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[学位]

水下目标激光主动偏振成像技术研究

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Author:

管今哥 (管今哥.)

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学位论文库

Abstract:

水下光学成像在海洋资源开发、海洋军事应用以及海洋环境保护等领域具有重要的应用。马航MH370客机残骸搜寻工作使得基于光学方法的水下物体探测与识别研究再次成为光传感领域关注的热点。光在水中传输时发生的散射与吸收等衰减效应会直接导致水下图像发生退化,降低图像的对比度以及水下能见度,因而,一般的水下光学系统很难实现高质量的成像。如何实现水下物体的光学有效探测与识别成为一项富有挑战性的研究课题。
论文针对以上需求与问题,通过对国内外有关水下偏振成像方面的研究现状以及最新进展的综述分析,提出改进现有偏振成像方法,利用光的偏振信息来对水下目标光与背景散射光进行分离,消除或减弱散射效应造成的图像质量下降问题,从而提高水下光学图像对比度,提高水下物体探测与识别的效率。
为从物理机制上减小背景散射噪声对水下图像质量的影响,论文基于激光照明探测方式,研究了主动成像情况下偏振光在浑浊介质中的传输特性。实验结果表明,偏振光与散射介质相互作用时产生的前向与后向散射光均具有较好的保偏特性;线偏振光在浑浊介质中传输时,Stokes矢量中的线偏振元素之间会发生耦合效应,使得散射光的矢量振动方向与入射光的矢量振动方向有所差异。
从偏振光与浑浊介质相互作用特性及规律出发,本文建立了水下偏振成像物理模型,根据水体介质与水下目标对偏振光的响应差异,设计了不同类型目标所对应的偏振滤波技术来滤除成像过程中背景散射噪声的影响;在表面粗糙的水下物体探测过程中,采用正交偏振成像方法来较大程度地滤除介质后向散射光的影响,并进一步利用偏振减法处理来完全消除散射噪声;针对上述方法只能得到物体部分信息的问题,通过考虑不同散射过程的光偏振特性,提出改进的基于Schechner模型的水下图像复原方法来获取物体的原有特征;在水下伪装目标探测过程中,根据目标与背景退偏特性差异,提出基于偏振的激光距离选通水下成像方法来识别伪装目标,并实现了对目标的均匀照明以及后向散射背景的进一步去噪;在表面光滑的水下目标探测过程中,利用目标光与介质后向散射光的矢量方向差异,提出基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像,极大提高了水下偏振成像探测效率。以上本文均得到了实验验证。 
鉴于水下偏振成像技术虽然能够提高探测过程中目标与背景的信噪比,但会减小成像光线的光通量而降低图像视觉效果,我们在物理去噪基础上,利用Matlab软件编程作为辅助手段对偏振滤波得到的图像进行了处理,从视觉角度进一步提高了对水下图像的识别能力。
论文工作表明,偏振探测技术确实可以减小浑浊介质中散射等衰减效应对成像光束的影响,有效滤除叠加在图像中的散射背景噪声,从而改善水下图像质量以及提高成像时的探测距离。针对现有工作存在的不足之处,论文也提出了今后努力的方向。

Keyword:

光学信息处理 偏振 散射 水下光学成像

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学电子与信息工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 朱京平

Year: 2016

Language: Chinese

Cited Count:

WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 11

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