[发明专利]短相干照明与偏振结合的水下远距离光学成像装置及方法

说明书

本发明公开了一种短相干照明与偏振结合的水下远距离光学成像装置及方法，包括短相干激光器、光学成像系统、起偏器和检偏器，短相干激光器的像方端设置起偏器，光学成像系统物方端设置检偏器，短相干激光器发出的激光经起偏器入射到成像目标，成像目标置于水体环境内，成像目标反射光束经由检偏器传输至光学成像系统。

技术领域

本公开属于水下光学成像技术领域，具体涉及一种短相干照明与偏振结合的水下远距离光学成像装置和方法。

背景技术

水下光学成像因探测目标直观、成像分辨率高等优点被广泛应用于海洋石油钻探、水下搜救、海洋环境监测等领域。然而，光学成像由于强烈的后向散射和衰减，图像信噪比较低，严重影响成像质量并限制成像距离。水下散射包括前向散射和后向散射。其中，前向散射仅仅造成成像目标表面照明不均匀，在实际工程中，并不影响目标图像的识别，而且增加图像积分时间或者多幅图像平均处理可以明显抑制前向散射。然而，后向散射与成像目标难以分离，严重影响成像质量和水下目标识别。为此，水下成像的主流研究集中于对后向散射的处理研究。

为获取清晰的水下目标图像，多种水下成像技术被研究。其中，距离选通成像和偏振成像技术最具优势，成为目前的主要水下成像手段。距离选通成像属于扫描成像，采用调制的光脉冲，在目标光束返回到传感器时开启接收光信号，能够实现20米以上的水下原理成像，但是设备极其昂贵。而偏振成像属于凝视成像，利用后向散射和成像目标之间的偏振特性差异，通过估算后向散射的偏振特性，调整检偏器抑制后向散射，具有低成本优势，但是其探测距离被限定在5米以内。

随着海洋开发和水下探测的需要，迫切地需要一种低成本的远距离成像设备。虽然凝视成像设备具有低成本的优势，但是作用距离有限。

发明内容

本公开目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种短相干照明与偏振结合的水下远距离光学成像装置及方法；该成像装置和方法用短相干光源照明下后向散射与成像目标的光学特性差异进行分离，采用偏振技术有效抑制后向散射，防止图像提前饱和，保障有效信号采集。

本公开的第一发明目的是提出一种短相干照明与偏振结合的水下远距离光学成像装置，为实现上述目的，本公开采用下述技术方案：

短相干照明与偏振结合的水下远距离光学成像装置，包括短相干激光器、光学成像系统、起偏器和检偏器，短相干激光器的像方端设置起偏器，光学成像系统物方端设置检偏器，短相干激光器发出的激光经起偏器入射到成像目标，成像目标置于水体环境内，成像目标反射光束经由检偏器传输至光学成像系统。

作为进一步的技术方案，所述起偏器与检偏器的偏振态相互正交。

作为进一步的技术方案，所述光学成像系统包括光学系统和图像传感器，检偏器设置于光学系统的物方端，图像传感器设置于光学系统的像方端，成像目标反射光束经由检偏器、光学系统传输至图像传感器。

本公开的第二发明目的是提出基于如上所述的短相干照明与偏振结合的水下远距离光学成像装置的成像方法，包括以下步骤：

短相干激光器发出激光光束，激光光束经过起偏器产生偏振光束，偏振光束照射入水体环境中，照射到能够产生散射光并向后入射进光学成像系统的散射粒子上，产生后向散射光，后向散射光照射到成像目标上，产生目标光束，后向散射光和目标光束一起经由检偏器、光学系统，成像到图像传感器上。

本公开的第三发明目的是提出基于如上所述的短相干照明与偏振结合的水下远距离光学成像装置的成像方法，包括以下步骤：

在无成像目标的情况下，成像装置采集未包含目标光束的后向散射图像；

记录此时短相干激光器的功率P₁、图像的积分时间T₁和后向散射图像Im₁；

在设置成像目标的情况下，成像装置采集含有目标光束和后向散射信息的图像；