光栅图像传输法测量海水光学传递函数

　　1　引　言

　　海水中粒子对光的吸收、多次散射及强烈的前向散射,使光或图像在海水中传输的情况十分复杂。对于短距离的光传输可由海洋光学参数如衰减系数c、吸收系数a、散射系数b和体积散射函数B(H)进行分析,而对于长距离光传输情况,以前是用小角度近似和蒙特卡罗方法进行分析,但这两种方法只讨论大粒子浑浊介质,且仅考虑了前向散射光的影响,有一定的局限性[1—3]。另外,蒙特卡罗法还占用大量计算时间。

　　为了在分析水下光传输问题时克服这些困难,不少研究者应用线性系统理论来讨论水中激光或图像信息的传输,认为激光和图像信息在水中的传输,实质上是通过海水介质的光信息的传输过程,传输的结果,在空域可表示为输入图像分布与系统点扩展函数的卷积,在频域可表示为输入图像频谱与系统的光学传递函数的乘积。因此,水中光分辨率下降或图像的模糊,主要是因为水体光学传递函数的存在。

　　2　测量原理简介[4~6]

　　光学传递函数被认为是一种评价光学系统成像质量最完善的指标,用它来评价光学系统图像传输质量比常用的一些灰度方法和点列图法等更全面、更丰富、更精确。

　　对于任何一个光学系统中,系统总的光学传递函数等于各个单元的光学传递函数的乘积,这个关系叫做相乘律。只要知道各单元的传递函数,总体的传递函数就很容易求得;反之,若知道了系统和某些单元的光学传递函数,也能有相乘率求得某一单元的光学传递函数。由于整个水下图像传输系统的传递函数等于发射系统、海水水体和接收系统传递函数的乘积,用公式表示如下

　　因此,当发射系统和接收系统的传递函数已知时,测出整个系统的光学传递函数,就可以得到海水水体的光学传递函数,从而知道海水中光或图像的传输质量,本文正是根据这一原理来测量的。

　　3　实验及其数据处理

　　3.1　实验装置

　　测量系统如下图1所示,系统由光源、光栅、水缸、照相镜头、CCD、图像采集卡以及电脑组成。光源为蓝色面光源,波长在475nm附近,出射光斑均匀,光强和光束可调;用作目标的光栅空间频率有10 lp/mm、25 lp/mm和60 lp/mm等几个单元;水缸尺寸5cm×10cm×15cm,玻璃材料的均匀性和透光性都很好;镜头焦距为90mm; CCD通过图像采集卡与电脑相连。为避免杂散光的影响,整个系统自光源至CCD全部遮光。

　　3.2　实验步骤

　　(1)首先测量水缸中没有海水时,整个系统的光学传递函数MTF无水。将空缸放入上图1中的光路中,目标板包含许多单元,每一单元又包含水平光栅、竖直光栅、全白及全黑四个部分,调节物距与像距,直到目标板的一个单元在屏幕上成一清晰的像。利用电脑中事先装好的光学传递函数软件测出此时无水系统的光学传递函数值MTF无水。