一种水下光学图像的关联加密传输装置及方法技术领域
本发明涉及水下图像传输处理领域，更具体地，涉及一种水下光学图像的关联加
密传输装置及方法。
背景技术
目前，成像技术是光学最广泛的应用领域，人类大脑有80％的信息是通过眼睛获
得，可见图像信息对人类的日常生活至关重要。光学成像能对物体进行高分辨率、高灵敏度
及快速成像，因而具有广泛应用，其主要利用光电探测器对目标物体直接进行探测。
保密通信中常常需要对图像进行加密，传统的图像混沌加密方法由于混沌序列对
初始条件异常敏感，初始条件有细微差别都会导致完全不同的混沌序列，从而无法恢复原
始图像，错误率非常高。图像关联加密方法不存在初始条件敏感问题，发射端与接收端使用
的是预先商量好的共有密钥，因此解密十分方便。
利用光学信号成像具有很多优点，但是将这种技术应用于水下时却受到了很多限
制。光学探测应用于水下环境时，仍可实现高分辨率、高灵敏度及快速成像，但是光信号在
水下由于吸收及散射，其传输距离非常短，这大大限制了光学探测在水下环境的应用。
水声通信是目前水下用的最多的通信方法，现有技术中，扩频水声通信、混沌水声
通信等技术已非常成熟，其传输距离可达数十公里，且不受电磁干扰。水下环境中利用声学
信号进行传输，具有高可靠性、高隐蔽性、高时效性及高保密性等优点。水声通信能够实现
水下各平台之间以及水下平台与水上平台之间的通信，在水下侦察、调度指挥等领域具有
重大应用。
水下光学成像技术与水声通信技术相结合，其光学探测成像部分仍然使用光学信
号，把光学探测到信号加载到声波上，发射到水声信号中进行远距离传输，该方法不仅能保
持光学成像的高分辨率等优点，还可解决光学信号在水下传输距离短等问题，实现光学图
像的远程传输。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的水下光学图像的
关联加密传输装置及方法。
根据本发明的一个方面，提供一种水下光学图像的关联加密传输装置，包括光学
图像重建平台和水下光学探测平台；
所述光学图像重建平台包括水声信号接收模块和关联计算模块；
所述水下光学探测平台包括中控模块、结构光照明模块、光学回波探测模块和声
学换能发射模块。
所述中控模块，用于产生对水下目标物体进行光探测的探测指令，并接收回波信
号发送到声学换能发射模块；
所述结构光照明模块，用于接收中控模块的探测指令，发射探测光，对探测光进行
光学整形和光强调制，，对水下目标物体进行随时间变化的调制光照明；
所述光学回波探测模块，用于探测并接收水下目标物体反射的光回波信号，并将
回波信号发送到中控模块；
所述声学换能发射模块，用于对回波信号进行调制得到调制信号，并将调制信号
加载到声学信号的预定载波频带上进行传输；
所述水声信号接收模块，用于接收水声信道的调制信号，进行解调处理，提取回波
信号；
所述关联计算模块，用于对回波信号进行关联计算得到水下目标物体成像。
根据本发明的另一个方面，提供一种水下光学图像的关联加密传输方法，包括：
S1，发射探测光照射水下目标物体，进行关联成像处理；接收光回波信号，调制后
发送到声学信道进行传输；
S2，接收声学信道信号，进行解调及关联计算处理得到水下目标物体成像。
本申请提出一种水下光学图像的关联加密传输装置及方法，水下光学成像技术与
水声通信技术相结合，其光学探测成像部分仍然使用光学信号，把光学探测到信号加载到
声波上，发射到水声信号中进行远距离传输，该方法不仅能保持光学成像的高分辨率等优
点，还可增加光学图像在水下的传输距离，提高通信速率，实现光学图像的远程传输，实现
对目标物体快速成像并把图像准确、快速地传输到光学图像重建平台进行处理。
附图说明
图1为本发明水下光学图像的关联加密传输装置示意图；
图2为根据本发明所述装置第一实施例示意图；
图3为本发明第一实施例差分矩阵生成示意图；
图4为本发明第一实施例光学加密处理原始矩阵示意图；
图5为本发明第一实施例光学加密处理随机化矩阵示意图；
图6为本发明第一实施例光学加密、光学解密处理示意图；
图7为根据本发明所述装置第二实施例示意图；
图8为本发明水下光学图像的关联加密传输方法流程图。
附图标记说明
1、光学图像重建平台，2、水下光学探测平台，11，水声信号接收模块，12、关联计算
模块，21、中控模块，22、结构光照明模块，23、光学回波探测模块，24、声学换能发射模块，
25、成像模块，26，线扫描与发射模块，27、回波收集模块，221、二维光源发射器，222、整形光
学元件，223、空间光调制器，224、一维光源发射器，241、扩频调制器，242、水声信号发射器，
243、混沌调制器，111、水声信号接收器，112、扩频解调器，113、混沌解调器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施
例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，为本发明水下光学图像的关联加密传输装置示意图，包括包括光学图
像重建平台1和水下光学探测平台2；
所述光学图像重建平台1包括水声信号接收模块11和关联计算模块12；
所述水下光学探测平台2包括中控模块21、结构光照明模块22、光学回波探测模块
23和声学换能发射模块24；
水声信号接收模块11、关联计算模块12、中控模块21、结构光照明模块22、光学回
波探测模块23和声学换能发射模块24；
所述中控模块21，用于产生对水下目标物体进行光探测的探测指令，并接收回波
信号发送到声学换能发射模块24；
所述结构光照明模块22，用于接收中控模块21的探测指令，发射探测光，对探测光
进行光学整形和光强调制，对水下目标物体进行随时间变化的调制光照明；
所述光学回波探测模块23，用于探测并接收水下目标物体反射的光回波信号，并
将回波信号发送到中控模块21；
所述声学换能发射模块24，用于对回波信号进行调制得到调制信号，并将调制信
号加载到声学信号的预定载波频带上进行传输；
所述水声信号接收模块11，用于接收水声信道的调制信号，进行解调处理，提取回
波信号；
所述关联计算模块12，用于对回波信号进行关联计算得到水下目标物体成像。
所述水声信号接收模块11连接关联计算模块12；所述中控模块21分别连接结构光
照明模块22、光学回波探测模块23、声学换能发射模块24；
所述中控模块21向结构光照明模块22发送触发指令，所述结构光照明模块22收到
指令后发出探测光照射水下目标物体；所述光学回波探测模块23接收水下目标物体反射的
光回波信号，并将所述回波信号发送到中控模块21；所述中控模块21将所述回波信号发送
到声学换能发射模块24，所述声学换能发射模块24对回波信号进行调制得到调制信号，并
发送到声学信道进行传输；
所述水声信号接收模块11接收声学信道的调制信号进行解调，并发送到关联计算
模块12中进行光学图像处理。
本发明所述装置包括两个实施例，均可实现水下光学图像的关联加密传输，下面
分别描述。
如图2所示，为根据本发明所述装置第一实施例示意图，所述结构光照明模块22包
括二维光源发射器221、整形光学元件222和空间光调制器223；
所述二维光源发射器221，用于发射二维探测光；
所述整形光学元件222，用于对探测光进行光学整形；
所述空间光调制器223，用于对整形后的探测光进行空间光强调制，使光强随机分
布。
所述声学换能发射模块24包括扩频调制器241和水声信号发射器242；
所述扩频调制器241，用于对回波信号进行扩频调制及声学加密处理得到调制信
号，并将调制信号加载到声学信号的预定载波频带上；所述预定载波频带为4kHz-6kHz。
所述水声信号发射器242，用于将所述调制信号发射到声学信道中进行传输。
所述水声信号接收模块11包括水声信号接收器111和扩频解调器112；
所述水声信号接收器111，用于接收水声信道的调制信号；
所述扩频解调器112，用于所述调制信号进行扩频解调及声学解密处理，提取回波
信号，并发送到关联计算模块12。
所述空间光调制器223和关联计算模块12上分别预先保存有二进制照明随机图作
为光学加密处理的密钥；所述预先保存有二进制照明随机图，为光学图像重建平台1和水下
光学探测平台2的公共密钥。
所述空间光调制器223通过探测光与二进制照明随机图进行关联计算得到目标物
体处的光强分布，进行光学加密处理，并将处理结果发送给中控模块21；
所述关联计算模块12通过二进制照明随机图对水声信号接收模块11提取的回波
信号进行光学解密处理得到水下目标物体成像。
还包括成像模块25，所述成像模块25连接结构光照明模块22，用于将探测光投影
到水下目标物体上。
所述第一实施例中，所述二维光源发射器221为面光源。优选的，为LED面光源，LED
面光源发光效率大，成本低，且LED无衍射光斑。
所述空间光调制器223为液晶空间光调制器(LCSLM)或数字微镜器件(DMD)，优选
的，为TI(Texas Instruments)公司开发的数字微镜器件DMD(Digital Mirror Device)，与
SLM(Spatial Light Modulator)中的液晶结构不同，DMD中为反射镜结构，通过特定的成像
模块可以将DMD上的图像直接投射到物体所在的空间位置，DMD上的图像是可以预先加载
的，其刷新速率快，工作波长范围大，非常适用于高速光调制领域。
所述光学回波探测模块23为一个或多个点探测器，所述点探测器为光电二极管、
光电倍增管PMT或雪崩光电二极管APD，是一种把光信号转换为电信号的光电传感器件；不
要求做二维可分辨的探测，不需要具备空间分辨能力。优选的，为雪崩光电二极管APD
(Avalanche Photo Diode)，其内部增益高，可提高对微弱信号探测时的灵敏度，且响应速
度快，频带带宽可达100GHz。当使用多个点探测器同时探测光强信号求平均值时，可有效减
少由于接收角度或外界不稳定的环境因素带来的误差，提高系统的准确性。
所述声学换能发射模块24中扩频调制器241的目的在于为对光学回波探测模块23
的点探测器接收到的光回波信号进行加密，增强水下传输过程的抗干扰能力，调制方法为
扩频调制方法；调制的同时可对信号按预定的编码进行加密，以进一步提升系统安全性，此
为声学加密处理。
所述第一实施例中，各模块间的协同工作关系如下：
所述中控模块21发出触发指令使结构光照明模块22开始工作，结构光照明模块22
中的二维光源发射器221发射的光经过所述整形光学元件222整形后被所述空间光调制器
223进行空间光强调制，使光强随机分布；并由二维光源发射器221发射的光与空间光调制
器223上预先保存有的二进制照明随机图计算得到目标物体处的光强分布。
所述光强随机分布的光经特定的成像模块25投影到水下目标物体上，经物体反射
后，由所述光学回波探测模块23接收回波信号，并将接收到的回波信号传送给中控模块21。
中控模块21把接收到的回波信号传送到声学换能发射模块24中的扩频调制器241
进行调制，将回波信号加载到声学信号上，载波频带选用4kHz-6kHz；水声信号发射器242将
所述声学信号发射进入声学信道中进行远距离传输。
水声信号接收模块11中的水声信号接收器111接收到来自水声信道的声学信号，
经扩频解调器112进行解调，提取所需的回波信号，送入关联计算模块12中，利用提取出的
光强信息与之前计算得到的水下目标物体处的探测光强分布进行关联计算，得到水下目标
物体的成像。
所述第一实施例中，结构光照明模块结构光照明模块22中LED二维光源发射的光
波长为绿光波段，属于海水中可见光传播的“蓝绿窗口”，海水吸收较低。所述空间光调制器
223中预先加载的二进制照明随机图为随机Hadamard矩阵，Hadamard矩阵是由{+1，-1}元素
构成的正交阵，其所有行和列彼此完全正交；Hadamard矩阵元素只有1和-1，为了在投影中
表示出-1，必须采用差分投影的方式。
所述第一实施例中，以分辨率为32×32成像，需要Hadamard采样1024次，需差分投
影2048次。如图2所示，为差分投影矩阵的生成步骤，包括：
对1024*1024的Hadamard矩阵抽取每一行得到1024个32*32的矩阵，即对每一行的
1024个元素，重新排列成一个32*32的矩阵，1024行可以重新排列成1024个32*32的矩阵；
对每个32*32的矩阵，将其中的元素-1置为0，得到A矩阵，A矩阵的元素只有1和0；
对每个A矩阵，执行1-A，即对A中的每个元素Ai，执行1-Ai，得到B矩阵，B矩阵只有0
和1。
所述第一实施例中，为了实现保密通信，需要对光学图像进行关联加密，将原始
Hadamard矩阵进行随机化生成随机化Hadamard矩阵，随机化Hadamard矩阵既能保证关联成
像的高效率，又具备保密通信的随机分布特性。所述第一实施例在水下目标物体投影时，通
过空间光调制器223通过对光学图像进行关联加密，此为光学加密处理。
所述光学加密处理的原理如下：
图4为一个32×32的原始Hadamard矩阵，所述原始Hadamard矩阵通过对二维光源
发射的光进行差分投影得到；图5为由图4生成的一个随机化Hadamard矩阵，本发明用{xi}
来标识所述随机化Hadamard矩阵，{xi}即为预先保存的二进制照明随机图，即{xi}为空间光
调制器223和关联计算模块12的公共密钥。
如图6所示，LED二维光源的光随机化成{xi}后照射在水下目标物体上后，水下目
标物体对光进行反射，生成反射光，本发明用{yi}来标识反射光；光学回波探测模块23接收
到{yi}，通过声学传输后，到达关联计算模块12预先保存有{xi}，利用{xi}和{yi}即可计算
出目标物体。
本发明所述预先保存的二进制照明随机图{xi}，i为多个，多个{xi}既可以相同也
可以不同。当结构光照明模块22开始工作，二维光源发射器221发射探测光，空间光调制器
223即对探测光进行处理，生成{xi}并保存；结构光照明模块22每次工作时的{xi}可以相同，
也可以不同。
所述{xi}通过预定途径使学图像重建平台1的关联计算模块12预先获知并保存，
所述预定途径包括提前经过声学信道传输给关联计算模块12，或者直接将{xi}保存在关联
计算模块12上。
如图7所示，为根据本发明所述装置第二实施例示意图，所述第二实施例为本发明
的一个较佳实施例，所述结构光照明模块22包括一维光源发射器221、整形光学元件222；
所述一维光源发射器224，用于发射一维探测光；
所述整形光学元件222，用于对探测光进行光学整形。
所述声学换能发射模块24包括水声信号发射器242和混沌调制器243；
所述混沌调制器243，用于对回波信号进行混沌调制得到调制信号，并将调制信号
加载到声学信号的预定载波频带上；
所述水声信号发射器242，用于将所述调制信号发射到声学信道中进行传输。
所述水声信号接收模块11包括水声信号接收器111和混沌解调器113；
所述水声信号接收器111，用于接收水声信道的调制信号；
所述混沌解调器113，用于所述调制信号进行混沌解调，提取回波信号，并发送到
关联计算模块12。
还包括线扫描与发射模块26和回波收集模块27；
所述线扫描与发射模块26连接结构光照明模块22，用于对探测光进行扫描进行狭
长的探测激光，并向水下目标物体反射；
所述回波收集模块26连接光学回波探测模块23，用于收集水下目标物体反射的光
回波信号，并发送给光学回波探测模块23；
所述光学回波探测模块23将特定时间的回波信号与水下目标物体的探测激光强
度进行关联处理，并将处理结果发送给中控模块21。
与本发明第一实施例不同的是，第二实施例光源用的为一维光源，优选的线阵激
光二极管，所述的一维激光源的强度调制可以通过电源直接调制，不再需要像实施例一中
需要DMD进行光强空间调制；本实施例中信号调制方法为混沌调制，混沌系统对初始条件很
敏感，具有长期运动的不可预测性，且复杂度大，很难破译，用于保密通信系统中极为安全。
所述线扫描与发射模块26包括线扫描元件和发射元件，其中线扫描元件为电控扫
描元件，可以控制光的出射方向，实现水下目标物体全面扫描成像；发射元件包括透镜组与
反射镜组的任意一种或两种的组合，其中透镜组为柱面镜、球面镜与非球面镜的任意一种
或多种的组合，所述反射镜组为柱面镜、球面镜与非球面镜的任意一种或多种的组合。
所述第二实施例中，所述一维光源发射器224是由线阵激光二极管LED构成的，光
波长选用蓝光波段，通过电源直接控制各个LED的发光强度，可直接生成强度随机分布的一
维探测激光，不需要再用另外的空间光强调制器进行调制。
光强随机分布的一维探测光经线扫描和发射模块26后以狭长条形的探测激光对
水下目标物体进行全方位照明，由水下目标物体反射的光由回波收集模块7收集，并由所述
光学回波探测模块23接收。
所述光学回波探测模块23探测到的特定时间的反射激光回波与水下目标物体处
的一维探测激光的激光强度分布进行关联处理，可实现距离选通。光学回波探测模块23接
收回波信号，并将接收到的回波信号传送给中控模块21；中控模块21把接收到的回波信号
传送到声学换能发射模块24中的混沌调制器243进行处理，将回波信号加载到声学信号上，
载波频率选用10kHz；再由水声信号发射器242发射进入声学信道中进行远距离传输。
水声信号接收模块11中的水声信号接收器111接收到来自水声信道的水声信号，
经混沌解调器113进行解调，提取所需的回波信号，送入关联计算模块12中进行关联计算，
得到水下目标物体的成像。
本发明所述水下光学探测平台2可运动，通过运动实现对目标物体区域的快速探
测成像；在具备相应的硬件设备的情况下，所述水下光学探测平台2与光学图像重建平台1
角色可互换，光学图像重建平台1亦可对目标物体成像。
本发明在利用探测光照射水下目标物体进行关联成像时，若物体信息量庞大，传
统的采样方法会导致采样速度和信号处理速度太慢，可利用压缩感知的方法，将压缩和采
样合二为一，可有效减少采样次数，提高系统成像的速度，节省数据存储空间，提高图像的
分辨率，实现信号精确重构。
如图8所示，为本发明水下光学图像的关联加密传输方法流程图，一种水下光学图
像的关联加密传输方法，其特征在于，包括：
S1，发射探测光照射水下目标物体，进行关联成像处理；接收光回波信号，调制后
发送到声学信道进行传输；
S2，接收声学信道信号，进行解调及关联计算处理得到水下目标物体成像。
本发明中，所述方法S1的处理由水下光学探测平台2完成，S2的处理由光学图像重
建平台1完成。
具体的，本发明所述装置第一实施例所采用的方法为：
步骤100，发射二维探测光，对探测光进行光学整形；
分别由所述装置中二维光源发射器221和整形光学元件222完成，所述探测光波长
为绿光波段。
步骤101，进行空间光强调制，使光强随机分布；照射水下目标物体，通过二进制照
明随机图计算得到目标物体处的探测光强分布，进行光学加密处理；
由所述装置中空间光调制器223完成。
具体处理是，对探测光进行差分投影，随机化生成二进制照明随机图，照射水下目
标物体，计算得到目标物体处的探测光强分布进行加密处理。
步骤102，接收反射光回波信号，对回波信号进行扩频调制及声学加密处理得到调
制信号，将调制信号加载到声学信号的预定载波频带上，并发射到声学信道中进行传输；
分别由所述装置中光学回波探测模块23、扩频调制器241及水声信号发射器242完
成。
所述声学加密处理是指，在调制的同时可对信号按预定的编码进行加密。
以上是图像采集发送端即水下光学探测平台2的处理。
步骤103，接收水声信道的调制信号，进行扩频解调及声学解密处理，提取回波信
号；由所述装置中水声信号接收器111和扩频解调器1112完成。
所述声学解密处理是指与声学加密处理相反的处理过程。
步骤104，过二进制照明随机图对回波信号进行光学解密处理，得到水下目标物体
成像；由所述装置中关联计算模块12完成。
所述光学解密处理是指与光学加密处理相反的处理过程。
以上的信号接收图像重建端即光学图像重建平台1的处理。
具体的，本发明所述装置第二实施例所采用的方法为：
步骤200，发射一维探测光，对探测光进行光学整形；由所述装置中一维光源发射
器224和整形光学元件222完成。
所述探测光波长选用蓝光波段，并且是光强随机分布的。
步骤201，对探测光进行扫描处理形成狭长条形的探测激光，照射水下目标物体；
由所述装置中线扫描与发射模块26完成。
步骤202，接收反射光回波信号，将特定时间的回波信号与水下目标物体的探测激
光强度进行关联处理；由所述装置中光学回波探测模块23完成。
步骤203，进行混沌调制得到调制信号，将调制信号加载到声学信号的预定载波频
带上，并发射到声学信道中进行传输；
分别由所述装置中混沌调制器243和水声信号发射器242完成。
混沌调制具有长期运动的不可预测性，且复杂度大，很难破译，使用混沌调制的信
号具有加密性。
以上是图像采集发送端的处理。
步骤204，接收水声信道的调制信号，进行混沌解调，提取回波信号；由所述装置中
混沌解调器113完成。
步骤205，将回波信号与激光强度进行关联计算，得到水下目标物体成像。由所述
装置关联计算模块12完成。
所述关联计算是指与步骤201中将回波信号与水下目标物体的探测激光强度进行
关联处理的相反的处理过程。
以上的信号接收图像重建端的处理。
本发明提供的水下光学图像的关联加密远程传输装置、系统及方法，采用光学关
联探测与水声通信传输结合的方式，有效增加水下光学图像的成像分辨率及图像的传输距
离。
光源可使用二维探测光源，亦可使用一维探测光源，使用一维探测光源照射物体
时，可以实现用更少的采样次数、更短的重建时间获得高质量的目标图像；光源可使用连续
光也可使用脉冲光，采用脉冲激光器发射激光时，通过线扫描和发射模块及回波采集模块，
结合距离选通，可以达到更高的信噪比。
利用关联加密及水声通信加密，实现一个系统具备两个共有密钥，既增加了系统
的安全性及抗干扰性，又解决了非对称加密计算时间长、密钥计算困难等问题。总之，水下
光学探测与水声通信结合，既保留了光学探测分辨率高、成像速度快等优点，又解决了因海
水吸收而导致的水下光学图像传输距离短的缺点。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在
本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护
范围之内。