【总页数】6页(P39-44)【关键词】成像系统;激光器;距离选通;信噪比【作者】王磊;徐智勇;张启衡;王华闯;于学刚;杨建军【作者单位】中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国科学院研究生院,北京100049;中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国科学院光电技术研究所,成都610209;中国人民解放军93617部队,北京101400【正文语种】中文【中图分类】TN247;TN2090 引言1963年S.Q.Duntley及Gilbert G D等人发现海水中存在一个“蓝绿”透明窗口[1]，为激光水下探测奠定了理论基础。

激光水下测距技术在深海油气勘探中的应用随着全球对能源的需求不断增加，深海油气的开发和勘探已经成为了一个重要而又紧迫的课题。

然而，深海环境极其恶劣，海底的石油和气体储藏地层也相对复杂，因此需要技术的支持来进行探测。

其中，激光水下测距技术就成为了一种极具前景的选项。

它可以高精度地测量水下物体的距离和形状，为深海油气勘探提供了广阔的前景和应用。

一、激光水下测距技术的基本原理激光水下测距是一种利用激光波长进行反射测距的技术。

激光器发出的光束照射到水下目标物体上，经过反射后，光线返回探测器并测量到光程差，根据光程差计算出目标物体的距离。

由于激光束的波长非常短，可以达到极高的分辨率，这种技术可以测量出目标物体的形状和表面反射率等信息。

二、激光水下测距技术在深海油气勘探中的应用1. 测量探针深海油气勘探需要进行大量的钻探和钻孔操作，因此需要在水下进行精确的定位。

可以利用激光水下测距技术，测量钻探探针的位置和深度，以便精确地进行下一步的操作。

2. 测量管道和设备在沉入海底的管道和设备并不是完美的。

这意味着需要对其进行调整和修复。

可以使用激光水下测距技术来确定管道和设备的位置、偏移量和状态，以帮助工作人员进行针对性的操作。

3. 测量地质情况激光水下测距技术在深海油气勘探中还可以用于测量地质情况。

例如，可以使用激光水下测距技术来观测构造地震活动引起的地面裂缝和破裂。

同时，激光水下测距技术可以与其他激光和声学技术相结合，更加详细地了解沉积物的性质和发现潜在的油气藏。

三、未来激光水下测距技术的发展趋势激光水下测距技术已成为深海勘探中不可或缺的工具，未来还有许多发展的空间。

例如，可以进一步提高测量精度，使测量结果更加准确可靠。

将多个激光源集成到单个设备中，以实现对多个目标的高速同步测量。

同时，也可以使用激光水下测距技术来监测海底生物和海洋环境变化等。

总之，随着科技的不断发展，激光水下测距技术将会在深海油气勘探和其他领域中扮演越来越重要的角色。

探测海底深度的公式一般为：H=Cm*Δt/2，其中，H为海底深度，Cm为平均声速，Δt为发射与接收信号的时间差。

平均声速Cm的计算公式为：C=1450+4.206T-0.0366T2+1.137（S-35），其中，T为水温（单位：℃），S为含盐度。

这个公式是根据声波在水中的传播速度和回声的时间差来计算海底深度的。

需要注意的是，由于水温、盐度等因素的影响，声速会有所变化，因此在计算深度时需要考虑这些因素。

此外，在实际探测过程中，还需要考虑其他因素，如声波的反射、折射、散射等，以及探测设备的精度和误差等，以确保测量结果的准确性和可靠性。

以上信息仅供参考，建议咨询物理学或海洋学专家获取更专业的解答。

第36卷，增刊红外与激光工程2007年9月V bl．36Suppl e m e nt I】臣6鼍red a nd I。

ase r Engi nee血g S e p．2007水下激光成像系统设计及实验杨述斌1，彭复员2(1．武汉工程大学电气信息学院，湖北武汉430073；2．华中科技大学电子信息工程系，湖北武汉430074)摘要：针对水下目标探测这一难题，设计了基于距离选通技术的水下激光成像系统并进行了相关实验。

从实验结果来看，该系统可有效克服激光后向散射并对水下目标进行成像，对于水下目标探测、识别十分有效。

，关键词：水下激光成像：距离选通；后向散射中图分类号：TN248文献标识码：A文章编号：1007—2276(2007)增(探测与制导)一0075．04 1飞■'●n l■■●●J_，e Sl gn ann eX per l m ent0I an U nner W at er I aSer l m a里qng SV St emW凼G Shu-bi I l l，PE N G Fu．yuan2(1．sch砌of Ele嘣cal＆Ⅻb玎nali∞Eng．，w盯'‰430073，chiIla；2．呻t_of Elec咖ics＆埘．o彻撕∞Eng．，邸sT，wuh姐430074删A bst r舵t：Unde刑a t er t a r ge t det e‘：t i o n i s al w ays di f!f i cul t．A n unde哪at er l a se r i m a百ng s ys t em isde si gl l e d bas ed on r an ge gat i ng aI l d re l a t e d exper i m ent s ar e pr oces s ed．T he exper i m ent s pr oved m at m ei m a gi ng s ys t em coul d ef f i c i e nt l y el i I I l i nat e backs cat t ered1a se r and、l nd er w at er t a唱e t i Im ge w鹊obt ai ned．ni s a ef!I[i ci em m e m od i n under w at er t a r ge t det e ct i on ar l d r e cogni t i on．K ey w or t l s：U nder w at er l a se r i m a百ng；R aI l ge ga廿ng；B a cks cat时0引言水下图像探测要获得好的效果，必须解决吸收和散射两方面的问题。

水下高精度测距方法我折腾了好久水下高精度测距这事儿，总算找到点门道。

一开始啊，我真的是瞎摸索。

我就想着，这水下测距无非就是像在陆地上测距一样呗，所以我最先尝试的就是用那种普通的激光测距仪。

可一下水就傻了眼，激光在水下的传播受到很大影响，根本就不准确，数据乱得很，这就是我失败的一次尝试。

后来呢，我又想，声波在水中传播应该比较稳定吧。

就搞了个声波测距设备。

但是这里面也有很多坑。

比如说，这设备放置的角度很关键，如果稍微有点倾斜，那测出来的数据就偏差得特别大。

我之前没注意这个问题的时候，测量同一个距离，每次测出来的数据都不一样，可把我愁坏了。

为了解决这个角度的问题，我就找了个类似三脚架的东西，把声波测距设备牢牢固定住，就像把一个摇摇晃晃的小孩固定在椅子上一样，让它能够始终保持水平或者特定的角度进行测量。

再就是，水下的环境对测距干扰也不少。

水里头有杂质啊，有暗流啊什么的。

我发现当水比较浑浊，杂质多的时候，声波反射回来就不那么干脆了，数据就会有些波动。

这时候怎么调整设备都不太管用。

后来我想了个法子，多测几次取平均值。

就像我们从多个角度去看一件东西，然后综合起来得出一个更准确的判断。

不过这也不是完全可靠，遇到特别复杂的水质，偏差还是会有一点，我现在还在琢磨怎么解决这个问题呢。

另外，设备的校准也很重要。

我一开始不知道要经常校准，时间长了，数据就变得很离谱。

所以啊，我觉得不管是刚开始做水下高精度测距，还是测量的中间阶段，都要时不时地拿已知距离的物体来校准设备，就像司机要时不时看看仪表盘是不是正常一样。

我现在觉得，如果是比较小型的水域或者比较清澈、稳定的水环境下进行水下高精度测距，找准设备角度，多测取平均，并且做好校准，这个声波测距法就挺好用的。

但要是遇到大的、复杂的水域，可能还得再找一些更高级的方法，甚至可能要多种方法结合起来用。

我也在继续研究，希望以后能找到更好的办法。

第５１卷　第３期 激光与红外Ｖｏｌ．５１，Ｎｏ．３　２０２１年３月 ＬＡＳＥＲ　＆　ＩＮＦＲＡＲＥＤＭａｒｃｈ，２０２１ 文章编号：１００１ ５０７８（２０２１）０３ ０３０６ ０５·激光应用技术·距离选通水下激光成像作用距离简化核算方法付学志１，王庆胜１，邓代竹２，李　季２（１．９２２２８部队，北京１０２４８８；２．湖北久之洋红外系统股份有限公司，湖北武汉４３０２２３）摘　要：距离选通水下激光成像技术通过控制成像模块的阴极快门时间，从时域上屏蔽大部分可进入成像模块的光信号，能有效抑制水体后向散射对激光成像系统探测性能的影响，提高作用距离。

距离选通水下激光成像设备的作用距离与水质条件有关，文章给出了一种关于作用距离的有效简化计算方法，根据该方法，可得出设备在不同水质的作用距离。

关键词：距离选通；激光成像；后向散射；作用距离中图分类号：ＴＮ２４９ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ ５０７８．２０２１．０３．００８ＡｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄａｃｃｏｕｎｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｒａｎｇｅｏｆｄｉｓｔａｎｃｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｌａｓｅｒｉｍａｇｉｎｇｕｎｄｅｒｗａｔｅｒＦＵＸｕｅ ｚｈｉ１，ＷＡＮＧＱｉｎｇ ｓｈｅｎｇ１，ＤＥＮＧＤａｉ ｚｈｕ２，ＬＩＪｉ２（１．Ｕｎｉｔ９２２２８ｏｆＰＬＡ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０２４８８，Ｃｈｉｎａ；２．ＨｕｂｅｉＪｉｕｚｈｉｙａｎｇＩｎｆｒａｒｅｄＳｙｓｔｅｍＣｏ．，Ｌｔｄ，Ｗｕｈａｎ４３０２２３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｈｅｃａｔｈｏｄｅｓｈｕｔｔｅｒｔｉｍｅｏｆｔｈｅｉｍａｇｉｎｇｍｏｄｕｌｅａｎｄｓｈｉｅｌｄｉｎｇｍｏｓｔｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｉｇｎａｌｓｔｈａｔｃａｎｅｎｔｅｒｔｈｅｉｍａｇｉｎｇｍｏｄｕｌｅｉｎｔｉｍｅｄｏｍａｉｎ，ｔｈｅｌａｓｅｒｒａｎｇｅｇａｔｅｄｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｕｐｐｒｅｓｓｔｈｅｉｎ ｆｌｕｅｎｃｅｏｆｂａｃｋ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇｏｆｗａｔｅｒｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｒａｎｇｅ．Ｔｈｅｏｐ ｅｒａｔｉｎｇｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｌａｓｅｒｇａｔｅｄｉｍａｇｉｎｇｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｓｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｎｅｆ ｆｅｃｔｉｖｅｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｒａｎｇｅ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｗｈｉｃｈｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｎｇｒａｎｇｅｏｆｔｈｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｃａｎｂｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒａｎｇｅｇａｔｅｄ；ｌａｓｅｒｉｍａｇｅ；ｂａｃｋ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ；ｏｐｅｒａｔｉｎｇｒａｎｇｅ作者简介：付学志（１９８２－），男，工程师，博士，研究方向为光学图像处理。

激光技术在水下观测中的应用水是地球上最为广阔的资源之一，其覆盖面积超过了地球表面的三分之二。

水下世界生物种类繁多，其中有许多令人惊叹的景观，但由于水的不透明性和高压等限制，对水下环境的观测一直是个难题。

随着科技的发展，激光技术已经开始在水下观测中得到了广泛的应用。

一、激光探测技术激光探测技术是通过发射一束高能光线，然后检测这束光线被反射回来的时间和强度来确定水下物体的位置和形状的一种技术。

这种技术已经被广泛应用于海洋科学领域，包括深海探测、海洋生物学、海底地形图制作以及沉船考古等领域。

二、激光测距技术激光测距技术是将高能激光束发射到水下物体上，并测量这束激光束被反射时需要的时间。

基于声速和时间之间的关系，可以精确计算出水下物体的距离。

这种技术在海洋科学中广泛应用，特别是在海底地理图制作和深海物探中。

三、激光显微技术激光显微技术是将高能激光束聚焦到物体表面，使其形成高温区域，从而将其产生的光分析来获得关于物体的信息。

这种技术特别适用于海洋生物学领域，可以帮助科学家观测和分析海洋生物的生理特征和行为。

比如可以通过激光显微技术对浮游植物进行研究。

四、激光成像技术激光成像技术可以通过发射一束低能激光束来获取水下物体的形状和外貌。

这种技术在海洋环境监测和深海探测中得到了广泛应用。

例如，可以利用激光成像技术来观测海底沉积物的分布和海底岩石的形态。

五、激光通信技术激光通信技术是利用激光将数据传输到水下目的地。

相比传统海底电缆，激光通信技术具有更快的传输速度和更广泛的适用范围。

此外，激光通信技术对海洋生态环境的影响也较小，因此在海洋环境监测和海底资源勘探等方面具有巨大的应用前景。

六、总结随着激光技术的迅速发展，越来越多的科学家开始将其应用于海洋科学领域，使得水下观测变得更加精确和高效。

激光技术将极大地推动海洋科学领域的发展，并提高我们对水下环境的认识，也为海洋环境监测和海底资源开发提供了更多的可能。

一种水下激光测距方法简介水下激光测距是一种利用激光技术来测量水下距离的方法。

它广泛应用于水下勘探、海洋科学研究、水下工程等领域。

本文介绍一种基于激光散斑相位测量技术的水下激光测距方法，该方法具有高精度、高稳定性和快速响应的优点。

原理激光散斑相位测量技术是一种通过测量激光波前的相位变化来推断目标位置的方法。

当激光照射到水下目标时，光斑会产生散射，形成一系列的散斑图案。

这些散斑图案中的相位变化与目标的距离相关，因此可以通过分析散斑图案的相位信息来测量目标与激光器之间的距离。

测量步骤1. 激光器发射一束高稳定性的激光光束，光束经过透射窗口照射到水下目标上。

透射窗口需要选择透明度高且对激光波长具有较小损耗的材料。

2. 光斑在水下目标上产生散射，形成散斑图案。

散斑图案的形状与目标表面的形态结构有关，因此可以通过分析散斑图案来获取目标表面的信息。

3. 采集散斑图案的图像，并使用图像处理算法对图像进行处理，提取出相位信息。

4. 基于相位信息，通过计算目标与激光器之间距离的变化，获得目标的距离信息。

方法特点1. 高精度：激光散斑相位测量技术具有很高的测量精度，可以实现微米级别的距离测量。

2. 高稳定性：激光散斑相位测量技术对外界干扰较为敏感，但由于使用的激光器和传感器具有高稳定性，因此可以实现长时间稳定的测量。

3. 快速响应：激光散斑相位测量技术具有快速响应的特点，可以实时获取目标距离变化的信息。

应用领域1. 水下勘探：水下激光测距技术可以用于水下沉船遗迹的勘探、水下地质调查等领域，提供准确的距离信息帮助研究。

2. 海洋科学研究：水下激光测距技术可以用于海洋动力学研究、海洋生态研究等领域，帮助科学家了解海底环境和生物的分布情况。

3. 水下工程：水下激光测距技术可以用于水下管道维护、船舶操控等领域，提供精确的距离信息，以确保工程的安全和稳定。

结论激光散斑相位测量技术是一种高精度、高稳定性和快速响应的水下激光测距方法。

第29卷第2期 光　子　学　报 V o1.29N o.2 2000年2月 A CTA PHOTON ICA SINICA F ebr uary2000　水下微光高速光电成象系统作用距离的研究孙传东　陈良益　高立民　李　驰　卢　笛　张建生(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)摘　要　本文首先对水的光学特性及其对水下成象的影响进行了分析,指出了水下光学成象的特殊性对光电成象器件的要求,并对微光条件下光电成象器件的性能进行了理论分析;详细介绍了水下微光高速光电成象系统作用距离公式的推导过程;最后针对实际系统进行了计算和分析. 关键词　水下成象;水下光学;微光成象;高速光电成象0　引言 在海洋研究与开发中,如何对发生在水下的各种快速现象进行记录与分析是多年困扰人们的一个技术难题.以前曾尝试过采用水下高速摄影机作为水下快速现象的记录仪器,但它的记录材料是胶片,图象只能经冲洗、放大等一系列事后处理后才能得到,技术环节多,操作不便,无法实时观测,这对于海上操作和使用是极不方便的.现在,由于以CCD为代表的光电成象器件和技术的飞速发展,使我们能够通过采用现代光电成象技术来研制记录、分析各类水下高速现象的设备——水下微光高速摄录象系统.在此,我们先从理论上对其中的光电成象器件进行系统的分析,然后对它在水下作用距离进行计算,这对于实际研制和理论分析都有十分重要的意义.1　水下的光学特性对水下高速光电成象系统影响由于水下环境的特殊性,特别是水介质的光学特性,使得水下高速光电成象系统与陆地使用的光学观测系统大为不同,这其中主要包括水对光的散射与吸收对光学成象的影响,水压和海水腐蚀等.由于水对可见光的吸收和散射,使得光在水中传输时的能量按指数规律迅速地衰减.设I0是某水层的光量,传输了L路程后的光量I为:I收稿日期:1999—09—02=I0e- L.式中, 称衰减系数, 随不同的水质而异,也与光本身的波长有关,是光波长的复杂函数.图1表示 与入射光波长的关系,它由两部分组成: = + ,式中 是吸收系数, 是散射系数.一般情况下,散射造成的衰减占总衰减的60%、吸收衰减占40%.图1　海水衰减系数的光谱分布F ig.1　T he attenuation coefficent o f the sea1.1　水对光的散射由于水中存在着悬浮的质点,水对光的散射对图象的衬比和细节都造成极为有害的影响,随着拍摄距离的增大,画面衬比降低,影象的细节模糊,影响成象质量,使摄录变得困难,所以水下摄录距离,一般不超过十几米.散射中又包含小粒子散射、大粒子散射、单次散射、多次散射、小角度散射、大角度散射等多种方式,它们使目标变得模糊不清和难以辨认,这是水下光电探测系统所面临的最为严重的问题.1.2　水对光的选择性吸收水对光的吸收在不同的光谱区域是不同的,水对光谱中的紫外和红外部分表现出强烈的吸收.纯净的水和清的大洋水在光谱的蓝-绿区域透射比最大,但即使在这个蓝-绿窗口,水的吸收也足以使光的强度衰减约0.04/m.其它颜色的光被吸收的更多,几米之外,几乎完全消失了.因此,在对水下成象系统作用距离进行研究分析时,必须充分考虑到水的光学特性对成象的影响.2　微光光电成象器件靶面照度与信噪比的关系由于水下成象环境为微光,因此需要采用高灵敏度的光电成象器件,一般是由象增强器与CCD相耦合组成一个微光成象器件.下面对微光光电成象器件的性能进行分析.由于单位时间内落到微光光电成象器件光电阴极单位象素上的信息光量子及其产生的光电子数是随机过程,概率分布服从泊松方程.量子n 随机起伏形成的噪音为其随机平均值n的平方根.因此信噪比SN R为SN R=nt/nt=nt(1)式中t为信息积累的时间.如果被观察的目标是明暗相间的图案,则SN R=(n1-n2)t/n1+n2(2)式中n1为单位时间内亮信号的光量子在单位象素上产生的光电子平均数;n2为单位时间内暗信号的光量子在单位象素上产生的光电子平均数.在水下微光条件下背景因素必须予以考虑,则输入信噪比S N R i等于SN R i=(n1-n2)t/n1+n2+2n b(3)式中n b为单位时间内背景在单位象素上产生的光电子平均数.这时,衬比(度)C为C=(n1-n2)/(n1+n2+n b)(4)所以有SN R i=C(n1+n2+n b)t(5)而在单位象素上的平均光电子数n=2-1(n1+n2+2n b)=I ph/e・(4/3)N2(6)n1+n2+2n b=1.5I ph/eN2(7)式中N为器件极限分辨率;4/3为摄象器件有效成象面的宽高比;e为电子电荷(1.6×10-19 C);I ph为光电流(A),所以SN R i=(C/N) 1.5tI ph/e=(C/N) 1.5t・A・S・I A/e(8)式中,A为光电阴极有效面积(m2);I A为2856K标准光源在象增强器输出面上产生的照度(lx);S为光电阴极对2856K标准光源的积分灵敏度(A/lm).微光象增强器件的输出信噪比SN R0总是要比S NR i要小,这时因为在信息的处理过程中(交换、增强、读出等)附加了器件内部产生的噪音,另一方面器件的空间频率传递特性也使信噪比劣化.即SN R0=S N R i・ N・ R(9)式中 N为象增强器内部噪音对信噪比的衰减因子; R为器件的空间频率特性对信噪比的衰减因子.而N=I1n・G/(I1n・G)2+ I2kn+I2paR=R(N)(10)式中G为器件内部总增益,I1n为光电子噪音电流, I2kn为器件内部的暗电流、起伏电流及其它因素产生的噪音电流的平方和,I Pa为前置放大器电流,R(N)为器件的衬比(度)传递函数.象增强器的输出信号经光学耦合系统后,由于耦合系统的不完全传递特性,又使信噪比进一步劣化,即SN R0=S N R i・ N・ R・ O N・ OR(11)式中 ON为光学耦合系统对信噪比的衰减因子; OR为光学耦合系统的空间频衰特性对信噪比的率减因子.所以得到CCD象感面上照度I与信噪比SN R的关系为I=S N R2O・N2・e/(1.5C2・t・A・S・ 2N・ 2R・ 2ON・ 2O R)(12)由上式我们不难看出,可以通过提高目标的照度和衬比(度)、增大光电阴极的面积、提高光电阴极的灵敏度、降低象增强器的内部噪音和调制传递函数、提高光学耦合系统的耦合效率来提高微光光电成象器件的探测能力.186 光　子　学　报 29卷3　水下微光光电成象系统的距离公式如果水下目标尺寸h对水下成象物镜中心的张角为 ,则有tan =h′/f=h/R(13)式中h′为目标h在光电阴极面上的象高,R 为目标距成象系统的距离(m).而仪器的分辨角即角分辨率是指刚能分辨开目标细节的宽度所对应的张角 ,它与物镜焦距乘积的倒数就是线分辨率N c.水下成象系统的象增强器的光电阴极的有效成象高度H′同它的有效直径的关系为H′=H c=0.6D c(14)水下目标高度h对整个线视场高度H的比值h/H,以及它们在光电阴极面上的象高比值h′/H′可以同它们所对应的线对数联系起来,从而将分辨率N引入公式:a=h/H=h′/H′=n/N(15)a为象高比;n为目标象高h′所占的电视行数;N为成象系统的分辨率,即每帧的总电视行数(TV L/H).N c(lp/mm)与N(TVL/H)之间的转换关系为N=2H′N c=1.2D c N c(16)将式(16)代入式(13),得微光电视成象系统的距离公式R=hf N/H′n=hf N/0.6D c n=hf N c/n c(17)这就是从几何光学角度推导出的用分辨率估算成象距离的距离公式,它是最基本的距离公式,简明地表达了物象间的几何关系;成象距离与目标大小、成象镜头的焦距及器件的分辨率成正比,而与光敏面直径(即视场)及象高所占的电视行数成反比.主要问题是要把分辨率N选择的合适.这里的N不是指在高衬比(度)和高照度下测得的分辨率,而是低照度条件下对应的实际分辨率.4　水下微光成象系统的照度公式水下目标的成象光线是由直射部分和散射部分构成的,它们分别为I(l)=I D(l)+I S(l)(18)I D(l)=(I0/l2)e-cl(19)I S(l)=[2.5-1.5lg(2 / )]・[1+7(2 / )1/2e-kl]I0k e-kl/4 l(20)式中I(l)为水下成象光束的总照度(lm/ m2);I D(l)为成象光束中的直射部分(lm/m2);I S (l)为成象光束中的散射光部分(lm/m2);l为距光源的距离; 为直射光的体积衰减系数(m-1);k 为散射光的体积衰减系数(m-1); 为光源的光束全张角(弧度);I0为光源的发光强度(lm/sr).以上方程仅对单色光成立,如果采用宽光谱的光源,则必须对相应的波长积分.描述散射光成分的表达式是由Duntley提出的半经验公式.水下目标经光学系统后,到达成象器件(象增强器的光电阴极或CCD象感面上)的照度I c为I c=I 0/[4F2(1+m)2](21)式中I c为经水下光学系统后落在光电成象器件象感面上的照度(lx);I为水下目标的总照度(lx); 为目标表面的反射率; 0为光学系统的透过率;m为光学系统的放大倍率;F为透镜的F 数(F=f/D,f镜头的焦距,D镜头的有效孔径).上述公式只反映光能的传递和损失,而没有考虑观察条件.由戴维斯-罗斯探测方程可知L 2C2=常数(22)式中L为目标的亮度, 为探测器的极限分辨角,C为目标的衬比(度),I为目标的照度.当极限分辨角 保持不变时,则有I1C21=I2C22(23)此式表明,当目标衬比(度)变化时,要保持观察效果不变,则应使目标的照度做相应的变化.使其与衬比(度)的平方成反比.例如当目标的衬比(度)由100%下降为30%时,照度应提高10倍.因此,式(21)应修正为I c=I 0C2/[4F2(1+m)2](24) 5　水下微光成象系统的探测方程我们在第2节已经得到CCD象感面上照度I与输出信噪比SN R0的关系为I=S N R20N2e/(1.5C2tAS 2N 2R 2ON 2OR)(25)将上式代入照度公式I c=I w 0/[4F2(1+m)2](26)得I c=I w 04F2(1+m)2・S N R20・N2・e1.5C2tAS 2N 2R 2O N 2O R(27)考虑到光谱转换系数 ,将光电阴极的光敏面对标准光源的灵敏度S A转换成对目标的灵敏度S t,则1872期 孙传东等.水下微光高速光电成象系统作用距离的研究 I c =I w 04F 2(1+m )2・SN R 20・N 2・e 1.5C 2tAS A 2N 2R 2ON 2OR(28)从而可以得到分辨率N 、信噪比SN R 0与目标照度I 的关系为R =1.53×109[CD N R ON O R /(SN R 0・f )]・( w 0tA S I )1/2(29)将它代入距离公式R =hf N /(H ′n )=hf N /(0.6D c n )(30)并考虑到A =4H ′2/3,则得到用输出信噪比SN R 0及景物照度I 等因素表示的距离公式R =1.77×109h [CD N R ON OR /(S NR 0・n )]・( w 0tA S I )1/2(31)这是比较完整的水下微光成象系统的探测方程,它把目标参量(目标的尺寸h 、照度I 、反射率 及衬比(度)C )、所通过水路径的透过率 w 、系统的物镜参量(孔径D 、光学透过率 0)及器件参量的光电灵敏度S 、目标象的大小n 、曝光积分时间t 、噪音影响 N 、衬比(度)传递影响 R 、光学耦合影响 ON 、 OR ,以及光谱转换系数 等因素都有机的、全面的联系起来,从而可用来分析各因素之间的关系及其对整体性能、观察距离的影响和作用,进行总体分析与计算.考虑到水中目标表观衬比度C R 随观察距离R 增加而指数衰减,即水中衬比(度)传递方程C R =C ・e-(c +K cos )R(32)式中c 为水的体积衰减系数,K 为辐照度衰减函数, 为成象光束与天顶方向的夹角,即观察方向与天顶方向的夹角.沿水平方向观察时, =90°,即C R =C ・e-cR(33)将它代入式(31),得R =1.77×109[hC ・e -cRD N R ON OR /(SN R o ・n )]( w 0tS I )1/2(34)此式表明,增大目标尺寸和固有衬度、在水质好的水域中、增大成象物镜的口径、减小器件噪音、提高光学耦合效率、提高目标表面的反射率、减少光学系统的损失、适当加长曝光时间、采用高灵敏度光电器件、改善系统的光谱匹配因数、提高目标照度、降低图象质量和分辨率,都可以提高水下成象系统的作用距离,这就为我们在系统设计时提供了理论指导和努力方向.下面对该式进行计算,以便更为直观地进行理解和分析.6　计算结果与分析根据实际选定的器件和拍摄目标的要求,设:目标的尺寸h =2m,目标照度I ,反射率 =0.2,衬比(度)C ,所通过水路径的透过率 w =e -cR,c =0.2;系统的物镜参量:孔径D =10mm ,光学透过率 0=0.85,器件参量的光电灵敏度S = 2.5×10-4A/lm ,目标象所占的电视线对数n =40,输出信噪比S N R 0=4,曝光积分时间t =0.001s ,噪音影响 N =0.8,对比度传递影响 R =0.8,光学耦合影响 ON =0.8, OR =0.5,以及光谱转换系数 =0.8.将以上数值代入公式(34)后,可得到作用距离与目标衬度和照度的关系R =13C ・e -0.3R ・I(35)通过编程解此数值方程,我们得到图2的结果.图2　水下成象距离R 与目标衬度C 和目标照度I 的关系Fig.2　T he r elat ionship of imaging distance R with C and I188 光　子　学　报 29卷 由这些计算数据和曲线我们可以看到:当目标照度一定时,水下成象系统的成象作用距离与水下目标的固有衬度密切相连,即在一定的成象分辨率要求下,目标的衬度越高,成象距离越远;当目标衬度一定时,水下成象系统的成象距离与水下目标的照度成正比;在一定的成象分辨率要求下,目标的照度越高,成象距离也越远,但当考虑到水的散射时,照度的增加是有一定限度的;提高水下目标的照度比提高衬度的作用要明显;以上计算结果是在较为理想的条件下得到的,可以作为系统设计的参考.在实际设计中,由于实施上的许多具体问题,最终结果会小于表中的计算值.由以上讨论我们可以看到,采用水下微光高速成象距离计算公式可以对水下高速光电成象系统中的其他各项参数进行计算,通过计算结果可以帮助我们明确其在系统中的作用和影响,从而为实际研制提供依据和参考.参考文献1　孙晶华等.改善水下影响衬度方法的研究.光子学报,1996,25(11):1003～10072　M ertens L E,R eplog le F S.U se of po int spr ead and beam spread funct ions for analysis o f imag ining sy stems in w a-ter .J O pt Soc A m ,1977,67(8):1105～11173　Y ura H T .Small-A ng le Scat tering o f Light by Ocean Wat er.App Opt,1971,10(1):114～1184　Z anev eld R J V ,Bear dsley G F.M odulation T r ansfer F unctio n of Sea W ater.J Opt So c A m,1969,59(4):378～3805　Smith R S ,T yler J E .Optica P ro per ties o f Clear N atural W ater .J Opt Soc A m ,1967,57(5):589～601THE IMAGING DISTANCE OF THE LOW -LIGHT -LEVEL HIGH -SPEED PHOTOELECTRICITY SYSTEM UNDERWATERSun Chuandong,Chen Liangy i,Gao Limin,Li Chi,Lu Di,Zhang JianshengX i ′an I nstitute of Op tics and P recision M echanics ,A cademia SinicaR eceived date :1999-09-02Abstract In this paper ,the influence on the im aging under w ater by the w ater ′s optics character is first intr oduced.Then the detail discussion o n ho w to complete the photoelectric device w hich can im-age in high-speed under dark lig ht is being discussed.The fo rmula w hich include all the main parame-ters in building a hig h -speed imag ing sy stem under w ater is being yielded ,and the w hole derivtion can be seen in the paper.This formula is very useful in sy stem desig n and the result calculated by it can help researcher to estimate the perfo rmance of the system they are desig ning.A result calculated bythe for mula is in the last of the paper .Keywords Imag ing under w ater;Optics underw ater ;Lo w -lig ht-level im aging ;High-speed im ag ingSun Chuandong w as bo rn in 1966.He received his M.S.degree in Optics from Xi ′an Institute of Optics and Precision Mechanics,Academia Sinica in 1991,In the past sev eral Years ,his main topic of research w as concerned w ith the imag ing techniques using photoelectric devices.Now he is a Ph.D.candidate on photoelectric imaging techniques in Xi ′an Institute of Optics and Precisio n Mechanics ,Academ ia Sinica .His current r esearch interest is to use CCD imag ing devices in the mal -condition .1892期 孙传东等.水下微光高速光电成象系统作用距离的研究第29卷第2期 光　子　学　报 V o1.29N o.2 2000年2月 A CTA PHOTON ICA SINICA F ebr uary2000　OPTIMAL DESIGN OF WDM MULTI-FIBERRING NETWORKS*Xio ng Yizhi,Zeng Qingji,Cheng Yang,Wu KaiR&D Center f or Br oad band Op tical N etw or king T echnology Shanghai J iao T ong U niver sity,S hang hai200030 Abstract　In this paper,the o ptimal design o f WDM m ulti-fiber r ing(M FR)netw orks is discussed.New integer linear pr ogram ming(ILP)form ulations are proposed to solv e it.The o ptimal o bjective is to m inimize the av er ag ed node ports number.It can max imize theco st effectiveness o f the designed M FR netw orks.By using these algo rithms,the netw orkperform ance of different type o f M FR architectures(bidirectional and unidirectional)em-plo ying various routing schemes(w aveleng th path and virtual w aveleng th path)are ana-lyzed.The o btained results can be used as a criterion in selecting the m ost suitable M FRarchitecture. Keywords　Wavelength division multiplex ing;Wavelength ro uting;M ulti-fiber ring;Waveleng th path;Virtual wav elength path0　Introduction Waveleng th-ro uted o ptical netwo rks (WORN′s)based on w aveleng th div ision m ulti-plex ing(WDM)and w aveleng th routing tech-no logies is seen as a very pro mising approaching fo r the realization of future bro adband net-w orks1.T he WDM ring netw o rk em plo y optical add/dro p multiplex er s(OADM s)or optical cr oss-connects(OXCs)as routing nodes.T he traffics are carr ied via lightpaths that can be set-up betw een source and destination nodes by con-fig uring the ro uting nodes.Accor ding to the availability of the w avelength converter s in the w avelength ro uting nodes,the lig htpath ro uting schem e can be divided into tw o categ ories:w ave-leng th path(WP)and v ir tual wav elength path (VWP).In the case of WP,each lig htpath is as-signed a fixed w aveleng th along its route.In the case of VWP,a lig htpath can have a different w avelength o n each distinct fiber link2,3.Because of its sim ple structure and very fast restoration capacity against serv ice distruptions, WDM ring netw orks are being developed as part of testbeds and co mmercial pro ducts,and are ex-pected to be an integral part of telecom muni-cation backbo ne netw or ks4,5.Recently the stud-ies o f WDM ring netw orks design is focus on the w avelength requirement6～9.The results show w avelength requirements fo r WDM ring net-w orks are alm ost pro por tional to the square of the number of nodes.Due to the technically fea-sibility and eco nom y,the num ber o f wav elengths that can be multiplexed w ithin a r ing netw ork is limited to a r elatively small value.T herefo re,in order to meet the traffic dem and,the ring net-w ork w ill have to em plo y space division m ulti-plex ing w ith multiple fibers and w avelength divi-sion multiplexing w ith a relativity small num ber of w av elengths.This w ill be a v ery effective ar-chitecture for a ring netw ork.In Ref.10～12,the WDM multiple fibe ring*T he wo rk is joint ly suppo r ted by t he Nat ional863P lan,Nat ional N atural Science Fo undatio n,Shanghai Science and　T echno log y D evelopment F oundation,Na tio nal K ey L ab of Br oadband O pt ical Fiber T ransmissio n and Co mmunica-t ions SystemR eceived dat e:1999-08-17。

基于激光投射视觉处理的水下测距技术研究
蔡文郁;衡靓靓;杨俊毅;李竹
【期刊名称】《杭州电子科技大学学报》
【年(卷),期】2015(000)004
【摘要】针对深海探测与取样设备的实际应用需求，研究了一种基于图像视觉处理的水下测距技术与系统。

系统利用围成等边三角形的蓝绿激光发射器作为光源投射到海底平面，摄像机对投射图像进行采集；利用张正友标定法获取摄像机参数，根据海底平面的倾斜状况构建了理想成像模型和实际成像模型两种数学计算模型，对图像进行灰度处理、阈值处理和形态学处理后计算出摄像机平面与海底平面之间的距离。

最后，对搭建的水下测距系统进行了实验室测试，测试结果验证了系统在水下短距离测距应用中的可行性。

【总页数】5页(P1-5)
【作者】蔡文郁;衡靓靓;杨俊毅;李竹
【作者单位】杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州310018;杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州310018;国家海洋局第二海洋研究所，浙江杭州310012;杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州310018
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
【相关文献】
1.水下微脉冲激光雷达单光子测距技术研究 [J], 宣飞;辛欢;曹昌东;眭晓林
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