2024年5月2日发(作者：小米手环4防水吗)

(19)中华人民共和国国家知识产权局

(12)发明专利说明书

(21)申请号 CN2.0

(22)申请日 2011.12.13

(71)申请人 中国科学院对地观测与数字地球科学中心

地址 100094 北京市海淀区邓庄南路9号

(72)发明人 温晓阳 董庆 薛存金

(74)专利代理机构 北京金信立方知识产权代理有限公司

代理人 黄威

(51)

G01B11/30

权利要求说明书 说明书 幅图

(10)申请公布号 CN 102954772 A

(43)申请公布日 2013.03.06

(54)发明名称

一种基于线激光器的海冰表面粗糙

度测量方法

(57)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。

法律状态

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态

权 利 要 求 说 明 书

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，

S1：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

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

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

S4：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1所述的基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方

3.根据权利要求1所述的基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方

像；

包括以下步骤：

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；

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；

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。

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1所述的基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方

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。

5.根据权利要求1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：

法，其特征在于，所述步骤S4中，所述待测海冰表面

方高度和相关长度描述。 的粗糙度采用均

说 明 书

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

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

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

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，

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

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

和摄影式。对于接触式测量方法，其测量分辨率在cm量级，测

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

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

是对于颗粒状及湿润的海冰表面，滚轴或探针的接触容

面原有的状态，无法得到海冰表面的真实状态。使用摄

的测量精度大约是1～2mm，而分辨率和精度要求在mm

能通过激光式扫描，现有技术中采用点激光对海冰表面

量过程中需要不断调整仪器，扫描海冰表面上的多个点，

面上多个点的高程信息，采用点激光进行扫描花费的时

钟，而后续处理步骤需要30分钟以上。激光式测量方法

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。

器的海

程度的

性的分

对于海

触式两

激光式

量精度

面参数，

面接触，特别

易改变海冰表

影式测量方法

量级以上的只

进行扫描，测

以得到海冰表

间约为34分

虽然测量精度

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，

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

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，

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

表面粗糙度测量方法，包括以下步骤：

S1：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

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

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

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

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

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

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

体激光器发出的点激光转化为线激光。

测量过

冰表面

降低了

的海冰

统，使

成光痕，

像；

量系统

上的对

安装在

述半导

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

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

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

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

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

取，从而减少了测量时间，提高了测量效率。

附图说明

图1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

图2为图1所示的海冰表面粗糙度测量方法中采用的测量系统的

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。

光亮线

高度和

代替点

线激光

息的获

示意图。

结构示

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

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

如图1所示，本发明的基于线激光器的海冰表面粗糙度测量方法

下步骤：

S1：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

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

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

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

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

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。

息图。

包括以

统，使

成光痕，

像；

量系统

上的对

在图1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

激光器。采用的相机的机型是佳能EOS 7D，其镜头的焦距f可

焦距f的变换范围在15mm～110mm之间，能够拍摄的最大相片

为5184像素×3456像素，该相机的整个CMOS传感器的尺寸为

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

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

机和线

以变换，

的大小

22.3mm ×14.9mm，平均单个像素的大小为4.3μm ×4.3μm；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100mW，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1

和线激光器3通过摄影三角架2固定，相机1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1的镜头朝向待测海冰表面，使相机1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。

将激光

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

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

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

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

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

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。

激光投

相机的

的高程

点的高

的位置

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

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

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

上的变

系统在

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O，

y轴沿水平方向，z轴沿竖直方向，xoy平面作为观测平面。线

3投射的线激光301沿着z轴向下，镜头101的中心C在xoz

101的中心C正对坐标原点O。由于正对情况下的成像

x轴和

激光器

平面内，镜头

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OO″对应CMOS传

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

AA″对应CMOS传感器102上的位移A′A′″。

在∠OCA较小的情况下，采用小角度近似，得到：

CA＝CO (1)

CA′＝CO′(2)

在直角三角形△OCD和△ACD中，由于斜边CA＝CO，则

∠ACD＝∠OCD (3)

而

∠ACD＝θ′(4)

∠OCD＝θ(5)

所以

感器

位移

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

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

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

待测海冰表面上的点到观测平面6的距离Δ与CMOS传感器102

像素的位置改变δ之间的关系为：

的参数

是一致

原点O，

上对应

$\Delta =\frac{d_{}}{}$

0d1

ub>sinθδ+

cosθ---

(7)

hs>

其中，d₀为镜头101的中心C到坐标原点O之间的距离，

d₁为镜

的中心C与坐标

求导得出分辨率公式：

>=d0d

i>1sinθ

>(d1sinθ

o>+δcosθ)<

mn>2=(

b>d0-

头101与CMOS传感器102之间的距离，θ为镜头101

原点O的连线与z轴的夹角；

Δcosθ)

2d0d

>1sinθ-

--

(8)

hs>

此比值代表相对于CMOS传感器102上像素的位移，待测海冰表面

高程方向上的位置改变程度。当测量系统中各设备的相对位置

此关系不变。

根据物距的定义：

t>s2+d2<

/mn>---

(9)

hs>

其中，s为镜头101的中心C到观测平面6的距离，d为镜头101

C到z轴的距离；