同步扫描水下激光成像的角分辨率极限

同步扫描水下激光成像技术是一种能有效抑制后向散射的水下成像技术,它采用高度准直的激光束照明水下目标,通过扫描扩展横向视场,结合载体的纵向运动得到目标的二维灰度图像。建立了目标反射率的一维理论模型,通过该模型分析了激光发散角和采样角对同步扫描水下激光成像系统角分辨率的定量影响。结果表明,若激光发散角为δ,并以对比度衰减至原始目标的0.2倍为下限,则系统的角分辨率可达0.6δ。     

基于图像的水下三点激光测距方法研究

基于光学成像原理和激光三角测距法,提出将三个点激光器与水下相机结合、根据水下光学图像对水下目标物距离进行测量的思路。建立了激光束与目标物垂直、与目标物之间存在旋转角、存在俯仰角三种情况下的三点激光测距理论模型,推导了目标物距离与水下激光光斑图像之间的数学关系,在此基础上得到了三种情况下的三点激光测距公式。研制了系统样机,并通过空气中和水下的距离测量实验,测试了测距模型和定标算法的误差。实验结果显示,在8.4 m范围内,使用统一测距公式对距离进行测量时,测距误差最大值约为35 cm,平均测量误差小于15 cm。研究成果可望用于水下目标较近距离的精确测距。     

布里渊散射在水下激光成像探测中的应用

水下光电成像探测是声纳技术的一种有效补充,然而水下激光成像的后向散射效应严重影响了水下光电成像探测的分辨能力与探测距离.基于激光水下传输的布里渊散射理论,分析了蓝绿激光及其布里渊散射水下传输特性,研究了基于光子晶体滤波器的布里渊散射频移检出技术,设计了同步扫描布里渊散射水下成像装置以及距离选通布里渊散射水下成像装置,以布里渊散射频移的空间分布替代场景反射光强度的空间分布进行水下成像探测,高效抑制水下激光成像后向散射噪声,提高成像探测的作用距离.布里渊散射水下激光成像探测机理的探索将为水下目标光电成像探测技术的发展开辟新的途径.     

无人机载激光线扫描浅滩三维成像研究

设计了一种基于三角法线扫描的无人机载激光雷达三维成像系统。系统以520 nm线激光为光源照射目标,利用无人机扫描获取目标的三维数据。文章设计了无人机载激光线扫描系统的硬件系统,构建了线激光水下折射三维坐标解算模型,提出了水上、水面与水下激光条纹提取的图像处理方法,并利用研制的雷达系统进行了近海浅水区域无人机扫描实验。实验结果表明,系统利用IMU及GPS能够有效提升三维图像的准确性,快速获取目标区域水上及水下目标的三维数据,平均距离分辨率达到3 cm,具有速度快、精度高、成本低的优势,在近岸浅海区域的大范围高速三维成像领域具有广阔的应用前景。     

基于蒙特卡洛仿真的水下四点单目测距研究

水下光通信系统在工作时需要及时获取与接收端的距离信息并进行高速通信。文章提出在水下蓝绿激光通信系统中加入单目测距功能,实现短距离视觉测距和长距离激光测距的水下光通信测距一体化研究。使用蒙特卡洛方法进行仿真,建立激光信号水下信道传输模型,模拟不同目标尺寸、不同距离和不同水质下的水下激光光斑图片,分析以上3种因素对水下单目测距精度的影响。考虑仿真图片光斑弥散和对比度降低对测距精度的影响,文章针对性地提出了一种对水下小尺寸光源目标、结合图像增强和Zernike矩亚像素点边缘检测的单目测距算法以提高单目测距算法的精度。通过实验室水池实验验证,文章所提算法精度达到了使用要求。     

基于DM642的激光水下图像处理系统设计与实现

搭建了一种距离选通激光水下成像系统,分析了水下光电图像的特点,采用DM642数字信号处理芯片为核心设计了数字图像处理系统,给出了利用平台直方图均衡化实现水下图像增强算法原理以及该算法在设计的图像处理系统中的实现方法,并给出了利用该方法对水下25 m和40 m处目标所成图像的处理结果。实验结果表明,利用文中搭建的距离选通水下成像系统和设计的图像处理系统可以有效实现对水下目标的成像探测并能提高目标图像的对比度。     

增益调制非扫描激光雷达测距精度的理论分析

非扫描成像激光雷达是激光雷达重要发展方向之一.介绍了增益调制型非扫描激光雷达系统的成像原理.根据该激光雷达的成像原理可以得出,脉冲宽度和背景光积累将会对激光雷达的测距精度产生较大影响.分析了脉冲宽度、回波展宽以及背景光会对距离精度产生的影响.在考虑脉冲宽度和背景光积累,忽略其他噪声和目标表面粗糙度的情况下,对大气传输和目标对回波脉冲展宽的影响进行了分析,对增益调制型非扫描激光雷达在不同的系统及目标参数情况下的回波波形和测距精度进行了仿真计算,为系统性能参数的选择和距离图像的后续处理提供了理论依据.     

水下激光距离选通三维成像方法

基于水下距离选通激光成像技术,利用选通成像中回波强度相变化特性中包含的距离信息,提出了一种针对水下目标的三维成像方法。结合实验室现有的水下距离选通激光成像系统,对15 m处的水下目标进行了三维成像。这一方法有效抑制了水下成像系统中存在的目标表面材质、水体衰减以及目标各点法线方向与入射激光脉冲方向夹角不同等因素对于三维成像造成的不良影响,同时仅需要从单一方向对目标进行成像,减少了所需图像采集的次数,简化了三维重构的过程。     

一种新型水下激光成像系统

提出了一种新型水下激光成像系统的模型 ,计算了该系统的成像距离和成像质量与光束发散角、接收视场角、快门开启时间等主要参数的关系 ,降低背景光的影响与提高光脉冲质量能有效地提高成像距离和成像质量。在一般海水介质中 ,这种水下激光成像系统的成像距离理论值可达2 5倍衰减长度 ,约是同步扫描和距离选通水下激光成像系统的 4～ 5倍。     

一种改进的基于DSP的激光距离选通成像系统

采用激光束主动照明,是对远距离暗目标进行成像探测和精确跟踪的有效途径.从激光距离选通成像系统的成像关系出发,分析了距离选通方式和非距离选通方式下的激光距离选通成像系统的信噪比,从理论上说明了采用距离选通技术可以有效地抑制后向散射等背景噪声.讨论了激光距离选通成像关键技术,分析了传统的激光距离选通成像系统的缺点,提出了一种改进的基于数字信号处理(DSP)的激光距离选通成像系统.该系统利用快速DsP控制器完成测距和距离延迟,产生纳秒级的选通脉冲选通ICCD摄像机,实现距离选通.该系统克服了传统的激光距离选通成像系统需要已知距离,需要精确测量激光器的传输时间延迟等缺点,可以获得目标的距离信息和距离选通图像.     

水下激光成像系统的MTF分析

讨论了用调制传递函数(MTF)表征水下激光成像质量特性及其影响因素的量值关系,给出了计算该系统MTF的理论近似公式,得出了MTF与空间角频率、目标距离及接收视场角的关系,结果表明采用窄视场的同步扫描技术能有效地提高系统的成像质量。     

水下激光成像分辨率影响因素的理论分析

讨论了用调制传递函数（ＭＴＦ）表征水下激光成像质量特性及其影响因素的量值关系，给出了计算该系统ＭＴＦ的理论近似公式，得出了ＭＴＦ与激光束光斑的大小，目标的距离，接收视场角及光功率的数量关系，结果表明准直光斑的减少和采用窄视场的扫描技术能有效地提高成像的分辨率。     

距离选通水下激光成像系统设计及实验

针对浅水目标探测这一难题,设计了一种基于距离选通技术的水下成像系统。系统围绕532nm Nd…YAG脉冲激光器和选通式增强型电荷耦合器件(ICCD)摄像机搭建而成,并且采用激光脉冲作为系统同步控制的触发信号。采用基于现场可编程门阵列(FPGA)技术设计的同步控制电路,进行了距离选通水下激光成像实验。实验结果表明,采用激光脉冲触发同步控制电路的方法,可有效抑制激光脉冲抖动对系统同步控制精度的影响,从而克服水体表面反射和后向散射对成像的影响,提高了成像质量。在有效衰减系数为0.52m-1的湖泊中,系统的成像深度可达到水下7m,对于浅水目标的探测、识别非常有效。     

水下单光束扫描探测系统光路参数优化设计

针对水下单光束扫描探测系统探测水中近场目标的需求,为抑制海水后向散射干扰,提高系统信噪比,对系统光路参数进行了优化设计。通过推导系统盲区距离公式、水中目标回波和后向散射功率方程,分析了系统探测区域和信噪比同光路参数的关系。在不同水质条件下,基于粒子群算法(PSO)对光路参数进行了优化计算。结果表明:对探测区域为6-10 m的系统,当发射光束与接收视场平行,接收视场半角为9 mrad,收发间距为10.6 cm时,系统信噪比达到最佳。为验证理论模型的正确性,设计了水下激光探测光路模拟系统,测试不同光路参数下系统信噪比,实验结果与理论值一致。优化结果可为水下单光束扫描探测系统光路设计提供理论依据。     

基于距离选通的水下偏振光成像系统的研究

光在水下传输受到吸收和散射的影响,限制了水下成像的成像距离和成像清晰度。为能抑制后向散射光的干扰,结合距离选通技术和偏振成像技术的各自的特点,提出了基于距离选通的偏振成像方式。基于距离选通的偏振成像一方面利用同步控制装置,时间上分离目标反射光,另一方面通过水体散射光和物体散射光解偏振度的差异来实现成像。本文分析了基于距离选通的偏振成像原理,具体给出了实验装置和实验过程。通过实验分析,得出基于距离选通的偏振成像技术运用于水下成像的可行性,且能大大提高图像的对比度,使其成像质量优于距离选通方式。     

布尔混沌调制激光雷达水下目标成像实验研究

在激光雷达的水下目标探测中,浑浊水体中悬浮颗粒对激光的吸收和散射作用,使得激光在水中的传输严重衰减。尤其是后向散射所造成的噪声会降低目标对比度甚至淹没信号回波。载波调制技术可以有效抑制后向散射,提高目标回波信号的信噪比。文章将布尔混沌信号作为载波调制信号,基于其内禀高频强度调制特性,构建了布尔混沌调制激光雷达水下成像系统,并在实验室水箱环境下,对衰减系数不同的浑浊水体中的目标物体进行了三维成像实验研究,对比了不同水质中的目标物体三维成像效果。     

折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统设计

为了使激光扫描检测设备达到较高的检测精度并且具有较强的通用性,一般要求它的光学系统具有大视场、宽工作光谱、高成像质量的特点。以传统7片可见光波段镜头为基础,用折-衍混合单透镜代替系统中的双胶合透镜,设计了折-衍混合红外激光扫描检测设备的光学系统,主要参数为:视场60°,工作波段0.8～1.06μm,焦距30mm,后工作距离30mm。设计结果表明,在42lp/mm空间频率处的调制传递函数(MTF)值接近0.7,全视场畸变小于1.9%,重量减轻了35.3%,表明该系统像质良好且兼具小型化的特点,满足扫描检测设备的技术要求。     

基于反射强度和K-means聚类的平面标靶定位研究

平面标靶的定位是3维激光扫描数据处理过程中的重要一环。为了减小中心坐标提取对多站数据拼接配准、不同坐标系转换、辅助定位等精度的影响,提出了一种基于最小二乘法、K-means聚类法以及扫描点反射强度值的新方法,并进行了理论分析和实例验证,取得了准确的定位数据。首先采用总体最小二乘法对扫描数据中的粗差点进行剔除,然后基于扫描点反射强度值和K-means聚类方法进行区域分类,接着对中心坐标提取,最后对中心坐标进行计算得到坐标位置。结果表明,在一定距离内,该方法可以在实际应用时获得较高的定位准确性,在不同方向上与软件自动识别的坐标相差在亚毫米级,与实际测得标靶距离相差也在亚毫米级。该研究对实现平面标靶中心坐标自动提取是有帮助的。