一种基于图像复原的湍流水体目标探测系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种基于图像复原的湍流水体目标探测系统，特别涉及一种在湍流水体中利用气泡检测湍流场并进行图像复原的一种湍流水体目标探测系统，属水下目标成像技术领域。
【背景技术】
[0002]在海洋、江河以及湖泊的水下目标探测过程中，湍流水体会对成像探测目标产生严重的退化影响。湍流是一种高频随机的运动，海洋湖泊水体的运动大多呈现湍流这种复杂的流动形式。在真实海洋环境中，湍流成为影响水下目标检测与侦别成像真实性(距离和像质)的重要因素。目前已有很多针对大气湍流的研宄，比如根据现有的各种湍流模型结合实地环境参数的数值计算，比较实测数据与仿真结果，进而得到适用于当地环境的湍流模型。而对水下湍流的研宄主要集中在理论研宄上，应用已有的湍流模型结合实际的边界条件进行仿真。随着实验方法和计算机技术的发展，通过实验研宄湍流获得很大进展。
[0003]粒子成像技术由于其非介入的优点，广泛应用于流体流动(不仅限于湍流)测量中。现有的水体图像恢复方法，最具实用性的是盲去卷积滤波，该方法通过假设退化模型进行去卷积和规整化迭代运算进行图像的恢复，但该方法缺乏一定的针对性。基于此，创新的方法是通过对水体中的湍流进行测量，从而有针对性的进行图像复原，可大大提升水下目标探测的效率。
[0004]现有测湍流场的粒子成像法，一般是在液态流体的测量中加入示踪粒子，如发明专利《一种水流中流迹线的动态显示系统及其显示方法》(申请号:201210079105.1)所述示踪粒子，该粒子是特制的玻璃体或者荧光体，玻璃体粒子的粒径大小不均匀，价格相对便宜；荧光粒子的粒径一致性好，但价格昂贵，由于这些加入水体中的粒子不可循环利用，亦即加入水体中后不能再分离及回收利用，存在浪费现象，另一方面加入的粒子对流体产生了一定的污染。
[0005]现有的水下目标探测器材，大多采用提高传感器性能的方法来改进探测效果；现有的水体图像恢复方法，大多是基于光线传播的点扩散模型，其中对于湍流水体则一般采用现有的理论模型，同样的缺乏针对性。
[0006]一种采用气泡作为示踪粒子，探测气泡在水体中的流动，从而反映水体的流动，由此检测湍流场并进行在湍流影响下的水下目标图像的复原装置，未见于已公开专利或文献中。
【发明内容】
[0007]本实用新型的目的是针对【背景技术】所提出问题，设计一种基于图像复原的湍流水体目标探测系统，是同时探测和记录湍流水体中目标图像和气泡图像，根据气泡图像测出湍流场速度，建立退化模型，采用半盲解卷积算法，进行目标图像复原，获取清晰的目标图像装置，解决了湍流水体探测目标图像的降质问题，提高了图像复原质量。满足小型化、低成本、高性能、节能环保等要求。
[0008]为了达到上述目的，本实用新型采用以下方案:
[0009]一种基于图像复原的湍流水体目标探测系统，其特征在于:包括:LED发射模块、气泡发生模块、信号接收模块、互相关处理模块和图像复原模块；其中:
[0010]LED发射模块是产生LED光信号探测气泡及水下目标模块；包括:LED阵列灯、微透镜阵列和反射镜，所述LED阵列灯发射出的LED光信号分为两路，再分别通过所述微透镜阵列的反射镜，实现对水下目标在湍流水体中的成像点照明；
[0011]气泡发生模块是在湍流水体中产生气泡模块；包括:气泡发生器，所述气泡发生器内包括钼丝电解水装置；所产生的气泡直径设定为亚毫米量级；
[0012]信号接收模块是接收水下探测目标及气泡图像成像点模块；包括:第一光学接收模块、第二光学接收模块；所述第一光学接收模块用于以固定的曝光时间及帧频记录两幅气泡图像，所述第二光学接收模块是利用图像传感器接收水下目标经湍流水体后的成像信号模块；
[0013]互相关处理模块是处理气泡图像并计算湍流场速度模块；包括:将接收到的两个气泡图像进行相似比对、根据双帧单曝光的成像方式对先后采集的两幅图像进行互相关运算单元，以及:选取合适的问询区域及窗口移动大小，计算每个问询区的两速度分量并得到整个粒子图像速度处理单元；
[0014]图像复原模块是将采集的目标图像信号送入处理器进行图像复原处理模块；
[0015]所述用于信号接收模块的第一光学接收模块和互相关处理模块演算出湍流场的速度参数，作为第二光学接收模块和图像复原模块的湍流退化模型的先验知识。
[0016]如上所述一种基于图像复原的湍流水体目标探测系统，其特征在于:所述气泡直径设定值为0.0lmm?0.2_。其有益效果是:该大小尺寸的气泡，进入湍流水体后，其流动速度才能和水体的流速保持一致，因此气泡图像的速度才能等效为湍流水体的流体速度。
[0017]本实用新型基于图像复原的湍流水体目标探测系统的工作原理是:
[0018]通过LED阵列产生的光信号经微透镜组分为两路光信号，其中一路光信号通过反光镜照射到水下探测目标，另一路光信号照射由气泡发生器产生的部分气泡，第一光学接收模块中CCD以连续两次曝光捕获两幅气泡图像，采用双帧单曝光记录方式，两幅图像信号送入互相关处理模块，采用互相关算法，其原理是连续两次曝光分别产生两幅气泡图像，在第一幅气泡图像中，设定一个包含单个(或多个)气泡的区域。在第二幅图像中，选择含前幅图中相同气泡成像的对应区域，计算两幅图中该区域的相似性，即两者的相关系数，大的相关系数值反映的就是同一个气泡在两幅图像上的像对，峰值对应平面上的坐标就是气泡像对的位移，由湍流场运动方向与气泡运动方向的二维关系，可得出湍流场速度。目标图像由第二光学接收模块的图像传感器捕获，送入计算机进行图像复原处理，根据湍流场速度可得出图像传感器与目标间存在一维运动X (t)，x(t)的概率密度函数就反映在图像平面的强度分布。利用第一光学接收模块和互关处理模块演算出湍流场的速度参数，作为第二光学接收模块和图像复原模块的湍流退化模型的先验知识。由于运动概率密度函数与图像扩散函数相等，能从概率密度函数中估计出运动调制传递函数，再将半盲解卷积算法应用于目标图像复原，主要思想是用正则化公式和边缘检测作为约束解决图像复原的数学病态性问题，保留在图像复原过程中图像的轮廓细节，得到清晰目标图像。
[0019]本实用新型的有益效果是:
[0020](I)用LED阵列做光源，利用微透镜阵列技术改善LED的光学性能、提高取光效率。
[0021]⑵利用采集的气泡图像计算湍流场速度，采用半盲解卷积算法，提高图像复原质量。
[0022]⑶因此本专利采用气泡作为示踪粒子探测水体的流动，不污染环境也不影响成像。
[0023]⑷本系统满足小型化、低成本、高性能、节能环保等要求，性价比高，对各种水体的水下目标成像探测应用有着十分重要的意义。
【附图说明】
[0024]图1是本实用新型实施例结构框图。
[0025]图中的标记说明:I一LED发射模块，2—探测目标，3—信号接收模块。
【具体实施方