波纹传感器、波纹重建方法及其应用技术

本发明专利技术揭示了一种波纹传感器、波纹重建方法及其应用，其中该波纹传感器包括采样阵列，用于对穿过波纹的折射光线进行采样；光纤面板，用于接收被采样的折射光线并传输对应形成的采样光斑；图像处理模块，至少用于获取采样光斑的位置信息；控制元件，用于根据采样光斑的位置信息、与采样光斑对应的采样阵列中阵列单元的位置信息、以及与被采样的折射光线对应的入射光线的方向信息，重建波纹分布；通过采用光纤面板作为采样折射光线的成像光斑传输元件，由于光纤面板的畸变很小，不会有错位光斑，可以高传像效率和传像像质地进行成像光斑的传输，从而间接弥补了由于采样点少导致的重建误差问题，提高了水面对空成像应用中的成像校正效果。

Corrugation Sensor, Corrugation Reconstruction Method and Its Application

【技术实现步骤摘要】
波纹传感器、波纹重建方法及其应用
本专利技术属于水下对空成像
，具体涉及一种波纹传感器、波纹重建方法及其应用。
技术介绍
针对水面上目标的观测，可以通过在水面上陆地建立监控装置、或者在水下根据光的反射原理应用潜望镜来实时的观测。然而，这些观测方式的隐蔽性差，容易暴露监控者的位置信息，从而限制了在例如边关海防等领域的应用。与之对应地，从水下对水面以上目标的直接观测则存在一些巨大的挑战，参图7所示，水体表面的波纹起伏会对入射的光线造成随机的散射干扰，当波纹较小水面比较平静时候，这种干扰是可以忽略的(参图8(a)水面为静止平面时从水下拍摄空中的棋盘板图像)，而当波纹起伏越剧烈时，则图像扭曲、畸变严重，特别是海洋上强波浪情况下，图像完全失真、不能辨识目标(参图8(b)水面有起伏时从水下拍摄空中的棋盘板图像)。波纹传感器于2014年由以色列的MarinaAlterman等人提出，其参考大气自适应光学的Shack-Hartmann波前传感器概念，采用小孔阵列或者微透镜阵列对波纹分布进行采样和测量，并从测量信息中重建波纹分布。波纹传感器适用于室外环境，抗干扰能力强，在海洋环境中具有很大的应用潜力，成为海洋水下对空成像波纹重建与校正的潜在途径，受到了各方关注。但是，受制于现有波纹传感器的结构设计，当前波纹传感器在水下对空成像的校正仍然不够理想，例如,，(1)参图9，现有技术的波纹传感器采用透射式毛玻璃板散射板作为光斑装接成像器件，散射体上下表面都会形成错位光斑，光斑识别定位误差较大，而且散射体的反射、散射和吸收对光能有明显的消耗，减少了传感器的可用水下深度，降低了其隐蔽性和实用性；(2)水面波纹重建精度不高，特别是空间采样点数较少时，重建误差较大。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种波纹传感器，用于提高水面波纹的重建精度，提高水下对空成像应用中的校正效果，该波纹传感器包括：采样阵列，用于对穿过波纹的折射光线进行采样；光纤面板，用于接收被采样的折射光线并传输对应形成的采样光斑；图像处理模块，至少用于获取所述采样光斑的位置信息；控制元件，用于根据所述采样光斑的位置信息、与所述采样光斑对应的采样阵列中阵列单元的位置信息、以及与被采样的折射光线对应的入射光线的方向信息，重建波纹分布。一实施例中，所述采样阵列为小孔阵列或微透镜阵列。一实施例中，所述图像处理模块包括图像传感元件和图像采集卡，所述图像传感元件用于将所述采样光斑转换为模拟信号，所述图像采集卡用于将所述模拟信号转换为数字图像信息，所述数字图像信息中包含所述位置信息；优选地，所述图像传感元件为CCD。一实施例中，所述波纹传感器还包括图像放大元件，所述图像放大元件用于将经过所述光纤面板的采样光斑放大后成像在所述图像处理模块上；优选地，所述图像放大元件为显微镜。一实施例中，所述控制元件具体用于根据所述采样光斑的位置信息以及与所述采样光斑对应的采样阵列中阵列单元的位置信息，计算所述被采样的折射光线的方向信息；以及，根据所述被采样的折射光线的方向信息以及与所述被采样的折射光线对应的入射光线的方向信息，计算对应波纹采样点的法向量，进而重建波纹分布。一实施例中，所述控制元件还用于根据所述被采样的折射光线对应的经纬度信息以及采样时刻信息，计算所述与被采样的折射光线对应的入射光线的方向信息；和/或所述控制元件还用于根据所述被采样的折射光线对应的经纬度信息以及采样时刻信息，确定所述采样光斑与采样阵列中阵列单元的对应关系。本专利技术还提供一种水下对空成像系统，包括：如上所述的波纹传感器；以及，成像元件，用于对成像目标进行成像，所述成像元件被设置为对成像目标的成像光线穿过所述被采样的折射光线经过的波纹；图像校正元件，用于根据所述成像元件的位置信息、所述重建波纹以及成像图案中各校正单元的位置信息，对所述成像图案进行校正。一实施例中，所述图像校正元件具体用于根据所述成像元件的位置信息以及成像图案中各校正单元的位置信息，计算所述成像光线在水中的方向信息；以及，根据所述成像光线在水中的方向信息以及所述重建波纹，计算所述成像光线在空气中的方向信息，从而对所述成像图案进行校正；和/或，所述校正单元为像素。本专利技术还提供一种波纹重建方法，包括：对穿过波纹的折射光线进行采样；利用光纤面板接收被采样的折射光线并传输对应形成的采样光斑；获取所述采样光斑的位置信息；根据所述采样光斑的位置信息、与所述采样光斑对应的采样位置信息、以及与被采样的折射光线对应的入射光线的方向信息，重建波纹分布。本专利技术还提供一种水下对空成像方法，包括：对穿过波纹的折射光线进行采样；利用光纤面板接收被采样的折射光线并传输对应形成的采样光斑；获取所述采样光斑的位置信息；根据所述采样光斑的位置信息、与所述采样光斑对应的采样位置信息、以及与被采样的折射光线对应的入射光线的方向信息，重建波纹分布；对成像目标进行成像，其中，对成像目标的成像光线穿过所述被采样的折射光线经过的波纹；根据所述成像元件的位置信息、所述重建波纹以及成像图案中各校正单元的位置信息，对所述成像图案进行校正。本专利技术提供的波纹传感器，通过采用光纤面板作为采样折射光线的成像光斑传输元件，由于光纤面板的畸变很小，不会有错位光斑，可以高传像效率和传像像质地进行成像光斑的传输，从而间接弥补了由于采样点少导致的重建误差问题，提高了水面对空成像应用中的成像校正效果。附图说明图1为本专利技术一实施方式中波纹传感器的结构示意图；图2为本专利技术一实施方式中水面对空成像系统的结构示意图；图3为本专利技术一实施方式中根据被采样的折射光线建立的坐标系；图4为本专利技术一实施方式中世界坐标系、相机坐标系、图像坐标系和图像像素坐标系的示意图；图5为本专利技术一实施方式中波纹重建方法的流程图；图6为本专利技术一实施方式中水下对空成像方法的流程图；图7为水下对空成像的原理示意图；图8为水下对空成像时水面波纹对成像结果影响的对比图；图9为现有技术中利用毛玻璃(散射玻璃)在水下对空成像时产生光斑错位的示意图。具体实施方式以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。参图1和2，介绍本专利技术波纹传感器10的一实施方式，在本实施方式中，该波纹传感器10包括采样阵列101、光纤面板102、图像处理模块103以及控制元件(图未示)。采样阵列101用于对穿过波纹的折射光线进行采样。需要说明的是，在本专利技术的实施方式中，波纹传感器10通常是被配置于水面之下，进而对由空气中通过波纹入射进水中的折射光线进行采样，但在一些其他应用的实施方式中，波纹传感器10可以是被配置于空气中，进而对由水中通过波纹入射到空气中的折射光线进行采样；或者，波纹传感器10可以是被配置于任意两种相邻透光介质的其中一侧。在一些实施例中，该采样阵列101可以是小孔阵列或微透镜阵列。光纤面板102用于接收被采样的折射光线并传输对应形成的采样光斑。由于光纤面板102中光导纤维的芯料折射率高于外皮的折射率，因而入射角小于某一临界角的全部光线都只在内芯全反射，同时由于吸光层的作用而相互之间并不串光，所以光纤面板102中每一根光导纤维都能独立地传递光线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种波纹传感器，其特征在于，包括：采样阵列，用于对穿过波纹的折射光线进行采样；光纤面板，用于接收被采样的折射光线并传输对应形成的采样光斑；图像处理模块，至少用于获取所述采样光斑的位置信息；控制元件，用于根据所述采样光斑的位置信息、与所述采样光斑对应的采样阵列中阵列单元的位置信息、以及与被采样的折射光线对应的入射光线的方向信息，重建波纹分布。

【技术特征摘要】
1.一种波纹传感器，其特征在于，包括：采样阵列，用于对穿过波纹的折射光线进行采样；光纤面板，用于接收被采样的折射光线并传输对应形成的采样光斑；图像处理模块，至少用于获取所述采样光斑的位置信息；控制元件，用于根据所述采样光斑的位置信息、与所述采样光斑对应的采样阵列中阵列单元的位置信息、以及与被采样的折射光线对应的入射光线的方向信息，重建波纹分布。2.根据权利要求1所述的波纹传感器，其特征在于，所述采样阵列为小孔阵列或微透镜阵列。3.根据权利要求1所述的波纹传感器，其特征在于，所述图像处理模块包括图像传感元件和图像采集卡，所述图像传感元件用于将所述采样光斑转换为模拟信号，所述图像采集卡用于将所述模拟信号转换为数字图像信息，所述数字图像信息中包含所述位置信息；优选地，所述图像传感元件为CCD。4.根据权利要求1或3所述的波纹传感器，其特征在于，所述波纹传感器还包括图像放大元件，所述图像放大元件用于将经过所述光纤面板的采样光斑放大后成像在所述图像处理模块上；优选地，所述图像放大元件为显微镜。5.根据权利要求1所述的波纹传感器，其特征在于，所述控制元件具体用于根据所述采样光斑的位置信息以及与所述采样光斑对应的采样阵列中阵列单元的位置信息，计算所述被采样的折射光线的方向信息；以及，根据所述被采样的折射光线的方向信息以及与所述被采样的折射光线对应的入射光线的方向信息，计算对应波纹采样点的法向量，进而重建波纹分布。6.根据权利要求1或5所述的波纹传感器，其特征在于，所述控制元件还用于根据所述被采样的折射光线对应的经纬度信息以及采样时刻信息，计算所述与被采样的折射光线对应的入射光线的方向信息；和/或所述控制元件还用于根据所述被采样的折射光线对应的经纬度...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲁远甫，罗松，焦国华，董玉明，周志盛，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44