水下三维光学成像探测技术国内外研究现状及展望

水下距离选通成像为了实现较远距离成像，通常选用532纳米蓝绿光的脉冲激光器，这种波长的选择原因在于，532纳米波长的光在水下表现出较高的峰值能量和较小的光衰减系数。表1详细列举了国内外水下距离选通系统使用的设备类型及实验探测距离。其中AL表示水下衰减长度，即水下激光能量减弱到发射能量的1/e时传播的距离。

常见的单光子探测器主要有：光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）和超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。PMT在探测紫外、可见光中蓝色光，具有极高的灵敏度和极低的噪声；APD检测器具有超低噪声、高速、高互阻抗增益，以及高灵敏度等特点，因此它们主要用于可见光红绿荧光和近红外荧光的检测，SNSPD采用低温超导材料制备，系统可靠性强，可实现7×24小时不间断运行。

单光子成像探测使用的方法多为基于时间的激光探测方法，探测的目标与信号接收器之间的距离为：D＝c×tfly/2，式中：c为光速；tfly为激光从发射器发射到返回探测器所用时间。

单光子探测技术主要使用的是单光子计数成像，通过对回波信号的光子进行累加计数，实现对每个回波光子的数据统计。在探测中往往使用振镜等旋转装置对目标进行不断的扫描，从而得到目标的信息，振镜通过x轴振镜和y轴振镜来控制横向、纵向扫描获得每一个光子的成像时间间隔，进而得到每一个光子对应的目标的距离，通过记录x轴和y轴振镜旋转的角度θ和φ，并代入下式（D为目标与接收器的距离），可还原出目标在笛卡尔坐标系下的三维信息。

单光子水下三维成像具有较高的精度，而且单光子技术使得从空气到水下的成像成为可能，为机载激光提供了潜在应用。结合表2分析近年国内外单光子探测技术的部分实验及实验结果，水下单光子成像距离大多在20米，满足水下远距离成像要求。目前水下单光子主要问题是水下计数噪声较大，且计数的形成时间较长，为了应对这些挑战，目前主流趋势是将单光子探测技术与距离选通门控技术相组合，在远距离探测信号的同时有效提高信噪比。

表2 国内外单光子探测技术实验

其原理是激光在被测目标上形成光亮点，然后通过相机捕捉亮点的三维信息，如图5(a)所示，当确定被测目标，激光器和相机之间的三维坐标关系之后，就可以通过数据处理的方式形成待测物体的三维点云信息。结构光的成像过程本质上涉及世界坐标系与相机坐标系之间的转换，如图5(c)所示，由于坐标系之间的数学运算较为准确且结构光的光条较窄，水下结构光三维成像精确度可达到0.1 mm。

表3总结了国内外部分结构光成像方法及各自实验方式的特点，可以看出线结构光成像绝对误差普遍在0.5 mm以内，相对误差普遍在2％以内。然而，由于激光经过分光束导致激发能量较小，因此结构光难以实现远距离探测，最大成像距离多在3 m以内，在近距离、小目标、高精度的探测任务中的表现令人十分满意，尤其是国内外近年的实验多使用“结构光+”模式将相对误差结果提高到1%。因此结构光探测主要应用于近距离、小目标、高精度探测任务。

因为目标物体在场景中的位置和反射率等特征各不相同，所以激光发射到目标上返回的回波信号到达光电阴极的强度和时间也各异。由于偏转板会产生随时间线性变化的斜坡电压，因此在不同时刻，进入偏转电场的电子会受到不同的偏转电压影响。这样，电子沿着垂直于狭缝方向扫开并依次排列，从而获得不同时间的电子图像。该图像对应于图7(a)中的时间通道。最后，经过微通道管（MCP）进行电路增益放大后，信号投射在荧光屏上。荧光屏可以实时读取和记录数值。时间通道中的电子排布与目标距离相关。通过荧光屏，我们可以获得关于空间信息维度的电子信息，即将狭缝方向上每个点的时间信息展开以获取空间信息。通过一次条纹管成像，我们可以获得部分目标物体的方位和距离信息，即可以得到一条线上的目标物体信息。通过多次机载拖拽成像，我们可以获取目标物体的完整三维信息，实现目标物体的三维成像。

（a）机载条纹管扫描仪；（b）条纹管三维重建模型图

 图8 机载条纹管设备及成像结果

就条纹管技术而言，三维成像的距离精度取决于条纹管的距离分辨率和空间分辨率，本文采用距离分辨率作为评价条纹管成像精度的指标。表4总结了国内外条纹管实验结果。在水下环境中，条纹管能够被用于较远距离的探测，其优点在于扫描成像速度快、扫描范围广，可对一定区域进行地毯式扫描，随后再确定精准方位进行探测，非常适合机载雷达进行海洋水雷扫描。缺点是由于条纹管的成像机制，其成像精度大多在厘米级，无法完成高精度的扫描任务。

双目视觉方法又称为立体视觉法，主要是通过三角测量法将两台相机匹配点的视差信息转化为深度信息。该方法利用两台相机从两个不同的视角去观察同一物象，通过三角测量法将两台相机匹配点的视差信息转化为深度信息。

对于上式进行整理，可得物点到基线之间的距离大小为：

 

水下三维成像中，结合表6和图11分析可得，水下距离选通成像作用原理是抑制后向散射，因此目前主要运用在水下环境中，环境噪声越大，成像优势越明显，成像目标多在水下较远距离，实验中常使用脉宽极短的激光器，这使得周期内门控开启时间极短（ns级），后向散射噪声信号被尽可能的过滤，成像的信噪比较高，优点是能过滤噪声，常被应用于浑浊水域进行水下勘测。缺点是脉冲激光能量极高，探测较近目标可能会损伤探测器感光元件，故无法进行较近目标探测。

水下单光子成像计数利用单光子的叠加累计可以较完整的还原目标物，但因为需要进行单光子的累计，因此成像所需要的时间较长。优点是探测灵敏度极高，能进行较远距离的探测，可用于获取陆地与海洋地貌图像，缺点是成像时间较长，不适合探测能够移动的物体。

水下结构光成像采用激光亮点提取三维信息，亮点越小所获取的三维信息越精确，故对线条提取算法有较高要求，目前最常用的算法包括极值法、灰度重心法和基于Hessian矩阵的Steger法。使用场景不受限，水中与空气中均可使用且成像性能差异不大，优点是成像精度较高，常用于水下建筑维护与设备故障检测，缺点是线激光能量被分散，故激光无法发射到较远距离，成像距离多在2m以内，无法进行远距离目标成像。

水下条纹管成像技术最先是采用在机载雷达，由于脉冲激光峰值能量高，可实现从空气入射水中进行扫描，最早是由美军安置，采用机载雷达方式进行海域水雷扫描。优点可扫描范围较大，可用来进行大面积搜寻式扫描，缺点是成像精度较差即使使用更高规格的设备，最终的成像标准差仍在厘米级左右，因此，条纹管成像适合用于雷达扫描等关键技术应用。

双目相机成像作为陆上常用的三维成像方式，由于其成本低，使用方便，现也逐渐在水下使用，双目相机成像由于成像原理限制，要求两台相机进行不同角度拍摄，所以无法进行较远距离成像，且由于无主动光源，只能在光线较充足的水域进行成像，成像精度较低，多用于非精细目标成像使用。

现阶段组合式成像方法在实验中较多使用，线结构光结合多目成像，用于提高立体匹配精度；单光子计数结合距离选通，用于降低成像信噪比。

综上所述，结构光和多目相机是近距离水下成像的首选，依据实验的特点选择成像方法。20 m以上的探测距离主要使用距离选通、单光子和条纹管成像，但成像精度较差。远距离高精度领域是水下光学三维成像主要发展方向。

由于水下成像的环境特殊，在进行海底作业和水下目标观测时，激光衰减度和后向散射的干扰仍是水下三维远距离成像的难题。尽管当前水下光学三维成像的有关研究取得了巨大的进步，但是不论是近距离成像还是远距离成像，现有成像方式仍不同程度的存在一定的局限性，如何突破这些局限将是水下光学三维未来研究的热点。对水下光学三维成像的未来研究方向进行展望如下：

(1) 针对激光前向散射问题，大部分文献和实验多考虑的是后向散射问题，未考虑前向散射带来的三维点云噪声问题。因此，前向散射是进行精细化问题的探索的一个方向。例如有关文献提出的利用倾斜刃边法求解点扩散函数，抑制前向散射对图像细节分辨率的影响。前向散射的抑制与过滤可能成为未来水下光学三维成像的研究方向之一。

(2) 针对水下折射问题，激光从激光发射器到水中的传播势必会由于介质的变化而产生折射问题，这是对于高精细三维成像中不可忽略的问题，例如有关文献提出一种引入折射补偿的水下相机成像模型，该模型可准确的描述激光在不同介质间传播过程中的光路，基于水下激光平面方程的约束，对水下点云进行折射校正，对提高三维成像精度具有重要意义。

(3) 将水下成像研究与相关学习算法领域结合，如神经网络、机器学习、深度学习等。该领域目前多为二维图像的识别与分割，对于三维领域的研究相对较少。有关文献采用的遗传-反卷积算法，通过通过反卷积实现非视域目标的三维重建。有关文献提出的Point CleanNet的点云降噪模型，有效降低扫描后的点云噪声问题。深度学习算法将是未来的发展趋势。