CN107644456B - 基于激光偏振特性的海底地形重建系统及方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

基于激光偏振特性的海底地形重建系统及方法

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。

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SQL Server 2008建立偏振特性数据库；

步骤3，目标的识别分类：通过Delphi 7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。

本发明与现有技术相比，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发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明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为本发明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为本发明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为本发明交互式界面的目标识别查询结果图。

图6为三维离散坐标插值前后的曲面绘制效果对比图，其中(a)是三维离散坐标插值前的曲面绘制效果图，(b)是三维离散坐标插值后的曲面绘制效果图。

图7为本发明中地形三维重建效果图，其中(a)是根据本系统所测量三维地形数据绘制的曲面效果图，(b)是根据地形分类结果赋予曲面岩石地形纹理的效果图。

图8为海底三维可视化模型的不同角度效果图，其中(a)是海底三维可视化模型的侧面图，(b)是海底三维可视化模型的正面图，(c)是海底三维可视化模型的背面图。

具体实施方式

结合图1～2，本发明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。

结合图1，本发明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。各个模块的具体功能及结构组成如下：

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，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，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°，接收海底目标的偏振反射光并通过光电二极管的输出接口传输至信息处理模块；

步进电机模块，包括步进电机及步进电机驱动器，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，包括GPS天线和GPS接收机，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，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。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。

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。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。

其中，偏振度的计算可依据斯托克斯参量法。即用I、Q、U、V四个参数来表示偏振状态。其定义如下：

式(1)中，I_0°，I_90°，I_45°，I_135°，I_r和I_l分别表示放置在光波传播路径上的理想偏振片在0°，90°，45°，135°方向上的线偏光以及右旋(r)和左旋(l)圆偏振光强，I表示光波的总光强度，Q表示光束在水平(x轴)偏振方向与垂直(y轴)偏振方向之间的光强度差，U表示光束在45°偏振方向与135°偏振方向之间的光强度差，V表示光束的右旋与左旋圆偏振分量的光强度差。

偏振度可表示为：

由于在自然界中目标的圆偏振的分量(V)极小且不易测得，通常可以忽略。所以偏振度可以表示为：

由式(3)可知，利用光电探测器探测到的电流信号值就可求出反射光信号的偏振度。

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SQL Server 2008建立偏振特性数据库，如图3所示；

由于物质的偏振特性与其自身性质密切相关，所以通过比较分析相同探测条件下的偏振特性数据，可实现目标的快速识别分类。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SQL Server 2008建立偏振特性数据库，使现有数据更加有条理，便于观察分析。

步骤3，目标的识别分类：结合图4(a)、(b)，通过Delphi 7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，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。

由于物质的偏振特性与其自身性质密切相关，所以相同探测条件下，不同物质的偏振特性也就不同。那么，通过将步骤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作查询比较，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。首先通过Delphi 7建立交互式界面，连接由步骤2中所保存的现有偏振数据构成的偏振特性数据库，在步骤2中偏振特性数据库保存的现有偏振特性数据中查询满足步骤1中所测海底目标的探测条件与偏振特性的数据库记录，找到相应记录中的物质，即可判定当前所测的目标类别，从而快速地完成海底目标的识别与分类。通过建立交互式界面，使得查询结果更加直观清楚。此外，还可通过交互式界面将系统测得的偏振数据添加在步骤2中的偏振特性数据库中，对偏振特性数据库记录进行实时修改、插入、删除等管理功能，使偏振特性数据库不断完善。

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。

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，绘制成三维地形曲面；对步骤1得到的处理过的偏振信息，通过步骤3可得到海底目标的分类结果，从而为地形曲面赋予相应的纹理材质，还原水下场景。

目前，OpenGL、Direct3D等三维图形软件的建立，为海底地形三维可视化系统的设计提供了软件支持。虽然OpenGL等软件可以获取真实感较强的三维地形，但这些软件对硬件要求较高，文件体积大，不利于网络传输，所以，本次设计选用MATLAB作为开发工具，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MATLAB中的Cubic方法，Cubic是基于Delaunay的三次方程插值。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。

用Cubic方法将所测得的GPS二维位置信息和海底目标深度信息进行插值处理后，然后根据插值后的三维坐标数组利用surf函数绘制海底地形曲面及其它海底目标。根据目标识别分类部分的识别结果，给曲面赋予相应的材质和纹理，还原水下场景。相对于基于分形技术的三维可视化方法等建模方法，该方法具有数据空洞小、地形保持度高、效率高、计算复杂度低的特点。

下面结合实例对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

本发明以激光偏振水下目标探测信息处理系统为实验数据采集平台，SQL Server2008、Delphi 7和Matlab(R2014a)软件平台为基础，提出了一种基于激光偏振特性的海底地形重建方法，并利用此方法对海底地形进行三维重建，实现海底地形的三维可视化，其方法流程如图1所示。

为了验证本系统的测量准确性，通过搭建激光偏振水下目标探测简易实验系统平台测量GPS定位信息和目标偏振信息。测量地点为南京理工大学电子工程与光电技术学院，其位置信息标准数据为：东经E 118°51′25.13″，北纬N 32°1′38.25″。本系统测得的定位信息为：东经E 118°51′，北纬N 32°1′。测量结果与实际真实数据在“度”、“分”单位上保持一致，由于本设计所用的GPS接收机精度有限，未能测到“秒”级数据。说明本系统测试的数据符合精度要求，本次实验取得了较为理想的结果。

为验证该方法中目标识别分类的准确性并证明其简单高效，以石油的探测识别为例，在交互界面上输入系统的探测条件和测量结果进行查询。输入探测角和入射角为20°，方位角为180°，测量结果偏振度为0.22，点击“查询”按钮，查询数据库中复合上述条件的数据库记录，最后查询结果如图5所示，可得知所测目标为石油。其中，交互式界面左下方的图片为所查询的物质的偏振特性曲线图。这种目标识别分类方法简单高效，且查询比对结果十分直观清楚。

本发明的三维地形坐标数据的处理采用MATLAB中的Cubic方法进行插值处理，由图6(a)(b)可看出，cubic插值方法可有效地对三维离散数据构成的曲面进行平滑处理，使其更加接近真实地形。为观察本发明中地形重建效果，以岩石地形为例，图7(a)是根据探测到的GPS二维位置信息和海底目标深度信息绘制的地形曲面，经目标识别分类后判定该处为岩石地形，然后将岩石纹理赋予地形曲面，最终效果如图7(b)所示。由于海底除岩石外，还有各种植物、金属废弃物及沉船残骸等，对于这些目标的探测，对海洋环境的监测处理、海底工程的建设都有重要意义。所以根据所探测到的目标信息，可对这些目标进行三维重建，同时加上海水背景，使水下场景更加丰富形象。

图8(a)(b)(c)分别展示了加上植物、沉船和金属等物质后的不同角度的海底三维可视化模型。从以上仿真模型图片可看出本发明能真实生动地还原水下场景。本发明进一步探索了利用偏振特性进行目标探测识别的可行性，同时也为海底地形的三维可视化提供了更加简洁的方法，对于海洋资源开发、水下工程监测、海底环境监测、水下军事目标识别与侦测等具有重要意义。

Claims (2)

1.一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SQL Server 2008建立偏振特性数据库；并通过Delphi7建立交互式界面，完成对所建立偏振特性数据库的管理；此外，还通过交互式界面将系统测得的偏振数据添加在偏振特性数据库中，对偏振特性数据库记录进行实时修改、插入、删除这些管理功能，使偏振特性数据库不断完善；

步骤3，目标的识别分类：通过Delphi 7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：利用Cubic方法对步骤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，然后根据插值后的三维坐标数组利用surf函数绘制地形曲面及其它海底目标，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；

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；

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。

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方法，其特征在于，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。

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