湍流对水下激光成像影响的机制研究

成像质量是衡量水下成像探测系统探测能力的重要标志，一个可以较全面的描述水下成像像质的像质分析模型对于图像恢复、系统优化设计都有着重要的意义。随着探测距离的增加，在研究像质影响机制的时候就不得不考虑真实海洋环境中普遍存在的各种尺度、结构的湍流的影响，传统的像质评价模型不是缺少对湍流光传输特性模型，就是无法对湍流区域中结构性折射率随机分布引起的非均匀图像噪声进行研究。针对这种研究现状，本项目组首次提出了"将湍流光传输模型引入时间依赖的多层蒙特卡罗方法，综合考虑发射、接收系统和目标反射模型，构造仿真方法对距离选通成像结果进行图像直接仿真，并通过图像质量分析、对比研究湍流对像质的影响机制"的创新性研究方案，提高了像质分析模型对海洋环境的拟真度，拓展了像质分析理论的适用范围，对门控成像像质研究方法作出创新性的发展，有望在完善真实海洋环境下距离选通成像像质分析方法方面展开有益的研究。

在本项目中，我们提出并研究了利用引入湍流光传输模型的多层蒙特卡罗模型构造图像直接仿真方法，并通过图像质量分析研究湍流对像质影响机制的创新性研究方案。成像质量是衡量水下成像探测系统探测能力的重要标志，传统的水下成像结果仿真模型无法对湍流区域中结构性折射率随机分布对像质的影响进行研究，因此必须将湍流光传输模型和门控成像系统特性引入传统模型从而构造全新的图像仿真方法。研究结果表明：通过对湍流结构的流体力学仿真计算可以得到湍流内部折射率结构性非均匀分布情况，针对折射率非均匀分布区域所开发的光线追踪算法实现了对区域内传输光线的有效追踪，二者相结合得到的仿真模型可用于湍流区域光传输特性研究；所建立的引入湍流光传输模型的多层Monte Carlo模型能够对包括湍流在内的复杂水体环境中距离选通成像结果进行直接仿真；通过不同条件参数湍流对图像质量影响的仿真研究得出结论，湍流的存在会造成图像对比度和成像分辨率的劣化，对于图像空间频率高频成分影响较大；湍流结构参数所造成的区域内部折射率非均匀分布变化越大，对图像质量的影响越剧烈；实验室条件下的湍流成像实验结果及其分析验证了理论仿真结果。