激光旋转式偏振信息采集装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种激光旋转式偏振信息采集装置，其包括偏振图像采集模块，具有一相机、设置在所述相机前的旋转镜头、所述旋转镜头与激光发射/接收装置组成的联动装置、以及驱动所述联动装置的步进电机；主控模块，具有FPAG芯片，且通过所述FPAG芯片的处理器输出控制信号控制所述步进电机旋转来调整所述联动装置，当所述激光接收装置的接收端接收到所述激光发射装置的发射端发出的激光，可得到目标偏振图像信息；显示终端，连接所述主控模块，且用于进行所述偏振图像信息的处理与显示；供电电源，连接所述偏振图像采集模块、所述主控模块相连，且用于进行供电。本实用新型可以有效的实现水下目标偏振信息采集与图像显示，并节省处理时间和存储空间。
【专利说明】激光旋转式偏振信息采集装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及光学仪器【技术领域】，尤其涉及一种面向水下目标的激光旋转式偏 振信息采集装置。
【背景技术】
[0002] 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，水 下40米的深度时，自然光中只有黄绿光存在，成像偏振测量技术把信号量从三维，即光强、 光谱以及空间扩充到七维，即光强、光谱、空间、偏振度、偏振方位角以及偏振频率，在水下 利用偏振成像技术能同时得到直观的各偏振参数灰度图和各观测点的详细偏振数据信号。 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。
[0003] 但在水下场景中，传统采集设备应用在水下时，无法得到详尽的目标信息。在此背 景下，本实用新型针对水下场景应用需求，提出了一种激光旋转式偏振信息采集装置，可以 快捷、方便的获得目标偏振图像，且更有效的用于表征目标偏振信号的偏振参数及其计算 方法。 实用新型内容
[0004] 有鉴于此，本发明针对现有技术中存在的上述或其他缺陷，提出一种激光旋 转式偏振信息采集装置，其对水下目标的偏振图像进行采集、通过现场可编程门阵列 (FPGA, Field - Programmable Gate Array)内嵌处理器对各模块进行控制，从而能够快捷、 方便的获得目标偏振图像。
[0005] 为了解决上述问题，本实用新型提供了一种针对水下环境的激光旋转式偏振信息 采集与显示装置，系统包括CMOS相机、旋转镜头（包含0度偏振片、60度偏振片、120度偏 振片）、圆形镜面贴片、激光发射/接收装置、FPGA(内嵌NiosII处理器）、PC显示屏、D/A 数模转换器，RS232串行接口。相机在I2C总线和触发脉冲的控制下完成对目标图像的信息 采集，图像存储在FPGA的图像数据缓存区中。基于内嵌的NiosII处理器的各控制模块对 各模块进行控制，采集模块获取目标偏振信息，存储到FPGA的图像数据缓存区中，FPGA输 出端口连接D/A转换器，然后通过RS232串行接口连接到PC上进行图像的处理、显示。
[0006] 偏振图像采集模块中CMOS相机前的旋转镜头与激光发射/接收装置相结合成联 动装置，通过控制模块触发步进电机控制偏振片角度，保证当激光发射/接收装置的激光 发射端与接收端、镜面贴片处于同一垂直面时，精确得到所需偏振角度图像。
[0007] 激光旋转式偏振信息采集与显示装置包括偏振图像采集模块、主控模块、显示终 端、供电电源、设备防水罩。
[0008] 偏振图像采集模块包括CMOS相机、旋转镜头与激光发射/接收装置相结合成联动 装置。主控模块包括内嵌NiosII处理器的FPGA芯片、D/A转换器、RS232串行接口。其中 内嵌NiosII处理器包含采集控制模块，存储控制模块，显示控制模块完成各模块的时序控 制。FPGA芯片中图像数据缓存区完成对采集图像的存储。显示终端是PC机，进行图像信息 的处理与显示。供电电源与偏振图像采集模块、主控模块相连进行供电。
[0009] 偏振采集模块与主控模块FPGA的输入端口相连，在采集控制模块的控制下进行 偏振图像的采集；采集模块结束工作时存储模块接收到反馈信号，通过数据总线将采集的 偏振图像存储到FPGA的图像数据缓存区；显示控制模块接收到反馈信号，将缓存区中的数 据通过FPGA输出端口经过D/A转换器、RS232串行接口输出端与PC机的COM端口相连进 行数据传输。
[0010] 旋转镜头包括以下部分：带有轴承的黑色旋转轮、〇度偏振片、60度偏振片、120度 偏振片、镜面贴片。镜片固定在旋转轮的外边缘与旋转轮相互外切，且镜片中心线过旋转轮 中心，三个镜片的中心线夹角为120度。镜面贴片贴在三条中心线上与旋转轮外边相内切。 [0011] 旋转镜头与激光发射/接收装置相结合成联动装置，由FPGA内嵌NiosII处理器 对采集模块发出脉冲触发步进电机旋转，当激光发射/接收装置的激光发射端与接收端、 镜面贴片处于同一垂直面时（即接收端接收到发射端发出的激光），FPGA内嵌NiosII处理 器接收到联动装置的脉冲信号，NiosII处理器调用中断，使步进电机停止转动，同时发出脉 冲触发信号，触发CMOS相机进行图像采集。
[0012] FPGA选用Cyclonem系列的EP3C40C7型号芯片，芯片内嵌NiosII处理器、CMOS选 用MT9V032型号传感器、D/A转换器选用THS8134A型号芯片、RS232串行接口选用MAX225 型号。CMOS与FPGA相连，FPGA的输出端口与D/A转换器相连，RS232串行接口与PC的COM 端口相连，完成水下偏振信息采集、传输。
【专利附图】
【附图说明】
[0013] 为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据的具体实施例并结合附 图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中：
[0014] 图1为本实用新型的激光旋转式偏振信息采集装置结构示意图；
[0015] 图2为本实用新型图1中旋转镜头和激光发射/接收器的联动装置结构图。
【具体实施方式】
[0016] 结合附图对本实用新型作进一步的描述如下：
[0017] 图1为本实用新型的激光旋转式偏振信息采集装置结构示意图。如图1所示，激光 旋转式偏振信息采集与显示装置，主要包括偏振图像采集模块、主控模块，显示终端，供电 电源。偏振图像采集模块包括旋转镜头与激光发射/接收组成联动装置、单个CMOS相机。 主控模块包括FPGA芯片，如内嵌NiosII处理器的FPGA芯片，所述处理器完成对各个模块 的时序控制功能，FPGA中的图像数据缓存区存储采集的偏振图像。显示终端包括一个D/A 数模转换器、RS232串行接口和PC显示器。供电模块与各模块相连，对各模块进行供电。
[0018] 图2为本实用新型图1中旋转镜头和激光发射/接收器的联动装置结构图。如图 2所示，所述的旋转镜头与激光发射/接收装置相结合成联动装置，其中，旋转镜头包括以 下部分：带有轴承的黑色旋转轮、〇度偏振片、60度偏振片、120度偏振片、镜面贴片。
[0019] 其中，0度偏振片、60度偏振片、120度偏振片为镜片，各所述镜片固定在旋转轮的 外边缘与旋转轮相互外切，且镜片中心线过旋转轮中心，三个镜片的中心线夹角为120度。 镜面贴片贴在三条中心线上与旋转轮外边相内切。当激光出入射光线，镜面处于同一垂直 平面时，激光接收装置接收到信号，发送给FPGA -个脉冲信号，接收到脉冲信号后，FPGA给 相机一个脉冲信号，触发CMOS相机获取目标信息。触发CMOS相机时镜头前面分别为0度 偏振片，60度偏振片，120度偏振片，能够精确地控制偏振角度，获得所需的图像。
[0020] FPGA芯片内嵌处理器中功能模块包括采集控制模块，存储控制模块，显示控制模 块。
[0021] 下面详细叙述每个模块的功能：
[0022] 采集控制模块完成对偏振图像采集模块的控制，系统通电后采集控制维持高电平 使步进电机带动镜头旋转，当接收到联动装置的脉冲信号时，调用中断程序，同时产生脉冲 信号使CMOS相机曝光，I 2C总线完成对数据和控制信号的传递。
[0023] 存储控制模块完成采集模块图像数据的存储和读取功能。偏振图像采集模块结束 图像采集时，采集控制模块发送脉冲信号给存储控制模块，将采集到的图像存储到FPGA中 的图像数据缓存区中。图像数据的存储结束后，存储控制模块发送脉冲给显示控制模块，执 行图像数据缓存区中图像的读取。
[0024] 显示控制模块接收到存储控制模块的脉冲信号后，将缓存中的图像传输到D/A转 换器，然后通过RS232串行接口连接到PC进行处理、显示。
[0025] 本实用新型的水下实施方法具体如下：
[0026] 1)调整装置中相机、旋转镜头，使激光照射在0度偏振片和90度偏片之间，按下电 源开关，使步进电机，FPGA芯片为初始化状态。再将密封在防水罩中的装置，置于光照充足 的水域，将相机镜头对准选定的目标。
[0027] 2)FPGA内嵌处理器采集控制模块发出脉冲触发步进电机旋转，当激光发射/接收 装置的激光发射端与接收端、镜面贴片处于同一垂直面时，即接收端接收到发射端发出的 激光，FPGA内嵌处理器采集控制模块接收到联动装置的脉冲信号，所述处理器采集控制模 块调用中断，使步进电机停止转动，同时发出脉冲触发信号，触发CMOS相机进行图像采集， 获取场景的〇度偏振图像。
[0028] 3)中断程序调用结束后，返回主程序，重复步骤（2)获取目标的60度偏振照片。
[0029] 4)中断程序调用结束后，返回主程序，重复步骤⑵获取目标的120度偏振照片。
[0030] 5)采集模块工作结束时，采集控制模块发送信号给图像读写控制模块，图像读写 控制模块将采集的图像数据经过I 2C总线存储到FPGA的图像数据缓存区中。
[0031] 6)图像数据的存储结束后，存储控制模块发送脉冲给显示控制模块，执行图像数 据缓存区中图像的读取。
[0032] 7)显示控制模块接收到存储模块反馈信号将图像数据缓存区中的图像数据传输 到D/A转换器，然后通过RS232接口连接到PC进行处理、显示。
[0033] 以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限 于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技 术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本实用新型的保护范围。
[〇〇34] 另外需要说明的是，在上述【具体实施方式】中所描述的各个具体技术特征，在不矛 盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各 种可能的组合方式不再另行说明。
【权利要求】
1. 一种激光旋转式偏振信息采集装置，其包括： 偏振图像采集模块，具有一相机、设置在所述相机前的旋转镜头、所述旋转镜头与激光 发射/接收装置组成的联动装置、以及驱动所述联动装置的步进电机； 主控模块，具有FPAG芯片，且通过所述FPAG芯片的处理器输出控制信号控制所述步进 电机旋转来调整所述联动装置，当所述激光接收装置的接收端接收到所述激光发射装置的 发射端发出的激光，可得到目标偏振图像信息； 显示终端，连接所述主控模块，且用于进行所述偏振图像信息的处理与显示； 供电电源，连接所述偏振图像采集模块、所述主控模块相连，且用于进行供电。
2. 根据权利要求1所述的激光旋转式偏振信息采集装置，其特征在于：所述的旋转镜 头包括带有轴承的旋转轮、〇度偏振片、60度偏振片、120度偏振片和3个镜面贴片，所述0 度偏振片、所述60度偏振片、所述120度偏振片均匀固定在所述旋转轮的外边缘，所述多个 镜面贴片均匀贴在旋转轮内圆周上。
3. 根据权利要求1所述的激光旋转式偏振信息采集装置，其特征在于：所述主控模块 还包括D/A转换器、串行接口，所述处理器还包括采集控制模块，存储控制模块，显示控制 模块、缓存区。
4. 根据权利要求2所述的激光旋转式偏振信息采集装置，其特征在于：调整所述联动 装置为通过所述处理器的控制信号控制所述步进电机旋转来控制所述偏振片的角度，当所 述激光发射/接收装置的激光发射端与接收端、所述镜面贴片处于同一垂直面时，可得到 所述目标偏振图像。
5. 根据权利要求3所述的激光旋转式偏振信息采集装置，其特征在于：偏振图像采集 模块与所述FPGA芯片的输入端口相连，在所述采集控制模块的控制下通过所述相机进行 偏振图像的采集； 采集模块结束工作时，所述存储控制模块接收到反馈信号，通过数据总线将采集的所 述偏振图像存储到FPGA芯片的所述缓存区； 所述显示控制模块接收到反馈信号，将所述缓存区中的数据通过所述FPGA芯片输出 端口经过所述D/A转换器、所述串行接口输出端与所述显示终端的端口相连进行数据传 输。
6. 根据权利要求2所述的激光旋转式偏振信息采集装置，其特征在于：由所述处理器 对所述采集模块发出脉冲触发步进电机旋转，当激光发射/接收装置的激光发射端与接收 端、镜面贴片处于同一垂直面时，所述处理器接收到联动装置的脉冲信号，所述处理器调用 中断，使步进电机停止转动，同时发出脉冲触发信号，触发所述相机进行所述偏振图像的采 集。
【文档编号】H04N5/232GK203872262SQ201420294802
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年6月4日 优先权日:2014年6月4日
【发明者】韦佳明, 王慧斌, 沈洁, 李臣明, 陈哲 申请人:河海大学