基于线扫描的海洋目标成像激光雷达系统研究

【摘要】：海洋目标是对海洋环境中被探测对象的统称,主要可分为水面上目标及水下目标,随着近年来全球性海洋开发不断深入,海洋目标探测技术飞速发展。激光雷达具有距离分辨率高、目标识别能力强的特点,可同时对水面上目标及水面下一定深度的目标进行探测,因此成为极具吸引力的海洋目标探测方法。目前已发展的成像激光雷达包括点扫描成像、面阵成像、线扫描成像等多种体制。线扫描激光雷达因其结构简单、成像效率高、能量相对集中的优点,成为广泛应用的海洋目标成像方法之一。然而,海洋环境复杂多变,海风、海浪、海流等因素导致海洋目标探测过程中面临噪声强度大、环境变化频繁等诸多挑战。根据线扫描成像激光雷达现状及海洋目标成像特点,本文分别对基于三角法及条纹管法的海洋目标成像激光雷达进行了深入研究。其中三角法适用于近距离目标的高精度成像,拥有结构简单、成本低、精度高的优势;条纹管成像系统适用于远距离目标三维成像,具有探测能力强、距离分辨能力高的优点,论文主要研究内容如下:(1)分析了点扫描成像、面阵成像及线扫描成像激光雷达的国内外技术进展,对比了各成像方法的优势与不足。线扫描成像方面,分析了三角法成像及条纹法成像两种方法的国内外进展及主要参数指标,基于国内外学者近年来的研究成果,分析了进一步提升成像系统性能的方法。(2)理论研究了海洋大气及海水中光的传输特性,对影响激光雷达探测性能的重要参数进行了分析。基于Mie散射理论研究了海洋大气及水下环境中激光的散射特性,基于Light Tools仿真平台,对532nm线光束在海洋大气及水下两种环境中的传输特性进行模拟仿真,为激光雷达探测提供理论指导。(3)基于三角法线扫描成像原理,分析了成像系统物理结构对距离表达式的影响,计算了成像距离与距离分辨率之间的关系。介绍了条纹管激光雷达(STIL)成像原理,计算了各分系统参数对激光雷达成像精度的影响,为条纹管激光成像雷达的整体研制与器件选型提供理论指导。理论提出了用于提高STIL图像信噪比的阴极选通方法。(4)设计研制了实时彩色三角法激光线扫描三维成像系统,主要包括控制系统、扫描系统及图像处理系统。完成了激光器、CCD相机、步进旋台等关键器件的选型。利用研制的系统进行了水下目标实时彩色三维成像实验,实现了高分辨率三维图像及彩色图像的实时显示。设计、研制了无人机载三角法激光线扫描系统,包括无人机系统、机载图像采集及处理系统和地面监控系统。利用研制的系统对海岸目标及水下一定深度的目标进行了无人机载成像实验。实现了目标三维信息的高速采集和实时重构,为海洋目标的大范围快速成像提供了新的解决方案。(5)设计研制了大视场、高帧频、高分辨率的条纹管激光三维成像探测系统。完成了接收镜头、像增强器、光锥等多种关键器件的选型。在此基础上,编写了基于Lab VIEW软件的实时三维图像重构程序。提出了基于阴极选通的条纹管激光雷达成像方法,有效提高了原始雷达图像的信噪比,为雷达系统的海洋应用提供了保证。利用研制的雷达系统,开展海洋大气及水下目标的成像实验研究。实验结果表明,基于阴极选通的条纹管激光系统对海洋目标具有良好的成像能力,扫描过程中可实时获取目标的三维信息,在海洋监测、跟踪、救援等领域具有广阔的应用前景。