深海光學(xué)照明與成像系統(tǒng)分析及進展

全向前，陳祥子，全永前，李　晨

(1.中國科學(xué)院 深?？茖W(xué)與工程研究所，海南 三亞 572000;2.海南熱帶海洋學(xué)院 海洋科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南 三亞 572022;3.中車集團株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南 株洲 412007)

1　引　言

作為水下機器人，載人潛水器以及著陸器等深海裝備的“眼睛”—深海光學(xué)成像探測具有分辨率高、數(shù)據(jù)量大、實時性好以及原位檢測的優(yōu)點[1-7]，是深?？茖W(xué)與工程研究的重要手段，避免了深海探索“盲人摸象”的尷尬。深海光學(xué)成像探測系統(tǒng)作為深海裝備的視覺系統(tǒng)，使得深海探索變得“一目了然”，成為深海礦產(chǎn)開發(fā)、深海資源勘測以及深海生物、化學(xué)活動探索的核心支撐技術(shù)，是我國利用海洋，開發(fā)海洋的重要技術(shù)基礎(chǔ)?！鞍栁摹碧?、“深海挑戰(zhàn)者”號、“4 500米”、“蛟龍”號載人潛水器，中科院深海所研發(fā)的“天涯”號、“海角”號著陸器[8]、中科院自動化所研制的“海斗”號ROV都裝備有一套或幾套深海光學(xué)成像探測系統(tǒng)，降低了深潛探測的運營成本，提高了深潛系統(tǒng)的作業(yè)效率及安全系數(shù)。

人類的水下光學(xué)成像探測活動最早始于1856年，英國一位名叫Willian Thompson的工程師為普通照相機制作了一臺防水箱。箱外裝有玻璃窗口，將照相機裝于此箱中，沉于水底，試圖拍攝橋基的照片[9]。這是人類第一次進行水下成像的嘗試，因為是在水下環(huán)境，獲得的照片較模糊。作為水下成像的真正奠基人，法國人Louis Bouton于1893年制成了帶有壓力補償氣球的防水相機，并于1895年首次制成了水下閃光設(shè)備，成功地獲得了150英尺水深的照片[10]。此后，隨著海洋經(jīng)濟、科學(xué)活動的日益發(fā)展，海底觀測網(wǎng)計劃的陸續(xù)開展，深海光學(xué)成像系統(tǒng)得到越來越多的關(guān)注[11-12]。現(xiàn)如今，美國的Deepsea Power & Light公司、英國的Kongsberg公司以及荷蘭的SUBC IMAGING公司都具備深海光學(xué)照明與相機設(shè)備的研制能力[13]。除此之外，WHOI，Scripps等海洋研究機構(gòu)也開展了大量深海光學(xué)成像的前沿研究[14-15]。

2　深海光學(xué)成像系統(tǒng)剖析

深海光學(xué)成像探測是一種以獲取深海圖像信息為目的的光、機、電、算相結(jié)合的技術(shù)。深海光學(xué)成像探測系統(tǒng)如圖1所示。本文將深海光學(xué)成像探測系統(tǒng)分為深海照明、深海相機、深海圖像處理以及深海圖像傳輸與存儲4個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)代表著不同的研發(fā)階段，其中深海照明系統(tǒng)、深海相機系統(tǒng)是深海光學(xué)成像探測系統(tǒng)的重要硬件組成部分，直接影響著圖像的拍攝質(zhì)量與分辨能力[16-17]。

圖1　深海光學(xué)成像探測系統(tǒng)分解 Fig.1　Subsystem of deep-sea optical imaging system

3　深海光學(xué)照明系統(tǒng)

光作為電磁波的一種形式，其能量在水中的傳播是按“指數(shù)”式衰減的，一般情況下水下200 m以下可見光的照度不足水面照度的0.01%，而在1 000 m以下深海中，周圍環(huán)境更是一片漆黑，因此幾乎所有的深海光學(xué)成像系統(tǒng)都是主動式成像系統(tǒng)，需要深海照明系統(tǒng)作為支撐。在深海照明設(shè)備研制方面，國外起步比較早。美國的WHOI海洋研究所、Scripps 海洋研究所以及Deepsea Power & Light公司，英國的Kongsberg公司等科研單位都具有深海照明燈的研發(fā)和制造能力。我國深海照明系統(tǒng)的研發(fā)起步較晚，現(xiàn)在有很多單位開展了相關(guān)研究。深海光學(xué)照明系統(tǒng)可以進一步細分為3個更小的子系統(tǒng)：光源系統(tǒng)、配光系統(tǒng)以及燈陣系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2　深海照明系統(tǒng)剖析 Fig.2　Analysis of deep-sea illumination system

3.1　光源系統(tǒng)

光源系統(tǒng)作為深海照明系統(tǒng)的“芯”，在深海照明系統(tǒng)中起著關(guān)鍵性作用[18]。如何針對深海環(huán)境中海水吸收與散射特性，確定光源的光學(xué)參數(shù)是深海照明系統(tǒng)研究的重點。1990年，蘇方雨[19]在分析了光在海水中的傳播特性后，分析了各類光源的性能，選擇了高壓汞燈為光源，研制了耐水壓封裝結(jié)構(gòu)。該深海照明燈的工作深度達到1 000 m。2002年，Kawakami、Takashi[20]考慮到LED具有壽命長、能耗低、啟動快等優(yōu)點，首次采用LED作為深海照明燈光源，提高了深海照明的效率與質(zhì)量。2003年，Peter C.Y.Chang[21]利用偏振光作為深海主動成像的光源，利用散射光與反射光偏振態(tài)的不同，提高了圖像的對比度，進而提高了成像距離。2005年，E.A. Widder[22]為了對深海魚類進行吸引和原位觀測，采用紅光LED作為照明光源，在提高觀測傳感器靈敏度的情況下得到了紅光照明下的原位深海魚類圖片。2007年，K.R.Hardy[23]通過對比氣體放電光源和LED光源在耐壓封裝，設(shè)計靈活性上的優(yōu)缺點，在“阿爾文”載人潛水器上采用LED作為光源，達到了更高的耐壓能力。

圖3　阿爾文載人潛水器照明系統(tǒng) Fig.3　Illumination system of “ALVIN”

2010年，J.S.Jaffe[24]采用結(jié)構(gòu)光光源的形式減少了照明光源的后向散射，增加了圖像對比度和成像距離。2011年，樓志斌[25]通過分析海水中光的傳播性質(zhì)和水下照明的需求，同樣提出利用LED替代傳統(tǒng)光源，并用仿真軟件對照明設(shè)備進行了相關(guān)設(shè)計。2012年，Mark S.Olsson[26]在一個深海照明燈上集成了白光和綠光光源芯片，并相應(yīng)地配備兩種光源反射器，其中一種提供遠而窄的照明效果，另一種提供近而寬的照明效果。2014年，聶瑛[27]通過在清水中摻入一定量的藍綠墨水和牛奶模擬不同的水質(zhì)環(huán)境，分析了不同照明光源下水下成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，并以此為基礎(chǔ)開展了照明光源的研究。2015年，Gilbert Conover[28]等人通過對不同顏色的光源進行編程控制達到了不同的照明效果。2016年，OH, Sang Woo[29]為達到水下多光譜成像的目的，研制了包含6個譜段的光源，通過圖像控制單元得到了不同譜段的深海圖片。

3.2　配光系統(tǒng)

配光系統(tǒng)是決定深海照明系統(tǒng)照度分布的重要環(huán)節(jié)。如何針對深海環(huán)境設(shè)計出理想的配光系統(tǒng)同樣是深海照明系統(tǒng)的研究重點[30-31]。1991年，Mark S.Olsson[32]采用球形透鏡作為深海照明系統(tǒng)的封裝鏡片，增加了深海照明燈的耐壓能力。1998年，John M.Griffiths[33]采用反射的方式設(shè)計深海照明燈，在適應(yīng)深海條件的前提下，通過改變光源與反射器的相對位置可以調(diào)整光束的發(fā)散角。2008年，Nigel C.Savage[34]發(fā)明的水下照明系統(tǒng)對每一個燈芯都進行反射式配光，在提高耐壓能力的基礎(chǔ)上得到了更好的照明效果。2006年,William J. Cassarly在光源和配光透鏡之間放置一片漫反射鏡，通過改變漫反射鏡的位置可以調(diào)整光束的大小進而改變照明效果。2012年，鄭冰[35]教授通過設(shè)計集光束光源，減少了后向散射光，達到了非均勻場照明的需求，利用非均勻場照明下的結(jié)構(gòu)光激光掃描技術(shù)可以提取較高精度的三維信息，并且能夠較好地完成水下目標(biāo)的三維重建。2016年，John Burke[36]發(fā)明了一種通過光導(dǎo)管完成水下照明的裝置。其通過改變光導(dǎo)管的形狀，可以將光源發(fā)出的光輸送到感興趣區(qū)域，同時由于光在光導(dǎo)管里傳輸，消除了光在水中傳播所遇到的衰減與吸收效應(yīng)。2016年，上海恒生電訊公司的王偉智[37]與中科院深海所合作研制了深海照明燈，其工作深度達到萬米，該項目采用了光滑鏡片和毛玻璃兩種配光設(shè)計形式。2017年，深海所全向前等人[38]提出了一種基于非均勻場的照明方法及系統(tǒng)，通過構(gòu)建一個不均勻的照度分布配光系統(tǒng)以克服不同波長、不同路徑照明光的衰減差異，獲得了亮度均勻的深海圖像。

3.3　燈陣系統(tǒng)

在深海光學(xué)成像過程中，一個照明燈通常不能滿足實際需求，需要使用多個照明燈。每個照明燈的空間位置分布在深海照明系統(tǒng)中同樣重要。2000年，孫傳東[39]定量地分析了光在海水中的輻射傳播特性，為深海照明燈陣的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。2003年，熊志奇[40]以光在海水中的傳播性質(zhì)為基礎(chǔ)，采用鹵鎢燈為光源設(shè)計了雙燈照明系統(tǒng)。其工作深度達350 m。2011年，Geoffrey Allen Gorman[41]對深海中有機物造成的光散射進行了分析，通過減小照明與成像重疊區(qū)域的大小，提高了圖像對比度與成像距離。2008年，石晟瑋[42]搭建了實驗裝置對海水中不同方向的后向散射進行了測量，為深海照明提供了有效的實驗數(shù)據(jù)。2009，黃有為[43]等人通過研究光在水中的傳播特性，建立了光的散射理論模型。2010年，沈凌敏[44]針對水下30～40 m左右的特殊環(huán)境，分析了高速水下攝影的光照需求，在照明燈的布局及發(fā)光強度上做了定量的研究。2011年，張法全[45]從光在海水中的散射原理出發(fā)，得出如下結(jié)論：當(dāng)照明光源方向與目標(biāo)面角度變小時其后向散射將影響成像質(zhì)量，所以角度不宜過小，最終提出照明光源方向角的選擇范圍為[30°,45°]的結(jié)論。2015年，趙欣慰[46]等人通過建模仿真分析了圖像背景光與水體光學(xué)參數(shù)、相機景物距離以及相機成像角之間的關(guān)系，為深海照明系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。

4　深海相機系統(tǒng)

根據(jù)深海光學(xué)成像的應(yīng)用領(lǐng)域及技術(shù)特點，深海光學(xué)相機系統(tǒng)主要可以分為6類：水下普通成像相機、激光成像相機、偏振成像相機、立體/全景成像相機、顯微成像相機以及光譜成像相機等。

圖4　深海成像系統(tǒng)分類 Fig.4　Classification of deep-sea imaging system

4.1　水下普通成像相機

水下普通成像技術(shù)大多采用玻璃窗口加相機的方式，由于該技術(shù)成本低，可以完成很多觀測需求，所以被廣泛使用。然而，由于深海環(huán)境中海水折射率、光的衰減以及潛水器移動緩慢等的影響，如何設(shè)計出一款大視場、高分辨率、焦距可變、耐高壓的光學(xué)相機成像系統(tǒng)十分關(guān)鍵。載人潛水器視窗由平面改為球面就是光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整的一個重要案例，從而滿足了大視場的需求。國際上生產(chǎn)深海攝像機與照相機的廠商很多，表1為一些典型的深海相機設(shè)備制造廠商的產(chǎn)品參數(shù)對比。

表1　國內(nèi)外典型深海光學(xué)相機設(shè)備性能

4.2　激光成像相機

圖5　激光成像距離示意圖：(a)普通成像方式，照明燈與攝像機在同一位置，散射光最多；(b)改進的普通成像，照明角度與成像角度成一定夾角，照明區(qū)域與成像區(qū)域重疊部分變小，后向散射光也同時減少；(c)和(d)則采用激光照明，散射光得到很好的抑制，成像距離最大達到6個衰減長度 Fig.5　Sketch diagram of laser imaging distance. (a)Usual imaging:the lamp and camera are fixed in the same place; (b)the advanced imaging:the lamp and camera are fixed in different place and the overlap area of illumination and imaging is smaller. So the scattering light is decreased. (c) and (d)Laser illumination:the scattering light is decreased to a great extent. The work distance is about 6 attenuation length

深海光學(xué)成像存在一個共同點，即在成像過程中大量的散射光會影響圖像的對比度。為了減少散射光對成像質(zhì)量的影響，各國科學(xué)家對照明和成像方式進行了改進，水下激光成像技術(shù)就是利用激光后向散射成分低的特性，在普通光學(xué)成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。其成像距離可以達到6個衰減長度(圖5)。該類成像系統(tǒng)主要用于水質(zhì)不好的環(huán)境及遠距離成像。在飛機殘駭，石油天然氣管道檢測方面應(yīng)用最多。

常用的水下激光成像包括激光距離選通法和同步掃描法兩種[47-50]。距離選通法使用脈沖激光照明目標(biāo)，探測器幾乎同時接收整個視場內(nèi)景物的反射光，利用目標(biāo)的反射光與散射光到達探測器的時間差，減少進入探測器的后向散射光。其掃描時間可控制在0.1 ms內(nèi)。2007年，加拿大DREV公司[51]研制的一款激光距離選通成像系統(tǒng)的觀察距離可達5～35 m。與此同時，美國圣地亞哥Sparz公司、Harbor branch海洋研究所在距離選通激光成像方面也開展過大量的研究。同步掃描成像則是利用掃描光束與接收視線的同步，減少進入探測器的后向散射光。1995年，西屋公司[52]為美國海軍生產(chǎn)的SM2000型激光同步掃描成像系統(tǒng)的有效視場可達70°。探測距離為5個衰減波長左右，在30 m距離上大約可以提供25 mm的分辨率。2001年，美國Lockheed Martin公司[53]研制的一款激光掃描成像儀，在8 m成像距離下的分辨率為3 mm。圖6所示為2010年Scripps海洋研究所研制的水下激光掃描成像儀，其采樣頻率可以達到160線/秒[54]。

圖6　Scripps 海洋研究所激光掃描成像儀 Fig.6　Deep-sea laser scanning imager of Scripps

脈沖掃描是距離選通與同步掃描成像技術(shù)的結(jié)合。連續(xù)激光與脈沖激光的同步掃描成像質(zhì)量的對比如圖7所示[55]。

圖7　(a)連續(xù)激光掃描與(b)脈沖激光掃描成像對比 Fig.7　Comparison of continuous laser scanning imagery(a) and pulse laser scanning imagery(b)

結(jié)構(gòu)光脈沖掃描則更先進，采用時間分辨條紋管為探測器，利用三角測量法得到距離信息，最終得到的目標(biāo)3維結(jié)構(gòu)如圖8所示[24]。

圖8　結(jié)構(gòu)光脈沖掃描成像儀 Fig.8　Structured pulse scanning imager

圖9為加拿大2G robotics公司研制的一款水下結(jié)構(gòu)光脈沖掃描成像儀，其采樣頻率為29 frame/s，分辨率達亞毫米級。在國內(nèi)，北京理工大學(xué)，中科院北京半導(dǎo)體所，中國海洋大學(xué)也開展過水下激光成像的相關(guān)研究。

圖9　加拿大2G robotics公司研制結(jié)構(gòu)光脈沖掃描成像儀 Fig.9　Structured pulse scanning imager made by 2G robotics company in Canada

4.3　偏振成像相機

水下偏振成像跟激光成像的設(shè)計思路一樣，巧妙地利用了目標(biāo)物體反射光與各種微小粒子散射光的偏振態(tài)不同這一特點，利用檢偏器只接收目標(biāo)物體反射光的方式獲得清晰成像，其成像距離是普通成像距離的1.5倍[56]。2003年，以色列馬里蘭大學(xué)[57]利用偏振光觀察到了墨魚的其他圖像特征，擴展了偏振光成像的應(yīng)用領(lǐng)域。2009年，以色列理工大學(xué)[58]研制的水下偏振成像儀采用圓偏振光代替線偏振光，獲得了更好的成像質(zhì)量，如圖10所示。在國內(nèi)，中國石油大學(xué)(華東)以及北京理工大學(xué)在該方面也有過很多研究，但仍處于研制階段。

圖10　以色列理工大學(xué)的水下偏振成像儀：(a)原理圖(b)實物圖(c)普通成像效果(d)偏振成像效果(e)散射光造成的噪聲 Fig.10　Polarization imager of Israel Institute of Technology:(a)schematic diagram; (b)physical map; (c)original imaging results; (d)polarization imaging results; (e)noise of scattering

4.4　立體/全景成像相機

相對于普通成像，深海立體成像增加了立體信息，對拍攝3D影片意義重大[59]。2012年，CAMERON[60]乘載“深海挑戰(zhàn)者”號成功下潛至馬里亞納海溝底部，利用潛水器上搭載的3D成像相機系統(tǒng)，成功拍攝到了深海3D影片，并制作了90 min的“深海挑戰(zhàn)”3D記錄片。除此之外，WHOI也開展過3D相機的研制；隨著VR技術(shù)的日趨成熟，全景深海成像在深海VR場景的實現(xiàn)及海洋知識科普方面起著關(guān)鍵作用。俄羅斯、美國都開展了相關(guān)產(chǎn)品的研制工作，如圖11所示。

圖11　3D/全景相機代表產(chǎn)品:(a)所示為卡梅隆拍攝影片時乘坐的深淵挑戰(zhàn)者號載人潛器，上面搭載了其團隊和Scripps海洋研究所共同研制的3D相機；(b)是WHOI研制的3D深海深海相機；(c)是俄羅斯公司研制的水下全景相機，工作深度為200 m；(d)是美國公司研制的水下全景相機，工作深度為2 000 m Fig.11　Representative products of 3D/Panorama camera:(a)3D camera of “Challenger ” manned submersible which is manufactured by Scripps; (b)deep-sea 3D camera system of WHOI; (c)underwater panorama camera of Russia, working depth is 200 m; (d)underwater panorama camera of America, working depth is 2 000 m

4.5　顯微成像相機

深海顯微成像，是對深海微生物進行原位觀測的重要手段[61-63]。2016年，加拿大拉瓦爾大學(xué)[64]研制了一款名為LOKI的水下顯微成像儀，如圖12所示。該顯微成像系統(tǒng)與微生物富集裝置聯(lián)合使用，可以對活體微生物進行原位觀測，分辨率達到了23 μm。

Scripps海洋研究所同樣研發(fā)了多款水下原位顯微成像儀[65]，其中一款原位顯微觀測成像儀在2016年用于觀察珊瑚蟲，積分時間小于1 ms，配備了6個LED照明燈，工作距離為65 mm時分辨率能達到2～3 μm[66]，如圖13所示。

圖12　LOKI水下原位顯微鏡 Fig.12　In-situ underwater microscope named LOKI

圖13　Scripps海洋研究所研制的原位顯微鏡 Fig.13　In-situ underwater microscope in Scripps oceanographic institute

4.6　光譜成像儀

深海光譜成像不僅能獲得深海的圖形信息，還能獲得目標(biāo)的反射光譜信息，對熱液、冷泉中硫化物、甲烷、以及可燃冰、多金屬結(jié)核等資源的原位勘測意義重大，是深?；瘜W(xué)活動研究以及深海資源開發(fā)利用的重要手段。圖14為2013年美國特拉華州大學(xué)Fisheries S[67]等人研制的水下光譜成像儀。該光譜儀采用推掃式，對AUV的定位精度要求較高。

在國內(nèi)，2017年，大連化物所以及安徽光機所都開展過水下原位光譜儀的研制，但都不具備成像功能?，F(xiàn)在也有人提出通過結(jié)合多個波長激光探測數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理最終形成光譜成像，但仍處于理論研究階段。

圖14　水下光譜成像儀：(a)原理圖; (b)實際拍攝圖; (c)光譜曲線; (d)光譜成像圖 Fig.14　Underwater spectral imager:(a)schematic diagram; (b)actual images; (c)spectrum diagram; (d)spectral images

5　結(jié)　論

總的來說，國外的深海光學(xué)照明與相機系統(tǒng)雖然相對比較成熟，但是仍存在一些技術(shù)難題，比如：在照明系統(tǒng)方面，如何提高光學(xué)照明系統(tǒng)的顯色指數(shù)，如何提高深海圖像的亮度均勻性以及降低照明系統(tǒng)的功耗等；在相機系統(tǒng)方面，如何擴大成像范圍，如何提高分辨率，如何獲取更多的數(shù)據(jù)以及如何提高成像系統(tǒng)的工作深度等等。但不可否認，經(jīng)過近年來國內(nèi)外學(xué)者的共同努力，深海光學(xué)照明與相機的研究已經(jīng)具有一定成果。這些成果為我們開展進一步的研究奠定了基礎(chǔ)。

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