GPS定位水下光电成像跟踪技术研究

论文摘要

论文介绍了一种GPS定位光电扫描式成像跟踪系统的设计实现，对其中的关键技术问题进行了深入的分析，并用实验加以验证。水下光学成像技术是人类研究和开发海洋的得力工具，它具有图像清晰、信息量大、直观准确的特点，是其他技术手段所无法替代的。它是集水下光学、水下工程、光电子学、水下信号传输、控制技术、图像处理、数字化图像储存、GPS定位技术等多项技术于一体，高科技含量大。本课题是在一般水下电视系统的基础上，根据我所承担的GPS定位光电扫描式成像跟踪系统项目中有关的关键技术而立题，通过二维扫描机构的创新设计，增加了GPS定位、图像处理、目标跟踪、CCD扫描控制等多方面技术。它的研究成功对我所进一步加强水下监视，提高对海洋资源探测、海洋环境监测具有实际应用价值。文章首先对水的光学特性及其对水下成像的影响进行了讨论，它是水下成像技术的理论依据；然后根据水下成像的特点，概述了一般水下电视技术的设计方法、技术难点以及解决方法，它为本系统的完成提供了工程实践的具体指导。根据以上内容的研究和分析，在结构设计方面，提出了二维扫描机构，它克服了一般水下电视系统由于使用特殊环境的限制不能进行扫描的缺点，可以进行水平360度，垂直90度全方位扫描，并且不存在盲区。控制方面，除了需要通过步进电机控制CCD的扫描旋转外，增加了对CCD调焦的控制，使系统的监视距离可以达到1000m以上。这样系统就既可以工作于水下，有可以应用于水平面上。信号处理方面，对CCD传回的视频信号进行了分析、处理并给与了存储，在分析处理中，利用图像识别技术对水中目标实现了简单的识别，利用跟踪算法实现了对水中低速物体的跟踪监视。当系统用于水面上时，增加了GPS定位功能，并可以将三维位置数据、速度和时间等数据传回给远程控制模块，实现对探测系统进行精确定位并对其位置进行矫正。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 国内外水下电视系统的发展与研究现状
• 1.3 系统的组成与技术要求
• 1.4 论文的结构安排
• 第二章 水的光学特性及其对水下成像的影响
• 2.1 水的光学特性
• 2.1.1 水对光的选择吸收特性
• 2.1.2 水对光的散射特性
• 2.2 水的光学特性对水下成像的影响
• 2.2.1 水下照明对目标的光辐射
• 2.2.2 成像系统像面上的光线组成
• 2.2.3 像面上各路光线的表示
• 2.2.4 有关水下成像系统成像质量的计算方法
• 2.2.5 系统举例与分析
• 2.3 本章小结
• 第三章 水下电视系统的技术难点及解决方法
• 3.1 水下电视系统的组成
• 3.2 水的折射率的影响及其解决方法
• 3.2.1 水的折射率的影响
• 3.2.2 系统校正的基本思想
• 3.2.3 水下专用光学镜头的设计
• 3.3 辅助光源的安排
• 3.4 系统的耐压、抗腐蚀和防水密封
• 3.4.1 系统壳体的设计
• 3.4.2 系统的防水密封
• 3.5 信号传输
• 3.6 本章小结
• 第四章 系统硬件部分的设计实现
• 4.1 系统的组成与工作过程
• 4.1.1 系统的组成
• 4.1.2 系统的工作过程
• 4.2 系统照度的计算
• 4.2.1 水下照度的估算
• 4.2.2 像面照度的估算
• 4.2.3 辅助光源对系统照度的影响
• 4.3 系统的结构设计
• 4.3.1 系统的结构简图
• 4.3.2 系统壳体设计与密封性
• 4.3.3 二维扫描机构的设计
• 4.3.4 系统装配图与重要部件结构图
• 4.4 CCD摄像机的选择与性能指标
• 4.5 信号的传输
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统控制及软件部分的设计实现
• 5.1 系统控制分析
• 5.2 CCD的扫描与调焦
• 5.2.1 步进电机及其驱动器的选取
• 5.2.2 控制芯片的选取
• 5.2.3 CCD扫描与调焦的控制
• 5.2.4 控制电路的设计
• 5.2.5 控制程序的设计
• 5.3 远程控制模块的设计
• 5.3.1 上位机与单片机的通讯
• 5.3.2 视频信号处理的多线程机制
• 5.3.3 远程控制模块与GPS间的通信
• 5.4 视频信号处理算法
• 5.4.1 图像的识别
• 5.4.2 目标跟踪
• 5.4.3 具体图像的处理
• 5.5 本章小结
• 第六章 实验结果与总结
• 6.1 系统实验结果
• 6.2 研究成果、结论及创新点
• 6.3 系统需改进之处
• 参考文献
• 作者在攻读硕士期间正式发表的论文
• 致谢