I. introduction
Comme les robots sous-marins, submersibles habités et lander en haute mer et d'autres équipements « yeux » - sonde d'imagerie optique en haute mer avec une haute résolution, une grande quantité de données, en temps réel, ainsi que les avantages de la détection in situ de la science et la recherche en génie-mer profonde un moyen important pour éviter l'exploration sous-marine, l'embarras « éléphant ». En haute mer système de détection d'imagerie optique en tant qu'équipement mer profonde, systèmes de vision, ce qui rend l'exploration en haute mer pour devenir « clair », un développement minéral en haute mer, la technologie de base de soutien enquête sur les ressources en haute mer et la biologie en haute mer, les activités d'exploration de la chimie, est notre utilisation des océans, le développement d'une importante marine base de la technologie. « Alvin » Non, « Deep Sea Challenger », « 4500 mètres », « dragon » submersible habité, mer profonde développé par l'Académie chinoise des sciences « de fin du monde » était « Cap » Lander, l'Académie chinoise des sciences Institut de l'automatisation développé « Sea Doo » était ROV sont équipés d'un ou plusieurs ensembles de système de détection imagerie optique en haute mer, ce qui réduit les coûts d'exploitation d'exploration de plongée profonde, améliorer l'efficacité opérationnelle et système de plongée facteur de sécurité.
Imagerie optique sous-marine des activités d'exploration humaine a commencé dès 1856, un ingénieur britannique nommé Willian Thompson a produit une boîte étanche à l'eau comme un appareil photo ordinaire. Carton avec fenêtre en verre, la caméra sera installée dans cette zone, évier au fond, en essayant de prendre des photos de la butée. Ceci est une tentative sous-marine d'imagerie de la première conduite humaine, parce qu'il est dans un environnement sous-marin, obtenir les photos floues. Comme le vrai fondateur de l'imagerie sous-marine, le Français Louis a fait en 1893 Bouton appareil photo étanche avec un ballon de compensation de pression, et en 1895 a fait le premier dispositif de flash sous-marin, obtenu avec succès les photographies de 150 pieds de profondeur d'eau . Depuis lors, avec un après l'autre pour mener à bien l'économie maritime, de plus en plus l'activité scientifique, programme Seafloor Observatoire en réseau, système d'imagerie optique en haute mer a été de plus en plus d'attention. Aujourd'hui, le Deepsea États-Unis Power & Light Company, le Royaume-Uni et la société néerlandaise sociétés IMAGERIE Kongsberg SUBC ont la capacité de développer l'éclairage optique en haute mer et de l'équipement de la caméra. De plus, WHOI, Scripps et d'autres institutions de recherche marine pour mener à bien un grand nombre de recherches de pointe sur l'imagerie optique profonde.
En second lieu, le système d'imagerie optique analyse la mer
sonde de profondeur d'imagerie optique pour obtenir une information d'image d'objet profond pour les propriétés optiques, mécaniques, électriques, technique informatique combinée. Système de détection optique d'imagerie en profondeur comme représenté sur la Fig. Cet article profond profondément dans le système d'imagerie optique de détection de lumière, une caméra profonde, traitement d'image, et la transmission d'images de profondeur de profondeur et le stockage des quatre sous-systèmes, représentent chaque sous-système différents stades de développement, un système d'éclairage dans lequel la mer profonde, mer profonde est profonde système de caméra d'imagerie optique une partie importante du système de détection de matériel, un impact direct sur la qualité de la prise de vue et de la résolution de l'image.
Une imagerie optique du système de détection a explosé profonde
Troisièmement, le profond du système optique d'éclairage
Léger comme une forme d'ondes électromagnétiques, dont l'énergie se propagent dans l'eau est basé sur la décomposition « exponentielle », en général, l'éclairement réduire l'eau en dessous de 200 m de l'illumination de la lumière visible de moins de 0,01% d'eau, et dans la profondeur de 1000m suivant, le milieu ambiant est sombre, donc presque tous les systèmes d'imagerie optique sont des systèmes d'imagerie actifs profonds, des systèmes d'éclairage ont besoin profond que le support. Dans le développement d'équipements d'éclairage en haute mer, l'étranger a commencé relativement tôt. American Institute of Oceanography WHOI, Scripps Institution of Oceanography Power & Light Company et au Royaume-Uni Deepsea entreprises Kongsberg et d'autres instituts de recherche ont un éclairage en haute mer R & D et de fabrication. Notre recherche et le développement du système d'éclairage en haute mer ont commencé à la fin, il y a beaucoup d'unités pour mener des recherches connexes. Système optique d'éclairage profond peut être en outre subdivisé en trois sous-systèmes plus petits: un système de source de lumière, le système de distribution de lumière et un système de réseau de la lampe, comme montré sur la Fig.
La figure système d'éclairage profond 2 Analyse
Le système de source de lumière
Le système de source de lumière comme un système d'éclairage profond « noyau », joue un rôle clé dans le système d'éclairage de profondeur. Comment l'environnement de l'eau de mer pour les propriétés d'absorption et de diffusion profonde, la détermination des paramètres optiques de la source lumineuse se concentre sur le système d'éclairage profond. En 1990, la pluie soviétique après avoir analysé les caractéristiques de propagation de la lumière dans l'eau de mer, divers types d'analyse de la performance de la source lumineuse, une lampe à mercure à haute pression comme source de lumière est sélectionnée, le paquet développé une résistance de pression d'eau. La profondeur de travail pour atteindre 1000m de la lampe profonde. En 2002, Kawakami, Takashi compte tenu de la LED a une longue durée de vie, faible consommation d'énergie, démarrage rapide, etc., pour la première fois par LED comme source lumineuse une illumination d'améliorer en profondeur l'efficacité et la qualité de l'éclairage en profondeur.
En 2003, Peter C. Y. Chang lumière polarisée à l'aide d'une source lumineuse comme une imagerie active profond, la lumière diffusée avec différents états de polarisation de la lumière réfléchie, le contraste de l'image est améliorée, améliorant ainsi la distance de formation d'image. En 2005, E. A. Widder pour sucer et observation poisson-situ en haute mer en utilisant une DEL rouge comme source lumineuse, l'image du poisson en eau profonde obtenue in situ sous l'observation d'éclairage la lumière rouge à une sensibilité accrue du détecteur. En 2007, K. R. En revanche décharge de gaz Hardy source de lumière et les avantages et les inconvénients de la source lumineuse LED pour l'emballage sous pression, la souplesse de conception, employée dans la LED submersible habité « Alvin » comme source de lumière, pour obtenir une résistance à la pression plus élevée.
En 2010, J. S. Jaffe la forme de source de lumière structurée de la source de lumière d'éclairage afin de réduire la dispersion, ce qui augmente le contraste de l'image et la distance de formation d'image. En 2011, F. Zhibin en analysant les propriétés de propagation et sous l'éclairage des besoins en eau légère, a également fait l'aide d'une source de lumière LED pour remplacer les équipements traditionnels et l'éclairage à l'aide du logiciel de simulation de conception pertinente. En 2012, Mark S. Olsson dans une lumière blanche profonde intégrée des puces et de la lumière verte, deux sources de lumière et de manière correspondante avec un réflecteur, dans lequel le procédé consistant à fournir un effet d'éclairage, affiner de là, et un autre pour fournir effets d'éclairage près de l'échelle.
La figure 3 système d'éclairage submersible habité Alvin
En 2014, le lait Nie Ying par l'encre bleu-vert et analogique mélangé avec une certaine quantité d'eau dans une qualité différente de l'eau, l'analyse qualité de l'eau du système de formation d'image d'imagerie sous différentes sources d'éclairage, et sur la base de la source d'éclairage Les recherches menées. 2015, Gilbert et al Conover sources lumineuses de couleurs différentes par commande programmée pour réaliser différents effets d'éclairage. 2016, OH, Sang Woo sous l'eau Pour les besoins de l'imagerie multi-spectrale, comprenant six sources de lumière développé des gammes spectrales, pour obtenir des images spectrales différentes de la mer par l'unité de commande d'image.
système de notation
système de notation est une partie importante de la distribution de la décision du illuminance système d'éclairage en mer profonde. Comment concevoir le système de distribution de la lumière idéale pour l'environnement en haute mer est également un système d'éclairage de mise au point de la recherche en eaux profondes. En 1991, Mark S. Olsson en utilisant une lentille sphérique comme un ensemble de lentilles d'illumination profonde, augmente la résistance à la pression de la profondeur de la lampe.
En 1998, John M. Griffiths réfléchissant façon profonde la conception d'éclairage, les conditions de local d'adaptation profonde, l'angle de divergence du faisceau peut être ajustée en changeant la position relative de la source lumineuse et le réflecteur. En 2008, Nigel C. Système d'éclairage sous-marin Savage de l'invention ont chacun un type à réflexion de mèche répartition de la lumière, pour obtenir un meilleur effet d'éclairage dans l'amélioration de la résistance à la pression. En 2006, William J. Cassarly entre la source lumineuse et la lentille de répartition de lumière est placé un réflecteur diffus, en changeant la position du réflecteur diffus peut ajuster la taille du faisceau en changeant ainsi les effets d'éclairage. En 2012, le professeur Zheng mis en concevant la source lumineuse glace faisceau, est réduit la lumière diffusée, la nécessité de réaliser un éclairage de terrain non uniforme, structuré technique laser à balayage lumière sous un éclairage de champ non uniforme peut extraire des informations en trois dimensions avec une précision plus élevée, et mieux en mesure d'achever la reconstruction en trois dimensions des cibles sous-marines. 2016, John Burke invention un appareil est complété par l'éclairage sous-marin conduit de lumière. En changeant la forme du guide de lumière, la lumière émise par la source de lumière transmis à la région d'intérêt, et parce que la lumière se propage dans le guide de lumière, et élimine l'atténuation de la lumière se propageant dans l'effet de l'absorption d'eau rencontrée. 2016, Wangwei Zhi Hang Seng de Shanghai Telecom et l'Académie des Sciences de Chine Coopération en haute mer dans le développement des lumières en eaux profondes, sa profondeur de travail de mètres, le projet utilise une lentille en verre givré lisse et deux types de format de conception optique. 2017, au fond de l'avant l'ensemble et autres ont proposé une méthode basée sur le système d'éclairage et le champ non-uniforme, en construisant une distribution d'éclairement uniforme d'un système de distribution de lumière pour surmonter une longueur d'onde différente, chemin des différences d'atténuation de la lumière d'éclairage est obtenu l'image de luminosité de profondeur uniforme.
système de réseau de lampe
Dans le processus d'imagerie optique profonde, une lampe peut généralement pas répondre aux besoins réels, il nécessite l'utilisation de plusieurs lumières. la position spatiale de chaque distribution d'éclairement de la lampe est également important dans le système d'éclairage de profondeur. En 2000, Sun Zhuandong analysé quantitativement la propagation du rayonnement optique dans l'eau de mer, fondations profondes pour la conception du tableau de la lampe. En 2003, les propriétés de propagation de lumière Qi basé Xiongzhi eau de mer, double lampe source de lumière au tungstène-halogène conçu pour le système d'éclairage. Sa profondeur de travail de 350m. En 2011, la diffusion de lumière Geoffrey Allen Gorman causé organiques profondes ont été analysées en réduisant la taille de l'illumination et l'imagerie de la zone de chevauchement, afin d'améliorer le contraste de l'image et la distance de formation d'image. En 2008, en pierre expérimentale Wei Sheng mis en place pour les différentes directions de l'eau de mer a été mesurée la diffusion, fournit un ensemble de données expérimentales efficaces pour l'éclairage profond. 2009, Huang et d'autres en promettant étude de la propagation de la lumière dans l'eau, un modèle théorique de la lumière diffusée. En 2010, Shen Ling Min sous l'eau pendant environ 30 ~ 40m environnement spécial, analyse la lumière des besoins de haute vitesse photographie sous-marine, mise en page et les lumières d'intensité lumineuse faire de la recherche quantitative. 2011, tendue toute la théorie de la diffusion de la lumière dans l'eau de mer les conclusions suivantes: lorsque la direction de la source lumineuse d'éclairage et l'angle de la face cible diminue par la suite aura une incidence sur la qualité de l'image de la diffusion, de sorte que l'angle ne doit pas être trop petit, la dernière source d'éclairage proposé angle directionnel choisie dans la gamme "30 °, 45 °" conclusion. 2015, Zhao et al soulagé par une analyse de modélisation et de simulation de la relation entre l'image de l'arrière-plan des paramètres optiques de lumière de l'eau, une caméra et la distance de l'objet et l'angle d'imagerie de la caméra, fournit une base théorique pour la conception du système d'illumination profonde.
Quatrièmement, le système de caméra en haute mer
Selon le domaine de l'imagerie optique et caractéristiques techniques profondes, système de caméra optique en haute mer peut être divisé en 6 grandes catégories: imagerie normale caméra sous-marine, la caméra d'imagerie laser, une caméra d'imagerie de polarisation, une imagerie panoramique stéréo / caméra, caméra d'imagerie au microscope et une caméra d'imagerie spectrale et ainsi de suite.
La figure système d'imagerie profonde 4 Classification
caméra d'imagerie sous-marine ordinaire
Sous-marine technologie d'imagerie utilisent la fenêtre de verre façon ordinaire, plus la caméra, en raison du faible coût de la technologie, vous pouvez faire beaucoup d'exigences d'observation, il est largement utilisé. Cependant, étant donné que l'indice de réfraction de la profondeur environnement de la mer, et l'atténuation de l'impact submersible lumière et se déplaçant lentement, à concevoir un grand champ, haute résolution, à longueur focale variable, le système optique de formation d'image de la caméra à haute pression est critique. fenêtres submersibles habités remplacés par un ajustement du système optique sphérique plat est un cas important, afin de répondre aux besoins d'un grand champ de vision. De nombreux appareils photo-mer profonde et la production de la caméra des fabricants internationaux, le tableau 1 pour un certain nombre de paramètres de produit par rapport fabricants typiques d'équipement de caméra mer profonde.
Tableau 1 Propriétés optiques internes et profondes typiques du dispositif de caméra
caméra d'imagerie laser
La présence de l'imagerie optique profond en commun une grande quantité de lumière diffusée aura une incidence sur le contraste de l'image dans le processus de formation d'image. Pour réduire l'effet de diffusion de la lumière sur la qualité d'image, et l'éclairage États scientifiques amélioration des modalités d'imagerie, sous-marin de la technologie d'imagerie laser est l'utilisation de la lumière laser pour le composant à faible diffusion intrinsèque développée sur la base de la technologie d'imagerie optique ordinaire. Qui peut atteindre une longueur de décroissance six de la distance de formation d'image (fig. 5). Ce système d'imagerie un est utilisé principalement pour les longues distances et l'imagerie de la qualité médiocre de l'eau. résidus d'avions Hai, la plupart des aspects de l'application d'inspection pipeline pétrolier et gazier.
La figure 5 est une vue schématique d'une distance de formation d'image laser
(A) en mode de formation d'image normale, la caméra et les lumières à la même position, la majeure partie de la lumière diffusée; (b) améliorer l'imagerie normale, l'angle d'imagerie de l'angle d'éclairage à un certain angle, la partie la zone d'éclairement se chevauchant avec la zone de formation d'image devient plus faible, rétrodiffusion la lumière a également réduit, (c) et (d) l'illumination laser, la lumière diffusée est bien supprimées, la plus grande distance de formation d'image jusqu'à 6 longueurs de désintégration
imagerie laser sous-marin classique comprend une plage de laser procédé de balayage synchrone fermée et deux types de méthodes. L'utilisation d'un éclairage laser puisé à partir de la méthode de la grille cible, le détecteur reçoit sensiblement simultanément l'ensemble du champ de vision de la lumière de scène réfléchi par la cible et la lumière diffusée lumière réfléchie atteint la différence de temps de détection, pour réduire la lumière diffusée entrant dans le détecteur. Ce qui peut être contrôlée dans le temps de balayage 0. 1ms. En 2007, la société Canada CRDV distance de visualisation mis au point un système d'imagerie à crénelage laser jusqu'à 5 ~ 35m. Dans le même temps, San Diego société Sparz, branche Port Institut océanographique dans la gamme d'imagerie laser gated a également effectué beaucoup de recherches. imagerie de balayage synchrone est synchronisé avec la ligne de faisceau de balayage reçu de la vue, ce qui réduit la lumière diffusée entrant dans le détecteur. En 1995, le champ de vision efficace produit par Westinghouse pour le système d'imagerie laser de balayage synchrone US Navy SM2000 allant jusqu'à 70 °. longueur d'onde de détection d'atténuation d'environ 5, environ 25 mm peut être prévu dans la distance de résolution de 30 m. En 2001, la société Lockheed Martin États-Unis a développé une imagerie à haute résolution d'imagerie à balayage laser à une distance de 8 m de 3 mm. Comme le montre la Fig. 6, 2010 Scripps Institute of Océanographie développé sous-marin d'imagerie à balayage laser, la fréquence d'échantillonnage peut être jusqu'à 160 lignes / sec.
La figure 6 Scripps Institute of Océanographie imageur à balayage laser
les impulsions de balayage sont combinés avec une plage de balayage synchronisé technologie d'imagerie fermée. la qualité de l'imagerie de contraste balayage synchrone le laser CW avec un laser à impulsions tel que représenté sur la Fig.
La Fig. 7 (a) à balayage laser continu et (b) puisées contraste d'imagerie à balayage laser
impulsion de balayage de lumière structurée est plus avancée, en utilisant le détecteur de tube à balayage en temps résolu, en utilisant un procédé de triangulation pour obtenir des informations de distance, la structure cible résultant en 3 dimensions comme illustré sur la Fig.
La figure 8 structuré imageur à balayage d'impulsion de lumière
La figure 9 est une compagnie canadienne a développé un imageur structure robotique sous-marine 2G balayage impulsion optique, la fréquence d'échantillonnage est 29frame / s, avec un niveau de résolution inférieure au millimètre. En Chine, Beijing Institute of Technology, l'Académie chinoise des sciences de Beijing Semiconductors, Ocean University of China ont été effectué des recherches de l'imagerie laser sous-marin.
La figure. 9 société canadienne 2G développé structuré imageur à balayage d'impulsion lumineuse
caméra d'imagerie de polarisation
Sous-marin idées de conception avec l'imagerie de polarisation imagerie laser, l'utilisation astucieuse de l'objet cible avec différents états de polarisation de la lumière réfléchie de la lumière dispersée de fines particules de caractéristiques différentes, l'analyseur en utilisant uniquement l'objet cible reçoit le mode de formation d'image de lumière réfléchie pour obtenir un clair , qui est de 1,5 fois l'image normale à partir de la distance de formation d'image. En 2003, l'Université du Maryland utilisation israélienne d'une autre image observée lumière polarisée présente seiche, l'élargissement du champ d'application de l'imagerie lumière polarisée. En 2009, l'Institut de technologie d'Israël a développé le dispositif d'imagerie de polarisation sous-marine en utilisant la lumière polarisée circulairement au lieu de la lumière polarisée linéairement, afin d'obtenir une meilleure qualité d'image, comme le montre la figure. En Chine, l'Université chinoise de pétrole (Est de la Chine) et Beijing Institute of Technology à cet égard et il y a eu beaucoup de recherches, mais il est encore au stade de développement.
10 Institut israélien de technologie d'imagerie sous-marine de polarisation
(A) Schéma (b) la carte physique, (c) à effet de formation d'image normale, (d) l'imagerie du bruit de polarisation (e) provoquée par diffusion de la lumière
stéréoscopique / caméra panoramique
Par rapport à l'imagerie ordinaire, l'imagerie en trois dimensions de la mer profonde ajoute des informations en trois dimensions, pour le tournage du film 3D d'une grande importance. En 2012, tour de CAMERON « Deep Sea Challenger » de plongée réussie au fond de la fosse des Mariannes, l'utilisation du système de caméra d'imagerie 3D à bord du submersible, a réussi à capturer la mer profonde film en 3D, et produit 90min de « défi en haute mer » 3D documentaire. En outre, WHOI a également été réalisée pour développer la caméra 3D, avec la technologie arrive à maturité VR, l'imagerie panoramique en haute mer joue un rôle clé dans la réalisation de la mer profonde et la connaissance des sciences de la mer aspects des scènes VR. La Russie, les États-Unis ont lancé un travail lié au développement des produits, illustré à la figure 11.
Figure 11 représentant de la caméra 3D / panoramique du produit
(A) pour le trajet lors du tournage Cameron abysse Challenger submersible habité indiqué ci-dessus équipé d'Scripps Institution of Oceanography et son équipe ont développé la caméra 3D conjointement; (b) sont développés par WHOI Deep Sea Deep Sea caméra 3D ; (c) une société russe pour développer caméra sous-marine panoramique, 200m de profondeur de travail; (d) est une société américaine a développé une caméra sous-marine panoramique, de profondeur de travail de 2000m
caméra d'imagerie microscopique
micro-imagerie en haute mer est un moyen important de microbes d'eau profonde dans les observations in situ. 2016, l'Université Laval au Canada a développé un produit appelé LOKI sous-marin d'imagerie microscopique, illustré à la figure 12. Le système d'imagerie par microscopie en combinaison avec le moyen d'enrichissement microbien peut être observation in situ de micro-organismes vivants, la résolution de 23m.
Figure 12 LOKI microscope situ sous-marin
Scripps Institution of Oceanography est également mis au point une variété de imageur microscopique de sous-marin, dont une dans les observations imageur microscopique in situ en 2016 pour observer le corail, le temps d'intégration inférieur à 1ms, équipé de six lumières LED, travail lorsque la distance est de 65 mm pour atteindre comme représenté sur la figure une résolution de 2 ~ 3 um,.
Figure 13 Scripps Institution of Oceanography développé au microscope in situ
imageur spectral
imagerie profonde spectrale ne peut pas seulement obtenir les informations graphiques en haute mer, mais aussi l'accès au spectre de réflectance cible de l'information, ce qui signifie enquête hydrothermale in situ, des suintements froids en sulfure, le méthane et la glace combustible, un des principaux nodules polymétalliques et d'autres ressources, chimiques en haute mer la recherche et un moyen important de développement des ressources en eaux profondes et des activités d'utilisation. 142013 Pêche Delaware State University S, qui a développé sous imageur spectral. Les utilisations du spectromètre poussent un balai, une grande précision de positionnement de l'AUV.
Sous-marin imageur spectral 14
(A) Schematic; (b) en prise de vue réelle figure; (c) la courbe spectrale; (d) de la figure d'imagerie spectrale.
En Chine, 2017, DICP et machines Anhui rayons ont été développés pour mener à bien sous l'eau dans un spectromètre in situ, mais ne pas la fonction d'imagerie. Maintenant, il a aussi été proposé par la combinaison de la pluralité de longueurs d'onde de données de la sonde laser, traité imagerie spectrale finalement formé, mais encore au stade de la théorie.
V. Conclusion
En général, les systèmes d'éclairage optiques profonds étrangers, alors que la caméra est arrivé à maturité relativement, mais il y a encore quelques problèmes techniques, par exemple: un système d'éclairage en termes de la façon d'améliorer l'indice de rendu des couleurs du système d'éclairage optique, la façon d'améliorer l'uniformité de la luminance de la profondeur d'image et une réduction de la consommation d'énergie du système d'éclairage; dans le système de caméra, les moyens d'étendre la plage de formation d'image, la façon d'améliorer la résolution, et la façon d'obtenir davantage de données telles que la façon d'améliorer la profondeur de travail du système d'imagerie. Indéniablement, par les chercheurs de la recherche à la maison et à l'étranger ces dernières années, des efforts communs, l'illumination optique mer profonde et la caméra a déjà quelques réalisations. Ces résultats jettent les bases de notre recherches plus approfondies.
Source: flux océan de la vie
