【摘要】：隨著小型化高重頻高功率激光技術(shù)和新型光電器件的不斷發(fā)展,以及對海洋資源開發(fā)、海洋科研等日益增長的需求,高精度、高幀頻的水下目標(biāo)激光探測及成像技術(shù)成為一種重要的海洋探測手段。條紋管激光雷達(dá)利用條紋管高速相機(jī)的時空分辨能力,可實現(xiàn)大視場高幀頻高分辨三維成像。為實現(xiàn)長距離及高細(xì)節(jié)分辨能力的水下目標(biāo)激光成像,本論文基于條紋管激光雷達(dá)系統(tǒng)展開研究,對水面波及水下環(huán)境對成像的影響進(jìn)行分析,完成室內(nèi)目標(biāo)三維成像實驗,最后針對實驗所獲條紋圖像,設(shè)計并優(yōu)化目標(biāo)三維重構(gòu)算法,主要工作描述如下:1.圍繞實驗室自主設(shè)計的以條紋管相機(jī)為核心器件的條紋管激光雷達(dá)系統(tǒng)展開三個方面的理論分析,包括條紋管相機(jī)(主要結(jié)構(gòu)、成像原理、特性參數(shù)),條紋管激光雷達(dá)系統(tǒng)(組成及各部分工作原理)以及三維重構(gòu)算法。2.根據(jù)水下激光傳輸特性及系統(tǒng)成像需求,選擇適用于水下環(huán)境的器件,包括出射波長符合海水窗口的高重頻脈沖激光器、延時觸發(fā)器、高幀頻數(shù)字CCD相機(jī)等,與課題組成員共同搭建條紋管激光雷達(dá)水下三維成像系統(tǒng)。3.模擬分析水表面波及水體對成像的影響。首先模擬多類水表面波及波浪對成像造成的畸變,再結(jié)合水體調(diào)制傳遞函數(shù)模擬目標(biāo)圖像經(jīng)空-水界面及水體后的效果。4.與課題組成員共同搭建室內(nèi)目標(biāo)三維成像系統(tǒng)并完成目標(biāo)三維成像實驗,根據(jù)實驗獲取的典型目標(biāo)(階梯狀矩形目標(biāo))條紋圖像特點,改進(jìn)傳統(tǒng)特征數(shù)據(jù)提取算法,設(shè)計基于高斯擬合的三維重建算法,該算法實現(xiàn)了探測目標(biāo)縱深方向30cm的距離分辨力,并將距離重建誤差降至8%以內(nèi)。在此基礎(chǔ)上,采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對高斯擬合算法進(jìn)行優(yōu)化,保證重建效果的同時有效提高算法運(yùn)行效率。成像實驗與目標(biāo)重構(gòu)結(jié)果分別驗證了系統(tǒng)方案及三維重建算法的合理性與可行性,為后期水下目標(biāo)成像實驗提供先驗依據(jù)。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN958.98;TP391.41
【圖文】：

圖 1 距離選通系統(tǒng)成像原理第二，空間區(qū)分/激光同步線掃描技術(shù)（LLS, Laser Line Scan），該類成像系統(tǒng)的發(fā)射器出射準(zhǔn)直線陣激光，旋轉(zhuǎn)反射鏡控制激光束掃描方向，高靈敏度窄視場的接收器跟蹤接收反射光并完成成像[4]。由于系統(tǒng)的發(fā)射器與接收器之間存在一定間隔，如圖 2 所示，成像系統(tǒng)僅對目標(biāo)附近的小范圍進(jìn)行成像，由此大大削減了共同體積散射帶來的影響。另外，線陣激光的應(yīng)用使得 LLS 系統(tǒng)成像速度相比于點激光掃描更快，且對激光功率的要求相比距離選通技術(shù)更低。為進(jìn)一步提高作用距離，減小前向散射的干擾，激光線掃描系統(tǒng)經(jīng)歷了由 “常規(guī)探測器+連續(xù)激光”（CW-LLS）組合到 “選通型探測器+脈沖激光”（PG-LLS）組合的發(fā)展[1]。1988 年，美國 Kaman 公司研制出“魔燈”用于機(jī)載水雷探測，實現(xiàn)了海上 120~460 米對水下 12~61m 的探測工作，圖 3 為裝載了“摩燈 90”系統(tǒng)的 MH-60S 直升機(jī)，可實現(xiàn)水中目標(biāo)的自動探測、定位和分類[12]。

圖 1 距離選通系統(tǒng)成像原理第二，空間區(qū)分/激光同步線掃描技術(shù)（LLS, Laser Line Scan），該類成像系統(tǒng)的發(fā)射器出射準(zhǔn)直線陣激光，旋轉(zhuǎn)反射鏡控制激光束掃描方向，高靈敏度窄視場的接收器跟蹤接收反射光并完成成像[4]。由于系統(tǒng)的發(fā)射器與接收器之間存在一定間隔，如圖 2 所示，成像系統(tǒng)僅對目標(biāo)附近的小范圍進(jìn)行成像，由此大大削減了共同體積散射帶來的影響。另外，線陣激光的應(yīng)用使得 LLS 系統(tǒng)成像速度相比于點激光掃描更快，且對激光功率的要求相比距離選通技術(shù)更低。為進(jìn)一步提高作用距離，減小前向散射的干擾，激光線掃描系統(tǒng)經(jīng)歷了由 “常規(guī)探測器+連續(xù)激光”（CW-LLS）組合到 “選通型探測器+脈沖激光”（PG-LLS）組合的發(fā)展[1]。1988 年，美國 Kaman 公司研制出“魔燈”用于機(jī)載水雷探測，實現(xiàn)了海上 120~460 米對水下 12~61m 的探測工作，圖 3 為裝載了“摩燈 90”系統(tǒng)的 MH-60S 直升機(jī)，可實現(xiàn)水中目標(biāo)的自動探測、定位和分類[12]。

魔燈90裝載于MH-60上

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2769088