本發(fā)明涉及一種基于雙攝像頭的水下湍流強(qiáng)度探測裝置，屬于水域湍流分布探測領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

水域湍流分布是海洋環(huán)境觀測的重要指標(biāo)之一，對(duì)湍流分布的觀測在國家海洋安全中有重要作用。有大量文獻(xiàn)證實(shí)潛艇等人造水下航行物游過的深海水域會(huì)長時(shí)間存在湍流，對(duì)湍流的測量成為水下航行物跟蹤監(jiān)測的重要技術(shù)手段。

目前，針對(duì)水域湍流分布的測量以光學(xué)方法為主，例如鄭焱等研究人員于2016年申請(qǐng)公開的一種湍流流場多尺度的測量系統(tǒng)及其測量方法(公開號(hào)：105841921A)，該方法使用流場示蹤粒子，結(jié)合激光器和攝像機(jī)，通過拍攝粒子運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)對(duì)湍流的測量，但該方法須在流體中添加大量示蹤粒子，該方法不適用于開闊海域中的湍流測量。劉繼芳等研究人員于2008年公開了基于激光光斑漂移的水中動(dòng)態(tài)目標(biāo)尾跡探測系統(tǒng)及方法(公開號(hào)：101533105)，但該方法所使用透射式結(jié)構(gòu)，僅可測量裝置所在水域有無湍流，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置的湍流強(qiáng)度的同時(shí)探測。而現(xiàn)有的針對(duì)大氣湍流測量的手段結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且僅適用于長距離、低雜質(zhì)的大氣測量，不適用于短距離、高密度雜質(zhì)的水體環(huán)境。

綜合上述發(fā)明進(jìn)展，目前針對(duì)水體湍流的光學(xué)探測手段尚不成熟，還沒有能夠同時(shí)測量水體環(huán)境中不同距離處湍流強(qiáng)度的裝置和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的湍流強(qiáng)度探測技術(shù)無法通過光學(xué)探測手段同時(shí)測量水體環(huán)境中不同距離處湍流強(qiáng)度，以及不適用于開闊海域中的湍流測量的缺點(diǎn)，而提出一種基于雙攝像頭的水下湍流強(qiáng)度探測裝置。

一種基于雙攝像頭的水下湍流強(qiáng)度探測裝置，包括由透光防水窗口與防水封裝組成的防水殼體，所述透光防水窗口設(shè)置在所述防水殼體的一側(cè)，所述殼體內(nèi)部設(shè)置有連續(xù)性激光器、左攝像頭以及右攝像頭，所述透光防水窗口用于使所述連續(xù)性激光器發(fā)射的光束射入水中，所述光束射入水中后發(fā)生散射，所述左攝像頭以及右攝像頭用于拍攝散射后的光束。

本發(fā)明的有益效果是：通過拍攝光束進(jìn)行檢測，可適用于開闊海域中的湍流測量；可以探測裝置前方不同距離處的湍流強(qiáng)度；通過調(diào)節(jié)攝像頭的角度、位置可以變更探測的空間范圍。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的基于雙攝像頭的水下湍流強(qiáng)度探測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明基于雙攝像頭的水下湍流強(qiáng)度探測裝置的從另一角度觀察的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為左攝像頭拍攝到的光束圖像；

圖4為右攝像頭拍攝到的光束圖像；

圖5為計(jì)算湍流強(qiáng)度的流程圖；

圖6為湍流強(qiáng)度隨縱向索引變化的分布圖；

圖7為湍流強(qiáng)度隨縱向距離變化的分布圖。

具體實(shí)施方式

具體實(shí)施方式一：本實(shí)施方式的基于雙攝像頭的水下湍流強(qiáng)度探測裝置，如圖1所示，包括由透光防水窗口3與防水封裝4組成的防水殼體，所述透光防水窗口3設(shè)置在所述防水殼體的一側(cè)，所述殼體內(nèi)部設(shè)置有連續(xù)性激光器1、左攝像頭2以及右攝像頭6，所述透光防水窗口3用于使所述連續(xù)性激光器1發(fā)射的光束5射入水中，所述光束5射入水中后發(fā)生散射，所述左攝像頭2以及右攝像頭6用于拍攝散射后的光束。

可以看出，本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)簡單，并通過攝像頭拍攝光束圖像。不同于現(xiàn)有技術(shù)需要添加示蹤粒子導(dǎo)致原理復(fù)雜，無法用于開闊海域的缺陷，也不同于現(xiàn)有技術(shù)中由于使用投射式結(jié)構(gòu)，使得裝置僅能測量有無湍流，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置的湍流強(qiáng)度進(jìn)行探測的特點(diǎn)。

具體實(shí)施方式二：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一不同的是：左攝像頭和右攝像頭的相對(duì)位置關(guān)系為：

使得左攝像頭和右攝像頭拍攝到的光束圖像相互對(duì)稱，并且圖像中的光束不平行于圖像的橫軸；以及圖像中的光束的上端達(dá)到圖像的頂端。如圖3和圖4所示。

光束應(yīng)當(dāng)不平行于圖像橫軸，這樣限制是為了使拍攝到的光束圖像的縱向索引不是固定值而是變化值，這樣能起到測量不同位置湍流強(qiáng)度的特點(diǎn)。如果光束平行于圖像橫軸，則僅能測出一組湍流強(qiáng)度值。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一相同。

具體實(shí)施方式三：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一或二不同的是：

攝像頭的圖像傳感器分辨率為a×b，攝像頭的圖像傳感器尺寸為c×g，尺寸的單位為長度單位，例如mm或者cm，左攝像頭經(jīng)過k次拍攝采樣得到的圖像數(shù)據(jù)為L_k，右攝像頭經(jīng)過k次拍攝采樣得到的圖像數(shù)據(jù)為R_k；L_k、R_k上第i行第j列的數(shù)據(jù)分別為L_k(i,j)、R_k(i,j)，(i,j)稱為對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的索引，i為縱向索引，j為橫向索引；其特征在于，湍流強(qiáng)度S_i與探測距離l_i的關(guān)系由如下公式求出：

其中，i為所述圖像上像素點(diǎn)的縱向索引，S_i為索引為i的像素對(duì)應(yīng)的湍流強(qiáng)度，l_i和l_i-1分別表示索引為i和i-1的像素點(diǎn)與攝像頭鏡頭中心的縱向距離，和分別為索引i和i+1對(duì)應(yīng)的質(zhì)心距離指標(biāo)的均方差，f為攝像頭焦距，a為隨著探測距離變化的常數(shù)，d為兩個(gè)攝像頭鏡頭中心的間距，D為鏡頭直徑，B為比例函數(shù)，B(x,y)為貝塞爾函數(shù)，Γ為伽馬函數(shù)。

需要說明的是，比例函數(shù)B與貝塞爾函數(shù)B(x,y)是不同的函數(shù)，比例函數(shù)B等同于表達(dá)式而貝塞爾函數(shù)是本領(lǐng)域內(nèi)的另一種常用函數(shù)，可以通過上述兩種函數(shù)的自變量參數(shù)來加以區(qū)分。

本實(shí)施方式的公式推導(dǎo)具體過程為：

第k次采樣所得到的左右兩個(gè)攝像頭圖像數(shù)據(jù)分別為L_k、R_k。若攝像頭的CCD分辨率為a×b，CCD尺寸為c×g，c為橫軸長度，g為縱軸長度。則L_k、R_k為a行b列的矩陣。L_k、R_k上第i行第j列的數(shù)據(jù)表示為L_k(i,j)、R_k(i,j)，(i,j)稱為對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的索引，i為縱向索引，j為橫向索引。左右兩個(gè)攝像頭圖像的同一縱向索引i上的光束圖像對(duì)應(yīng)的同一探測距離上的光束點(diǎn)，該點(diǎn)與攝像頭鏡頭中心的縱向距離(即該點(diǎn)與鏡頭中心在光束直線上的投影位置的距離，可看作探測距離)為l_i。

上式中，a為隨著探測距離變化的常數(shù)，a的取值如表1所示。a沒有單位，像素索引i也沒有單位，因此二者可以做加減運(yùn)算，攝像頭的焦距f與CCD圖像傳感器的縱軸長度g的單位均為長度單位，因此做除運(yùn)算時(shí)需要統(tǒng)一成相同的量綱進(jìn)行運(yùn)算。

θ為縱向剖面上攝像機(jī)軸向與激光光束的夾角，h為為縱向剖面上攝像機(jī)鏡頭中心與激光光束所在直線的間距，如圖2所示。

表1

左右兩個(gè)攝像頭第k次采樣圖像不同縱向索引i上的光束質(zhì)心為CL_ki、CR_ki，兩質(zhì)心的質(zhì)心距離指標(biāo)為dC_ki。

dC_ki＝CR_ki+b-CL_ki

經(jīng)過足夠次數(shù)(N次)的采樣后，對(duì)每次采樣得到的dC_ki進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到不同縱向索引i所對(duì)應(yīng)的質(zhì)心距離指標(biāo)的均方差

定義比例函數(shù)B

該函數(shù)中

其中，f為攝像頭焦距，d為兩個(gè)攝像頭鏡頭中心的間距，D為鏡頭直徑，B(x,y)為貝塞爾函數(shù)，Γ(x,y)為伽馬函數(shù)。

根據(jù)和比例函數(shù)B可計(jì)算得到不同縱向索引i對(duì)應(yīng)的湍流強(qiáng)度S_i：

得到S_i隨i的分布圖，如圖6所示。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一或二相同。

具體實(shí)施方式四：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至三之一不同的是：

具體由以下公式得出：

其中，N為預(yù)定的采樣次數(shù)，L_k(i,j)、R_k(i,j)分別為左攝像頭、右攝像頭第k次采樣得到圖像的圖像數(shù)據(jù)，(i,j)為圖像上像素點(diǎn)的索引，i為縱向索引，j為橫向索引，b為攝像頭的垂直分辨率，CL_ki和CR_ki分別為左攝像頭和右攝像頭第k次采樣所得圖像在縱向索引i上的光束質(zhì)心，dC_ki為兩質(zhì)心的質(zhì)心距離指標(biāo)。

其推導(dǎo)過程在具體實(shí)施方式三中給出了。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至三之一相同。

具體實(shí)施方式五：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至四之一不同的是：索引為i的像素點(diǎn)與攝像頭鏡頭中心的縱向距離l_i，用于根據(jù)湍流強(qiáng)度S_i得到不同探測距離上的湍流強(qiáng)度分布，l_i具體為：

其中，θ為縱向剖面上攝像機(jī)軸向與激光光束的夾角，h為為縱向剖面上攝像機(jī)鏡頭中心與激光光束所在直線的間距，g為攝像頭中圖像傳感器的縱軸長度。

本實(shí)施方式公開了縱向距離l_i與湍流強(qiáng)度S_i的關(guān)系，這樣設(shè)置的好處是，可以使用圖表來表示湍流強(qiáng)度S_i隨著位置不同的變化情況，由于像素點(diǎn)與攝像頭鏡頭中心的縱向距離是比較直觀的量，因此最終將公式轉(zhuǎn)換為縱向距離l_i與湍流強(qiáng)度S_i的關(guān)系，可以很直觀地通過圖表看出湍流強(qiáng)度的變化。

湍流強(qiáng)度S_i隨縱向距離l_i的分布圖如圖7所示。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至四之一相同。

具體實(shí)施方式六：本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式一至五之一不同的是：

裝置還包括與所述攝像頭均連接的外部計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)用于執(zhí)行如下步驟：

步驟1：將采樣序號(hào)k初始化為1；

步驟2：控制左攝像頭、右攝像頭進(jìn)行第k次采樣，得到第k次采樣數(shù)據(jù)L_k(i,j)、R_k(i,j)；

步驟3：計(jì)算采樣數(shù)據(jù)中不同的縱向索引i上的光束質(zhì)心CL_ki、CR_ki；

步驟4：計(jì)算縱向索引i上的光束質(zhì)心距離指標(biāo)dC_ki＝CR_ki+b-CL_ki；

步驟5：判斷采樣次數(shù)是否達(dá)到預(yù)設(shè)的值：若否，則采樣次數(shù)k加1，并返回步驟2；若是，則執(zhí)行步驟6；

步驟6：對(duì)每次采樣結(jié)果得到的質(zhì)心距離指標(biāo)dC_ki進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到不同縱向索引i所對(duì)應(yīng)的dC_ki的均方差；

步驟7：根據(jù)不同縱向索引i所對(duì)應(yīng)的dC_ki的均方差計(jì)算不同位置處的湍流強(qiáng)度。

上述步驟的流程圖如圖5所示。

本實(shí)施方式公開了通過計(jì)算機(jī)程序執(zhí)行具體實(shí)施方式三至五中任意一項(xiàng)的具體執(zhí)行步驟，由于具體實(shí)施方式三至五僅給出了推導(dǎo)過程，未說明計(jì)算機(jī)程序應(yīng)當(dāng)以何種步驟順序獲取參數(shù)并執(zhí)行運(yùn)算，因此本實(shí)施方式的技術(shù)效果在于，給出了一種執(zhí)行上述過程的具體步驟順序。

其它步驟及參數(shù)與具體實(shí)施方式一至五之一相同。

本發(fā)明還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。