基于能量传递链的水下微光成像系统性能评价

　　0　引言

　　水下微光成像系统是在水下暗弱光照度条件和高散射介质环境约束条件下,对水环境中快速过程和发生的事件进行清晰成像和快速记录。它弥补了人眼视 觉特性在水下空间、时间、光谱和能量分辨率的局限性。水下微光成像系统总体性能设计是以人眼视觉特性为依据,以最大限度地收集并高保真度的传递景物图像信 息为目的。图像在空间传递过程不仅是视角的传递,而且是亮度、对比度的传递[1]。对水下微光成像系统的性能评价是围绕图像信息的能量、对比度等特征,形 成了系统能量传递链法。这种评价法的核心是从辐射源特性及其在介质中的反射吸收和透射规律出发,研究和估算景物的辐射(反射)能量在水下微光成像系统各环 节中被逐级传递的规律[2]。推导出景物图像输出的照度、对比度的数学表达式,作为系统能否探测到目标的分析依据。通过计算分析,总结出一套适用于水下微 光成像系统性能评价的理论方法,并用于实际工作,取得了良好的水下图像。

　　1　水下微光成像系统的能量传递过程

　　水下目标成像到接收器表面的整个传递过程受多种因素的影响。在实际工作中,水下环境千变万化,海水对光的吸收和散射作用使得水下成像系统处于低 照度下工作。要求成像系统具有较高的灵敏度、较高的分辨率。基于能量传递的成像系统性能评价原则要求:目标像在探测器靶面上占有两个像元以上;要求目标在 探测器靶面上成像的照度值大于最低灵敏度的值;目标在探测器靶面上成像的对比度大于0.2。水下成像的传递环节如图1所示。

　　1.1　水下环境的照度变化

　　水下微光成像的物方光照是以自然光为主。自然光主要包括太阳光和天光。照在海面的天光和太阳光的近似比为0.4,在海水下,自然光中的蓝绿光被 称为“水下窗口”,能够以较小的衰减传送到水下。由于海水的吸收和杂质的散射作用,在不同的水深下光照度明显不同。太阳光在直射地面,地面照度为 (1~1.3)×,太阳与天顶角为θ角时,海面的照度[3]:

　　不同的天气条件,地面所获得的太阳光照度变化很大。一般选择好的天气条件和太阳高度,才能获得水下足够的自然光照度。自然光经过水介质传入到水 中,有效光谱能量随着水深的变化衰减得很快。由太阳光的光谱分布曲线可以看出:海水对长于0.6μm波长的光吸收严重,到水深10m以下,就只有蓝绿光存 在了。蓝绿光约占可见光波段的40%。对于蓝绿光传入到不同水深下的光照度可用下式表示:

　　式中:E为水下光照度;k(λ)为不同波长的传输衰减系数;z为水深度。