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水下光学问题的特殊性及水对光学成像的影响
作者:admin 发布日期:2016-2-24 11:00:34

   由于水对可见光的吸收和散射, 使得光在水中传输时的能量按指数规律迅速地衰减。设 I0是某水层的光量, 传输了L  路程后的光量 I 为: I =  I 0 e-  L , 式中, L  称衰减系数, 表示光传输 1m距离后光能量衰减的对数值(自然对数) , 单位是 1öm。光在水中的衰减是由水对光的吸收衰减 和水中胶体粒子对光的散射所造成的, 因此式中的L 由两部分组成: L = A+ B, 式中, A是吸收 系数, B 是散射系数。一般情况下, 散射造成的衰减占总衰减为 60à 、吸收衰减占 40à 。习惯上 我们也常用衰减长度表示水质对光的衰减特性, 它表示光量衰减到原来的 e- 1 所传输的距离。


211 水对光的散射

由于水中存在着悬浮的质点, 造成了水对光的散射。水中散射有两种: 纯水本身产生的散射和由悬浮粒子所引的散射, 海水是由具有吸收本领和随机取向的不规则粒子所组成的复杂色散系统。散射光对影像的衬底产生极为有害的影响, 散射主要有前向散射和后向散射, 前向散射是指光在水中传播时, 遇到水中悬浮的颗粒, 发生光向前各方向散射, 造成光在传播方向的衰减, 这对成像距离增加了困难, 后向散射是指光在水中传播时, 遇到水中悬浮颗粒, 发生光

 向后各方向散射, 造成图像的对比度下降, 这对水下光学成像危害极大, 使影像衬度成为水下光学成像严重的问题。随着成像距离的增大, 画面反差降低, 影像的细节模糊, 影响成像质量,使摄取图像变得困难。

 

212 水对光的选择性吸收

 

这也就是说, 水对光的吸收在不同的光谱区域是不同的, 水对光谱中的紫外和红外部分表现出强烈的吸收, 纯净的水和清的大洋水在光谱的蓝-  绿区域透射比最大。但即使在这个蓝—绿窗口, 水的吸收也足以使光的的强度每米衰减约百分之四。

 

213 水具有一定的不同于空气的折射率(nW = 11339)

 

由于水具有一定的不同于空气的折射率( nW   =  11339) , 因此, 当光线从水介质射向空气(或其它介质) 时会发生折射现象。水下成像时, 被摄物体是处于水介质的物空间中, 而成像系统处于密封壳体内的空气介质中, 水下目标的成像光线在经过—玻璃壳窗—空气的界面时, 会产生折射, 从而给水下光学成像系统带来聚焦误差、视角误差、畸变和色差等不利因素(如图 1所示) :

 

(1) 聚焦误差: 绝大多数的水下面成像系统的外壳都有一个简单而且可靠的玻璃和光学塑料制成的平行平面壳窗, 因为它具有结构简单和密封可靠的优点。光经过水—玻璃壳窗—空气的交界面时传播服从折射定律, 其简单的关系由下式表示:

 

 

nw sin

w   =  nsin

g  =  nsina

5

 

,

可以用角度

(弧度表示近似代替角的正弦则方程可以简化为:

a  =

如果入射角小

5

5

5

 

 

113395W  (当5W  n 1) 。因此平行平面壳窗将产生放大作用, 如图 1 中所示, 壳窗折射的结果是使水下成像的视场约减小到原来的三分之一。这就是说, 由于壳窗的放大特性, 使得镜头的视场减小。假设成像系统在陆地上具有 130°的视场, 结果在水下的视场只有 97°度, 而水下应用场合几乎总是需要最大的视场, 因此镜头视场的减小是相当不利的。

 

(a)  T he refraction of the ligh t w hen it goes th rough the in terface of w a ter2gla ss2a ir

(b )  T he ob ject is looked nea rer w hen the lgih t is being refracted by the gla ss p lane


F ig. 1 T he refraction of the lgih t go ing th rough the in terface of w a ter2gla ss2a ir

 

在水下, 镜头的物距改变, 从原来的物距 l 变为 l1 , l1 = lönW + d , 一般 l m d , l1 = lönw = lö11339 = 01751, 式中 d 为玻璃平板厚度。可以得到, 在水中物距缩短 25% , 仅为原来物距的75%。光经过水密封外壳平面壳窗折射时, 使物体看起来变近了一些, 平面壳窗的放大作用有时被称为平面屈光度效应, 也就是说平面壳窗增加了水下光学成像镜头的有效焦距, 确切的说 是平面壳窗在水下使镜头的前焦距增加约 4ö3 倍, 而后焦距没有变化。如果应用普通的成像物

镜, 而用平行平板玻璃密封防水, 那么由于光线在水、玻璃和空气界面的折射, 通过平面窗在水下观察一个物体, 折射将会引起聚焦误差、视角误差、畸变和色差;


(2) 视场误差: 使物镜在水下的视场角减小, 物、象空间的视场角不同, 即壳窗的折射的结 果使成像物镜的视场角大约缩小 25% ( tg (X′ö2) = n ×tg (Xö2) )。这对于水下需要大视场的应

用场合是十分不利的;

 

(3) 畸变: 在陆地上, 平面壳窗对光学成像系统不产生影响, 而在水中, 它使透镜的放大率在整个视场范围内不均匀, 造成枕形失真(正畸变)。这虽然仅影响象的形状而不影响像的锐度, 但对于真实反映观测目标的形状、尤其在测量应用时, 对畸变进行校正是很重要的。平面壳窗使透镜放大率在整个视场范围内不均匀, 通过平面壳窗成像造成枕形失真(正畸变)。它仅仅影响像的形状而不使像的锐度;

 

(4) 色差: 光学材料对不同波长的色光折射率不同, 波长愈短折射率愈高, 同一透镜对不同色光有不同的焦距, 这使得透镜成像时, 位于不同的光谱段的焦点不重合, 造成彩色弥散边缘将使像的锐度降低。







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