[发明专利]基于激光偏振特性的海底地形重建系统及方法

说明书

本发明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。本发明能够真实还原水下场景，实现了海底地形的可视化。

技术领域

本发明属于海底地形三维重建技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

实现本发明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。