水下目標激光成像的可視化模型
發(fā)布時間：2021-03-19 19:19
為直觀、全面、系統(tǒng)地分析設(shè)備參數(shù)、水體光學(xué)傳輸特性和目標反射特性對水下激光主動成像的影響,為水下光電成像系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化提供可視化參考依據(jù),建立了水下激光主動成像的可視化模型。該模型基于蒙特卡羅方法追蹤整個水下成像過程中光子的狀態(tài)變化,分別采用幾何光學(xué)近似和隨機碰撞原理模擬隨機粗糙表面和水體懸浮粒子對光的散射,并通過高斯物像公式獲得最終的仿真圖像,實現(xiàn)水下目標激光成像的可視化。為驗證仿真結(jié)果,對在實驗室受控水箱環(huán)境中獲得的實際圖像與相同參數(shù)條件下的模擬圖像進行比較。結(jié)果表明,仿真圖像與實驗圖像具有相同的特征及變化規(guī)律,表明該模型較好地模擬了水下激光主動成像的過程,準確度較高、可用性較好。
【文章來源】：中國激光. 2020,47(05)北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
水下激光成像實驗系統(tǒng)示意圖
圖7所示為3種水質(zhì)中目標區(qū)域圖像的仿真及實驗結(jié)果,第一行為仿真結(jié)果,第二行為實驗結(jié)果,從左至右所對應(yīng)的水體水質(zhì)分別為I、II、III。主觀上比較,由圖7可知,隨著水質(zhì)的變差,目標區(qū)域的清晰度逐漸降低,由于水體的多次散射作用,目標表面被照亮的面積增大,仿真圖像和實驗圖像的變化趨勢一致。客觀上,采用無參考圖像質(zhì)量評價標準BRISQUE[17]對目標區(qū)域圖像進行計算,并比較同一種水質(zhì)下的仿真與實驗結(jié)果的相對誤差。計算結(jié)果如表2所示,隨著水質(zhì)的變差,仿真和實驗圖像的BRISQUE參數(shù)都呈增大趨勢,表明隨著水體散射系數(shù)增大,目標區(qū)域的圖像的對比度降低,仿真和實驗結(jié)果的最大相對誤差為2.71%。
圖8所示為同時包含目標及后向散射光的總體仿真和實驗圖像,為了便于觀察仿真結(jié)果,第一、二列分別列出三維仿真圖像和二維仿真圖像,第三列為實驗圖像,第一至三行所使用的水體水質(zhì)分別為I、II、III。主觀比較圖8(a)、(d)、(g)可知,隨著水體散射系數(shù)增大,后向散射光的強度逐漸增強,且目標的前向散射光也顯著增強�？陀^上,為了比較目標強度與水體后向散射光強度的關(guān)系,對所有的圖像進行歸一化,如圖8(i)所示,框選出了5塊區(qū)域,計算所有仿真和實驗圖像在這些區(qū)域內(nèi)的歸一化光強的均值,區(qū)域1為目標光斑中心,平均光強設(shè)為It,區(qū)域2～5為成像距離逐漸減小的后向散射光區(qū)域,設(shè)平均相對光強為Ib。計算每幅圖像后向散射光與信號光的比值,計算結(jié)果如圖9所示。由圖9可知:隨著水體散射系數(shù)的增大,Ib/It增大。當散射不太強時,后向散射光的強度分布幾乎不隨成像距離變化,但當散射足夠強時,后向散射光的強度隨著成像距離的增大迅速減弱,仿真圖像和實驗圖像均符合以上趨勢。但是在水質(zhì)I、II條件下,目標和后向散射光的相對光強仿真結(jié)果較好;在水質(zhì)III條件下,仿真圖像的后向散射光平均光強的變化率大于實驗圖像。分析可能跟所加入的SiO2微球的沉降有關(guān),根據(jù)沉降速率測量結(jié)果,所加入粒子的濃度越大,沉降越快,所以在水質(zhì)III下進行實驗時,實際的散射系數(shù)可能比標定的值偏小,這導(dǎo)致后向散射光強度上升的速率降低。圖9 區(qū)域2～5的后向散射光與目標區(qū)域的
【參考文獻】：
期刊論文
[1]同步掃描水下激光成像系統(tǒng)的蒙特卡洛仿真及優(yōu)化[J]. 肖國梁,屠大維,張旭. 激光與紅外. 2019(08)
[2]一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水下光電圖像質(zhì)量優(yōu)化方法[J]. 張清博,張曉暉,韓宏偉. 光學(xué)學(xué)報. 2018(11)
[3]云霧后向散射激光回波特性研究[J]. 王鳳杰,陳慧敏,馬超,龍胤宇. 紅外與激光工程. 2018(05)
[4]蒙特卡洛仿真的水下激光通信信道特性[J]. 黃愛萍,張瑩珞,陶林偉. 紅外與激光工程. 2017(04)
[5]水下藍綠激光傳輸?shù)乃p系數(shù)與水體濁度關(guān)系的實驗研究[J]. 丁琨,黃有為,金偉其,金凱佳,李海蘭. 紅外技術(shù). 2013(08)
[6]基于微面斜率法的粗糙表面半透明介質(zhì)層光譜散射特性分析[J]. 陳學(xué),孫創(chuàng),夏新林. 光學(xué)學(xué)報. 2012(12)
[7]粗糙表面計算機模擬[J]. 陳輝,胡元中,王慧,王文中. 潤滑與密封. 2006(10)
碩士論文
[1]基于Metropolis的CBCT光子輸運快速蒙特卡羅模擬[D]. 陳宇思.南方醫(yī)科大學(xué) 2018
本文編號：3090090
【文章來源】：中國激光. 2020,47(05)北大核心
【文章頁數(shù)】：8 頁
【部分圖文】：
水下激光成像實驗系統(tǒng)示意圖
圖7所示為3種水質(zhì)中目標區(qū)域圖像的仿真及實驗結(jié)果,第一行為仿真結(jié)果,第二行為實驗結(jié)果,從左至右所對應(yīng)的水體水質(zhì)分別為I、II、III。主觀上比較,由圖7可知,隨著水質(zhì)的變差,目標區(qū)域的清晰度逐漸降低,由于水體的多次散射作用,目標表面被照亮的面積增大,仿真圖像和實驗圖像的變化趨勢一致。客觀上,采用無參考圖像質(zhì)量評價標準BRISQUE[17]對目標區(qū)域圖像進行計算,并比較同一種水質(zhì)下的仿真與實驗結(jié)果的相對誤差。計算結(jié)果如表2所示,隨著水質(zhì)的變差,仿真和實驗圖像的BRISQUE參數(shù)都呈增大趨勢,表明隨著水體散射系數(shù)增大,目標區(qū)域的圖像的對比度降低,仿真和實驗結(jié)果的最大相對誤差為2.71%。
圖8所示為同時包含目標及后向散射光的總體仿真和實驗圖像,為了便于觀察仿真結(jié)果,第一、二列分別列出三維仿真圖像和二維仿真圖像,第三列為實驗圖像,第一至三行所使用的水體水質(zhì)分別為I、II、III。主觀比較圖8(a)、(d)、(g)可知,隨著水體散射系數(shù)增大,后向散射光的強度逐漸增強,且目標的前向散射光也顯著增強�？陀^上,為了比較目標強度與水體后向散射光強度的關(guān)系,對所有的圖像進行歸一化,如圖8(i)所示,框選出了5塊區(qū)域,計算所有仿真和實驗圖像在這些區(qū)域內(nèi)的歸一化光強的均值,區(qū)域1為目標光斑中心,平均光強設(shè)為It,區(qū)域2～5為成像距離逐漸減小的后向散射光區(qū)域,設(shè)平均相對光強為Ib。計算每幅圖像后向散射光與信號光的比值,計算結(jié)果如圖9所示。由圖9可知:隨著水體散射系數(shù)的增大,Ib/It增大。當散射不太強時,后向散射光的強度分布幾乎不隨成像距離變化,但當散射足夠強時,后向散射光的強度隨著成像距離的增大迅速減弱,仿真圖像和實驗圖像均符合以上趨勢。但是在水質(zhì)I、II條件下,目標和后向散射光的相對光強仿真結(jié)果較好;在水質(zhì)III條件下,仿真圖像的后向散射光平均光強的變化率大于實驗圖像。分析可能跟所加入的SiO2微球的沉降有關(guān),根據(jù)沉降速率測量結(jié)果,所加入粒子的濃度越大,沉降越快,所以在水質(zhì)III下進行實驗時,實際的散射系數(shù)可能比標定的值偏小,這導(dǎo)致后向散射光強度上升的速率降低。圖9 區(qū)域2～5的后向散射光與目標區(qū)域的
【參考文獻】：
期刊論文
[1]同步掃描水下激光成像系統(tǒng)的蒙特卡洛仿真及優(yōu)化[J]. 肖國梁,屠大維,張旭. 激光與紅外. 2019(08)
[2]一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的水下光電圖像質(zhì)量優(yōu)化方法[J]. 張清博,張曉暉,韓宏偉. 光學(xué)學(xué)報. 2018(11)
[3]云霧后向散射激光回波特性研究[J]. 王鳳杰,陳慧敏,馬超,龍胤宇. 紅外與激光工程. 2018(05)
[4]蒙特卡洛仿真的水下激光通信信道特性[J]. 黃愛萍,張瑩珞,陶林偉. 紅外與激光工程. 2017(04)
[5]水下藍綠激光傳輸?shù)乃p系數(shù)與水體濁度關(guān)系的實驗研究[J]. 丁琨,黃有為,金偉其,金凱佳,李海蘭. 紅外技術(shù). 2013(08)
[6]基于微面斜率法的粗糙表面半透明介質(zhì)層光譜散射特性分析[J]. 陳學(xué),孫創(chuàng),夏新林. 光學(xué)學(xué)報. 2012(12)
[7]粗糙表面計算機模擬[J]. 陳輝,胡元中,王慧,王文中. 潤滑與密封. 2006(10)
碩士論文
[1]基于Metropolis的CBCT光子輸運快速蒙特卡羅模擬[D]. 陳宇思.南方醫(yī)科大學(xué) 2018
本文編號：3090090
本文鏈接：http://www.sikaile.net/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/3090090.html
最近更新
教材專著
