水下远距离关联成像技术研究

摘要

海水中富含多种溶质，其信道的复杂程度远远超过大气信道，光波在海水中的传播受到多种因素的影响，总的说来分为吸收和散射，虽然蓝绿激光在海水中的传播具有“窗口”特性，但是其传播效果依旧不够理想，传统的水下成像技术无法满足人们对水下成像的远距离和高质量的要求。赝热光源关联成像技术凭借其光源易获取、成像非定域、适用波段广、成像分辨率高和抗噪声性能强等优点，已经在大气遥感和大气激光雷达等领域被广泛应用，因此本文的主要内容是研究水下成像环境的关联成像技术，研究目的是提高水下成像的距离和质量。本文主要工作如下： 1. 分析了水下关联成像系统的总体架构。研究了热光与赝热光之间的联系和区别并分析了赝热光源的实际产生过程，结合海水信道对光的衰减特性建立了光在水下环境的衍射模型，接着分析了接收模块中探测器的特征，最后研究了传统的关联成像算法并仿真分析了影响关联成像的因素。 2. 建立了水下关联成像系统的仿真平台。设计了水下二阶和三阶关联成像系统方案，接着仿真分析了赝热光的性质，并模拟了光场水下衍射过程，进而对水下二阶和三阶关联成像系统进行仿真，分析了影响系统成像性能的因素，仿真结果表明：系统在JerlovII型海水中的最大成像距离达到5.4倍衰减长度，水下三阶关联成像系统的优势不大。 3. 设计了将光子计数技术应用到水下二阶关联成像系统的方案。为了提高系统成像距离，引入单光子探测器并实现光子计数成像，设计了基于差分关联成像算法和对应关联成像算法的水下光子计数关联成像系统。并通过仿真分析了两种系统在成像距离和成像质量上的优势，仿真结果表明水下光子计数关联成像系统在JerlovII型海水中的最大成像距离约为13.5倍衰减长度。 4. 设计了基于压缩感知的系统改进方案。造成水下关联成像系统成像速度慢的原因是采样样本数过多，虽然采用对应关联成像算法可以减少处理的样本数，但是没有减少系统采样总数，因此对应关联成像技术的成像速度依旧不够理想。针对此问题引入压缩感知技术对数据进行处理，设计了分别基于图像去噪算法的双目标函数迭代算法和 TV 优化算法的压缩感知算法，减少了采样次数并提高成像质量，仿真分析了使用该算法后的系统性能的提升。

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