[發明專利]基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統和方法

在審

• 申請號: 201710152249.8
• 申請日: 2017-03-15
• 公開（公告）號: CN107063117A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: 屠大維;李晨;張旭
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙)31205
• 代理人: 陸聰明

技術領域

本發明屬于機器視覺三維測量技術領域，具體涉及一種基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統和方法。

背景技術

海底資源勘探、海洋開發、水下探測、水下反恐等領域，需要一種測量范圍大，分辨率高的三維視覺測量系統。現有的三維視覺測量技術主要有光點掃描三角測距法、位相輪廓測量法、莫爾法及傅立葉變換法等。其中光點掃描三角測量法分辨率較高，激光成點狀投射到被測物體表面所需功率要求低，利用簡單的三角關系可計算得到距離值，并通過二維掃描可獲得被測物體的三維面型，但存在的問題是系統的橫向掃描測量范圍和縱向測距范圍相互制約。對此，M.Rioux等人提出激光同步掃描三角測距成像的思想，解決了橫向掃描測量范圍和縱向測距范圍相互制約問題。所謂同步掃描是在光路設計上使接收光路與掃描光路共用一掃描器，使得接收光路與發射光路同步。

將激光同步掃描三角測距成像系統應用在水下，由于水介質對光存在嚴重的吸收和散射作用，導致光在水中傳輸時的能量按指數規律迅速衰減，且圖像清晰度降低。盡管可以通過增加照明光功率的方法來擴展水下成像距離，但這也會給水下圖像帶來背景灰度不均和圖像質量變差的問題。傳統方法從水體的藍綠光的光學窗口方面入手提高成像距離，在抑制后向散射方面主要采用距離選通以及偏振技術等手段。雖然這些傳統方法都一定程度的效果，但是水環境是復雜而多變的，傳統方法在解決水介質吸收和散射導致的成像質量變差方面的效果有限，使激光同步掃描三角測距成像技術在水下的應用受到了很大限制。

對成像系統而言，光是載體，攜帶了物方場景的所有信息，包括目標物體的反射光、發射光和反射光在傳播路徑上的后向散射光和前向散射光、其它各種雜光等，所有光線的總和構成物方場景光場。光場中的每條光線在介質中傳播具有位置(x,y,z)、方向(θ,φ)、頻率()、偏振態(p)、輻射強度(r)和時間(t)等多種屬性，可用全光函數來描述。一般情況下，采用兩個平行平面來描述光場，則可以用4個參數來表達，簡稱四維光場。對于激光同步掃描三角測距成像系統來說，有效信息是被目標物體反射的激光光斑圖像在圖像傳感器上的位置坐標，傳統的圖像記錄傳感器很難將激光光斑圖像從包含各種光場信息的圖像中提取出來。采用以光場傳感器為核心的光場成像技術，是在光路中插入微透鏡陣列，將物方場景的光場信息通過微透鏡陣列的空間復用方式記錄下來。依據光場信息，可以實現物方場景的斷層掃描重聚焦，也就是對物方場景任意位置處作聚焦處理，在該位置處獲得清晰圖像。基于這種特性，通過光場成像技術獲取包含目標物體表面激光光斑的光場數據，通過光場重聚焦技術，能有效提取投射到物體表面反射后的激光光斑清晰圖像，抑制物方場景其它位置的散射光和各種雜光。因此，結合光場成像技術，可提高水下探測成像質量，繼而提高水下三角測距精度，是激光同步掃描三角測距成像系統在水下應用研究的新方向。

發明內容

本發明目的在于克服現有技術的上述缺陷，提供一種基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統和方法，用于改善水下成像質量，提高水下激光同步掃描三角測距精度。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：

一種基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統，包括激光器、雙面反射振鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、擺鏡、被測物體、光場相機；所述第一反射鏡和第二反射鏡關于雙面反射振鏡左右對稱分布，所述激光器置于雙面反射振鏡的前方，所述光場相機置于雙面反射振鏡的后方，所述擺鏡置于激光器的前方，被測物體的后方。

所述光場相機包括主透鏡和空間復用光場傳感器，所述空間復用光場傳感器包括微透鏡陣列和圖像傳感器；所述主透鏡位于光場相機的前方，其后依次布置微透鏡陣列和圖像傳感器。

一種基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像方法，使用上述的基于光場成像的水下激光同步掃描三角測距成像系統，具體步驟如下：

1）同步掃描成像光路，具體為：激光器發出的激光，通過雙面反射振鏡、第一反射鏡、擺鏡的反射，投射到被測物體表面上某一點，并發生漫反射，部分反射光經過擺鏡、第二反射鏡、雙面反射振鏡，由光場相機的主透鏡接收匯聚，再經微透鏡陣列，最終到達圖像傳感器的光敏面上，成為一個光斑圖像；

2）光場記錄成像，具體為：微透鏡陣列和圖像傳感器構成空間復用光場傳感器，記錄四維光場中每一條光線的位置和方向信息（u,v,s,t），其中微透鏡陣列上的坐標（u,v）表示位置，圖像傳感器上的坐標（s,t）表示方向；