[發(fā)明專利]基于激光偏振特性的海底地形重建系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710868499.1
• 申請日: 2017-09-22
• 公開（公告）號: CN107644456B
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉磊;宋佳曉;姜民;李業(yè)飛;陳旭;張壯
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: G06T17/05
• 分類號: G06T17/05;G06T7/521
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 薛云燕

本發(fā)明公開了一種基于激光偏振特性的海底地形重建系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)包括激光產(chǎn)生模塊、激光偏振信息采集模塊、步進電機模塊、GPS信號采集模塊和信息處理模塊；方法為：獲取水下目標(biāo)偏振信息和定位信息；根據(jù)海底典型目標(biāo)的偏振特性的影響因素，整理現(xiàn)有的偏振特性數(shù)據(jù)，建立偏振特性數(shù)據(jù)庫；建立交互式界面，完成對偏振特性數(shù)據(jù)庫的管理，通過查詢比對所測的海底目標(biāo)偏振信息與偏振特性數(shù)據(jù)庫保存的現(xiàn)有偏振特性數(shù)據(jù)，完成海底目標(biāo)的識別與分類；對GPS二維位置信息和海底目標(biāo)深度信息進行插值處理，繪制地形曲面，根據(jù)目標(biāo)識別分類結(jié)果，為地形曲面賦予相應(yīng)的紋理材質(zhì)，還原水下場景。本發(fā)明能夠真實還原水下場景，實現(xiàn)了海底地形的可視化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于海底地形三維重建技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于激光偏振特性的海底地形重建系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

海洋占地球表面積的71％，蘊含著豐富的礦物資源。隨著人類對于海洋資源的開發(fā)規(guī)模越來越大，海洋探測手段的不斷進步，人類認識和利用海洋資源的方法日益豐富和提高。在認識海底環(huán)境并利用海洋資源的過程中，對于海底地形以及海底目標(biāo)的探測與重建尤為重要。

目前，水下目標(biāo)探測領(lǐng)域主要采用被動聲吶、主動聲吶、激光探測技術(shù)。被動聲吶通過接收目標(biāo)發(fā)出的噪聲進行探測，隨著水下目標(biāo)噪聲等級的不斷降低，對聲吶的靈敏度要求越來越高；主動聲吶隱蔽性差，易暴露，應(yīng)用范圍受到一定的限制。與傳統(tǒng)聲吶探測方法相比，激光探測采用激光主動照明，大大減小了水下雜散光的影響，并且探測更加靈活，響應(yīng)速度更快，探測精度更高，更有利于目標(biāo)的探測與識別。此外，由于目標(biāo)的偏振特性與其自身特征參數(shù)(材質(zhì)、折射率、消光系數(shù)以及表面粗糙度等)密切相關(guān)，所以用偏振激光照射目標(biāo)，然后根據(jù)不同材料目標(biāo)反射光的偏振度差異和偏振圖像來進行探測與識別成為了一種全新的技術(shù)。2016年，煙臺大學(xué)的李雙偉基于紅外偏振圖像的特點提出了一套完整的對近岸艦船目標(biāo)識別的方法，該方法包括圖像增強、圖像分割等步驟，計算復(fù)雜度高。雖然關(guān)于目標(biāo)偏振特性的研究很多，但現(xiàn)有的利用目標(biāo)偏振特性進行目標(biāo)識別分類的方法主要是在目標(biāo)偏振圖像層面上。通過進行圖像處理進而識別目標(biāo)，這類方法對于圖像處理算法要求較高，算法較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光偏振特性的海底地形重建系統(tǒng)及方法，能夠?qū)５椎匦闻c海底目標(biāo)進行三維重建，實現(xiàn)海底地形的三維可視化。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于激光偏振特性的海底地形重建系統(tǒng)，包括激光產(chǎn)生模塊、激光偏振信息采集模塊、步進電機模塊、GPS信號采集模塊和信息處理模塊，其中：

激光產(chǎn)生模塊，產(chǎn)生偏振處理后的探測激光并對海底目標(biāo)進行探測；

激光偏振信息采集模塊，接收海底目標(biāo)的偏振反射光并傳輸至信息處理模塊；

步進電機模塊，控制整個系統(tǒng)移動，并到達到指定的探測點；

GPS信號采集模塊，采集系統(tǒng)所在探測點的GPS實時位置信息，并傳輸至信息處理模塊；

信息處理模塊，根據(jù)所接收的海底目標(biāo)的偏振反射光和GPS實時位置信息，經(jīng)過處理得到海底目標(biāo)深度信息、GPS二維位置信息和海底目標(biāo)偏振信息，從而對海底目標(biāo)進行三維重建。

進一步地，所述激光產(chǎn)生模塊包括激光器和偏振片，偏振片設(shè)置于激光器的激光出射口，且所述激光器為532nm激光器。

進一步地，所述激光偏振信息采集模塊包括四組光路，每組分別包括順次設(shè)置的532nm濾光片、偏振片和光電二極管，其中偏振片的偏振方向分別為0°、45°、90°和135°，光電二極管的輸出均接入信息處理模塊。

進一步地，所述信息處理模塊采用FPGA，通過A/D轉(zhuǎn)換電路和放大電路與激光偏振信息采集模塊連接；通過4針插座與步進電機模塊連接，并通過按鍵控制步進電機模塊；通過RS232接口與GPS信號采集模塊連接。