[发明专利]一种水下全偏振信息采集处理装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及图像采集技术领域，具体涉及一种应用于水下环境中全偏振信息采集处理装置和方法。

背景技术

在水下环境中由于水体对光的吸收和散射作用较大，光能量在水中衰减迅速，使水下成像呈现雾化效果，对比度较差。偏振成像系统采集目标与背景的偏振信息，由于背景较为杂乱，造成背景反射光的偏振度均较低，而目标反射光的偏振度却比背景反射光的偏振度大很多，因此利用目标与背景反射光的偏振信息差别可以较好的区分目标与背景，因此，基于偏振成像设备对水下偏振信息采集将在未来的水下探测中具有广泛应用前景。

根据国外最新研究成果，圆偏振光被水粒子散射后，圆偏振状态就会发生改变，而圆偏振光经过目标反射后圆偏振态改变较小，因此与陆地上偏振信息采集系统绝大多数是针对线偏振不同，在水下实现对偏振信息采集时增加对光的圆偏振分量采集更有利于提取目标信息和对目标进行探测。

基于以上描述，同时完成线偏振和圆偏振信息的采集和计算，是一个全新的研究设计策略，本发明基于FPGA技术，设计一种水下全偏振信息采集处理装置和方法。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种水下全偏振信息采集处理装置和方法，通过设计线偏振和圆偏振信息的集成采集装置和计算方法，实现在水中对全偏振信息的采集和处理。

技术方案：一种水下全偏振信息采集处理装置，主要包括全偏振信息采集和全偏振信息控制与处理两个部分。全偏振信息采集部分是由一个圆偏振相机和三个线偏振相机组成。全偏振信息控制与处理部分是本装置的核心，主要基于FPGA设计，包括电源、SRAM1（第一静态随机存储器）、SRAM2（第二静态随机存储器）、FLASH配置芯片、FPGA芯片、一个D/A数模转换器和串行接口。四个相机在I²C总线和触发脉冲的控制下同步采集目标图像，并存入SRAM1中，完成全偏振信息采集。FPGA读取SRAM1中四幅偏振图像数据进行偏振图像的参数解算，解算出目标的总光强、线偏振分量和圆偏振分量，从而完成偏振参数计算，结果存入SRAM2中。在SRAM2存储满后，系统通过VGA输出控制模块将SRAM2中数据输出到D/A，然后，通过串口和线缆自动输出至上位机，并显示图像。

所述全偏振信息采集部分的结构为：三个线偏振相机并排置于圆偏振相机下方，其中，三个线偏振相机中0°线偏振相机位于60°线偏振相机与120°线偏振相机中间，而圆偏振相机位于0°线偏振相机的正上方。

所述全偏振信息采集部分的同步曝光设计为：将FPGA的四路触发脉冲输出到与门，与门的输出信号连接到四个偏振相机的CMOS传感器的触发脉冲输入引脚，四个CMOS传感器在触发脉冲的控制下完成同时曝光。

一种用于上述装置的水下全偏振信息采集处理方法，包括如下步骤：

步骤一：开启系统（系统即指上述装置）电源，FLASH配置芯片将配置程序下载到FPGA上，FPGA首先初始化I²C总线控制器。

步骤二：通过I²C总线控制器对四个CMOS传感器、两个SRAM和D/A进行初始化配置，随后FPGA利用自带的PLL产生系统时钟；所述时钟驱动整个系统的工作，并通过I²C总线输入到CMOS传感器、SRAM1、SRAM2、D/A中。

步骤三：通过FPGA对全偏振信息采集部分输入同步曝光信号，CMOS传感器根据图像采集时序输出10位像素数据和相应的场信号、行信号、像素时钟信号，FPGA根据场信号实现四通路图像的读入，由于CMOS传感器采集图像数据速率的限制，图像数据经过内部缓存存入SRAM1中。

步骤四：当一帧图像的存储进程结束后即执行偏振参数计算进程，偏振参数计算模块读取SRAM1中的数据，根据斯托克斯方程实现对偏振参数的解算，并将解算的结果存入SRAM2中，当SRAM2存满后将SRAM2的输出控制位OE置为有效位。

所述全偏振参数的解算流程是：将存储在SRAM1中的四幅原始偏振图像读入偏振参数解算模块，根据斯托克斯方程解算出I、Q、U、V四个分量，解算出的四个结果有两个数据流向，一个是经偏振参数读写模块存入SRAM2中，另一个是作为下一步计算的输入，进行线偏振度、全偏振度、线偏振角的计算，解算出的线偏振度、全偏振度、线偏振角存储到SRAM2中。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：