混合光场水下光学二维与三维探测研究

【摘要】：海洋科技日益成为世界各国经济与科技竞争的焦点之一。海洋开发，需要获取大范围、精确的海洋环境数据，以便进行海底勘探、取样、水下施工等。要完成上述任务，需要一系列的海洋开发支撑技术，包括深海探测、深潜、海洋遥感、海洋导航等。作为水下探测的重要手段，水下成像技术的需求也越来越多，其中主要涉及水下照明及三维图像重建问题。本文提出了水下非均匀光场照明和激光扫描三维重建的方案，并进行了实验和研究。 本文系统研究了水下光场和水下图像的基本理论，设计了一种非均匀光场水下探测设备。由于水下目标成像质量的优劣取决于水质条件、接收器种类、光源照明方式等因素。要在低透明度条件下对水下大尺寸高速度目标的成像，要满足大范围照明、低散射影响和高信噪比的条件。依据水下光能量传递理论（辐射传递方程及比尔朗伯特定律采用反演形式设计光分布），非均匀照明系统需要满足远距离高能量密度投送，近距离低能量密度照明的要求，以此使得近距离散射光能量减少，远距离目标反射光增强，从而达到提高信噪比的目的。依据该方法极大的提高了探测距离，使得探测距离可以达到1.5-1.6倍能见度以上，达到瓦级激光系统水平，又可兼具功耗低、体积小、重量轻等特点。 同时基于结构光扫描原理，设计了一种针对水下目标或场景的激光扫描三维重建方法，此方法使用激光线光源扫描探测区域，用标定板进行标定，建立采样数据的二维像素坐标系与三维世界坐标系的映射关系，通过坐标系变换，将二维线结构光扫描数据转变为三维物体信息。 本文在实验中使用非均匀光场对水下目标进行照明。使用水下光度计测量了接收器与被测物轴线（LOS）上光能量分布。同时拍摄了不同距离下被测物的图片。从而得出结论非均匀光场水下探测系统符合设计理论，能够有效提高探测距离。 本文在水槽中进行了实验，系统架设于直线导轨上。采用532nm的半导体激光器作为光源，用柱面镜扩为线结构光，采用CCD相机记录了线结构光扫描的图像数据。应用图像处理方法对水下图像进行去噪和中心线提取，编程实现了水下场景毫米量级的三维重建。