一种透过浑浊水体成像的装置

技术领域

本发明涉及一种透过浑浊水体成像的装置，属于散射介质成像技术领域。

背景技术

在日常生活中，人们会遇到需要隔着海水、湖面、牛奶溶液、生物组织的胶质溶液等浑浊水体观测物体的场合。大多数时候，浑浊水体对光能量的吸收作用会损耗照明光束和成像光束的能量，使得超过一定距离的成像光束无法到达成像面，或到达成像面的光能量过于微弱而被噪声光淹没。而且由于这些浑浊水体在空间分布上的无序性，光在其中传播时光的传播方向发生变化，使得入射到浑浊水体中的光线在出射时因散射而失去原有入射光场的空间相对位置。这些散射光场对透过浑浊水体成像的影响主要体现在三个方面：

(1)损耗光束传播方向上的光能量，从而降低成像距离；(2)散射光场进入成像系统，产生大量噪声而影响成像的信噪比，降低成像质量；(3)光束通过浑浊水体分散了成像光束的能量，使得成像图像的轮廓线条虚化、模糊，从而影响成像的视觉效果。

采用常规的光学成像技术往往不能达到观测目的，透过浑浊水体成像技术应运而生，由于其具有无接触、适用范围广的特点，该技术已经被广泛应用于水中目标侦察/探测/识别、水下考古、海底资源勘探、生物研究、水下工程安装/检修、水下环境监测、救生打捞等领域，但由于浑浊水体结构的复杂性，到目前为止还没有理想的成像方法能对通过浑浊水体后的物体进行高质量成像。

目前透过浑浊水体获得高质量目标图像的方法主要有两类：(1)利用高精度设备来获得高质量目标图像，比如改进成像设备或根据不同应用场合选择相适应的成像仪器。考虑光透过浑浊水体后的散射特性，直接采用成像仪器得到的往往是观测目标散射而形成的模糊图像，虽然可以通过使用先进仪器获取较清晰的图像，但观测成本也随之提升，并不适用于一般透过浑浊水体成像的场合。(2)利用高精度目标检测算法来获得高质量目标图像，即发展目标检测算法，使用普通成像装置采集图像，然后再有针对性地对采集的图像进行处理，这也是目前透过浑浊水体获取目标图像的常用方法。以水下偏振成像技术为例，基于光偏振特性的偏振成像技术由于目标和环境的偏振特性不同，可以通过对光偏振特性的检测，从浑浊水体中获取观测目标的清晰图像，该技术已在生物组织成像、水下目标成像中得到了相关应用。但现有的方法大都是基于大量数据和计算机计算得到目标观测图像，成像所需时间较长。此外，由于光透过浑浊水体后的复杂散射特性，成像探测器通常仅能接收到有限的散射物体信息，从而导致重构出物体的分辨率和信噪比通常都相对较低。这些都限制了现有设备和成像方法广泛用于日常需要透过浑浊水体成像的场合。

发明内容

为了提供一种能够广泛用于日常需要透过浑浊水体成像的场合且不需要较高成本的硬件设备以及算力要求的成像方案，本发明提供了一种透过浑浊水体成像的装置，所述透过浑浊水体成像的装置包括：

小型激光器1、可调光阑2、成像设备3以及底座5，其中成像设备3配置有可调焦镜头4；所述小型激光器1、可调光阑2、成像设备3均固定在底座5上；所述可调光阑2设置在所述小型激光器1沿其激光光束方向的前方，所述成像设备3与所述小型激光器1平行放置。

可选的，所述成像设备3与所述小型激光器1之间的距离小于5cm。

可选的，所述可调光阑2的中心保持在所述小型激光器1的光轴上。

可选的，所述装置还包括第一支撑件6、第二支撑件7以及第三支撑件8；所述小型激光器1通过所述第一支撑件6固定在底座5上，所述可调光阑2通过所述第二支撑件7固定在底座5上，所述成像设备3通过所述第三支撑件8固定在底座5上。

可选的，所述装置还包括智能处理设备，所述智能处理设备利用所述成像设备3获取待成像物体在所述小型激光器1激光照射下且透过浑浊水体的若干模糊图像获得待成像物体的高质量目标图像。

可选的，所述智能处理设备利用所述成像设备3获取待成像物体在所述小型激光器1激光照射下且透过浑浊水体的若干模糊图像获得待成像物体的高质量目标图像，包括：

假设所述成像设备3获取到n幅待成像物体在所述小型激光器1激光照射下且透过浑浊水体的若干模糊图像，强度标记为i(x,y；n)，n＝1,2,3…；

将每幅模糊图像中的亮斑区域记为强度点扩散函数图像，标记为h0(x,y；n)，所述亮斑区域即所述小型激光器1发出的细激光束照射在待成像物体上的区域；

S1设定一个全零矩阵h

S2分别对模糊图像i(x,y；n)以及更新的强度点扩散函数h((x,y；n)进行傅里叶变换，得到待成像物体透过浑浊水体所成的真实像的频谱I(u,v；n)以及对应的光学传递函数H(u,v；n)；并根据所述光学传递函数构造维纳滤波器；

S3设定一个随机的物体猜测频谱O

S4根据记录到的第n幅模糊图像的光学传递函数H(u，v；n)计算猜测的模糊图像的频谱I

S5将真实的模糊图像的频谱I(u，v；n)表示为I(u，v；n)＝O(u，v)H(u，v；n)，其中O(u，v)表示真实物体的频谱分布；

S6计算猜测的模糊图像的频谱与真实的模糊图像的频谱之间的差值I

S7利用差值I

S8将更新后猜测的物体频谱O′

重复上述S4至S7的过程中，计算物体猜测频谱在更新前后的差异：

设定一个阈值Δ

可选的，所述S6中猜测的模糊图像的频谱与真实的模糊图像的频谱之间的差值I

I

其中，O(u，v)表示真实物体的频谱分布，O

可选的，所述S7利用差值I

其中

可选的，所述智能处理设备包括计算机、平板电脑以及微处理器。

本发明有益效果是：

(1)本发明公开的透过浑浊水体成像的装置记录透过浑浊水体的一组强度点扩散函数和物体模糊图像并进行重构，从而实现透过浑浊水体对目标物体成像，具有装置结构简单、成像方便等优点。

(2)本发明公开的透过浑浊水体成像的方法通过构造维纳滤波器和引入迭代算法，能够有效压制随机噪声，提高重构物体的空间分辨率和信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明透过浑浊水体成像的装置图。其中，1-小型激光器，2-可调光阑，3-成像设备，4-可调焦镜头，5-底座，6-第一支撑件，7-第二支撑件，8-第三支撑件。

图2为利用本发明设计的透过浑浊水体成像装置对浑浊水体中的目标物体进行高质量成像示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种透过浑浊水体成像的装置，参见图1，所述装置包括小型激光器1，经过第一支撑件6固定在底座5上；沿小型激光器1的激光光束方向放置可调光阑2，经过第二支撑件7固定在底座5上；紧靠小型激光器1放置成像设备3，成像设备(3)与所述小型激光器(1)之间的距离小于5cm，成像设备3与小型激光器1平行放置，经过第三支撑件8固定在底座5上；沿着成像设备3的探测方向上放置可调焦镜头4。

该装置的工作过程为：打开小型激光器1和成像设备3，小型激光器1发出的细激光束照射在物体表面的亮斑区域为强度点扩散函数，通过成像设备3透过浑浊水体记录一组强度点扩散函数和物体模糊图像；根据所采集的一组强度点扩散函数和物体模糊图像，通过下述步骤重构物体，得到高质量目标图像。该透过浑浊水体成像的装置还包括智能处理设备(智能处理设备在附图中未示出)，下述步骤由智能处理设备完成。

步骤1)打开所述的小型激光器1，激光器1发出的激光束透过浑浊水体照射在待观测物体的表面，成像设备3记录下n幅待观测物体的模糊图像，每幅模糊图像强度标记为i(x，y；n)(n＝1，2，3…)。

步骤2)在步骤1)得到的每幅待观测物体的模糊图像中，选取细激光束照射在待观测物体的亮斑区域作为强度点扩散函数图像，标记为h0(x，y；n)；

步骤3)设定一个全零矩阵h

步骤4)对模糊图像i(x，y；n)进行傅里叶变换，

步骤5)对更新的强度点扩散函数h(x，y；n)进行傅里叶变换，

步骤6)设定一个随机的物体猜测频谱O

步骤7)真实的模糊图像的频谱I(u，v；n)可表示为I(u，v；n)＝O(u，v)H(u，v；n)，其中O(u，v)表示真实物体的频谱分布；

步骤8)猜测的模糊图像的频谱与真实的模糊图像的频谱之间的差值可表示为：

I

步骤9)对猜测的物体频谱进行更新，得到：

其中

步骤10)将步骤9)中更新得到的猜测的物体频谱O′

步骤11)计算物体猜测频谱在更新前后的差异，

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。