基于激光偏振特性的海底地形重建系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于激光偏振特性的海底地形重建系统及方法。该系统包括激光产生模块、激光偏振信息采集模块、步进电机模块、GPS信号采集模块和信息处理模块；方法为：获取水下目标偏振信息和定位信息；根据海底典型目标的偏振特性的影响因素，整理现有的偏振特性数据，建立偏振特性数据库；建立交互式界面，完成对偏振特性数据库的管理，通过查询比对所测的海底目标偏振信息与偏振特性数据库保存的现有偏振特性数据，完成海底目标的识别与分类；对GPS二维位置信息和海底目标深度信息进行插值处理，绘制地形曲面，根据目标识别分类结果，为地形曲面赋予相应的纹理材质，还原水下场景。本发明专利技术能够真实还原水下场景，实现了海底地形的可视化。

Seabed terrain reconstruction system and method based on laser polarization

The invention discloses a seabed terrain reconstruction system and method based on the laser polarization characteristic. The system comprises a laser module, laser polarization information acquisition module, stepper motor module, GPS signal acquisition module and information processing module; method: obtaining target polarization information and location information of underwater submarine; according to the factors affecting the polarization characteristics of typical targets, the polarization characteristics of existing data, establish the polarization characteristics of the database; the establishment of interactive interface, the polarization characteristics of the database management, through the query by measuring the seabed polarization and polarization of the existing polarization data database, complete the identification and classification of underwater targets; two dimensional GPS position information and the target depth information interpolation, rendering the terrain surface, according to the target recognition and classification the texture for terrain surface is given, the reduction of underwater scenes. The invention can truly restore the underwater scene and realize the visualization of the seabed terrain.

【技术实现步骤摘要】
基于激光偏振特性的海底地形重建系统及方法
本专利技术属于海底地形三维重建
，特别是一种基于激光偏振特性的海底地形重建系统及方法。
技术介绍
海洋占地球表面积的71％，蕴含着丰富的矿物资源。随着人类对于海洋资源的开发规模越来越大，海洋探测手段的不断进步，人类认识和利用海洋资源的方法日益丰富和提高。在认识海底环境并利用海洋资源的过程中，对于海底地形以及海底目标的探测与重建尤为重要。目前，水下目标探测领域主要采用被动声呐、主动声呐、激光探测技术。被动声呐通过接收目标发出的噪声进行探测，随着水下目标噪声等级的不断降低，对声呐的灵敏度要求越来越高；主动声呐隐蔽性差，易暴露，应用范围受到一定的限制。与传统声呐探测方法相比，激光探测采用激光主动照明，大大减小了水下杂散光的影响，并且探测更加灵活，响应速度更快，探测精度更高，更有利于目标的探测与识别。此外，由于目标的偏振特性与其自身特征参数(材质、折射率、消光系数以及表面粗糙度等)密切相关，所以用偏振激光照射目标，然后根据不同材料目标反射光的偏振度差异和偏振图像来进行探测与识别成为了一种全新的技术。2016年，烟台大学的李双伟基于红外偏振图像的特点提出了一套完整的对近岸舰船目标识别的方法，该方法包括图像增强、图像分割等步骤，计算复杂度高。虽然关于目标偏振特性的研究很多，但现有的利用目标偏振特性进行目标识别分类的方法主要是在目标偏振图像层面上。通过进行图像处理进而识别目标，这类方法对于图像处理算法要求较高，算法较为复杂。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于激光偏振特性的海底地形重建系统及方法，能够对海底地形与海底目标进行三维重建，实现海底地形的三维可视化。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于激光偏振特性的海底地形重建系统，包括激光产生模块、激光偏振信息采集模块、步进电机模块、GPS信号采集模块和信息处理模块，其中：激光产生模块，产生偏振处理后的探测激光并对海底目标进行探测；激光偏振信息采集模块，接收海底目标的偏振反射光并传输至信息处理模块；步进电机模块，控制整个系统移动，并到达到指定的探测点；GPS信号采集模块，采集系统所在探测点的GPS实时位置信息，并传输至信息处理模块；信息处理模块，根据所接收的海底目标的偏振反射光和GPS实时位置信息，经过处理得到海底目标深度信息、GPS二维位置信息和海底目标偏振信息，从而对海底目标进行三维重建。进一步地，所述激光产生模块包括激光器和偏振片，偏振片设置于激光器的激光出射口，且所述激光器为532nm激光器。进一步地，所述激光偏振信息采集模块包括四组光路，每组分别包括顺次设置的532nm滤光片、偏振片和光电二极管，其中偏振片的偏振方向分别为0°、45°、90°和135°，光电二极管的输出均接入信息处理模块。进一步地，所述信息处理模块采用FPGA，通过A/D转换电路和放大电路与激光偏振信息采集模块连接；通过4针插座与步进电机模块连接，并通过按键控制步进电机模块；通过RS232接口与GPS信号采集模块连接。一种基于激光偏振特性的海底地形重建方法，包括以下步骤：步骤1，水下目标偏振信息和定位信息的获取：探测激光经偏振片射向海底目标，激光偏振信息采集模块接收海底目标的偏振反射光并传输至信息处理模块，信息处理模块通过对海底目标的偏振反射光进行同步接收与实时处理，得到海底目标深度信息和海底目标偏振信息，并且使用GPS信号采集模块进行实时定位，获取该海底目标的GPS二维位置信息；步骤2，偏振特性数据库的建立：根据海底典型目标的偏振特性的影响因素，整理现有的偏振特性数据，利用SQLServer2008建立偏振特性数据库；步骤3，目标的识别分类：通过Delphi7建立交互式界面，完成对步骤2所建立偏振特性数据库的管理，通过查询比对步骤1中所测的海底目标偏振信息与步骤2中偏振特性数据库保存的现有偏振特性数据，完成海底目标的识别与分类；步骤4，海底地形的三维重建：对步骤1得到的GPS二维位置信息和海底目标深度信息进行插值处理，绘制地形曲面，根据步骤3得到的目标识别分类结果，为地形曲面赋予相应的纹理材质，还原水下场景。进一步地，步骤1所述水下目标偏振信息和定位信息的获取，具体如下：(1)系统上电，通过信息处理模块上的按键操纵步进电机模块，使系统到达指定的探测点；(2)打开激光产生模块中的激光器，激光器发出的532nm蓝绿光经过偏振片后，出射光的振动限制在设定振动方向上，变成了线偏振光并射向海底目标；(3)532nm蓝绿激光经海底目标反射，反射光同时通过532nm滤光片和偏振度方向分别为0°、45°、90°、135°的偏振片后，被4路光电二极管接收，光电二极管采集到的电流信号转换为电压信号，然后通过放大电路对信号放大，放大后的电压信号被模数转换器转换为数字信号后，送入到信息处理模块中FPGA进行处理，计算出该探测点对应的海底目标深度信息和海底目标偏振信息，并存储至SD卡；(4)使用GPS信号采集模块对系统所在位置进行实时定位，获取该海底目标的GPS二维位置信息，并传输至信息处理模块中FPGA，并存储在SD卡中；(5)信息处理模块中FPGA控制步进电机模块移动到下一个探测点继续探测，重复(2)～(4)步骤直至探测全部完成，将数据从SD卡中导出，并进行分析。进一步地，步骤3所述通过查询比对步骤1中所测的海底目标偏振信息与步骤2中偏振特性数据库保存的现有偏振特性数据，完成海底目标的识别与分类，具体为：步骤1中所测的海底目标偏振信息与步骤2中偏振特性数据库保存的现有偏振特性数据，若在相同探测条件下两者的偏振特性相同，即可判定两者为相同物质。进一步地，步骤4所述对步骤1得到的GPS二维位置信息和海底目标深度信息进行插值处理，其中插值处理方法采用Cubic方法，步骤如下：第一：根据离散坐标，参考凸包算法，获得离散点的凸包；第二：构建Delaunay三角网；第三：根据格网化方法，获取格网点的坐标；第四：遍历插值区域内所有的格网点，根据插值点所在的三角形内的三个点，使用三次方程内插出待定点坐标上的值。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用偏振探测技术，能更好的区分目标物质材质、表面结构、粗糙度等物质固有属性，使目标探测更加迅速和精确；(2)系统采用全自动化测量，数据的采集、处理和保存全由专门的微处理器完成，使测量更加方便、简单且有效避免了手动误差；(3)采用四路偏振片同时采集，相比使用分时可旋转偏振片进行采集，既避免了手动转动偏振片带来的误差，又大大提高了偏振探测的实时性和准确性；(4)建立偏振特性数据库，采用人机交互式界面，可对数据库记录实时查询调用，便于与目标偏振数据进行分析比对，完成目标的识别分类，更加简便快速。下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1为本专利技术的基于激光偏振特性的海底地形重建技术的整体框图。图2为本专利技术中激光偏振水下目标探测信息处理系统总体设计框图。图3为本专利技术根据现有的偏振特性数据建立的偏振特性数据库示意图。图4为交互界面程序设计流程图，其中(a)是交互式界面中进行目标识别分类查询的流程图，(b)是交互式界面中进行数据库记录管理的流程图。图5为本专利技术交互式界面的目标识别查询结果图。图6为三维离散坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光偏振特性的海底地形重建系统，其特征在于，包括激光产生模块、激光偏振信息采集模块、步进电机模块、GPS信号采集模块和信息处理模块，其中：激光产生模块，产生偏振处理后的探测激光并对海底目标进行探测；激光偏振信息采集模块，接收海底目标的偏振反射光并传输至信息处理模块；步进电机模块，控制整个系统移动，并到达到指定的探测点；GPS信号采集模块，采集系统所在探测点的GPS实时位置信息，并传输至信息处理模块；信息处理模块，根据所接收的海底目标的偏振反射光和GPS实时位置信息，经过处理得到海底目标深度信息、GPS二维位置信息和海底目标偏振信息，从而对海底目标进行三维重建。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光偏振特性的海底地形重建系统，其特征在于，包括激光产生模块、激光偏振信息采集模块、步进电机模块、GPS信号采集模块和信息处理模块，其中：激光产生模块，产生偏振处理后的探测激光并对海底目标进行探测；激光偏振信息采集模块，接收海底目标的偏振反射光并传输至信息处理模块；步进电机模块，控制整个系统移动，并到达到指定的探测点；GPS信号采集模块，采集系统所在探测点的GPS实时位置信息，并传输至信息处理模块；信息处理模块，根据所接收的海底目标的偏振反射光和GPS实时位置信息，经过处理得到海底目标深度信息、GPS二维位置信息和海底目标偏振信息，从而对海底目标进行三维重建。2.根据权利要求1所述的基于激光偏振特性的海底地形重建系统，其特征在于，所述激光产生模块包括激光器和偏振片，偏振片设置于激光器的激光出射口，且所述激光器为532nm激光器。3.根据权利要求1所述的基于激光偏振特性的海底地形重建系统，其特征在于，所述激光偏振信息采集模块包括四组光路，每组分别包括顺次设置的532nm滤光片、偏振片和光电二极管，其中偏振片的偏振方向分别为0°、45°、90°和135°，光电二极管的输出均接入信息处理模块。4.根据权利要求1所述的基于激光偏振特性的海底地形重建系统，其特征在于，所述信息处理模块采用FPGA，通过A/D转换电路和放大电路与激光偏振信息采集模块连接；通过4针插座与步进电机模块连接，并通过按键控制步进电机模块；通过RS232接口与GPS信号采集模块连接。5.一种基于激光偏振特性的海底地形重建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，水下目标偏振信息和定位信息的获取：探测激光经偏振片射向海底目标，激光偏振信息采集模块接收海底目标的偏振反射光并传输至信息处理模块，信息处理模块通过对海底目标的偏振反射光进行同步接收与实时处理，得到海底目标深度信息和海底目标偏振信息，并且使用GPS信号采集模块进行实时定位，获取该海底目标的GPS二维位置信息；步骤2，偏振特性数据库的建立：根据海底典型目标的偏振特性的影响因素，整理现有的偏振特性数据，利用SQLServer2008建立偏振特性数据库；步骤3，目标的识别分类：通过Delphi7建立交互式界面，完成对步骤2所建立偏振特性数据库的管理，通过查询比对步骤1中所测的海底目标偏振信息与步骤2中偏振特性数据库保存的现有偏振特性数据，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，宋佳晓，姜民，李业飞，陈旭，张壮，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32