專利名稱：一種基于線激光器的海冰表面粗糙度測量方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及海冰表面粗糙度測量方法，特別涉及一種基于線激光器的海冰表面粗糙度測量方法。
背景技術(shù)：
海冰表面粗糙度是制約海冰表面散射的重要參量，也是海冰融化程度的一個表現(xiàn)。在對海冰的分類研究中，對海冰表面相應的散射特性的分析將會提高海冰分類中對不同風場及季節(jié)的適應能力。因此，對于海冰表面粗糙度的測量具有重要的現(xiàn)實意義?，F(xiàn)有技術(shù)中采用的海冰表面粗糙度測量方法主要有接觸式和非接觸式兩種方式。接觸式主要包括滾軸式和探針式,非接觸式主要包括激光式和攝影式。對于接觸式測量方·法，其測量分辨率在cm量級，測量精度在mm量級，因此接觸式測量方法只能用于測量簡單的海冰表面參數(shù)，并且由于采用接觸式測量方法時，滾軸或探針直接與海冰表面接觸，特別是對于顆粒狀及濕潤的海冰表面，滾軸或探針的接觸容易改變海冰表面原有的狀態(tài)，無法得到海冰表面的真實狀態(tài)。使用攝影式測量方法的測量精度大約是I 2mm，而分辨率和精度要求在_量級以上的只能通過激光式掃描，現(xiàn)有技術(shù)中采用點激光對海冰表面進行掃描，測量過程中需要不斷調(diào)整儀器，掃描海冰表面上的多個點，以得到海冰表面上多個點的高程信息，采用點激光進行掃描花費的時間約為34分鐘，而后續(xù)處理步驟需要30分鐘以上。激光式測量方法雖然測量精度較高，但是整個測量過程所用的時間很長，降低了測量的效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是由于采用點激光對海冰表面進行掃描時，測量過程中需要不斷調(diào)整儀器，掃描海冰表面上的多個點，以得到海冰表面上多個點的高程信息，而導致的整個測量過程所用的時間很長，降低了測量效率的問題。為了解決現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，本發(fā)明提供了一種基于線激光器的海冰表面粗糙度測量方法，包括以下步驟SI :根據(jù)激光三角法測距原理架設包括相機和線激光器的測量系統(tǒng)，使線激光豎直投射到待測海冰表面上，在所述待測海冰表面上形成光痕，所述相機的鏡頭中心正對所述光痕；S2 :采用所述相機拍照獲取所述光痕在所述待測海冰表面上的圖像；S3:對所述圖像進行處理，提取其中的激光亮線，并根據(jù)所述測量系統(tǒng)的分辨率將所述激光亮線上的像素的位置信息轉(zhuǎn)換成所述光痕上的對應點的高程信息；S4 :根據(jù)所述高程信息計算所述待測海冰表面的粗糙度。作為優(yōu)選，所述相機安裝在攝影三腳架的平臺上，所述線激光器安裝在與所述攝影三腳架固定連接的支架上。作為優(yōu)選，所述線激光器由半導體激光器加柱狀鏡構(gòu)成，以將所述半導體激光器發(fā)出的點激光轉(zhuǎn)化為線激光。作為優(yōu)選，所述步驟S3中，對所述圖像進行處理，提取其中的激光亮線具體包括S301 :從所述圖像中提取其強度圖；S302 :分割出所述強度圖中亮度高的部分；S303 :對分割出的所述亮度高的部分進行 細化后提取出激光亮線。作為優(yōu)選，所述步驟S4中，所述待測海冰表面的粗糙度采用均方高度和相關(guān)長度描述。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果由于采用了線激光代替點激光對待測海冰表面進行掃描，在測量過程中不需要對相機和線激光器進行調(diào)整，通過一次掃描就能完成對待測海冰表面的高程信息的獲取，從而減少了測量時間，提高了測量效率。


圖I為本發(fā)明的基于線激光器的海冰表面粗糙度測量方法的流程示意圖。圖2為圖I所示的海冰表面粗糙度測量方法中采用的測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2所示的測量系統(tǒng)在三維情況下的測量原理示意圖。圖4為圖2所示的測量系統(tǒng)在二維情況下的測量原理示意圖。圖5為圖2所示的測量系統(tǒng)的分辨率與焦距的關(guān)系示意圖。圖6為采用相機拍照獲取的照片。圖7為從圖6所示的照片中提取出的強度圖。圖8為從圖7所示的強度圖中提取出的激光亮線轉(zhuǎn)化成的高程信息圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進行詳細說明。如圖I所示，本發(fā)明的基于線激光器的海冰表面粗糙度測量方法包括以下步驟SI :根據(jù)激光三角法測距原理架設包括相機和線激光器的測量系統(tǒng)，使線激光豎直投射到待測海冰表面上，在所述待測海冰表面上形成光痕，所述相機的鏡頭中心正對所述光痕；S2 :采用所述相機拍照獲取所述光痕在所述待測海冰表面上的圖像；S3:對所述圖像進行處理，提取其中的激光亮線，并根據(jù)所述測量系統(tǒng)的分辨率將所述激光亮線上的像素的位置信息轉(zhuǎn)換成所述光痕上的對應點的高程信息；S4 :根據(jù)所述高程信息計算所述待測海冰表面的粗糙度。在圖I所示的海冰表面粗糙度測量方法中采用的測量系統(tǒng)包括相機和線激光器。采用的相機的機型是佳能EOS 7D，其鏡頭的焦距f可以變換，焦距f的變換范圍在15mm IIOmm之間，能夠拍攝的最大相片的大小為5184像素X 3456像素，該相機的整個CMOS傳感器的尺寸為22. 3mm X 14. 9mm，平均單個像素的大小為4. 3 μ m X 4. 3 μ m ;采用的線激光器由半導體激光器加柱狀鏡構(gòu)成，以將所述半導體激光器發(fā)出的點激光轉(zhuǎn)化為線激光，該線激光器可用于標線等作業(yè)，在本實施例中作為標定海冰表面起伏的激光使用，其最大功率IOOmff,激光波長為655nm，模式為HLM1845，級別為IIIb激光產(chǎn)品；如圖2所示，相機I和線激光器3通過攝影三角架2固定，相機I安裝在攝影三角架2的平臺上，線激光器3固定在支架5上，該支架5與攝影三角架2固定連接，線激光器3發(fā)出的線激光301豎直投射到待測海冰表面上，相機I的鏡頭朝向待測海冰表面，使相機I能夠?qū)⒕€激光在待測海冰表面上形成的光痕拍攝到照片當中；線激光器3通過電源4供電。本發(fā)明的基于線激光器的海冰表面粗糙度測量方法的主要依據(jù)是將激光三角法測距原理由點激光器推廣到線激光器，用于測量所述光痕上的點的高程起伏?；邳c激光器的激光三角法是利用一束激光投射到待測物體表面，形成光斑，經(jīng)過待測物體表面散射后通過相機的鏡頭聚焦成像在感光器件的接受面上；待測物體表面上被測點的高程信息由其在感光器件接受面上對應的像素的位置決定，當被測點的高程改變時，光斑相對于鏡頭的位置發(fā)生變化，根據(jù)相應的像素的位置變化以及測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)可以求出被測點的高程信息。為了分析相機的CMOS傳感器上單個像素對應的海冰表面高程方向上的變化，需要計算所述測量系統(tǒng)的分辨率。下面通過分析所述測量系統(tǒng)在三維情況和二維情況下的測量原理計算所述測量系統(tǒng)的分辨率。如圖3所示，在三維情況下，建立三維直角坐標系，坐標原點為0，X軸和y軸沿水平方向，z軸沿豎直方向，xoy平面作為觀測平面。線激光器3投射的線激光301沿著z軸向下，鏡頭101的中心C在xoz平面內(nèi)，鏡頭101的中心C正對坐標原點O。由于正對情況下的成像為已有技術(shù)，下面解釋如何將其拓展到非正對情況。在正對情況下，表面位置O在z軸方向上的位移00"對應CMOS傳感器102上的位移O' O"';在非正對情況下，表面位置A在Z軸方向上的位移AA"對應CMOS傳感器102上的位移A, A'"。在Z OCA較小的情況下，采用小角度近似，得到CA = CO (I)CA' = CO' (2)在直角三角形Λ O⑶和Λ A⑶中，由于斜邊CA = CO，則ZACD=ZoCD (3)而Z ACD = Θ ' (4)Z OCD = Θ (5)所以Θ ' = Θ (6)這樣，在小角度近似時，非正對情況與正對情況下所述測量系統(tǒng)的參數(shù)一致，因此非正對情況與正對情況下所述測量系統(tǒng)的分辨率也是一致的。如圖4所示，在二維情況下，相機的鏡頭101的中心C正對坐標原點0，待測海冰表面上的點到觀測平面6的距離Λ與CMOS傳感器102上對應像素的位置改變δ之間的關(guān)系為
權(quán)利要求
1.一種基于線激光器的海冰表面粗糙度測量方法，其特征在于，包括以下步驟 Si:根據(jù)激光三角法測距原理架設包括相機和線激光器的測量系統(tǒng)，使線激光豎直投射到待測海冰表面上，在所述待測海冰表面上形成光痕，所述相機的鏡頭中心正對所述光痕； 52:采用所述相機拍照獲取所述光痕在所述待測海冰表面上的圖像； 53:對所述圖像進行處理，提取其中的激光亮線，并根據(jù)所述測量系統(tǒng)的分辨率將所述激光亮線上的像素的位置信息轉(zhuǎn)換成所述光痕上的對應點的高程信息； 54:根據(jù)所述高程信息計算所述待測海冰表面的粗糙度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于線激光器的海冰表面粗糙度測量方法，其特征在于，所述相機安裝在攝影三腳架的平臺上，所述線激光器安裝在與所述攝影三腳架固定連接的支架上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于線激光器的海冰表面粗糙度測量方法，其特征在于，所述線激光器由半導體激光器加柱狀鏡構(gòu)成，以將所述半導體激光器發(fā)出的點激光轉(zhuǎn)化為線激光。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于線激光器的海冰表面粗糙度測量方法，其特征在于，所述步驟S3中，對所述圖像進行處理，提取其中的激光亮線具體包括 5301:從所述圖像中提取其強度圖； 5302:分割出所述強度圖中亮度高的部分； 5303:對分割出的所述亮度高的部分進行細化后提取出激光亮線。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于線激光器的海冰表面粗糙度測量方法，其特征在于，所述步驟S4中，所述待測海冰表面的粗糙度采用均方高度和相關(guān)長度描述。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于線激光器的海冰表面粗糙度測量方法，包括以下步驟S1架設包括相機和線激光器的測量系統(tǒng)，使線激光豎直投射到待測海冰表面上，在待測海冰表面上形成光痕，相機的鏡頭中心正對光痕；S2采用相機拍照獲取光痕在待測海冰表面上的圖像；S3對圖像進行處理，提取其中的激光亮線，并根據(jù)測量系統(tǒng)的分辨率將激光亮線上的像素的位置信息轉(zhuǎn)換成光痕上的對應點的高程信息；S4根據(jù)高程信息計算待測海冰表面的粗糙度。本發(fā)明由于采用線激光代替點激光對海冰表面進行掃描，測量過程中不需要對設備進行調(diào)整，通過一次掃描就能獲取海冰表面的高程信息，從而減少了測量時間，提高了測量效率。
文檔編號G01B11/30GK102954772SQ20111041538
公開日2013年3月6日 申請日期2011年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月13日
發(fā)明者溫曉陽, 董慶, 薛存金 申請人:中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心