水下鬼成像技术研究

Underwater optical detection technique is a significant way of understanding, development and utilization of the ocean. However, underwater scatter and turbulence have a strong impact on the optical wave, and thus the underwater optical detection range is very limited, and its image quality is poor. This project, for the first time, proposes the underwater ghost imaging technology, and designs a novel underwater ghost imaging detection scheme according to the underwater characteristics. The impact of underwater turbulence and scatter on the measurement matrix is studied from both theoretical and experimental aspects, and thus the mechanism of underwater impact on the ghost imaging is known. Based on such research, we try to design a new measurement matrix which is insensitive to underwater turbulence and scattering. And then the polarization algorithm is investigated to remove the backscattered light, and ghost imaging reconstruction algorithm based on compressed sensing is studied to restore the final image. Finally, we construct an underwater ghost imaging experiment to verify the proposed underwater ghost imaging technology. This research will provide a new way of underwater optical detection technology, and promote research on the ghost imaging in the optical scattering medium.

水下光学探测是认识海洋、开发和利用海洋的重要手段。然而，由于水体对光波具有严重的影响，主要包括水下散射和水下湍流，水下光学探测具有探测距离短、图像质量较差等缺点。本课题中首次探索将鬼成像技术应用于水下探测中，并根据水下特性设计了水下鬼成像探测系统方案。通过从理论和实验两方面研究水下湍流和前向散射对测量矩阵的影响，掌握水下特性对鬼成像的影响机理，并以此为基础，开展随水下湍流和散射不敏感的测量矩阵研究；而后研究基于偏振的后向散射光抑制算法和基于压缩感知的鬼成像重建算法，将探测数据重建为探测图像；最终，搭建水下鬼成像实验系统验证所提出的水下鬼成像技术。本课题研究成果将为水下光学探测技术提供一种新的技术途径，同时也将推动鬼成像技术在光学散射媒质的研究。

水下光学探测是认识海洋、开发和利用海洋的重要手段。然而，水体对光波具有严重的影响，水下光学探测具有探测距离短、图像质量较差等缺点。本课题探索将鬼成像技术应用于水下探测中，分析了水下成像环境对鬼成像影响的物理模型，建立了水下鬼成像前向表征模型，指出后向散射光会与景物叠加在一起，是影响鬼成像的主要因素；针对上述问题，本课题提出了水下偏振鬼成像方法，引入了平行偏振和垂直偏振消除后向散射光对鬼成像的影响，建立了联合处理模型，并研究了基于压缩感知的计算鬼成像重建算法和基于偏振的后向散射光消除算法；基于DMD投影元件研究了测量矩阵硬件实现方法，降低前向散射和湍流引起的模糊效应，并从重建性能和硬件实现两方面优选了测量矩阵；搭建了水下偏振鬼成像实验系统，对光源以及投影装置进行了优化，利用实验系统在浑浊度0FTU到52FTU情况下对偏振鬼成像方法进行了实验研究，研究结果表明水下偏振鬼成像能够有效消除后向散射的影响，成像性能优于传统的鬼成像方法。在计划研究内容之外，开展了新型水下鬼成像应用模式与方法的研究，针对于船舶或AUV等运动载体提出了推扫式计算鬼成像模式与方法，同时探索了利用水波纹进行水下大型目标探测的可行性。本课题提出的水下偏振鬼成像方法、推扫式计算鬼成像方法以及基于水波纹的鬼成像方法为鬼成像技术在水下的应用奠定了基础，也为水下光学探测技术提供一种新的技术途径。