基于C++的海洋激光成像雷达软件设计与实现

• 作 者: 曲思锦
• 机 构: 哈尔滨工业大学
• 出 处: 哈尔滨工业大学
• 发表日期: 2021年01期
• 关键词: 三维成像 点云处理 水下探测 激光雷达 距离选通

近年来,随着海洋资源开发的快速发展,海洋目标三维成像在海底地形地貌测绘、国防军事等应用领域呈现出巨大需求。激光雷达作为海洋探测领域中的新兴技术,具有非接触、高分辨率、方向性好等优点,可以应用在海洋资源勘测、水下目标探测等领域,基于此,海洋激光雷达系统的研究受到世界各国广泛关注。距离选通激光成像雷达作为目前一种较为成熟的激光成像技术,能有效降低后向散射的干扰,在水下和陆上成像技术研究中均获得了较为广泛的应用。由于近年来雷达硬件系统的不断进步,雷达成像软件逐渐受到人们的重视,然而目前市面上的商用点云处理软件一般采用数据后处理的方式,即由激光成像雷达在现场获取点云数据,然后将其导入点云处理软件进行处理,这会丢失软件的成像效率,并且商用软件不能配合硬件系统进行同步控制,无法满足实际的应用需求。本文针对上述问题,基于C++编程语言设计了距离选通激光成像雷达三维点云实时成像软件,软件以距离选通激光成像原理为基础,实现了激光器和延时器的时序控制、点云数据的高速处理、滤波去噪以及三维图像的实时显示,构建了点云拼接算法模型,提出了点云数据处理算法,并采用离群点滤除方法对点云进行滤波去噪,将获取到的目标距离信息进行三维点云解算,实现了目标三维点云图像的实时显示。论文的主要研究内容如下:首先,介绍了海洋激光成像雷达三维成像原理。介绍了系统使用的距离选通激光成像雷达的工作原理,其中包含对系统的距离分辨率进行分析以及本文选用的激光成像雷达三维图像重构方法,设计了点云数据处理算法,同时介绍了所使用的点云滤波去噪算法,并基于此建立了三维点云解算模型,最后介绍了点云拼接原理,构建了点云粗配准模型并分析了点云ICP精配准算法流程。其次,设计了海洋激光成像雷达软件。从发射光学系统、接收光学系统、同步控制系统三个部分介绍并分析了系统的硬件结构,并根据雷达系统设计需求选择软件开发所适合的开发平台和函数库,通过软件模块设计思路,设计了系统软件各个模块的实现功能、工作流程以及算法原理,将各个模块的功能集成在软件操作界面中,实现与用户的交互。最后,利用设计的海洋激光成像雷达软件进行了实验研究,分别对空气中目标、海面上目标、水下目标及透过玻璃水池的目标进行三维成像实验,对其成像效果以及点云的距离分辨率进行分析,验证了点云拼接算法的正确性,软件数据处理算法的有效性和运行的稳定性,以及软件在海洋环境下的三维成像能力。