专利名称：一种基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法
技术领域：
本发明涉及海冰表面粗糙度测量方法，特别涉及一种基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法。
背景技术：
海冰表面粗糙度是制约海冰表面散射的重要参量，也是海冰融化程度的一个表现。在对海冰的分类研究中，对海冰表面相应的散射特性的分析将会提高海冰分类中对不同风场及季节的适应能力。因此，对于海冰表面粗糙度的测量具有重要的现实意义。现有技术中采用的海冰表面粗糙度测量方法主要有接触式和非接触式两种方式。接触式主要包括滚轴式和探针式,非接触式主要包括激光式和摄影式。对于接触式测量方·法，其测量分辨率在cm量级，测量精度在mm量级，因此接触式测量方法只能用于测量简单的海冰表面参数，并且由于采用接触式测量方法时，滚轴或探针直接与海冰表面接触，特别是对于颗粒状及湿润的海冰表面，滚轴或探针的接触容易改变海冰表面原有的状态，无法得到海冰表面的真实状态。使用摄影式测量方法的测量精度大约是I 2mm，而分辨率和精度要求在_量级以上的只能通过激光式扫描，现有技术中采用点激光对海冰表面进行扫描，测量过程中需要不断调整仪器，扫描海冰表面上的多个点，以得到海冰表面上多个点的高程信息，采用点激光进行扫描花费的时间约为34分钟，而后续处理步骤需要30分钟以上。激光式测量方法虽然测量精度较高，但是整个测量过程所用的时间很长，降低了测量的效率。
发明内容
本发明解决的问题是由于采用点激光对海冰表面进行扫描时，测量过程中需要不断调整仪器，扫描海冰表面上的多个点，以得到海冰表面上多个点的高程信息，而导致的整个测量过程所用的时间很长，降低了测量效率的问题。为了解决现有技术的上述问题，本发明提供了一种基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法，包括以下步骤SI :根据激光三角法测距原理架设包括相机和线激光器的测量系统，使线激光竖直投射到待测海冰表面上，在所述待测海冰表面上形成光痕，所述相机的镜头中心正对所述光痕；S2 :采用所述相机拍照获取所述光痕在所述待测海冰表面上的图像；S3:对所述图像进行处理，提取其中的激光亮线，并根据所述测量系统的分辨率将所述激光亮线上的像素的位置信息转换成所述光痕上的对应点的高程信息；S4 :根据所述高程信息计算所述待测海冰表面的粗糙度。作为优选，所述相机安装在摄影三脚架的平台上，所述线激光器安装在与所述摄影三脚架固定连接的支架上。作为优选，所述线激光器由半导体激光器加柱状镜构成，以将所述半导体激光器发出的点激光转化为线激光。作为优选，所述步骤S3中，对所述图像进行处理，提取其中的激光亮线具体包括S301 :从所述图像中提取其强度图；S302 :分割出所述强度图中亮度高的部分；S303 :对分割出的所述亮度高的部分进行 细化后提取出激光亮线。作为优选，所述步骤S4中，所述待测海冰表面的粗糙度采用均方高度和相关长度描述。与现有技术相比，本发明具有以下有益效果由于采用了线激光代替点激光对待测海冰表面进行扫描，在测量过程中不需要对相机和线激光器进行调整，通过一次扫描就能完成对待测海冰表面的高程信息的获取，从而减少了测量时间，提高了测量效率。
图I为本发明的基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法的流程示意图。图2为图I所示的海冰表面粗糙度测量方法中采用的测量系统的结构示意图。图3为图2所示的测量系统在三维情况下的测量原理示意图。图4为图2所示的测量系统在二维情况下的测量原理示意图。图5为图2所示的测量系统的分辨率与焦距的关系示意图。图6为采用相机拍照获取的照片。图7为从图6所示的照片中提取出的强度图。图8为从图7所示的强度图中提取出的激光亮线转化成的高程信息图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。如图I所示，本发明的基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法包括以下步骤SI :根据激光三角法测距原理架设包括相机和线激光器的测量系统，使线激光竖直投射到待测海冰表面上，在所述待测海冰表面上形成光痕，所述相机的镜头中心正对所述光痕；S2 :采用所述相机拍照获取所述光痕在所述待测海冰表面上的图像；S3:对所述图像进行处理，提取其中的激光亮线，并根据所述测量系统的分辨率将所述激光亮线上的像素的位置信息转换成所述光痕上的对应点的高程信息；S4 :根据所述高程信息计算所述待测海冰表面的粗糙度。在图I所示的海冰表面粗糙度测量方法中采用的测量系统包括相机和线激光器。采用的相机的机型是佳能EOS 7D，其镜头的焦距f可以变换，焦距f的变换范围在15mm IIOmm之间，能够拍摄的最大相片的大小为5184像素X 3456像素，该相机的整个CMOS传感器的尺寸为22. 3mm X 14. 9mm，平均单个像素的大小为4. 3 μ m X 4. 3 μ m ;采用的线激光器由半导体激光器加柱状镜构成，以将所述半导体激光器发出的点激光转化为线激光，该线激光器可用于标线等作业，在本实施例中作为标定海冰表面起伏的激光使用，其最大功率IOOmff,激光波长为655nm，模式为HLM1845，级别为IIIb激光产品；如图2所示，相机I和线激光器3通过摄影三角架2固定，相机I安装在摄影三角架2的平台上，线激光器3固定在支架5上，该支架5与摄影三角架2固定连接，线激光器3发出的线激光301竖直投射到待测海冰表面上，相机I的镜头朝向待测海冰表面，使相机I能够将线激光在待测海冰表面上形成的光痕拍摄到照片当中；线激光器3通过电源4供电。本发明的基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法的主要依据是将激光三角法测距原理由点激光器推广到线激光器，用于测量所述光痕上的点的高程起伏。基于点激光器的激光三角法是利用一束激光投射到待测物体表面，形成光斑，经过待测物体表面散射后通过相机的镜头聚焦成像在感光器件的接受面上；待测物体表面上被测点的高程信息由其在感光器件接受面上对应的像素的位置决定，当被测点的高程改变时，光斑相对于镜头的位置发生变化，根据相应的像素的位置变化以及测量系统的结构参数可以求出被测点的高程信息。为了分析相机的CMOS传感器上单个像素对应的海冰表面高程方向上的变化，需要计算所述测量系统的分辨率。下面通过分析所述测量系统在三维情况和二维情况下的测量原理计算所述测量系统的分辨率。如图3所示，在三维情况下，建立三维直角坐标系，坐标原点为0，X轴和y轴沿水平方向，z轴沿竖直方向，xoy平面作为观测平面。线激光器3投射的线激光301沿着z轴向下，镜头101的中心C在xoz平面内，镜头101的中心C正对坐标原点O。由于正对情况下的成像为已有技术，下面解释如何将其拓展到非正对情况。在正对情况下，表面位置O在z轴方向上的位移00"对应CMOS传感器102上的位移O' O"';在非正对情况下，表面位置A在Z轴方向上的位移AA"对应CMOS传感器102上的位移A, A'"。在Z OCA较小的情况下，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，由于斜边CA = CO，则ZACD=ZoCD (3)而Z ACD = Θ ' (4)Z OCD = Θ (5)所以Θ ' = Θ (6)这样，在小角度近似时，非正对情况与正对情况下所述测量系统的参数一致，因此非正对情况与正对情况下所述测量系统的分辨率也是一致的。如图4所示，在二维情况下，相机的镜头101的中心C正对坐标原点0，待测海冰表面上的点到观测平面6的距离Λ与CMOS传感器102上对应像素的位置改变δ之间的关系为
权利要求
1.一种基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法，其特征在于，包括以下步骤 Si:根据激光三角法测距原理架设包括相机和线激光器的测量系统，使线激光竖直投射到待测海冰表面上，在所述待测海冰表面上形成光痕，所述相机的镜头中心正对所述光痕； 52:采用所述相机拍照获取所述光痕在所述待测海冰表面上的图像； 53:对所述图像进行处理，提取其中的激光亮线，并根据所述测量系统的分辨率将所述激光亮线上的像素的位置信息转换成所述光痕上的对应点的高程信息； 54:根据所述高程信息计算所述待测海冰表面的粗糙度。
2.根据权利要求I所述的基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法，其特征在于，所述相机安装在摄影三脚架的平台上，所述线激光器安装在与所述摄影三脚架固定连接的支架上。
3.根据权利要求I所述的基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法，其特征在于，所述线激光器由半导体激光器加柱状镜构成，以将所述半导体激光器发出的点激光转化为线激光。
4.根据权利要求I所述的基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，对所述图像进行处理，提取其中的激光亮线具体包括 5301:从所述图像中提取其强度图； 5302:分割出所述强度图中亮度高的部分； 5303:对分割出的所述亮度高的部分进行细化后提取出激光亮线。
5.根据权利要求I所述的基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述待测海冰表面的粗糙度采用均方高度和相关长度描述。
全文摘要
本发明公开了一种基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法，包括以下步骤S1架设包括相机和线激光器的测量系统，使线激光竖直投射到待测海冰表面上，在待测海冰表面上形成光痕，相机的镜头中心正对光痕；S2采用相机拍照获取光痕在待测海冰表面上的图像；S3对图像进行处理，提取其中的激光亮线，并根据测量系统的分辨率将激光亮线上的像素的位置信息转换成光痕上的对应点的高程信息；S4根据高程信息计算待测海冰表面的粗糙度。本发明由于采用线激光代替点激光对海冰表面进行扫描，测量过程中不需要对设备进行调整，通过一次扫描就能获取海冰表面的高程信息，从而减少了测量时间，提高了测量效率。
文档编号G01B11/30GK102954772SQ20111041538
公开日2013年3月6日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者温晓阳, 董庆, 薛存金 申请人:中国科学院对地观测与数字地球科学中心