条纹管激光雷达水下三维成像及图像处理研究

发布时间：2020-07-24 16:13

【摘要】：随着小型化高重频高功率激光技术和新型光电器件的不断发展,以及对海洋资源开发、海洋科研等日益增长的需求,高精度、高帧频的水下目标激光探测及成像技术成为一种重要的海洋探测手段。条纹管激光雷达利用条纹管高速相机的时空分辨能力,可实现大视场高帧频高分辨三维成像。为实现长距离及高细节分辨能力的水下目标激光成像,本论文基于条纹管激光雷达系统展开研究,对水面波及水下环境对成像的影响进行分析,完成室内目标三维成像实验,最后针对实验所获条纹图像,设计并优化目标三维重构算法,主要工作描述如下:1.围绕实验室自主设计的以条纹管相机为核心器件的条纹管激光雷达系统展开三个方面的理论分析,包括条纹管相机(主要结构、成像原理、特性参数),条纹管激光雷达系统(组成及各部分工作原理)以及三维重构算法。2.根据水下激光传输特性及系统成像需求,选择适用于水下环境的器件,包括出射波长符合海水窗口的高重频脉冲激光器、延时触发器、高帧频数字CCD相机等,与课题组成员共同搭建条纹管激光雷达水下三维成像系统。3.模拟分析水表面波及水体对成像的影响。首先模拟多类水表面波及波浪对成像造成的畸变,再结合水体调制传递函数模拟目标图像经空-水界面及水体后的效果。4.与课题组成员共同搭建室内目标三维成像系统并完成目标三维成像实验,根据实验获取的典型目标(阶梯状矩形目标)条纹图像特点,改进传统特征数据提取算法,设计基于高斯拟合的三维重建算法,该算法实现了探测目标纵深方向30cm的距离分辨力,并将距离重建误差降至8%以内。在此基础上,采用卷积神经网络对高斯拟合算法进行优化,保证重建效果的同时有效提高算法运行效率。成像实验与目标重构结果分别验证了系统方案及三维重建算法的合理性与可行性,为后期水下目标成像实验提供先验依据。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN958.98;TP391.41
【图文】：

原理图,距离选通,系统成像,原理

图 1 距离选通系统成像原理第二，空间区分/激光同步线扫描技术（LLS, Laser Line Scan），该类成像系统的发射器出射准直线阵激光，旋转反射镜控制激光束扫描方向，高灵敏度窄视场的接收器跟踪接收反射光并完成成像[4]。由于系统的发射器与接收器之间存在一定间隔，如图 2 所示，成像系统仅对目标附近的小范围进行成像，由此大大削减了共同体积散射带来的影响。另外，线阵激光的应用使得 LLS 系统成像速度相比于点激光扫描更快，且对激光功率的要求相比距离选通技术更低。为进一步提高作用距离，减小前向散射的干扰，激光线扫描系统经历了由 “常规探测器+连续激光”（CW-LLS）组合到 “选通型探测器+脉冲激光”（PG-LLS）组合的发展[1]。1988 年，美国 Kaman 公司研制出“魔灯”用于机载水雷探测，实现了海上 120~460 米对水下 12~61m 的探测工作，图 3 为装载了“摩灯 90”系统的 MH-60S 直升机，可实现水中目标的自动探测、定位和分类[12]。

激光线扫描,技术原理

条纹管激光雷达水下三维成像及图像处理研究

魔灯90装载于MH-60上

【参考文献】