11 水下目标激光探测
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水下距离选通和水下激光线扫描 成像系统研究及相关试验
(水下目标激光探测 )
1
目录
绪论 距离选通模拟试验及海试方案设计 水下激光线扫描系统设计及相关试验 532nm透射率仪的设计
2
一、绪论
3
一、绪论-〉意义
1.1 意义
在广阔的海洋面积中与人类最密切的区域是沿海、 近海和大陆架的浅海海域。据了解，世界上60％的人口 居住在离海岸100km以内的沿海地带，人们当前开发利用 海洋资源的大部分活动也主要集中在这一区域。在经济 开发上，诸如海岸防护、港湾建设、围海造田、滩涂养 殖、海洋能源的开发、制盐业、开辟和疏浚航道、铺设 海底电线、管道等各种工程设施，这些构成了人类开发 海洋的主要活动。近海的资源非常丰富，而近海自然资 源的开发和海岸、航道、港口的防护和建设等，这一切 经济活动都极需各种精确的、不同比例尺的海底地形地 貌图。从军事、国防角度看，当前全球军事的战略调整 有一个共同的趋向，就是世界各海洋大国都纷纷利用世 界战略格局变化的时机，积极地拓宽以海洋为重要方向 的战略空间。
图 3.2.6 线扫描数据处理算法流程
34
三、线扫描-〉室内实验
图像处理
图 3.2.7 原始帧图像
图 2.2.8 图像预处理的结果
图 3.2.9 图像增强后的结果
图 3.2.10 没有背景门限处 理的边缘检测结果
图 3.2.11 背景门限结合边 缘检测的结果
35
三、线扫描-〉室内实验
边缘检测
图3.2.12 几种边缘检测算法的比较
3.6 线扫描改进方案
图3.6.1 双摄像 头方案
图3.6.2 片光源+点光源 的方案
图3.6.3 片状激 光扫描的方案
54
五、所要做的工作-〉线扫描室内试验-〉信号处理
5.3.1 三维重构算法
图18 线扫描原理图
b ( x, y, x ) ( x , y, f ) f * ctg() x
36
三、线扫描-〉室内实验
室内（空气中）的实验结果
图2.2.13 线扫描实验结果
37
三、线扫描-〉室内实验-〉实验结果分析
实验结果分析
图3.2.14 光圈对拍摄结果的影响
图3.2.15 光圈对最后处理结果的影响
38
三、线扫描-〉室内实验-〉实验结果分析
图3.2.16 两种配色方案的比较
图3.2.17 调整观察视角-俯视图
55
海星
图3.3.9 重新绘制的俯视图
图3.3.10 海星的三维合成图
49
三、线扫描-〉海中实验
与常规拍摄方式的对比
图3.3.11 常规拍摄方式 得到的图像
50
三、线扫描-〉偏振实验
3.4 海水偏振特性 应用于线扫描的试验
图3.4.1 海水偏振特性 试验的拍摄效果
51
三、线扫描-〉偏振实验
偏振实验的处理结果
4
一、绪论-〉常用探测手段及其特点
1.2 常用探测手段及其特点
声学探测 穿透海水的能力强，探测距离远。 成像分辨率有限。 潜水区（浅于200ft）的应用受限制。 光学探测 分辨率高 探测距离有限
5
一、绪论-〉水下目标光学探测基本问题
1.3
水下目标光学探测基本问 题
水下目标图像探测一直是困扰海洋界的一个难 题，这是因为海水对光线具有的强烈吸收和散射作 用，通常的水下探测手段距离有限而且图像质量不 佳。水下探测要获得好的效果，就必须从解决吸收 和散射这两方面入手。 水下激光探测的最终目标就是：利用激光的某 些特性，将其和一些具有特殊功能的光电器件相结 合，最大限度地抑制海水对光线的吸收和散射作用， 以期获得质量更佳的水下图像或是较精确的目标外 形特征描述。
42
三、线扫描-〉海中实验
3.3 线扫描海中实验
图3.3.1 水下试验系统 电气连接示意图
43
三、线扫描-〉海中实验
水密壳设计
图3.3.2 水密外壳装配图
图3.3.3 水密外壳内的设备安装示意图
44
三、线扫描-〉海中实验
水下部分外观图
图3.3.4 线扫描系统水下部分
45
三、线扫描-〉海中实验
海中实验结果
试验场地的水质情况是 ：透明度盘 1.5米。
图3.3.5 水下试验 的实际拍摄效果
图3.3.6 水下图像 增强处理后的结果
46
三、线扫描-〉海中实验
海中实验的处理结果
图3.3.7 海中实验的结果
47
三、线扫描-〉海中实验
海中实验的处理结果
图3.3.8 海中实验的结果
48
三、线扫描-〉海中实验
39
三、线扫描-〉室内实验-〉实验结果分析
视角的调整
图3.2.18 调整观察视角-后侧视图
图3.2.19 调整观察视角-前侧视图
40
三、线扫描-〉室内实验->水槽实验
水槽中的实验结果
图3.2.20 反扣的饭盆
图3.2.21 安全帽
41
三、线扫描-〉室内实验->水槽实验
水槽中的实验结果
图3.2.22 珊瑚
图2.1.1 距离选通工作原理示意图
12
二、距离选通-实验室试验
2.2 ICCD距离选通系统的实验室试验
图2.2.1 Princeton ICCD 系统
图2.2.2 ICCD拍摄系统框图
13
二、距离选通-实验室试验
实验室ICCD系统框图
图2.2.3 ICCD系统总体框图
图2.2.4 工作流程图
14
26
三、线扫描-〉原理描述
3.1 水下激光线扫描原理
该系统将激光扩束为扇状光源，其照射区域成一线状。 将摄像头与光源拉开一定距离，使其照射光路和拍摄视线成 一定角度。一方面，可以有效压制近距离水体散射光的干扰； 另一方面，片状激光照射区域的“形变”能够间接反映出被 观测目标物体的外形特征，摄像头在侧向可以很好地将其记 录下来。该系统一般安装在一可移动平台上，通过平台径向 移动拍摄下来的图像数据通过一定的算法可恢复出所扫描目 标物体的三维外形图。
6
一、绪论-〉水下激光探测的几种手段（分类）
1.4 水下激光探测的几种手段 （分类）
激光电视（又叫激光同步扫描） （同步激光电视） 激光线扫描 距离选通
7
一、绪论-〉研究内容
1.5
研究内容
距离选通系统实验室模拟试验和海试方案设计
水下激光线扫描系统的设计、试验及数据处理 532nm透射率仪（距离选通海试需要）的设计
8
二、距离选通模拟试验 及海试方案设计
9
距离选通式水下电视对其光源和接收器的要求： （1）、激光光源具有高的峰值功率，以保证有 足够的观测距离。 （2）、激光器具有窄的脉冲宽度，以更好地将 脉冲信号同回向散射分开。 （3）、距离选通开关的选通宽度应尽可能接近 脉冲宽度，以保证仅使目标反射光全部进入接收器， 增加信噪比。 （4）、接收器的灵敏度必须足够高。
11
（5-1）
二、距离选通-原理描述
2.1
ICCD距离选通原理
ICCD摄像器件具有高速可控门控的特性，而脉冲激光器的脉冲宽度 可以做到10ns以内，将这两种特性相结合可以获得更佳的水下图像。 我们可以将ICCD系统的特色更精确地描述如下： 可控的门控 + 脉冲激光 〈----〉 水体散射 ICCD高的探测灵敏度 〈----〉 水体吸收
10
c R n
下面我们来具体分析光脉冲在水中传输的过 程及所要求的技术。一个宽度为 秒的光脉冲 在水中的长度等于
c R n
式中，R为水中光脉冲的长度（m）， 为脉冲宽度 （s），c/n为光在水中的传播速度（m／s），c为光在 真空中的传播速度3108（m／s），n为水的折射率— 1.33。因此，10 ns的光脉冲在水中为2.26m。采用Q开 关脉冲激光器可产生几个ns宽的短脉冲。为了能在水中 传播得最远，发射光波长应选择在水的透明度较好的蓝 -绿光光谱范围。倍频Nd：YAG激光器可产生所需要的蓝 -绿激光脉冲。
两套海试方案： （一）在水中布放人工目标，将ICCD系统安装于ROV之 上，由 ROV带入水下对所放的目标进行拍摄，完 成不同水质、不同距离条件下的海上试验。这种 方案的灵活性很大，但是要对 ROV做很多改造工 作。 （二）利用我校东方红2号海洋调查船上自有的‘船底深 井’进行试验。这种方案的设备改造工作相对较 少，但是海试的灵活度大大降低。
二、距离选通-实验室试验
ICCD的测试实验
图2.2.5 暗室拍摄（30秒)
图2.2.6 暗室拍摄（2分钟）
15
二、距离选通-2.7 微光拍摄
图2.2.8 激光照明拍摄
16
二、距离选通-实验室试验
距离选通室内实验
图2.2.9 ICCD室内试验方 案示意图
图2.2.10 “电子快门”常开拍摄结果
22
二、距离选通-〉距离选通海试-〉方案一
2.3.1 方案一
图 2.3.1 水下目标示意
23
二、距离选通-〉距离选通海试-〉方案一
目标布放问题
图2.3.2 目标布放目标示意图
24
二、距离选通-〉距离选通海试-〉方案二
2.3.2 方案二
图 2.3.3
ROV背靶实验
25
三、线扫描-〉
三、水下激光线扫描系统 设计及相关试验
扇状光 的实现方案
图3.2.2 实体图片
30
三、线扫描-〉室内实验
实验室系统电器连接
图3.2.3 电器连接图
31
三、线扫描-〉线扫描系统结构设计
室内实验操作示意图
图3.2.4 操作示意图
32
三、线扫描-〉室内实验
数据处理流程
图 3.2.5 线扫描 数据处理流程图
33
三、线扫描-〉室内实验
算法流程
27
图3.1.1 线扫 描系统示意图
图3.1.2 线扫描实 际水下工作示意图
28
三、线扫描-〉原理描述
三维外形合成的优点
图3.1.3 水雷外形
图3.1.4 水雷和轮胎的灰度图和三维外形图 （水雷在左，轮胎在右）
29
三、线扫描-〉室内实验
3.2 水下激光线扫描系统室内实验
图 3.2.1 片状光源实现方案
图3.4.2 海水偏振特性试验的处理结果
52
三、线扫描-〉探测距离估算
3.5 线扫描系统海中 探测距离估算
L2 L1 (1.45)
2 2
E
P exp(k ( L1 L2 )) AR 2 4L2 S
图3.5.1 海试地点的模拟
图3.5.2 不同水质的模拟结果
53
三、线扫描-〉改进方案
处理前后的结果对比
19
二、距离选通-实验室试验
使用门控的测试结果
图2.2.17 不用门控的结果
图2.2.18 使用门控的结果
20
二、距离选通-实验室试验
使用门控共轴拍摄
图2.2.19
不用门控的结果
图2.2.20 使用门控的结果
21
二、距离选通-海试方案
2.3 距离选通系统海试方案 （与电子集团11所合作）
17
二、距离选通-实验室试验
图2.2.11 灰度拉伸
图2.2.12 高斯灰度变换
图2.2.13 直方图均衡化
图2.2.14
对数灰度变换
18
二、距离选通-实验室试验
通过对比，最后选择 了对数、平方根灰度变换 结合亮度、对比度调整的 方案，暂时放弃伪彩图。
图2.2.15 平方根灰度变换
图2..2.16
(水下目标激光探测 )
1
目录
绪论 距离选通模拟试验及海试方案设计 水下激光线扫描系统设计及相关试验 532nm透射率仪的设计
2
一、绪论
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一、绪论-〉意义
1.1 意义
在广阔的海洋面积中与人类最密切的区域是沿海、 近海和大陆架的浅海海域。据了解，世界上60％的人口 居住在离海岸100km以内的沿海地带，人们当前开发利用 海洋资源的大部分活动也主要集中在这一区域。在经济 开发上，诸如海岸防护、港湾建设、围海造田、滩涂养 殖、海洋能源的开发、制盐业、开辟和疏浚航道、铺设 海底电线、管道等各种工程设施，这些构成了人类开发 海洋的主要活动。近海的资源非常丰富，而近海自然资 源的开发和海岸、航道、港口的防护和建设等，这一切 经济活动都极需各种精确的、不同比例尺的海底地形地 貌图。从军事、国防角度看，当前全球军事的战略调整 有一个共同的趋向，就是世界各海洋大国都纷纷利用世 界战略格局变化的时机，积极地拓宽以海洋为重要方向 的战略空间。
图 3.2.6 线扫描数据处理算法流程
34
三、线扫描-〉室内实验
图像处理
图 3.2.7 原始帧图像
图 2.2.8 图像预处理的结果
图 3.2.9 图像增强后的结果
图 3.2.10 没有背景门限处 理的边缘检测结果
图 3.2.11 背景门限结合边 缘检测的结果
35
三、线扫描-〉室内实验
边缘检测
图3.2.12 几种边缘检测算法的比较
3.6 线扫描改进方案
图3.6.1 双摄像 头方案
图3.6.2 片光源+点光源 的方案
图3.6.3 片状激 光扫描的方案
54
五、所要做的工作-〉线扫描室内试验-〉信号处理
5.3.1 三维重构算法
图18 线扫描原理图
b ( x, y, x ) ( x , y, f ) f * ctg() x
36
三、线扫描-〉室内实验
室内（空气中）的实验结果
图2.2.13 线扫描实验结果
37
三、线扫描-〉室内实验-〉实验结果分析
实验结果分析
图3.2.14 光圈对拍摄结果的影响
图3.2.15 光圈对最后处理结果的影响
38
三、线扫描-〉室内实验-〉实验结果分析
图3.2.16 两种配色方案的比较
图3.2.17 调整观察视角-俯视图
55
海星
图3.3.9 重新绘制的俯视图
图3.3.10 海星的三维合成图
49
三、线扫描-〉海中实验
与常规拍摄方式的对比
图3.3.11 常规拍摄方式 得到的图像
50
三、线扫描-〉偏振实验
3.4 海水偏振特性 应用于线扫描的试验
图3.4.1 海水偏振特性 试验的拍摄效果
51
三、线扫描-〉偏振实验
偏振实验的处理结果
4
一、绪论-〉常用探测手段及其特点
1.2 常用探测手段及其特点
声学探测 穿透海水的能力强，探测距离远。 成像分辨率有限。 潜水区（浅于200ft）的应用受限制。 光学探测 分辨率高 探测距离有限
5
一、绪论-〉水下目标光学探测基本问题
1.3
水下目标光学探测基本问 题
水下目标图像探测一直是困扰海洋界的一个难 题，这是因为海水对光线具有的强烈吸收和散射作 用，通常的水下探测手段距离有限而且图像质量不 佳。水下探测要获得好的效果，就必须从解决吸收 和散射这两方面入手。 水下激光探测的最终目标就是：利用激光的某 些特性，将其和一些具有特殊功能的光电器件相结 合，最大限度地抑制海水对光线的吸收和散射作用， 以期获得质量更佳的水下图像或是较精确的目标外 形特征描述。
42
三、线扫描-〉海中实验
3.3 线扫描海中实验
图3.3.1 水下试验系统 电气连接示意图
43
三、线扫描-〉海中实验
水密壳设计
图3.3.2 水密外壳装配图
图3.3.3 水密外壳内的设备安装示意图
44
三、线扫描-〉海中实验
水下部分外观图
图3.3.4 线扫描系统水下部分
45
三、线扫描-〉海中实验
海中实验结果
试验场地的水质情况是 ：透明度盘 1.5米。
图3.3.5 水下试验 的实际拍摄效果
图3.3.6 水下图像 增强处理后的结果
46
三、线扫描-〉海中实验
海中实验的处理结果
图3.3.7 海中实验的结果
47
三、线扫描-〉海中实验
海中实验的处理结果
图3.3.8 海中实验的结果
48
三、线扫描-〉海中实验
39
三、线扫描-〉室内实验-〉实验结果分析
视角的调整
图3.2.18 调整观察视角-后侧视图
图3.2.19 调整观察视角-前侧视图
40
三、线扫描-〉室内实验->水槽实验
水槽中的实验结果
图3.2.20 反扣的饭盆
图3.2.21 安全帽
41
三、线扫描-〉室内实验->水槽实验
水槽中的实验结果
图3.2.22 珊瑚
图2.1.1 距离选通工作原理示意图
12
二、距离选通-实验室试验
2.2 ICCD距离选通系统的实验室试验
图2.2.1 Princeton ICCD 系统
图2.2.2 ICCD拍摄系统框图
13
二、距离选通-实验室试验
实验室ICCD系统框图
图2.2.3 ICCD系统总体框图
图2.2.4 工作流程图
14
26
三、线扫描-〉原理描述
3.1 水下激光线扫描原理
该系统将激光扩束为扇状光源，其照射区域成一线状。 将摄像头与光源拉开一定距离，使其照射光路和拍摄视线成 一定角度。一方面，可以有效压制近距离水体散射光的干扰； 另一方面，片状激光照射区域的“形变”能够间接反映出被 观测目标物体的外形特征，摄像头在侧向可以很好地将其记 录下来。该系统一般安装在一可移动平台上，通过平台径向 移动拍摄下来的图像数据通过一定的算法可恢复出所扫描目 标物体的三维外形图。
6
一、绪论-〉水下激光探测的几种手段（分类）
1.4 水下激光探测的几种手段 （分类）
激光电视（又叫激光同步扫描） （同步激光电视） 激光线扫描 距离选通
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一、绪论-〉研究内容
1.5
研究内容
距离选通系统实验室模拟试验和海试方案设计
水下激光线扫描系统的设计、试验及数据处理 532nm透射率仪（距离选通海试需要）的设计
8
二、距离选通模拟试验 及海试方案设计
9
距离选通式水下电视对其光源和接收器的要求： （1）、激光光源具有高的峰值功率，以保证有 足够的观测距离。 （2）、激光器具有窄的脉冲宽度，以更好地将 脉冲信号同回向散射分开。 （3）、距离选通开关的选通宽度应尽可能接近 脉冲宽度，以保证仅使目标反射光全部进入接收器， 增加信噪比。 （4）、接收器的灵敏度必须足够高。
11
（5-1）
二、距离选通-原理描述
2.1
ICCD距离选通原理
ICCD摄像器件具有高速可控门控的特性，而脉冲激光器的脉冲宽度 可以做到10ns以内，将这两种特性相结合可以获得更佳的水下图像。 我们可以将ICCD系统的特色更精确地描述如下： 可控的门控 + 脉冲激光 〈----〉 水体散射 ICCD高的探测灵敏度 〈----〉 水体吸收
10
c R n
下面我们来具体分析光脉冲在水中传输的过 程及所要求的技术。一个宽度为 秒的光脉冲 在水中的长度等于
c R n
式中，R为水中光脉冲的长度（m）， 为脉冲宽度 （s），c/n为光在水中的传播速度（m／s），c为光在 真空中的传播速度3108（m／s），n为水的折射率— 1.33。因此，10 ns的光脉冲在水中为2.26m。采用Q开 关脉冲激光器可产生几个ns宽的短脉冲。为了能在水中 传播得最远，发射光波长应选择在水的透明度较好的蓝 -绿光光谱范围。倍频Nd：YAG激光器可产生所需要的蓝 -绿激光脉冲。
两套海试方案： （一）在水中布放人工目标，将ICCD系统安装于ROV之 上，由 ROV带入水下对所放的目标进行拍摄，完 成不同水质、不同距离条件下的海上试验。这种 方案的灵活性很大，但是要对 ROV做很多改造工 作。 （二）利用我校东方红2号海洋调查船上自有的‘船底深 井’进行试验。这种方案的设备改造工作相对较 少，但是海试的灵活度大大降低。
二、距离选通-实验室试验
ICCD的测试实验
图2.2.5 暗室拍摄（30秒)
图2.2.6 暗室拍摄（2分钟）
15
二、距离选通-2.7 微光拍摄
图2.2.8 激光照明拍摄
16
二、距离选通-实验室试验
距离选通室内实验
图2.2.9 ICCD室内试验方 案示意图
图2.2.10 “电子快门”常开拍摄结果
22
二、距离选通-〉距离选通海试-〉方案一
2.3.1 方案一
图 2.3.1 水下目标示意
23
二、距离选通-〉距离选通海试-〉方案一
目标布放问题
图2.3.2 目标布放目标示意图
24
二、距离选通-〉距离选通海试-〉方案二
2.3.2 方案二
图 2.3.3
ROV背靶实验
25
三、线扫描-〉
三、水下激光线扫描系统 设计及相关试验
扇状光 的实现方案
图3.2.2 实体图片
30
三、线扫描-〉室内实验
实验室系统电器连接
图3.2.3 电器连接图
31
三、线扫描-〉线扫描系统结构设计
室内实验操作示意图
图3.2.4 操作示意图
32
三、线扫描-〉室内实验
数据处理流程
图 3.2.5 线扫描 数据处理流程图
33
三、线扫描-〉室内实验
算法流程
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图3.1.1 线扫 描系统示意图
图3.1.2 线扫描实 际水下工作示意图
28
三、线扫描-〉原理描述
三维外形合成的优点
图3.1.3 水雷外形
图3.1.4 水雷和轮胎的灰度图和三维外形图 （水雷在左，轮胎在右）
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三、线扫描-〉室内实验
3.2 水下激光线扫描系统室内实验
图 3.2.1 片状光源实现方案
图3.4.2 海水偏振特性试验的处理结果
52
三、线扫描-〉探测距离估算
3.5 线扫描系统海中 探测距离估算
L2 L1 (1.45)
2 2
E
P exp(k ( L1 L2 )) AR 2 4L2 S
图3.5.1 海试地点的模拟
图3.5.2 不同水质的模拟结果
53
三、线扫描-〉改进方案
处理前后的结果对比
19
二、距离选通-实验室试验
使用门控的测试结果
图2.2.17 不用门控的结果
图2.2.18 使用门控的结果
20
二、距离选通-实验室试验
使用门控共轴拍摄
图2.2.19
不用门控的结果
图2.2.20 使用门控的结果
21
二、距离选通-海试方案
2.3 距离选通系统海试方案 （与电子集团11所合作）
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二、距离选通-实验室试验
图2.2.11 灰度拉伸
图2.2.12 高斯灰度变换
图2.2.13 直方图均衡化
图2.2.14
对数灰度变换
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二、距离选通-实验室试验
通过对比，最后选择 了对数、平方根灰度变换 结合亮度、对比度调整的 方案，暂时放弃伪彩图。
图2.2.15 平方根灰度变换
图2..2.16