基于全变分和颜色平衡的水下图像复原

针对水下图像存在的雾化、模糊和颜色失真问题，提出一种基于全变分和颜色平衡的水下图像复原方法。以完整水下光学成像模型为基础，分别结合四叉树细分法与光在水中传播特性估计背景光，利用水下中值暗通道先验估计透射率，并采用共轭梯度和迭代最小二乘法估计模糊核。为提高计算效率，引入交替方向乘子法对变分能量方程进行逆求解得到去雾、去模糊的图像。在此基础上，在YCbCr空间采用颜色平衡算法对颜色通道进行补偿以校正色彩失真。与6种流行的水下图像增强和复原方法进行比较，实验结果表明，所提方法可以有效地去除雾化和模糊、校正色偏、恢复出清晰、色彩真实的水下图像。     

新型水下电视系统的研制和应用

指出了水下电视系统的主要技术关键及设计与使用时需注意的问题，给出了水下电视和应用的实例。     

基于图像的水下三点激光测距方法研究

基于光学成像原理和激光三角测距法,提出将三个点激光器与水下相机结合、根据水下光学图像对水下目标物距离进行测量的思路。建立了激光束与目标物垂直、与目标物之间存在旋转角、存在俯仰角三种情况下的三点激光测距理论模型,推导了目标物距离与水下激光光斑图像之间的数学关系,在此基础上得到了三种情况下的三点激光测距公式。研制了系统样机,并通过空气中和水下的距离测量实验,测试了测距模型和定标算法的误差。实验结果显示,在8.4 m范围内,使用统一测距公式对距离进行测量时,测距误差最大值约为35 cm,平均测量误差小于15 cm。研究成果可望用于水下目标较近距离的精确测距。     

利用水下平行光管测量水下相机成像分辨率

水下光学成像是重要的水下探测方式。现有水下相机成像检测方法受到水体本身以及测量方法的影响,难以准确进行成像分辨率检测。提出了基于水下平行光管的水下相机成像分辨率检测技术,通过在水中产生平行光束,直接对水下相机成像分辨率进行检测。通过仿真得出：水下平行光管在水中可见光和空气中单波长的调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF)基本一致。利用这一结论,提出了水下平行光管空气中装调检测的方法。针对实验室所研制的一款水下相机开展实验测试,其在水中可见光与空气中635 m光源照明条件下的分辨率相同。实验结果表明,所提出的基于水下平行光管的水下相机成像分辨率检测方法可有效消除水体对分辨率测量的影响,实现水下相机成像分辨率的准确测量。     

海洋水气界面对光学成像探测影响的研究

利用激光进行主动成像探测正在海洋探测发挥越来越重要的作用。波涛起伏的海面是一个复杂折射系统,能够对跨介质的水下目标光学成像探测产生复杂影响。为了研究海面起伏对光学成像的影响,本文先以Gerstner波为对象从机理上进行了分析,得出只有在大角度入射,也就是光入射到海浪波峰附近的小范围区域中时,海面折射才会对探测产生较大影响。接着本文使用基于Phillips海浪谱的统计波模型建立了模拟海面,并统计了垂直光照条件下入射角,发现绝大多数都是小角度角;然后分析了折射后各点光线的具体偏折情况;最后进行了成像模拟,用结构相似度(SSIM)评价了不同海况下的图像质量。研究结果说明海面起伏对探测的影响较小且对光在各处的削弱均匀,没有呈现与水面对应的复杂情况;图像质量随海况等级的提升而指数下降。     

像全息的水下应用

基于开发海洋事业的需要，对如何拍摄好水中物体的全息图进行了详细的理论分析，并利用像全息的方法成功拍摄到了一系列富有工艺美感的水下物体的全息图。针对拍摄的全息图进行了细致的定性、定量分析，最后对仪器开发和应用前景作了初步的探讨。     

水下光通信系统的建模与仿真

主要分析随机海面的光学特性,并在特定的位置和范围内描绘了不同风速等条件下的接收光斑图,然后利用线性波浪理论对海浪谱进行数值模拟建模仿真,得出随机海面对水下通信系统的影响系数,对实际的水下通信系统工程的建立有重大的参考意义.     

水下大视场连续变焦光学系统设计

针对现有水下光学系统中存在的主要不足,就某大视场水下连续变焦光系统指标要求,从水下光窗选型、光窗畸变、色差等的影响入手,分析了水下平板光窗引入的相对畸变和倍率色差特性,给出了相应的应对措施。结合水下工况对包络和工作距的要求,给出了一种三组联动的变焦系统设计模型和相应调跟焦组件的设计方法;通过在PNNP型结构中引入像差稳定镜组,对动态像差做稳定和补偿,改善了光学结构的像差校正能力,同时规避了凸轮曲线断点问题;通过在物方侧镜组中设置调跟焦镜组,保证了变焦全程对近景目标的清晰成像。完成了一个4 K水下大视场连续变焦光学系统设计,该系统工作距为0.5 m~inf,设计波段为0.48~0.64 μm,采用3840×2160高灵敏CMOS面阵探测器,像元大小为2 μm,变焦全程F数最大恒定为2.8,可实现全视场5.9°~62°、10倍以上连续变焦功能,具有较短的变焦行程、平滑的变焦轨迹、优良的成像性能等优点。     

基于分类与最小卷积区域暗通道先验的水下图像恢复

为了解决水下图像在复杂水体中表现的画面模糊和颜色失真的问题，提出了一种基于HSV分类、CIELAB均衡与最小卷积区域暗通道先验（DCP）的水下图像恢复算法。基于H与S阈值将水下图像分为高饱和度失真图像、低饱和度失真图像及浅水图像等3类。分类后的水下图像分别经CIELAB均衡及自适应图像增强恢复，其中水下成像系统参数通过最小卷积区域DCP估计。实验结果表明，所提算法在图像恢复效果、评价质量和实时性指标上均优于对比算法，其中峰值信噪比和结构相似指数值分别平均提升了26.88%和17.3%，水下彩色图像质量评价值提升了4.3%。     

低级自适应光学能否用于水下成像

讨论了自适应光学技术用于水下成像的可能性。简要介绍了与穿过湍流成像有关的主要问题及这项技术的发展历史。指出了低价自适应光学技术的发展趋势，并给出用于矫正水中湍流畸变系统的使用结果。本文的目的是将目前用来矫正大气湍流的方法加以论证，以回答人们的期望实现的将同一技术用于水下成像和水下通信的有关问题。     

水下光源主光轴光谱辐照度分布模型

根据光传输理论和水体光学衰减规律,提出了水下光源主光轴上光谱辐照度随距离分布的理论模型,确定了模型结构。在此基础上,采用数值计算的方法对模型中各待定参数进行求解,根据模型结构特点提出了对不同参数进行分步拟合的思路并给出了具体的参数求解方法。为了验证建模方法的准确性和可行性,根据水下光源实测数据进行建模并对模型的精度进行了评估。结果显示:模型拟合数据与水下实测数据吻合程度较高,拟合误差的方均根值仅为实测数据方均根值的4%,说明模型拟合精度较高。该方法有望用于水下光场建模、水下图像处理等应用领域。     

海洋浮游生物显微光学成像系统设计

为满足海洋浮游生物的观测,设计了大相对孔径、水下浮游生物观测专用变焦显微光学系统。该系统利用Zemax软件实现,物距模拟海水介质,采用平面水密隔窗,设计像面尺寸为8.8 mm×6.6 mm CCD感光板,显微成像系统倍率变化范围为1.0~4.0。变倍过程中数值孔径为0.15,物方线视场范围为8 mm×6 mm^2 mm×1.5 mm。最大视场下,奈奎斯特频率50 lp/mm处近轴视场和1视场的光学传递函数值均大于0.4;成像系统的畸变控制在3%以内。该显微成像系统结构简单,可以满足较小尺寸的浮游生物成像,为浮游生物的分析及浮游生物种群的研究提供技术支持。     

水下湍流连续相位屏生成的仿真研究

建立水下湍流多层相位屏的理论和模型是开展水下湍流研究的主要问题。考虑水下湍流的统计特性,通过三维协方差矩阵预测的方法进行了水下湍流的统计特性和连续性的模拟。提出重叠分配矩阵的方法,优化多层相位屏的模拟,分析了计算效率和湍流统计特性表征之间的关系。结果表明:重叠分配矩阵方法能有效提高单层相位屏的生成效率。三维协方差矩阵预测方法可以使相位屏具有层间相关性,其在单层相位屏内的统计特性也与理论符合较好,但是在小尺度和大尺度下与理论值有一定偏差。该研究将传统的独立多层二维相位屏拓展到了空间相关的多层相位屏,使得利用多层相位屏描述水下湍流更加符合物理实际。     

基于蓝绿通道自适应色彩补偿的水下图像增强

光在水中传播时受到水的吸收和悬浮粒子散射作用,导致水下图像颜色失真、对比度低、可视性差。针对上述退化问题,该文提出一种基于蓝绿通道自适应色彩补偿水下图像增强方法。首先,该方法分析水下成像模型的特点,根据蓝、绿色通道均值在3通道均值和的占比,将水下场景深度划分3个等级,利用光衰减率特性自适应补偿色彩,实现多场景色彩校正。然后对色彩补偿后的图像划分暗调、中间暗调、中间亮调、亮调4个区域,利用暗区域映射函数将图像暗区域映射到亮区域,在提升对比度的同时抑制噪声的产生。最后采用双线性插值解决分块处理产生的区域块效应。真实水下数据集实验结果表明,与现有方法相比,该方法可以提升多种场景的水下图像质量。     

基于水下光照不均匀成像模型的图像清晰化算法

为了克服水下图像清晰度低和光照不均问题,首先在水下光照均匀成像模型的基础上建立水下光照不均匀条件下的成像模型,进而提出新的水下图像清晰化算法。在算法中,首先在小波变换低频子带上实现了介质散射光和光照变化混合图像的快速估计与去除,然后将得到的图像分割成亮斑区和散射区,并分别进行增强处理。实验结果表明,本文提出的算法可以显...     

误差实时检测的水下LED光通信技术

为降低水下作业环境通信终端安装误差和机动目标指向误差的影响，给出了水下光通信系统架构，提出了一种基于气泡智能剔除的光斑识别定位算法，较好地解决了气泡对水下光通信链路稳定的影响，仿真结果显示该算法具有较好的鲁棒性。结合水下蓝绿光衰减较小的特点，设计了一种6个蓝光450 nm灯珠合束发射方案，提出了一种基于误差参量的链路模型；并在纯海水模拟信道环境下，通过仿真及等效实验表明:对于发射光强为平顶分布，偏轴误差在发散角10以内情况下，经过50 m信道衰减后，接收端接收功率-20 dBm，眼图张开良好；反之，通信性能急剧下降。     

基于PCN的水下认知网络动态频谱接入算法

水下网络可用频谱范围比较窄,且部分被水下生物占用,导致了水下传感器网络可用的频谱资源更为稀缺.针对上述问题,提出一种基于累积干扰预测(Predicted Cumulative Noise,PCN)的水下认知网络动态频谱接入算法.该算法把水下生物作为认知网络的主节点,水下传感器节点作为次节点;通过建立水下生物业务行为的马尔科夫模型预测累积干扰,次节点根据预测结果,采用合作的方式动态地接入授权频谱.仿真结果表明,该算法能够保护水下生物正常通信的同时,实现最优化的频谱共享,网络容量增益达到6.3dB.     

电磁散射效应的光学模拟的关键问题研究

缩比模拟是研究电磁效应的有效方法。微波波段的大尺度缩比需要毫米波甚至太赫兹波段的辐射源,但实现技术复杂。提出使用光波模拟电磁散射效应的方法,并从光波的本质、光与无线电波的反射、绕射和干涉效应等方面研究分析了光波与无线电波的物理相似性; 从长相干光源、波束赋形、偏振方式实现、宽视角接收、散射体电磁效应模拟等方面分析论证了光学系统模拟电磁系统散射效应的技术可行性。研究结果对电磁系统特别是微波波段电磁系统的大尺度缩比模拟具有参考意义。     

几种典型血细胞的光学相位模型及其分布特征与识别方法

针对提高生物细胞形态检测速度和分类精确度的这一研究热点,以血细胞为主要研究对象,通过对几种典型血细胞的光学特征和形体结构的分析,建立了相应的光学模型.应用VirtualLab光学虚拟实验系统进行仿真模块设计和仿真实验.对所获得的血细胞包裹相位分布进行解包裹、去噪光滑处理后,结合相位分布特征分析的结果提出了一种血细胞相位分检快速、精确识别的方法.