基于线形激光水下地形扫描系统研究

摘要

海洋开发和利用有着巨大的应用前景，使用有效手段进行水下探测，是进行海洋开发的前提，当前，水下地形探测多以声呐为主，然而现有的声呐探测精度很低，无法实现近距离高精度扫描。在水中采用激光扫描方式却能够很好地解决这些问题。本文给出了一种基于线形激光的扫描探测系统，该系统不仅能够实现水下地形扫描与水下目标定位的功能，而且能够在保证精度要求的基础上得到扫描后的三维重建结果。本文在激光条纹中心处理方面，给出了一种结合多阈值算法和基于极值法的高斯拟合法的条纹中心线提取算法。多阈值算法通过采用不同的阈值可以有效地滤除背景噪声，基于极值法的高斯拟合法则对部分激光条纹采用高斯函数进行拟合，最后得到的实验结果既具有阈值法的快速性，又保留高斯拟合法的准确性。本文的主要研究工作如下:
　　首先，针对线形激光水下扫描系统研究的目的，给出了本论文中所设计的扫描系统总体结构组成框架。线形激光水下扫描实验研究根据不同的扫描系统硬件平台可分为前后两个阶段。对应这两种硬件平台，完成了激光扫描系统在不同的软件系统下的设计过程。
　　其次，激光条纹中心线提取，是水下线形激光图像处理研究过程中不可或缺的一部分。本文给出的是一种结合多阈值算法和基于极值法的高斯拟合法的条纹中心线提取算法。实验验证了该方法能够弥补传统激光条纹中心线提取算法在精度和快速性上的不足。
　　然后，激光扫描系统参数的标定是激光扫描系统测量精度的保证。本文提出了采用共线点快速标定法，对比其他复杂的系统结构参数标定方法，实验的最后结果验证了将该标定方法应用在水下环境中系统标定的可行性。
　　最后，在线形激光水下地形扫描实验中，针对不同的水下地形情况，分别采用步进电机滑台和水下自主机器人AUV这两个不同的硬件平台进行展开，实现了水下地形的三维点云重建。在水下目标定位实验中，针对尺寸大小已知的水下目标模型，将激光扫描测量结果与原始尺寸进行对比，分析该系统的扫描精度。根据实验结果，本文所设计的基于线形激光扫描系统能够很好的实现水下地形扫描和目标定位功能。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1论文研究的背景及目的和意义

1．1．1论文研究的背景

1．1．2论文研究的目的和意义

1．2国内外研究现状

1．2．1国外研究现状

1．2．2国内研究现状

1．3论文的主要研究内容及结构安排

第2章水下线形激光扫描系统总体设计

2．1扫描系统总体结构组成

2．2激光扫描系统硬件平台

2．2．1步进电机滑台

2．2．2水下自主机器人AUV

2．3激光扫描系统软件部分

2．3．1基于步进电机滑台软件部分

2．3．2基于水下自主机器人AUV软件部分

2．4本章小结

第3章水下线形激光图像处理算法研究

3．1线形激光扫描系统原理

3．1．1系统坐标系的建立与变换

3．1．2线形激光三角测距原理

3．2测量精度的影响因素

3．2．1系统结构参数的影响

3．2．2系统元件参数的影响

3．2．3光学系统像差的影响

3．2．4被测物体表面特性的影响

3．2．5线形激光器光源的影响

3．2．6防水装置折射的影响

3．2．7水体浑浊度的影响

3．3激光条纹中心线提取算法

3．4改进的条纹中心线提取算法

3．4．1多阈值分割算法

3．4．2基于极值法的高斯拟合法

3．5本章小结

第4章系统参数标定与点云数据处理

4．1摄像机标定

4．1．1摄像机标定方法

4．1．2张正友平面标定法

4．2系统结构参数标定

4．2．1系统结构参数标定方法

4．2．2系统共线点快速标定法

4．3实验标定结果

4．3．1摄像机标定实验

4．3．2系统结构参数标定实验

4．3．3滑台参数标定实验

4．4扫描点云构建

4．4．1扫描平台运动方式

4．4．2基于扫描平台点云构建

4．5点云数据处理

4．5．1点云滤波

4．5．2法线估计

4．5．3曲面重建

4．6本章小结

第5章水下地形扫描及目标定位实验

5．1基于步进电机滑台实验

5．1．1单一地形扫描

5．1．2复杂地形扫描

5．1．3水下小目标扫描

5．2基于水下机器人AUV实验

5．2．1单一地形扫描

5．2．2复杂地形扫描

5．2．3水下小目标扫描

5．3两种激光扫描平台特点

5．3．1步进电机滑台扫描特点

5．3．2 AUV扫描特点

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢