0 引言

我国海洋资源丰富，随着经济和科技的发展，人们对海洋的开发日益深入。水下成像是水下目标探测中的关键技术，但是由于水中微小颗粒的存在使得光产生了后向散射，因此影响了光场的能见度。为了提高水下成像的品质，克服散射噪声，增加水下的能见度，本文对非均匀光场的能见度模型进行研究，指出影响非均匀光场能见度的因素，并对建立的模型进行分析，最后提出改善能见度的方法。

1 非均匀光场概念

通过理论研究分析可知，当近距离和远距离目标相差2倍的能见度，且均匀照明的情况下，目标信号的大小会相差e⁷倍；当二者的距离差是3倍能见度时，目标信号的大小会相差大于e¹⁰倍^[1]。实验证明这种情况下的能量分布不合理。

因此，本文在设计非均匀光场时，充分考虑其在不同介质中光的衰减规律，其在三维空间中的能量分布如图 1所示。当目标距离比较近时，会采用弱光场照明，这样可以降低后向散射的影响；当目标距离比较远时，会采用强光场照明，这样能够增强信号的强度，并且随着距离的增大，后向散射光到达接收器后也会减弱。

本文建立以集束式光源为中心的水下图像系统，以此来构建非均匀光场，其结构如图 2所示。

水下反光镜对集束光源最大范围的光进行反射，从而实现了水下照明，在反光镜转轴S₀处有一个高分辨率的图像接收器，接收垂直于集束光源的光。

2 建立非均匀光场能见度模型

水下能见度是指水中的视觉所能观测到的距离，会受到观测物体、观测环境和水质等因素影响。即使是目标物体本身能发光，经过海水的散射也很难测到高清晰的图像，如果海水浑浊，图像的模糊度更强^[2]。

非均匀光场的能见度主要与衬度有关，与接收器的灵敏度和光照强度等关系不大。

水下物体距离r处的衬度为：

$ {c_r}=\frac{{{L_r} - {L_{br}}}}{{{L_{br}}}}。 $

(1)

其中L_r、L_br分别为距离目标r处的辐射亮度和背景辐射亮度。

在非均匀光场中，目标的辐射亮度L_r大于均匀光场中的，L_br小于均匀光场中的，所以提高远距离目标的衬度可以改善远距离目标的成像效果。

在非均匀光场中增大了光源的发光强度并不能增强能见度，由式（1）可知，在获取L_br的过程中要用到散射函数β(θ)。实验证明，想要获取复杂海事环境中的β(θ)很难，因此不能利用统一的公式来求解β(θ)。在实际工程中，能见度数据是根据人眼在不同环境中能直接观测到的最大视距，由此得到最小衬度值^[3]。

本文通过非均匀光场能见度模型来研究非均匀光场的能见度特点。为了研究的简单性，本文首先建立了均匀光场能见度模型，在此基础上得到非均匀光场能见度模型。

如图 3所示，在水中均匀光场的透明度是xx，若光源、接收机在一起，那么体积ABC决定了探测器的散射情况，随着体积的增大散射会加剧，成像效果会越来越差。当光源与接收器之间的距离为S₀，则散射大小与体积DBC有关，即为图中的Δl，通常情况下，$\Delta l > \frac{1}{2}{L_{\max }}$时能够得到高分辨的图像，Δl与光源夹角Δθ、和接收器与光源之间的距离S₀有关^[4]。

通过对均匀光场能见度模型的改进建立了非均匀光场能见度模型，即令Δθ=0，这是因为在非均匀光场中高能量密度部分集中分布在照明区域中，于是得到非均匀光场的能见度模型如图 4所示。

非均匀光场的能见度影响因素与均匀光场中的影响因素相同，只不过此时Δθ=0。根据图 4，散射衰减大小Δl决定了非均匀光场的能见度L，而Δl的大小需要根据S₀和2η求出，在$\Delta l=\frac{1}{2}L$时的散射长度是能够获取最好效果成像的最大值，那么由数学中的三角表达式可得：

$L={S_0}/\tan \eta。$

(2)

由此可知，非均匀光场中的能见度主要取决于接收器与光源之间的距离以及接收器的视角2η。

3 改善非均匀光场能见度方法分析

当海水体积衰减系数c不变的前提下，随着探测距离的增大，散射体积的长度Δl也会增大，此时图像的清晰度会变差。为了提高图像的能见度，可以通过改变光轴距S₀减小Δl。若令L是1倍的能见度，在$\Delta l=\frac{1}{2}L$时会得到光轴距的最小值S_0min，即在1倍能见度范围内，实际光轴距大于S_0min就会得到清晰的成像图像。

在实验仿真中，令显示屏分别是4:3和16:9，对应的接收器的视角分别是83°×65°和90°×50°，那么根据式（2）可得到不同视角下水质的最小光轴距。

通过表 1的数据可知，在水质较好的情况下，光轴距较大，这是因为在清澈的海水中进行图像观测时，将光源和接收器分别放在船舷和船尾处。

在海水的状态一定的情况下，增大轴光距在一定程度下可以提高观测图像的分辨率，但是当轴光距达到一定的程度，反而会使图像变得模糊。

4 结语

水下成像是水下探测的重要研究课题，但是海水的透明度、海中物体的遮挡问题都会影响水下成像效果，本文首先阐述了非均匀光场的概念，并指出非均匀光场的水下照明结构，然后在均匀光场能见度模型的基础上进行了改进，建立了非均匀光场的能见度模型，最后针对影响非均匀光场能见度的因素提出了改善的方法。