水面波纹的光电偏振成像检测理论与方法研究

Underwater object detection is a key technique for marine economy development and costal defense technology development. The wind–induced gravity wave degrades the image of underwater static object in direct sensing model, and interrupts the Bernoulli Water Dome and Kelvin wake induced by underwater moving object. To devote the two problem, this project proposes to measure water surface wave through polarization imaging, which can be attributed to transparent surface measurement. And then, underwater static object image reconstruction is realized as well as interrupt filtering of water surface wave induced by underwater moving object. Emphasizes are put on theory model for polarization detection of water surface wave (resolution, modulation transfer function, contrast model, etc.), on transparent surface measurement technique in wide field, on wind-induced gravity wave exclusion, and on underwater static object image reconstruction algorithm. This project aims to devote theory and method of optical polarization detection for underwater object sensing, in order to promote underwater object detection technique.

水下目标探测技术是我国海洋经济发展和海疆国防技术发展急需的关键技术。本项目针对机载水下目标光电成像探测中风生重力波水纹对水下静态目标成像的扭曲以及对水下运动目标所产生的水面特征波纹的干扰问题，提出研究光电(可见光/热红外)偏振成像检测水面波纹，由此进行水下静态目标图像扭曲的校正和从水下运动目标所致水面特征波纹中滤除风生重力波，进而实现对水下目标成像探测的研究思想，把水下目标探测问题归纳为透明介质曲界面的光电偏振成像检测问题。为此，项目将重点研究水下运动目标的水面波纹光电偏振成像探测理论（分辨率、传递函数、对比度等模型）、透明介质曲界面的大视场光电偏振成像检测方法、水面波形图像中风生重力波滤除方法、水下静态目标成像的风生重力波校正方法研究，解决水下目标光电偏振成像检测的基础理论和方法问题，为水下目标成像检测应用提供新理论和方法。

对水下运动目标实现大范围、高分辨率的实时监测是维护我国海洋安全急需的关键技术。本项目利用偏振成像这一新型技术，通过对水下运动目标与水体相互作用产生的特征波纹的偏振特征进行研究，实现了水下运动目标的探测及运动参数估计。.本项目开展了“水面波纹的光电偏振成像检测理论与方法研究”，通过理论建模和计算机模拟，实现了不同速度及深度的潜艇水面波纹和不同风速下的风生重力波模拟。为适应全天候机载水下运动目标的探测需求，仿真分析了可见光、短波/中波/长波红外等多波段对水面波纹的偏振成像探测特性。在双分离渥拉斯顿棱镜可见光同时偏振成像系统SIP-DSWP的优化研制基础上，建立了大视场偏振成像理论。为提高偏振信息重构准确性，提出了考虑探测器  特性的分区仪器矩阵标定方法，以及平均、分区以及逐点的仪器矩阵校正方法。利用提出的基于方向矢量的透明介质三维面形偏振成像测量方法，配合基于偏振角的入射角歧义性消除方法，实现水面波纹的复原重构。为滤除海面风生重力波的干扰，提出基于Radon变换的水面特征波纹探测方法，可从水面混合波纹中有效提取水下运动目标在水面形成的特征波纹。利用提出的基于水面尾迹波纹特征的水下运动体参数反演方法，可利用水面特征波纹反演水下运动目标的深度和速度。针对风生重力波产生的扭曲，研究提出结合非刚体图像配准以及幸运块图像融合的水下扭曲图像校正处理算法，实现几何校正。.偏振成像技术是一种新型光学计算成像技术，我们提出的大视场偏振成像理论与面型复原方法，突破了传统近轴光学偏振成像理论限制，填补了大视场偏振成像理论的空白。研究成果表明：光电偏振成像是一种有效的透明曲界面非接触成像检测技术，以偏振成像手段获取水面波纹的偏振特性(偏振度、偏振角等)，从而实现典型水下运动目标(潜艇、水雷等)的检测，是水下运动目标探测的新技术，有望实现大范围、高分辨率实时化的海洋监测，对保障我国海洋安全具有重要的意义。