一種水下光學圖像的關聯加密傳輸裝置及方法與流程

本發明涉及水下圖像傳輸處理領域，更具體地，涉及一種水下光學圖像的關聯加密傳輸裝置及方法。

背景技術：

目前，成像技術是光學最廣泛的應用領域，人類大腦有80％的信息是通過眼睛獲得，可見圖像信息對人類的日常生活至關重要。光學成像能對物體進行高分辨率、高靈敏度及快速成像，因而具有廣泛應用，其主要利用光電探測器對目標物體直接進行探測。

保密通信中常常需要對圖像進行加密，傳統的圖像混沌加密方法由于混沌序列對初始條件異常敏感，初始條件有細微差別都會導致完全不同的混沌序列，從而無法恢復原始圖像，錯誤率非常高。圖像關聯加密方法不存在初始條件敏感問題，發射端與接收端使用的是預先商量好的共有密鑰，因此解密十分方便。

利用光學信號成像具有很多優點，但是將這種技術應用于水下時卻受到了很多限制。光學探測應用于水下環境時，仍可實現高分辨率、高靈敏度及快速成像，但是光信號在水下由于吸收及散射，其傳輸距離非常短，這大大限制了光學探測在水下環境的應用。

水聲通信是目前水下用的最多的通信方法，現有技術中，擴頻水聲通信、混沌水聲通信等技術已非常成熟，其傳輸距離可達數十公里，且不受電磁干擾。水下環境中利用聲學信號進行傳輸，具有高可靠性、高隱蔽性、高時效性及高保密性等優點。水聲通信能夠實現水下各平臺之間以及水下平臺與水上平臺之間的通信，在水下偵察、調度指揮等領域具有重大應用。

水下光學成像技術與水聲通信技術相結合，其光學探測成像部分仍然使用光學信號，把光學探測到信號加載到聲波上，發射到水聲信號中進行遠距離傳輸，該方法不僅能保持光學成像的高分辨率等優點，還可解決光學信號在水下傳輸距離短等問題，實現光學圖像的遠程傳輸。

技術實現要素：

本發明提供一種克服上述問題或者至少部分地解決上述問題的水下光學圖像的關聯加密傳輸裝置及方法。

根據本發明的一個方面，提供一種水下光學圖像的關聯加密傳輸裝置，包括光學圖像重建平臺和水下光學探測平臺；

所述光學圖像重建平臺包括水聲信號接收模塊和關聯計算模塊；

所述水下光學探測平臺包括中控模塊、結構光照明模塊、光學回波探測模塊和聲學換能發射模塊。

所述中控模塊，用于產生對水下目標物體進行光探測的探測指令，并接收回波信號發送到聲學換能發射模塊；

所述結構光照明模塊，用于接收中控模塊的探測指令，發射探測光，對探測光進行光學整形和光強調制，，對水下目標物體進行隨時間變化的調制光照明；

所述光學回波探測模塊，用于探測并接收水下目標物體反射的光回波信號，并將回波信號發送到中控模塊；

所述聲學換能發射模塊，用于對回波信號進行調制得到調制信號，并將調制信號加載到聲學信號的預定載波頻帶上進行傳輸；

所述水聲信號接收模塊，用于接收水聲信道的調制信號，進行解調處理，提取回波信號；

所述關聯計算模塊，用于對回波信號進行關聯計算得到水下目標物體成像。

根據本發明的另一個方面，提供一種水下光學圖像的關聯加密傳輸方法，包括：

S1，發射探測光照射水下目標物體，進行關聯成像處理；接收光回波信號，調制后發送到聲學信道進行傳輸；

S2，接收聲學信道信號，進行解調及關聯計算處理得到水下目標物體成像。

本申請提出一種水下光學圖像的關聯加密傳輸裝置及方法，水下光學成像技術與水聲通信技術相結合，其光學探測成像部分仍然使用光學信號，把光學探測到信號加載到聲波上，發射到水聲信號中進行遠距離傳輸，該方法不僅能保持光學成像的高分辨率等優點，還可增加光學圖像在水下的傳輸距離，提高通信速率，實現光學圖像的遠程傳輸，實現對目標物體快速成像并把圖像準確、快速地傳輸到光學圖像重建平臺進行處理。

附圖說明

圖1為本發明水下光學圖像的關聯加密傳輸裝置示意圖；

圖2為根據本發明所述裝置第一實施例示意圖；

圖3為本發明第一實施例差分矩陣生成示意圖；

圖4為本發明第一實施例光學加密處理原始矩陣示意圖；

圖5為本發明第一實施例光學加密處理隨機化矩陣示意圖；

圖6為本發明第一實施例光學加密、光學解密處理示意圖；

圖7為根據本發明所述裝置第二實施例示意圖；

圖8為本發明水下光學圖像的關聯加密傳輸方法流程圖。

附圖標記說明

1、光學圖像重建平臺，2、水下光學探測平臺，11，水聲信號接收模塊，12、關聯計算模塊，21、中控模塊，22、結構光照明模塊，23、光學回波探測模塊，24、聲學換能發射模塊，25、成像模塊，26，線掃描與發射模塊，27、回波收集模塊，221、二維光源發射器，222、整形光學元件，223、空間光調制器，224、一維光源發射器，241、擴頻調制器，242、水聲信號發射器，243、混沌調制器，111、水聲信號接收器，112、擴頻解調器，113、混沌解調器。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

如圖1所示，為本發明水下光學圖像的關聯加密傳輸裝置示意圖，包括包括光學圖像重建平臺1和水下光學探測平臺2；

所述光學圖像重建平臺1包括水聲信號接收模塊11和關聯計算模塊12；

所述水下光學探測平臺2包括中控模塊21、結構光照明模塊22、光學回波探測模塊23和聲學換能發射模塊24；

水聲信號接收模塊11、關聯計算模塊12、中控模塊21、結構光照明模塊22、光學回波探測模塊23和聲學換能發射模塊24；

所述中控模塊21，用于產生對水下目標物體進行光探測的探測指令，并接收回波信號發送到聲學換能發射模塊24；

所述結構光照明模塊22，用于接收中控模塊21的探測指令，發射探測光，對探測光進行光學整形和光強調制，對水下目標物體進行隨時間變化的調制光照明；

所述光學回波探測模塊23，用于探測并接收水下目標物體反射的光回波信號，并將回波信號發送到中控模塊21；

所述聲學換能發射模塊24，用于對回波信號進行調制得到調制信號，并將調制信號加載到聲學信號的預定載波頻帶上進行傳輸；

所述水聲信號接收模塊11，用于接收水聲信道的調制信號，進行解調處理，提取回波信號；

所述關聯計算模塊12，用于對回波信號進行關聯計算得到水下目標物體成像。

所述水聲信號接收模塊11連接關聯計算模塊12；所述中控模塊21分別連接結構光照明模塊22、光學回波探測模塊23、聲學換能發射模塊24；

所述中控模塊21向結構光照明模塊22發送觸發指令，所述結構光照明模塊22收到指令后發出探測光照射水下目標物體；所述光學回波探測模塊23接收水下目標物體反射的光回波信號，并將所述回波信號發送到中控模塊21；所述中控模塊21將所述回波信號發送到聲學換能發射模塊24，所述聲學換能發射模塊24對回波信號進行調制得到調制信號，并發送到聲學信道進行傳輸；

所述水聲信號接收模塊11接收聲學信道的調制信號進行解調，并發送到關聯計算模塊12中進行光學圖像處理。

本發明所述裝置包括兩個實施例，均可實現水下光學圖像的關聯加密傳輸，下面分別描述。

如圖2所示，為根據本發明所述裝置第一實施例示意圖，所述結構光照明模塊22包括二維光源發射器221、整形光學元件222和空間光調制器223；

所述二維光源發射器221，用于發射二維探測光；

所述整形光學元件222，用于對探測光進行光學整形；

所述空間光調制器223，用于對整形后的探測光進行空間光強調制，使光強隨機分布。

所述聲學換能發射模塊24包括擴頻調制器241和水聲信號發射器242；

所述擴頻調制器241，用于對回波信號進行擴頻調制及聲學加密處理得到調制信號，并將調制信號加載到聲學信號的預定載波頻帶上；所述預定載波頻帶為4kHz-6kHz。

所述水聲信號發射器242，用于將所述調制信號發射到聲學信道中進行傳輸。

所述水聲信號接收模塊11包括水聲信號接收器111和擴頻解調器112；

所述水聲信號接收器111，用于接收水聲信道的調制信號；

所述擴頻解調器112，用于所述調制信號進行擴頻解調及聲學解密處理，提取回波信號，并發送到關聯計算模塊12。

所述空間光調制器223和關聯計算模塊12上分別預先保存有二進制照明隨機圖作為光學加密處理的密鑰；所述預先保存有二進制照明隨機圖，為光學圖像重建平臺1和水下光學探測平臺2的公共密鑰。

所述空間光調制器223通過探測光與二進制照明隨機圖進行關聯計算得到目標物體處的光強分布，進行光學加密處理，并將處理結果發送給中控模塊21；

所述關聯計算模塊12通過二進制照明隨機圖對水聲信號接收模塊11提取的回波信號進行光學解密處理得到水下目標物體成像。

還包括成像模塊25，所述成像模塊25連接結構光照明模塊22，用于將探測光投影到水下目標物體上。

所述第一實施例中，所述二維光源發射器221為面光源。優選的，為LED面光源，LED面光源發光效率大，成本低，且LED無衍射光斑。

所述空間光調制器223為液晶空間光調制器(LCSLM)或數字微鏡器件(DMD)，優選的，為TI(Texas Instruments)公司開發的數字微鏡器件DMD(Digital Mirror Device)，與SLM(Spatial Light Modulator)中的液晶結構不同，DMD中為反射鏡結構，通過特定的成像模塊可以將DMD上的圖像直接投射到物體所在的空間位置，DMD上的圖像是可以預先加載的，其刷新速率快，工作波長范圍大，非常適用于高速光調制領域。

所述光學回波探測模塊23為一個或多個點探測器，所述點探測器為光電二極管、光電倍增管PMT或雪崩光電二極管APD，是一種把光信號轉換為電信號的光電傳感器件；不要求做二維可分辨的探測，不需要具備空間分辨能力。優選的，為雪崩光電二極管APD(Avalanche Photo Diode)，其內部增益高，可提高對微弱信號探測時的靈敏度，且響應速度快，頻帶帶寬可達100GHz。當使用多個點探測器同時探測光強信號求平均值時，可有效減少由于接收角度或外界不穩定的環境因素帶來的誤差，提高系統的準確性。

所述聲學換能發射模塊24中擴頻調制器241的目的在于為對光學回波探測模塊23的點探測器接收到的光回波信號進行加密，增強水下傳輸過程的抗干擾能力，調制方法為擴頻調制方法；調制的同時可對信號按預定的編碼進行加密，以進一步提升系統安全性，此為聲學加密處理。

所述第一實施例中，各模塊間的協同工作關系如下：

所述中控模塊21發出觸發指令使結構光照明模塊22開始工作，結構光照明模塊22中的二維光源發射器221發射的光經過所述整形光學元件222整形后被所述空間光調制器223進行空間光強調制，使光強隨機分布；并由二維光源發射器221發射的光與空間光調制器223上預先保存有的二進制照明隨機圖計算得到目標物體處的光強分布。

所述光強隨機分布的光經特定的成像模塊25投影到水下目標物體上，經物體反射后，由所述光學回波探測模塊23接收回波信號，并將接收到的回波信號傳送給中控模塊21。

中控模塊21把接收到的回波信號傳送到聲學換能發射模塊24中的擴頻調制器241進行調制，將回波信號加載到聲學信號上，載波頻帶選用4kHz-6kHz；水聲信號發射器242將所述聲學信號發射進入聲學信道中進行遠距離傳輸。

水聲信號接收模塊11中的水聲信號接收器111接收到來自水聲信道的聲學信號，經擴頻解調器112進行解調，提取所需的回波信號，送入關聯計算模塊12中，利用提取出的光強信息與之前計算得到的水下目標物體處的探測光強分布進行關聯計算，得到水下目標物體的成像。

所述第一實施例中，結構光照明模塊結構光照明模塊22中LED二維光源發射的光波長為綠光波段，屬于海水中可見光傳播的“藍綠窗口”，海水吸收較低。所述空間光調制器223中預先加載的二進制照明隨機圖為隨機Hadamard矩陣，Hadamard矩陣是由{+1，-1}元素構成的正交陣，其所有行和列彼此完全正交；Hadamard矩陣元素只有1和-1，為了在投影中表示出-1，必須采用差分投影的方式。

所述第一實施例中，以分辨率為32×32成像，需要Hadamard采樣1024次，需差分投影2048次。如圖2所示，為差分投影矩陣的生成步驟，包括：

對1024*1024的Hadamard矩陣抽取每一行得到1024個32*32的矩陣，即對每一行的1024個元素，重新排列成一個32*32的矩陣，1024行可以重新排列成1024個32*32的矩陣；

對每個32*32的矩陣，將其中的元素-1置為0，得到A矩陣，A矩陣的元素只有1和0；

對每個A矩陣，執行1-A，即對A中的每個元素A_i，執行1-A_i，得到B矩陣，B矩陣只有0和1。

所述第一實施例中，為了實現保密通信，需要對光學圖像進行關聯加密，將原始Hadamard矩陣進行隨機化生成隨機化Hadamard矩陣，隨機化Hadamard矩陣既能保證關聯成像的高效率，又具備保密通信的隨機分布特性。所述第一實施例在水下目標物體投影時，通過空間光調制器223通過對光學圖像進行關聯加密，此為光學加密處理。

所述光學加密處理的原理如下：

圖4為一個32×32的原始Hadamard矩陣，所述原始Hadamard矩陣通過對二維光源發射的光進行差分投影得到；圖5為由圖4生成的一個隨機化Hadamard矩陣，本發明用{x_i}來標識所述隨機化Hadamard矩陣，{x_i}即為預先保存的二進制照明隨機圖，即{x_i}為空間光調制器223和關聯計算模塊12的公共密鑰。

如圖6所示，LED二維光源的光隨機化成{x_i}后照射在水下目標物體上后，水下目標物體對光進行反射，生成反射光，本發明用{y_i}來標識反射光；光學回波探測模塊23接收到{y_i}，通過聲學傳輸后，到達關聯計算模塊12預先保存有{x_i}，利用{x_i}和{y_i}即可計算出目標物體。

本發明所述預先保存的二進制照明隨機圖{x_i}，i為多個，多個{x_i}既可以相同也可以不同。當結構光照明模塊22開始工作，二維光源發射器221發射探測光，空間光調制器223即對探測光進行處理，生成{x_i}并保存；結構光照明模塊22每次工作時的{x_i}可以相同，也可以不同。

所述{x_i}通過預定途徑使學圖像重建平臺1的關聯計算模塊12預先獲知并保存，所述預定途徑包括提前經過聲學信道傳輸給關聯計算模塊12，或者直接將{x_i}保存在關聯計算模塊12上。

如圖7所示，為根據本發明所述裝置第二實施例示意圖，所述第二實施例為本發明的一個較佳實施例，所述結構光照明模塊22包括一維光源發射器221、整形光學元件222；

所述一維光源發射器224，用于發射一維探測光；

所述整形光學元件222，用于對探測光進行光學整形。

所述聲學換能發射模塊24包括水聲信號發射器242和混沌調制器243；

所述混沌調制器243，用于對回波信號進行混沌調制得到調制信號，并將調制信號加載到聲學信號的預定載波頻帶上；

所述水聲信號發射器242，用于將所述調制信號發射到聲學信道中進行傳輸。

所述水聲信號接收模塊11包括水聲信號接收器111和混沌解調器113；

所述水聲信號接收器111，用于接收水聲信道的調制信號；

所述混沌解調器113，用于所述調制信號進行混沌解調，提取回波信號，并發送到關聯計算模塊12。

還包括線掃描與發射模塊26和回波收集模塊27；

所述線掃描與發射模塊26連接結構光照明模塊22，用于對探測光進行掃描進行狹長的探測激光，并向水下目標物體反射；

所述回波收集模塊26連接光學回波探測模塊23，用于收集水下目標物體反射的光回波信號，并發送給光學回波探測模塊23；

所述光學回波探測模塊23將特定時間的回波信號與水下目標物體的探測激光強度進行關聯處理，并將處理結果發送給中控模塊21。

與本發明第一實施例不同的是，第二實施例光源用的為一維光源，優選的線陣激光二極管，所述的一維激光源的強度調制可以通過電源直接調制，不再需要像實施例一中需要DMD進行光強空間調制；本實施例中信號調制方法為混沌調制，混沌系統對初始條件很敏感，具有長期運動的不可預測性，且復雜度大，很難破譯，用于保密通信系統中極為安全。

所述線掃描與發射模塊26包括線掃描元件和發射元件，其中線掃描元件為電控掃描元件，可以控制光的出射方向，實現水下目標物體全面掃描成像；發射元件包括透鏡組與反射鏡組的任意一種或兩種的組合，其中透鏡組為柱面鏡、球面鏡與非球面鏡的任意一種或多種的組合，所述反射鏡組為柱面鏡、球面鏡與非球面鏡的任意一種或多種的組合。

所述第二實施例中，所述一維光源發射器224是由線陣激光二極管LED構成的，光波長選用藍光波段，通過電源直接控制各個LED的發光強度，可直接生成強度隨機分布的一維探測激光，不需要再用另外的空間光強調制器進行調制。

光強隨機分布的一維探測光經線掃描和發射模塊26后以狹長條形的探測激光對水下目標物體進行全方位照明，由水下目標物體反射的光由回波收集模塊7收集，并由所述光學回波探測模塊23接收。

所述光學回波探測模塊23探測到的特定時間的反射激光回波與水下目標物體處的一維探測激光的激光強度分布進行關聯處理，可實現距離選通。光學回波探測模塊23接收回波信號，并將接收到的回波信號傳送給中控模塊21；中控模塊21把接收到的回波信號傳送到聲學換能發射模塊24中的混沌調制器243進行處理，將回波信號加載到聲學信號上，載波頻率選用10kHz；再由水聲信號發射器242發射進入聲學信道中進行遠距離傳輸。

水聲信號接收模塊11中的水聲信號接收器111接收到來自水聲信道的水聲信號，經混沌解調器113進行解調，提取所需的回波信號，送入關聯計算模塊12中進行關聯計算，得到水下目標物體的成像。

本發明所述水下光學探測平臺2可運動，通過運動實現對目標物體區域的快速探測成像；在具備相應的硬件設備的情況下，所述水下光學探測平臺2與光學圖像重建平臺1角色可互換，光學圖像重建平臺1亦可對目標物體成像。

本發明在利用探測光照射水下目標物體進行關聯成像時，若物體信息量龐大，傳統的采樣方法會導致采樣速度和信號處理速度太慢，可利用壓縮感知的方法，將壓縮和采樣合二為一，可有效減少采樣次數，提高系統成像的速度，節省數據存儲空間，提高圖像的分辨率，實現信號精確重構。

如圖8所示，為本發明水下光學圖像的關聯加密傳輸方法流程圖，一種水下光學圖像的關聯加密傳輸方法，其特征在于，包括：

S1，發射探測光照射水下目標物體，進行關聯成像處理；接收光回波信號，調制后發送到聲學信道進行傳輸；

S2，接收聲學信道信號，進行解調及關聯計算處理得到水下目標物體成像。

本發明中，所述方法S1的處理由水下光學探測平臺2完成，S2的處理由光學圖像重建平臺1完成。

具體的，本發明所述裝置第一實施例所采用的方法為：

步驟100，發射二維探測光，對探測光進行光學整形；

分別由所述裝置中二維光源發射器221和整形光學元件222完成，所述探測光波長為綠光波段。

步驟101，進行空間光強調制，使光強隨機分布；照射水下目標物體，通過二進制照明隨機圖計算得到目標物體處的探測光強分布，進行光學加密處理；

由所述裝置中空間光調制器223完成。

具體處理是，對探測光進行差分投影，隨機化生成二進制照明隨機圖，照射水下目標物體，計算得到目標物體處的探測光強分布進行加密處理。

步驟102，接收反射光回波信號，對回波信號進行擴頻調制及聲學加密處理得到調制信號，將調制信號加載到聲學信號的預定載波頻帶上，并發射到聲學信道中進行傳輸；

分別由所述裝置中光學回波探測模塊23、擴頻調制器241及水聲信號發射器242完成。

所述聲學加密處理是指，在調制的同時可對信號按預定的編碼進行加密。

以上是圖像采集發送端即水下光學探測平臺2的處理。

步驟103，接收水聲信道的調制信號，進行擴頻解調及聲學解密處理，提取回波信號；由所述裝置中水聲信號接收器111和擴頻解調器1112完成。

所述聲學解密處理是指與聲學加密處理相反的處理過程。

步驟104，過二進制照明隨機圖對回波信號進行光學解密處理，得到水下目標物體成像；由所述裝置中關聯計算模塊12完成。

所述光學解密處理是指與光學加密處理相反的處理過程。

以上的信號接收圖像重建端即光學圖像重建平臺1的處理。

具體的，本發明所述裝置第二實施例所采用的方法為：

步驟200，發射一維探測光，對探測光進行光學整形；由所述裝置中一維光源發射器224和整形光學元件222完成。

所述探測光波長選用藍光波段，并且是光強隨機分布的。

步驟201，對探測光進行掃描處理形成狹長條形的探測激光，照射水下目標物體；由所述裝置中線掃描與發射模塊26完成。

步驟202，接收反射光回波信號，將特定時間的回波信號與水下目標物體的探測激光強度進行關聯處理；由所述裝置中光學回波探測模塊23完成。

步驟203，進行混沌調制得到調制信號，將調制信號加載到聲學信號的預定載波頻帶上，并發射到聲學信道中進行傳輸；

分別由所述裝置中混沌調制器243和水聲信號發射器242完成。

混沌調制具有長期運動的不可預測性，且復雜度大，很難破譯，使用混沌調制的信號具有加密性。

以上是圖像采集發送端的處理。

步驟204，接收水聲信道的調制信號，進行混沌解調，提取回波信號；由所述裝置中混沌解調器113完成。

步驟205，將回波信號與激光強度進行關聯計算，得到水下目標物體成像。由所述裝置關聯計算模塊12完成。

所述關聯計算是指與步驟201中將回波信號與水下目標物體的探測激光強度進行關聯處理的相反的處理過程。

以上的信號接收圖像重建端的處理。

本發明提供的水下光學圖像的關聯加密遠程傳輸裝置、系統及方法，采用光學關聯探測與水聲通信傳輸結合的方式，有效增加水下光學圖像的成像分辨率及圖像的傳輸距離。

光源可使用二維探測光源，亦可使用一維探測光源，使用一維探測光源照射物體時，可以實現用更少的采樣次數、更短的重建時間獲得高質量的目標圖像；光源可使用連續光也可使用脈沖光，采用脈沖激光器發射激光時，通過線掃描和發射模塊及回波采集模塊，結合距離選通，可以達到更高的信噪比。

利用關聯加密及水聲通信加密，實現一個系統具備兩個共有密鑰，既增加了系統的安全性及抗干擾性，又解決了非對稱加密計算時間長、密鑰計算困難等問題。總之，水下光學探測與水聲通信結合，既保留了光學探測分辨率高、成像速度快等優點，又解決了因海水吸收而導致的水下光學圖像傳輸距離短的缺點。

最后，本申請的方法僅為較佳的實施方案，并非用于限定本發明的保護范圍。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。