11-水下目标激光探测

1、1,(水下目标激光探测 ),水下距离选通和水下激光线扫描 成像系统研究及相关试验,2,目录,绪论 距离选通模拟试验及海试方案设计 水下激光线扫描系统设计及相关试验 532nm透射率仪的设计,3,一、绪论,4,1.1 意义,在广阔的海洋面积中与人类最密切的区域是沿海、近海和大陆架的浅海海域。据了解，世界上60的人口居住在离海岸100km以内的沿海地带，人们当前开发利用海洋资源的大部分活动也主要集中在这一区域。在经济开发上，诸如海岸防护、港湾建设、围海造田、滩涂养殖、海洋能源的开发、制盐业、开辟和疏浚航道、铺设海底电线、管道等各种工程设施，这些构成了人类开发海洋的主要活动。近海的资源非常丰富，而近

2、海自然资源的开发和海岸、航道、港口的防护和建设等，这一切经济活动都极需各种精确的、不同比例尺的海底地形地貌图。从军事、国防角度看，当前全球军事的战略调整有一个共同的趋向，就是世界各海洋大国都纷纷利用世界战略格局变化的时机，积极地拓宽以海洋为重要方向的战略空间。,一、绪论-意义,5,声学探测 穿透海水的能力强，探测距离远。 成像分辨率有限。 潜水区（浅于200ft）的应用受限制。 光学探测 分辨率高 探测距离有限,1.2 常用探测手段及其特点,一、绪论-常用探测手段及其特点,6,1.3 水下目标光学探测基本问题,水下目标图像探测一直是困扰海洋界的一个难题，这是因为海水对光线具有的强烈吸收和散射作

3、用，通常的水下探测手段距离有限而且图像质量不佳。水下探测要获得好的效果，就必须从解决吸收和散射这两方面入手。 水下激光探测的最终目标就是：利用激光的某些特性，将其和一些具有特殊功能的光电器件相结合，最大限度地抑制海水对光线的吸收和散射作用，以期获得质量更佳的水下图像或是较精确的目标外形特征描述。,一、绪论-水下目标光学探测基本问题,7,1.4 水下激光探测的几种手段 （分类）,激光电视（又叫激光同步扫描）（同步激光电视） 激光线扫描 距离选通,一、绪论-水下激光探测的几种手段（分类）,8,1.5 研究内容,距离选通系统实验室模拟试验和海试方案设计 水下激光线扫描系统的设计、试验及数据处理 53

4、2nm透射率仪（距离选通海试需要）的设计,一、绪论-研究内容,9,二、距离选通模拟试验 及海试方案设计,10,距离选通式水下电视对其光源和接收器的要求： （1）、激光光源具有高的峰值功率，以保证有足够的观测距离。 （2）、激光器具有窄的脉冲宽度，以更好地将脉冲信号同回向散射分开。 （3）、距离选通开关的选通宽度应尽可能接近脉冲宽度，以保证仅使目标反射光全部进入接收器，增加信噪比。 （4）、接收器的灵敏度必须足够高。,11,下面我们来具体分析光脉冲在水中传输的过程及所要求的技术。一个宽度为 秒的光脉冲在水中的长度等于,（5-1） 式中，R为水中光脉冲的长度（m）， 为脉冲宽度（s），c/n为光在

5、水中的传播速度（ms），c为光在真空中的传播速度3108（ms），n为水的折射率1.33。因此，10 ns的光脉冲在水中为2.26m。采用Q开关脉冲激光器可产生几个ns宽的短脉冲。为了能在水中传播得最远，发射光波长应选择在水的透明度较好的蓝-绿光光谱范围。倍频Nd：YAG激光器可产生所需要的蓝-绿激光脉冲。,12,二、距离选通-原理描述,ICCD摄像器件具有高速可控门控的特性，而脉冲激光器的脉冲宽度可以做到10ns以内，将这两种特性相结合可以获得更佳的水下图像。 我们可以将ICCD系统的特色更精确地描述如下： 可控的门控 + 脉冲激光 - 水体散射 ICCD高的探测灵敏度 - 水体吸收,2.1

6、 ICCD距离选通原理,图2.1.1 距离选通工作原理示意图,13,2.2 ICCD距离选通系统的实验室试验,图2.2.2 ICCD拍摄系统框图,图2.2.1 Princeton ICCD 系统,二、距离选通-实验室试验,14,实验室ICCD系统框图,图2.2.3 ICCD系统总体框图,图2.2.4 工作流程图,二、距离选通-实验室试验,15,二、距离选通-实验室试验,ICCD的测试实验,图2.2.5 暗室拍摄（30秒),图2.2.6 暗室拍摄（2分钟）,16,图2.2.7 微光拍摄,图2.2.8 激光照明拍摄,ICCD的测试实验,二、距离选通-实验室试验,17,距离选通室内实验,图2.2.9

7、 ICCD室内试验方案示意图,图2.2.10 “电子快门”常开拍摄结果,二、距离选通-实验室试验,18,图2.2.11 灰度拉伸,二、距离选通-实验室试验,图2.2.12 高斯灰度变换,图2.2.13 直方图均衡化,图2.2.14 对数灰度变换,19,图2.2.15 平方根灰度变换,图2.2.16 处理前后的结果对比,二、距离选通-实验室试验,通过对比，最后选择了对数、平方根灰度变换结合亮度、对比度调整的方案，暂时放弃伪彩图。,20,使用门控的测试结果,二、距离选通-实验室试验,图2.2.17 不用门控的结果,图2.2.18 使用门控的结果,21,使用门控共轴拍摄,图2.2.19 不用门控的结

8、果,图2.2.20 使用门控的结果,二、距离选通-实验室试验,22,2.3 距离选通系统海试方案 （与电子集团11所合作）,两套海试方案： （一）在水中布放人工目标，将ICCD系统安装于ROV之上，由ROV带入水下对所放的目标进行拍摄，完成不同水质、不同距离条件下的海上试验。这种方案的灵活性很大，但是要对ROV做很多改造工作。 （二）利用我校东方红2号海洋调查船上自有的船底深井进行试验。这种方案的设备改造工作相对较少，但是海试的灵活度大大降低。,二、距离选通-海试方案,23,2.3.1 方案一,图 2.3.1 水下目标示意,二、距离选通-距离选通海试-方案一,24,目标布放问题,图2.3.2

9、目标布放目标示意图,二、距离选通-距离选通海试-方案一,25,2.3.2 方案二,图 2.3.3 ROV背靶实验,二、距离选通-距离选通海试-方案二,26,三、水下激光线扫描系统 设计及相关试验,三、线扫描-,27,三、线扫描-原理描述,3.1 水下激光线扫描原理,该系统将激光扩束为扇状光源，其照射区域成一线状。将摄像头与光源拉开一定距离，使其照射光路和拍摄视线成一定角度。一方面，可以有效压制近距离水体散射光的干扰；另一方面，片状激光照射区域的“形变”能够间接反映出被观测目标物体的外形特征，摄像头在侧向可以很好地将其记录下来。该系统一般安装在一可移动平台上，通过平台径向移动拍摄下来的图像数据通

10、过一定的算法可恢复出所扫描目标物体的三维外形图。,28,图3.1.2 线扫描实际水下工作示意图,图3.1.1 线扫描系统示意图,29,三维外形合成的优点,图3.1.4 水雷和轮胎的灰度图和三维外形图 （水雷在左，轮胎在右）,三、线扫描-原理描述,图3.1.3 水雷外形,30,扇状光 的实现方案,三、线扫描-室内实验,图 3.2.1 片状光源实现方案,图3.2.2 实体图片,3.2 水下激光线扫描系统室内实验,31,实验室系统电器连接,三、线扫描-室内实验,图3.2.3 电器连接图,32,室内实验操作示意图,三、线扫描-线扫描系统结构设计,图3.2.4 操作示意图,33,数据处理流程,三、线扫描

11、-室内实验,图 3.2.5 线扫描 数据处理流程图,34,算法流程,图 3.2.6 线扫描数据处理算法流程,三、线扫描-室内实验,35,图像处理,三、线扫描-室内实验,图 3.2.7 原始帧图像,图 2.2.8 图像预处理的结果,图 3.2.9 图像增强后的结果,图 3.2.11 背景门限结合边缘检测的结果,图 3.2.10 没有背景门限处理的边缘检测结果,36,边缘检测,图3.2.12 几种边缘检测算法的比较,三、线扫描-室内实验,37,室内（空气中）的实验结果,图2.2.13 线扫描实验结果,三、线扫描-室内实验,38,实验结果分析,图3.2.14 光圈对拍摄结果的影响,图3.2.15 光

12、圈对最后处理结果的影响,三、线扫描-室内实验-实验结果分析,39,图3.2.16 两种配色方案的比较,图3.2.17 调整观察视角-俯视图,三、线扫描-室内实验-实验结果分析,40,视角的调整,图3.2.18 调整观察视角-后侧视图,图3.2.19 调整观察视角-前侧视图,三、线扫描-室内实验-实验结果分析,41,水槽中的实验结果,三、线扫描-室内实验-水槽实验,图3.2.20 反扣的饭盆,图3.2.21 安全帽,42,水槽中的实验结果,图3.2.22 珊瑚,三、线扫描-室内实验-水槽实验,43,3.3 线扫描海中实验,三、线扫描-海中实验,图3.3.1 水下试验系统 电气连接示意图,44,水

13、密壳设计,图3.3.2 水密外壳装配图,图3.3.3 水密外壳内的设备安装示意图,三、线扫描-海中实验,45,水下部分外观图,三、线扫描-海中实验,图3.3.4 线扫描系统水下部分,46,海中实验结果,三、线扫描-海中实验,图3.3.5 水下试验 的实际拍摄效果,图3.3.6 水下图像 增强处理后的结果,试验场地的水质情况是 ：透明度盘 1.5米。,47,海中实验的处理结果,三、线扫描-海中实验,图3.3.7 海中实验的结果,48,海中实验的处理结果,三、线扫描-海中实验,图3.3.8 海中实验的结果,49,海星,图3.3.10 海星的三维合成图,图3.3.9 重新绘制的俯视图,三、线扫描-海中实验,50,与常规拍摄方式的对比,图3.3.11 常规拍摄方式 得到的图像,三、线扫描-海中实验,51,3.4 海水偏振特性 应用于线扫描的试验,三、线扫描-偏振实验,图3.4.1 海水偏振特性试验的拍摄效果,52,偏振实验的处理结果,图3.4.2 海水偏振