基本信息
- 项目名称：
- 基于激光偏振特性检测的水下目标探测与识别系统
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 冷战结束后，随着海军的战略任务从深海对抗转变为在有潜在敌意的沿海水域保持军事部署，水雷战和反水雷战就愈发重要起来。同时现代潜艇静音技术越来越先进，单一的声纳探测技术已经不能满足现代战争的需要。本作品采用偏振探测技术，利用反射光的偏振特性实现目标的探测与识别，将有望解决“零噪声”潜艇和水雷的探测问题。
- 详细介绍：
- 处于自然偏振状态的激光经人造物体反射后，成为部分偏振光或线偏振光，反射光的偏振特性蕴含了目标的多种信息，通过摄像机前置偏振镜来提取不同偏振度的图像。利用人造目标与自然物体表面特性的差异，通过图像处理可以从背景中分离出人造目标。同时本作品采用了距离选通技术和偏振差分图像处理技术大大改善了水下激光成像质量，提高了系统的作用距离和探测与识别目标的能力。与传统声纳技术相比，具有探测灵活、响应迅速、更易识别目标、隐蔽性好和探测精度高等特点。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 发明目的：探测和识别复杂背景下的水下军事人造目标。 基本思路：处于自然偏振状态的激光经物体反射后，成为部分偏振光或线偏振光。水下人造目标和自然目标的纹理结构、表面状态和材料类型存在区别，使得反射光偏振特性不同，根据发射光偏振态的变化反演被探测目标的特征。选择海洋“光学窗口”0.52μm绿激光作为照明光源，减少环境光源影响。此外采用距离选通技术，使用脉冲激光和具有选通功能的ICCD，大大改善成像质量，增强了系统探测与识别目标的能力。在ICCD前加上可以旋转的偏振片，获得不同偏振状态的图像，经偏振差分处理得到图像细节信息，从而实现目标的识别。 创新点：（1）将激光偏振检测技术用于水下，发展了一种新型水下目标探测与识别技术，在军事和民用上都具有重要价值；（2）利用波段为“水下窗口”的0.52μm绿激光作为照明光源，大大减少了环境光源影响，提高了系统的作用距离和探测精度；（3）利用距离选通技术及偏振差分图像技术，大大减小了水后向散射的影响，提高了成像质量，增强了系统探测与识别目标的能力；（4）利用材料偏振度图的平均灰度值差异，实现对不同材料的识别。 技术关键：（1）水下偏振图像的采集技术；（2）水下偏振图像的处理技术；（3）激光距离选通技术；（4）水下偏振探测系统的水密性处理。 技术指标：（1）水密性：系统在水下连续工作无渗水现象；（2）实时性：图像采集与处理的时间小于2秒；（3）作用距离：不小于100米。
科学性、先进性
- 作品科学性：激光经人造物体反射后，成为部分偏振光或线偏振光,反射光的偏振特性蕴含了目标多种信息。利用人造目标与自然物体表面特性的差异，得到不同偏振特性的反射激光，利用摄像机前置偏振镜提取不同偏振度图像，通过图像处理分离出人造目标。采取距离选通技术大大改善了水下激光成像质量，提高了系统作用距离和探测与识别目标能力。 作品先进性：将近年发展起来的先进遥感探测技术——偏振技术用于水下目标的探测与识别，属于非常前沿的研究课题。由于水下军事目标与自然背景的反射光的偏振特性不同，根据光波偏振态的变化可以反演被探测目标的纹理结构、表面状态和材料类型等。偏振图像可以表征一些强度测量很难表征的信息，在低照度条件下亦能有效识别，分辨率高，隐蔽性强。再利用图像处理软件对偏振图像进行处理，最后实现对目标的识别。 该作品研究内容包括水下激光传输、光学成像、数字图像处理、防水设计、距离选通、同步控制、步进电机控制等技术。基于激光偏振特性的探测系统的设计与开发等内容所应用的理论与技术都具有较强的前沿性和先进性。
获奖情况及鉴定结果
- （1） 2009年4月获学校第八届“创新杯”竞赛一等奖。 （2） 2009年5月获长沙市第六届大学生创新创业大赛一等奖。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 目前正在与学校定向能技术研究所和学校光电工程系光电子教研室洽谈。
作品可展示的形式
- 实物、产品，现场演示 ，图片 ，录像 ，样品。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本技术在军事上具有广泛的应用前景和重要的应用价值。近期，能够辅助声纳技术，有效探测与识别潜艇、水雷等军事目标。将来，有望成为一种高分辨率、高灵敏度、高效率的探测手段，实现超静音潜艇的探测。 与传统声纳技术相比，具有探测灵活、响应迅速、更易识别目标、隐蔽性好和探测精度高等特点。与传统被动式水下目标成像技术相比，采用“水下窗口”绿激光主动照明，大大减小水下杂散光影响,增加对比度；将近年发展的距离选通技术应用到本系统，大大减少水体散射的影响，更有利于目标的探测与识别。 本项目及技术推广到诸多民用方面，如水产养殖、水下考古、水下沉船考察、水中垃圾监测、水下作业、水下丢失武器装备的搜寻、犯罪物证搜索和涉水事故调查（公安、海关）、救助打捞、海洋生物观察和相关科学研究等领域。应用偏振信息在研究确定水中粒子尺度、化学组成以及总量方面有明显的作用。 本技术的开发与应用有望发展一种全新的水下目标探测与识别技术,对于提高我国水下兵器在复杂海洋环境下的作战能力具有十分重要的意义。
同类课题研究水平概述
- 一般情况下，人眼对光的强度特征和波长特征比较敏感，而对于光的偏振特征是无法直接感知的。因此，在传统的图像处理、分析过程中采用的技术都是基于光的强度特征和波长特征所提供的信息，这使得图像处理和分析算法很复杂,并且只能对图像中目标的轮廓、类别等作一些初步的分析，而对于图像中目标的一些本质特征（如目标的材料、目标的细节等）难以作出正确的理解。因此,传统的光学成像探测技术很难有效地检测和辨别目标的真伪。 偏振检测技术是近几年发展起来的新型遥感探测技术。众所周知，地球表面和大气中的任何目标，在反射、散射和电磁辐射过程中，会产生由其自身特性决定的特征偏振。偏振成像可以增加目标的信息量，在某种程度上能大大提高目标探测和识别的准确度，是其它探测手段无法替代的新型对地探测技术。经查阅国内外相关文献资料，发现国内外基本还处于实验室初步研究阶段，实际应用的系统非常少，而且研究应用的背景几乎全部是地面与大气环境。据我们所知，关于偏振检测技术水中应用研究的文献非常少，属于偏振检测领域非常前沿的研究课题。由于光在水下的衰减很大，传输距离非常有限，因此其水下应用受到了一定的限制。但是，随着激光技术特别是“海洋窗口”蓝绿激光技术的发展，激光水下的传输距离在不断增加，基于激光偏振特性检测的水下目标探测与识别技术会得到越来越多的关注，必将称为偏振检测研究中的一个热点,同时具有重要的应用价值和广阔的应用前景。
