一种基于抑制前向散射光的水下成像方法

本发明属于水下偏振成像，具体涉及水下偏振图像复原。

背景技术：

1、目前，随着海洋资源的日益枯竭和环境污染问题的加剧，水下资源开发的迫切需求对高性能水下探测技术提出了要求。水下成像技术具有能够直观有效地反映水下环境的优势，奠定了其在海底地貌成像、水底资源勘探、生物群种监测、水下目标探测、考古发掘等领域的关键地位。

2、然而，水下光的强烈散射导致水下成像图像质量下降，如对比度低、图像整体亮度暗、图像模糊、分辨率低等，这给检测过程带来了困难。水体对光波的散射作用是导致图像对比度和分辨率下降以及图像模糊等问题的主要原因。散射主要包括前向散射和后向散射两个过程，发生前向散射后的光线会偏离原来的传输路径，造成图像分辨率降低和图像模糊；后向散射光由于携带了悬浮微粒信息会导致图像对比度降低。现阶段已有较为成熟的后向散射作用抑制方法和技术，以减小后向散射作用对水下成像质量的影响；然而，对前向散射的研究还相对较少，并且现有的研究普遍是只针对于前向散射成像退化模型进行定量分析，而水下环境较为复杂，因此有必要详细研究水体环境的psf模型，进而提高模型精度和准确性，从而实现水下目标清晰成像。

3、1908年，米（g. mie）和德拜（p. debye）提出：当粒子颗粒半径比波长小得多时，颗粒散射效应和角分布与瑞利散射规律相同；当粒子颗粒半径与波长大小相近或大于波长时，散射强度不服从波长的四次方反比规律，且与波长大小相关性不大，与米氏散射规律相同。2012年中国工程物理研究院利用辐射传输理论建立了激光水下成像前向散射理论模型，仿真分析了水下成像前向散射光功率和影响系数随水深及衰减系数的变化规律，但其研究仅处于理论探索阶段，并未结合实验进一步验证其理论模型的准确性和可靠性；2018年西安电子科技大学研究了一种基于光学相关法的水下偏振去雾成像方法，采用刃边法估计散射退化函数，从而将散射介质中图像复原，但此研究仅针对于偏振图像，结论缺乏普适性。2022年中国科学院西安光学精密机械研究所针对水下成像过程的质量退化问题，研究构建了水下前向散射与水下成像分辨率间的数学模型并开展相应实验进行验证，但并未考虑如何抑制水下前向散射对水下成像效果的影响。

4、水下成像系统成像时，由于近场粒子的散射光占据光学系统入射光较大比例，会对被测目标物的成像效果造成一定的影响，且在近场环境下易发生前向散射，从而造成水下图像分辨率降低和图像模糊。目前，大部分研究人员所使用的水体点扩散函数，其形式都是比较单一的，所表示的成像过程并不准确，其中，以jaffe和wells提出的水下点扩散函数模型最为经典，虽然在一定程度上能够有效的描述水下光传输的特性，但该模型是建立在一系列简化的假设之上，这些简化假设不一定能覆盖复杂的水下环境，导致模型的适用性受到限制；而且由于水下环境极为复杂，jaffe和wells模型在实际应用中缺乏大量的试验验证和数据支持，所以我们迫切需要一个精确的水体前向散射psf模型，用于提高水下偏振成像图像分辨率，为江河、近海区域的水下搜救工作提供支撑。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于抑制前向散射光的水下成像方法，所述方法包括如下步骤：

2、s1、定义水体全局坐标系与水体局部坐标系；

3、s2、构建水体粒子的前向散射穆勒传输矩阵；

4、s3、将前向散射穆勒矩阵转化成等价琼斯矩阵得到前向散射波前相位；

5、s4、根据获得的前向散射波前相位进行傅里叶逆变换，构建水体前向散射点扩散函数模型；

6、s5、根据水体前向散射点扩散函数模型来抑制水下前向散射，利用图像复原算法对退化图像进行复原。

7、本发明所述方法的有益效果为：

8、（1）通过构建水体粒子的前向散射穆勒传输矩阵，可以更准确地模拟水体中光线传播和相互作用过程，提高光传输模拟的准确性；

9、（2）本发明中构建新的水体前向散射点扩散函数模型可以开发出更有效的水下图像复原方法，实现水下去前向散射光清晰成像，提升图像分辨率，提高水下成像系统的稳定性和鲁棒性。

10、本发明所述方法可以应用在水下目标偏振成像探测技术领域。

技术特征：

1.一种基于抑制前向散射光的水下成像方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于抑制前向散射光的水下成像方法，其特征在于，所述定义水体全局坐标系与水体局部坐标系，具体为：

3.根据权利要求2所述的基于抑制前向散射光的水下成像方法，其特征在于，所述构建水体粒子的前向散射穆勒传输矩阵，具体为：

4.根据权利要求3所述的基于抑制前向散射光的水下成像方法，其特征在于，每个水体粒子的米氏散射相干传输矩阵的全局坐标表示具体为：

5.根据权利要求4所述的基于抑制前向散射光的水下成像方法，其特征在于，=；

6.根据权利要求5所述的基于抑制前向散射光的水下成像方法，其特征在于，所述将前向散射穆勒矩阵转化成等价琼斯矩阵得到前向散射波前相位，具体为：

7.根据权利要求6所述的基于抑制前向散射光的水下成像方法，其特征在于，所述根据获得的前向散射波前相位进行傅里叶变换，构建水体前向散射点扩散函数模型，通过：；

8.根据权利要求7所述的基于抑制前向散射光的水下成像方法，其特征在于，所述根据水体前向散射点扩散函数模型来抑制水下前向散射，利用图像复原算法对退化图像进行复原，通过：

技术总结
一种基于抑制前向散射光的水下成像方法。属于水下偏振成像技术领域，具体涉及水下偏振图像复原技术领域。所述方法包括如下步骤：S1、定义水体全局坐标系与水体局部坐标系；S2、构建水体粒子的前向散射穆勒传输矩阵；S3、将前向散射穆勒矩阵转化成等价琼斯矩阵得到前向散射波前相位；S4、根据获得的前向散射波前相位进行傅里叶逆变换，构建水体前向散射点扩散函数模型；S5、根据水体前向散射点扩散函数模型来抑制水下前向散射，利用图像复原算法对退化图像进行复原。本发明所述方法可以应用在水下目标偏振成像探测技术领域。

技术研发人员：付强,董超,王凯凯,宗方兴,刘壮,顾宪松,段锦,李英超
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/14