本發(fā)明屬于水下光學(xué)成像技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及一種激光差分成像探測(cè)方法及其裝置。

背景技術(shù)：

水下氣泡高精度、快速、定量探測(cè)在艦船尾流探測(cè)、海底冷泉探測(cè)方面具有重要意義。以冷泉探測(cè)為例，冷泉是海底水、碳?xì)浠衔锖土蚧瘹涞鹊乃畾饣旌衔?，?duì)全球的碳循環(huán)和氣候變暖有重要影響，且儲(chǔ)存在水合物中的天然氣是未來能源，所以冷泉探測(cè)對(duì)于研究冷泉?dú)怏w對(duì)全球變暖的影響和指導(dǎo)海洋水氣資源勘探開發(fā)具有重要研究意義。

水下氣泡具有不同的聲、光等物理效應(yīng)，利用這些效應(yīng)可對(duì)氣泡進(jìn)行探測(cè)。非成像光尾流氣泡探測(cè)是氣泡探測(cè)的方法之一，其根據(jù)氣泡在某個(gè)角度反射光強(qiáng)與氣泡密度的關(guān)系，反推出氣泡的空間分布情況，但氣泡后向散射強(qiáng)度與氣泡直徑和密度分布關(guān)系復(fù)雜，這成為光尾流探測(cè)的難題，目前只能通過后向反射光的強(qiáng)弱定性判斷氣泡空間分布，不能準(zhǔn)確探測(cè)氣泡的空間分布狀況和產(chǎn)生量。水下光學(xué)成像氣泡探測(cè)利用高速攝影技術(shù)和圖像處理技術(shù)對(duì)氣泡運(yùn)動(dòng)及分布規(guī)律研究，但水下光學(xué)成像分辨率嚴(yán)重受海水后向散射的影響，成像分辨率低、作用距離近，而且通過數(shù)字圖像處理技術(shù)分析氣泡難度較大，不滿足高精度、定量探測(cè)的需求。多波束掃描聲吶觀測(cè)法作為氣泡聲學(xué)探測(cè)方法，能有效觀測(cè)一定海域氣泡的三維動(dòng)態(tài)分布，但分辨率低，雖然可以判斷氣泡的有無，但難以對(duì)氣泡產(chǎn)生量和空間分布情況進(jìn)行高精度探測(cè)。

綜上所述，目前缺乏氣泡高精度量化探測(cè)的有效方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上問題，本發(fā)明的目的在于提出一種激光差分成像探測(cè)方法及其裝置，用于解決以上技術(shù)問題中的至少之一。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提出了一種激光差分成像探測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟1、采用一幀一脈一門的曝光方式，距離選通成像得到待探測(cè)區(qū)n個(gè)切片的n幀后向反射圖像，其中n為不小于1的自然數(shù)；

步驟2、根據(jù)預(yù)先設(shè)定的灰度閾值將n幀后向反射圖像分成m個(gè)信息幀和n-m個(gè)背景幀，其中m為不小于1的自然數(shù)；

步驟3、對(duì)m個(gè)信息幀和背景幀求差分得到m個(gè)信息幀的m個(gè)增強(qiáng)信息幀，采用訓(xùn)練好的分類器將m個(gè)增強(qiáng)信息幀分為k個(gè)氣泡信息幀和m-k個(gè)偽信息幀，其中k為不小于1的自然數(shù)；

步驟4、分別計(jì)算k個(gè)氣泡信息幀的灰度均值及調(diào)制延時(shí)，擬合得到氣泡隨延時(shí)的空間分布曲線；

步驟5、根據(jù)空間分布曲線得到氣泡區(qū)范圍和氣泡產(chǎn)生量。

進(jìn)一步地，上述氣泡隨延時(shí)的空間分布曲線的橫坐標(biāo)為調(diào)制延時(shí)，縱坐標(biāo)為灰度均值。

進(jìn)一步地，上述氣泡區(qū)范圍由氣泡隨延時(shí)的空間分布曲線的延時(shí)起始值τ_s和終止值τ_e得到，其表達(dá)式為：

其中，S為氣泡區(qū)范圍，c為光速，n為介質(zhì)折射率，延時(shí)起始值τ_s為空間分布曲線上升的起始值，延時(shí)終止值τ_e為所述空間分布曲線下降的終止值。

進(jìn)一步地，上述氣泡產(chǎn)生量由氣泡隨延時(shí)的空間分布曲線對(duì)空間積分得到：

其中，F(xiàn)為氣泡產(chǎn)生量，ω為比例參數(shù)，z為空間坐標(biāo)。

進(jìn)一步地，上述k個(gè)氣泡的調(diào)制延時(shí)的表達(dá)式為：

τ_k＝τ₀+t_g(k-1)；

其中，τ₀為預(yù)先設(shè)定的選通延時(shí)，t_g為選通門寬。

進(jìn)一步地，上述k個(gè)氣泡信息幀的灰度均值的計(jì)算式為：

其中，M、N為每個(gè)信息幀的橫向和縱向像素點(diǎn)數(shù)，a_ij為橫向第i個(gè)，縱向第j個(gè)像素點(diǎn)的灰度值。

進(jìn)一步地，上述步驟2中，當(dāng)?shù)趎幀后向反射圖像的灰度均值小于預(yù)先設(shè)定的灰度閾值時(shí)，將第n幀后向反射圖像歸為背景幀；當(dāng)?shù)趎幀后向反射圖像的灰度均值大于預(yù)先設(shè)定的灰度閾值時(shí)，將第n幀后向反射圖像歸為信息幀。

進(jìn)一步地，上述訓(xùn)練好的分類器由采用監(jiān)督學(xué)習(xí)利用HOG特征對(duì)SVM分類器進(jìn)行訓(xùn)練得到。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明還提出了一種激光差分成像探測(cè)裝置，包括

成像單元，用于發(fā)出激光束照射待探測(cè)區(qū)域，并接收待探測(cè)區(qū)域的反射激光信號(hào)而生成反射圖像；

圖像處理單元，用于對(duì)成像單元生成的反射圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；

控制單元，控制成像單元和圖像處理單元執(zhí)行上述的激光差分成像探測(cè)方法，由此得到待探測(cè)區(qū)域的氣泡區(qū)范圍和氣泡產(chǎn)生量。

進(jìn)一步地，上述成像單元搭載于水下航行器，成像單元包括一脈沖激光器、一選通像增強(qiáng)器和一時(shí)序控制器，選通像增強(qiáng)器的選通門寬與所述脈沖激光器的激光脈寬滿足條件t_g≥10t_l，n個(gè)切片中單個(gè)切片的厚度滿足以下條件：

其中，t_g為選通門寬，t_l為激光脈寬；

水下航行器的移動(dòng)速度、選通成像幀頻與n個(gè)切片中單個(gè)切片的厚度滿足以下條件：

其中，v_航為所述水下航行器的移動(dòng)速度，f_FPS為選通成像幀頻。

基于上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提出的探測(cè)方法及其裝置具有以下有益效果：

1、本發(fā)明由于使用氣泡信息幀的平均灰度和調(diào)制延時(shí)擬合曲線，可得到氣泡隨延時(shí)的空間分布狀況，由曲線調(diào)制延時(shí)的起始值和終止值可計(jì)算氣泡區(qū)域的范圍，由曲線對(duì)空間的積分可估計(jì)氣泡產(chǎn)生量，所以，本發(fā)明利用離散的空間采樣選通切片準(zhǔn)確估計(jì)了氣泡的空間連續(xù)分布規(guī)律，進(jìn)而可對(duì)氣泡的范圍和產(chǎn)生量精確計(jì)算，該方法為氣泡探測(cè)提供了新思路，有利于實(shí)現(xiàn)氣泡的精確測(cè)量，具有適應(yīng)性強(qiáng)、準(zhǔn)確度高、可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

2、本發(fā)明由于采用距離選通成像方法，對(duì)氣泡區(qū)域空間采樣選通切片成像，可抑制水體后向散射，具有成像分辨率高、探測(cè)距離遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)；而采用背景幀差分的方法，可進(jìn)一步減少水體的后向散射噪聲，將氣泡弱信號(hào)有效放大，進(jìn)而使信息幀增強(qiáng)獲得增強(qiáng)信息幀，所以，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣泡微目標(biāo)的精確探測(cè)。

3、本發(fā)明由于選通門寬和激光脈寬均非常窄，選通像增強(qiáng)器曝光時(shí)間極短，因此可有效消除因水下航行器運(yùn)動(dòng)或氣泡快速上浮等產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)模糊，提高圖像的分辨率和對(duì)比度，而且將氣泡微小點(diǎn)目標(biāo)探測(cè)轉(zhuǎn)化為圖像灰度均值的面探測(cè)技術(shù)，增強(qiáng)了信號(hào)的穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1(a)是本發(fā)明一實(shí)施例中所使用距離選通成像技術(shù)中非選通區(qū)間內(nèi)后向散射噪聲返回成像器件，選通門關(guān)閉的情形；

圖1(b)是本發(fā)明一實(shí)施例中氣泡后向反射信號(hào)光返回成像器件，選通門打開的情形；

圖2(a)是本發(fā)明一實(shí)施例中距離選通氣泡探測(cè)方法探測(cè)背景幀選通切片的示意圖；

圖2(b)是本發(fā)明一實(shí)施例中距離選通氣泡探測(cè)方法探測(cè)氣泡信息幀選通切片的示意圖；

圖3是本發(fā)明一實(shí)施例中水下不同區(qū)域目標(biāo)選通圖像灰度和信息類型關(guān)系圖；

圖4是本發(fā)明一實(shí)施例中基于水下航行器氣泡幀差分激光成像方法探測(cè)水下氣泡區(qū)范圍和氣泡產(chǎn)生量的流程圖；

圖5是本發(fā)明一實(shí)施例中通過幀差分獲取增強(qiáng)信息幀的原理圖；

圖6是本發(fā)明一實(shí)施例中根據(jù)氣泡信息幀平均灰度與調(diào)制延時(shí)擬合得到的氣泡隨延時(shí)的空間分布曲線示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

本發(fā)明公開了一種激光差分成像探測(cè)方法，該方法包括以下步驟：

步驟1、采用一幀一脈一門的曝光方式，距離選通成像得到待探測(cè)區(qū)n個(gè)切片的n幀后向反射圖像，其中n為不小于1的自然數(shù)；

步驟2、根據(jù)預(yù)先設(shè)定的灰度閾值將n幀后向反射圖像分成m個(gè)信息幀和n-m個(gè)背景幀，其中m為不小于1的自然數(shù)；

步驟3、對(duì)m個(gè)信息幀和背景幀求差分得到m個(gè)信息幀的m個(gè)增強(qiáng)信息幀，采用訓(xùn)練好的分類器將m個(gè)增強(qiáng)信息幀分為k個(gè)氣泡信息幀和m-k個(gè)偽信息幀，其中k為不小于1的自然數(shù)；

步驟4、分別計(jì)算k個(gè)氣泡信息幀的灰度均值及調(diào)制延時(shí)，擬合得到氣泡隨延時(shí)的空間分布曲線；

步驟5、根據(jù)空間分布曲線得到氣泡區(qū)范圍和氣泡產(chǎn)生量。

本發(fā)明公開的激光差分成像探測(cè)方法，適用于艦船尾流、冷泉?dú)馀莸鹊姆秶彤a(chǎn)生量探測(cè)。圖1(a)和圖1(b)為距離選通成像方法采用的搭載于水下航行器的探測(cè)系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)主要由脈沖激光器、選通像增強(qiáng)器(ICCD)和時(shí)序控制器組成，其利用氣泡反射光(見圖1(b))和海水后向散射噪聲(見圖1(a))到達(dá)ICCD時(shí)間不同，通過選通門的開關(guān)，使氣泡在選通區(qū)間內(nèi)成像，抑制非選通區(qū)后向散射噪聲，從而對(duì)氣泡區(qū)切片成像，其中激光脈沖與選通脈沖間的延時(shí)稱為選通延時(shí)。由于不同選通空間內(nèi)氣泡的密度不同，所以后向反射強(qiáng)度不同，在圖像上表現(xiàn)為圖像的灰度不同，通過一系列氣泡區(qū)域切片圖像與背景幀做差分可使信息幀增強(qiáng)，間接獲得氣泡空間分布信息。

搭載于水下航行器的探測(cè)系統(tǒng)沿z軸方向探測(cè)，圖2(a)為系統(tǒng)對(duì)水體選通成像獲得背景幀的示意圖，圖2(b)為系統(tǒng)依次對(duì)氣泡區(qū)域選通切片成像獲得信息幀的示意圖。圖3顯示了水下不同區(qū)域目標(biāo)選通圖像灰度與信息類型的關(guān)系，一般信息區(qū)的平均灰度遠(yuǎn)大于水體后向散射背景區(qū)的平均灰度，它們之間的閾值I_th滿足，I_th≥1.1I_bm，其中I_bm為背景區(qū)選通切片圖像的平均灰度。故當(dāng)空間采樣選通切片的平均灰度大于I_th時(shí)為信息幀，反之為背景幀，其中信息幀又分為包括水草和魚群等的偽信息幀和氣泡信息幀。

圖4為探測(cè)水下氣泡區(qū)范圍和氣泡產(chǎn)生量的流程圖，水下航行器按照規(guī)劃好的軌跡，探測(cè)系統(tǒng)采用一幀一脈一門的選通方式對(duì)探測(cè)區(qū)域切片推掃，且選通門寬遠(yuǎn)大于激光脈寬(t_g≥10t_l)，該方式可有效消除航行器及氣泡的運(yùn)動(dòng)模糊，提高成像幀頻，此時(shí)選通切片厚度D近似為：

其中t_g為選通門寬，t_l為激光脈寬，c為光速，n為介質(zhì)折射率。為保證空間采樣選通切片能夠緊密覆蓋整個(gè)探測(cè)水域，使氣泡探測(cè)更加精確，選通切片厚度D應(yīng)滿足：

其中v_航為水下航行器移動(dòng)的速度、f_FPS為選通成像幀頻。配置好系統(tǒng)參數(shù)后，系統(tǒng)對(duì)延時(shí)τ₀處切片厚度為D的水體的空間采樣選通切片成像。

圖5是通過幀差分獲取增強(qiáng)信息幀的原理圖，當(dāng)通過閾值I_th確定了信息幀和背景幀后，利用信息幀減去背景幀進(jìn)一步降低水體的后向散射，提高圖像對(duì)比度，獲取增強(qiáng)信息幀I_diffi。通過SVM分類器對(duì)增強(qiáng)信息幀分類，首先提取差分增強(qiáng)信息幀的HOG特征，使用監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法對(duì)SVM分類器進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練好的分類器可將增強(qiáng)信息幀分為氣泡信息幀和偽信息幀?？梢钥吹诫S著選通區(qū)間內(nèi)氣泡密度的變化，氣泡信息幀的灰度按照同樣規(guī)律增大或減小。由于在小探測(cè)區(qū)域內(nèi)海水背景幀灰度變化很小，因此進(jìn)行差分的背景幀為任一背景幀即可；若探測(cè)區(qū)域較大，則適時(shí)的修正背景幀即可。

氣泡信息幀平均灰度與調(diào)制延時(shí)采用多項(xiàng)式擬合曲線示意圖。氣泡信息幀的平均灰度I_mk滿足：

其中M，N為每個(gè)信息幀的橫向和縱向像素點(diǎn)數(shù)，a_ij為橫向第i個(gè)且縱向第j個(gè)像素點(diǎn)的灰度值。為了保證信息幀后向散射強(qiáng)度只與氣泡密度有關(guān)，與選通成像距離無關(guān)，故系統(tǒng)采用固定延時(shí)τ₀對(duì)空間采樣選通切片成像，為了進(jìn)行曲線擬合完成對(duì)氣泡的探測(cè)，需要對(duì)氣泡信息幀的延時(shí)進(jìn)行調(diào)制，第i幀的調(diào)制延時(shí)τ_i滿足：

τ_i＝τ₀+t_g(i-1)i＝1，2，3…；(4)

其中τ₀為選通延時(shí)，t_g為選通門寬，以τ_i和I_m分別為X和Y軸擬合曲線得到氣泡隨延時(shí)的空間分布曲線。

空間分布曲線中灰度上升的起始點(diǎn)I_ms為氣泡區(qū)的起始位置，曲線灰度下降的終止點(diǎn)I_me為氣泡區(qū)的結(jié)束位置，則氣泡區(qū)范圍S滿足：

其中c為光速，n為介質(zhì)折射率。

設(shè)氣泡的空間密度分布為ρ(x，y，z)，系統(tǒng)沿著z軸方向探測(cè)，氣泡信息幀灰度均值和調(diào)制延時(shí)擬合曲線為f(τ)，則f(τ)正比于xy平面的氣泡密度，又有代入f(τ)則：

為xy平面氣泡的平均后向反射強(qiáng)度，則氣泡產(chǎn)生量F為：

其中ω為比例參數(shù)。

本發(fā)明還公開了一種激光差分成像探測(cè)裝置，包括

成像單元，用于發(fā)出激光束照射待探測(cè)區(qū)域，并接收待探測(cè)區(qū)域的反射激光信號(hào)而生成反射圖像；

圖像處理單元，用于對(duì)成像單元生成的反射圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；

控制單元，控制成像單元和圖像處理單元執(zhí)行上述的激光差分成像探測(cè)方法，由此得到待探測(cè)區(qū)域的氣泡區(qū)范圍和氣泡產(chǎn)生量。

以下通過具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的的激光差分成像探測(cè)方法及其裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例

以水下無人自主航行器AUV為例，本實(shí)施例提出了一種激光差分成像探測(cè)方法，該方法具體步驟如下：

步驟1、采用距離選通成像方法，配置合理的選通參數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)，AUV按規(guī)劃的軌跡對(duì)待探測(cè)區(qū)域空間采樣選通切片成像，得到待探測(cè)區(qū)n個(gè)切片的n幀后向反射圖像；

步驟2、根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的灰度閾值將n幀后向反射圖像分成m個(gè)信息幀和n-m個(gè)背景幀；

步驟3、對(duì)m個(gè)信息幀和背景幀求差分得到m個(gè)信息幀的m個(gè)增強(qiáng)信息幀，采用訓(xùn)練好的SVM分類器將m個(gè)增強(qiáng)信息幀分為k個(gè)氣泡信息幀和m-k個(gè)偽信息幀；

步驟4、根據(jù)公式(3)計(jì)算k個(gè)氣泡信息幀的灰度均值，根據(jù)公式(4)計(jì)算k個(gè)氣泡信息幀的調(diào)制延時(shí)，擬合得到氣泡隨延時(shí)的空間分布曲線；

步驟5、由所述的空間分布曲線，根據(jù)公式(5)得到氣泡區(qū)范圍，根據(jù)公式(7)得到氣泡產(chǎn)生量。

為了進(jìn)一步說明本實(shí)施例的方法，下面給出一示例。設(shè)選通門寬t_g＝2ns，t_l＝200ps，滿足t_g＞＞t_l的要求，折射率n取1.33，由公式(1)計(jì)算可得選通切片厚度D＝22.56cm，系統(tǒng)的成像幀頻f_FPS＝10，則由公式(2)計(jì)算可得AUV的探測(cè)速度v_航＝2.256m/s(約為4.4節(jié))。設(shè)選通延時(shí)τ₀＝100ns，則由距離選通原理得出系統(tǒng)對(duì)11.28m處0.2256m的海水空間進(jìn)行選通切片成像，當(dāng)某切片的平均灰度大于I_th時(shí)為信息幀，反之為背景幀。信息幀和背景幀求差分獲取增強(qiáng)信息幀，將增強(qiáng)信息幀輸入SVM分類器獲取氣泡信息幀，利用公式(3)計(jì)算氣泡信息幀的平均灰度I_m，并根據(jù)延時(shí)τ₀通過公式(4)進(jìn)行調(diào)制得到每幀圖像的延時(shí)τ_i，由I_mk和τ_i擬合氣泡隨延時(shí)的空間分布曲線f(τ)，如圖6所示，確定曲線的起始值τ_s和終止值τ_e，由公式(5)、公式(7)分別計(jì)算氣泡的分布范圍和產(chǎn)生量。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。