本發(fā)明涉及水下成像技術領域，具體涉及一種水下面陣掃描激光成像裝置及方法。

背景技術：

高分辨率、大視場水下成像在水下地形地貌測繪、海底石油管線及光纜維護勘測、水下失事船只及飛機殘骸搜索、水雷探測等領域具有重要的民用及軍用意義。

聲吶成像是利用聲波判斷海洋中物體的存在、位置及類型，具有視野寬、測距范圍大等優(yōu)點。但是由于水聲信道復雜，受環(huán)境影響較大(如海洋溫躍層)，與光學圖像相比，水聲圖像的分辨率低、噪聲嚴重，圖像質(zhì)量不高，且在近距離存在盲區(qū)，無法有效探測小目標，不利于石油管線及光纜等小目標的識別。

光學成像則是直接獲取目標的光學圖像，具有信息量大、靈敏度高、測量精度高、響應快、抗電磁場干擾能力強、非接觸探測等優(yōu)點，在較近距離內(nèi)也具有很高的分辨率，所獲得的信息豐富，識別精度比較高，利于小目標探測識別。

目前水下光學成像主要是主動成像，即采用藍綠光或白光光源進行照明，采用ccd或cmos作為成像器件采集照明視場內(nèi)目標的信息。水下主動光學成像主要有兩種：一是連續(xù)光照明的水下成像技術，如中國海洋大學提出了一種環(huán)形激光照明的水下成像裝置(中國發(fā)明專利，申請?zhí)枺?01010293845.6)；一種是脈沖光照明的距離選通成像技術，如北京理工大學提出一種基于電子快門的水下距離選通成像方法(中國發(fā)明專利，專利號zl201010238852.6)。連續(xù)光照明的水下光學成像作用距離較近，一般為1～2倍衰減長度，主要原因是水的后向散射影響了工作距離：相比于連續(xù)光照明的水下成像，水下距離選通成像可有效的抑制水的后向散射，將工作距離提到5～7倍衰減長度。雖然水下距離選通成像提高了水下探測距離，但是，成像視場小，當搭載水下潛航器等動平臺進行水下作業(yè)時易丟失目標，當進行水下地形地貌勘測或管線勘察維護等作業(yè)時，不利于大視場作業(yè)，從而帶來掃描路徑規(guī)劃難及工作效率低等問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服目前水下掃描技術存在的上述缺陷，提出了一種水下面陣掃描激光成像裝置，該裝置能夠解決水下遠距離大視場光學成像難的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)水下大視場三維成像。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種水下面陣掃描激光成像裝置，所述裝置包括：運載器l、電學模塊19和成像模塊18；

所述運載器1是整個裝置的外殼，所述電學模塊19包括照明激光器15、組合慣導16和控制處理單元17；所述電學模塊19的各部件固定在安裝板22兩側，通過安裝板22與運載器1固定；

所述成像模塊18包括縱搖伺服機構5、橫滾伺服機構6和光學成像模組14，所述縱搖伺服機構5通過轉(zhuǎn)接板24與運載器1固定，所述縱搖伺服機構5利用剛性支架21負載橫滾伺服機構6，所述橫滾伺服機構6直接負載光學成像模組14；所述橫滾伺服機構6用于實現(xiàn)橫向掃描和橫向修正瞄準線；所述縱搖伺服機構5用于實現(xiàn)縱向掃描和縱向修正瞄準線功能，并通過縱搖不同角度實現(xiàn)前視模式和下視模式的切換；

所述光學成像模組14包括成像鏡頭7、濾光片8、選通成像傳感器9和照明鏡頭l0；所述照明激光器15發(fā)射的激光通過傳能光纖11傳輸至照明鏡頭10。

上述技術方案中，所述運載器1上設有插頭2連接線纜，實現(xiàn)與無人潛器25進行信息交互及電力供應；運載器1整體外觀呈圓柱形，頭部呈球形，頭部具有前視光學窗4，腹部具有下視光學窗口3。

上述技術方案中，所述組合慣導16，用于獲得運載器1的姿態(tài)參數(shù)，包括質(zhì)心的實時平移矢量、航向、縱搖和橫滾姿態(tài)角信息，并將這些信息傳輸至制處理單元17。

上述技術方案中，所述控制處理單元17包括：通信子單元、圖像處理子單元和伺服控制子單元；

所述通信子單元，用于接收通過插頭2傳入的上位機的控制命令，向上位機上傳圖像處理子單元生成的圖像數(shù)據(jù)信息；

所述伺服控制子單元，用于接收組合慣導16發(fā)送的信息，產(chǎn)生控制縱搖伺服機構5和橫滾伺服機構6的控制命令；

所述圖像處理子單元，用于接收選通成像傳感器9的圖像信息，進行圖像拼接、三維圖像處理和合成全景圖。

上述技術方案中，所述選通成像傳感器9為整個裝置的成像器件，由像增強器經(jīng)光錐耦合至面陣圖像傳感器構成，用于將成像鏡頭7接收的目標激光回波信號轉(zhuǎn)換成電信號，并輸出二維圖像至控制處理模塊17的圖像處理子單元；選通成像傳感器9所采用的面陣圖像傳感器為ccd或cmos，對應形成兩種選通成像傳感器iccd和icmos，其中，選通iccd由選通像增強器經(jīng)光錐耦合至ccd構成，選通icmos由選通像增強器經(jīng)光錐耦合至cmos構成。

上述技術方案中，所述成像模塊18還包括反光鏡20，負載于橫滾伺服機構6上，布置在光學成像模組14前，將照明鏡頭10發(fā)出的激光反射到指定方向上，將從目標反射回的激光反射到成像鏡頭7上，也就是將光學成像模組的光軸指向指定方向上。

上述技術方案中，所述成像模塊18還包括搜索引導與測距單元，用于搜索探測照明激光器15發(fā)出的激光照射區(qū)域的目標并測量目標的距離，然后將距離信息反饋給所述控制處理單元17；所述搜索引導與測距單元包括接收鏡頭12和光電探測器13，照明激光器15為搜索引導與測距單元提供納秒級激光脈沖，通過時延信息進行測距；

所述控制處理單元17還包括測距處理子單元，用于接收搜索引導與測距單元傳入的目標距離信息，并將距離信息換算成延時信息，產(chǎn)生控制選通成像傳感器9和照明激光器15的工作時序，實現(xiàn)水下距離選通成像。

基于上述水下面陣掃描激光成像裝置，本發(fā)明還提供了一種水下面陣掃描激光成像方法，所述方法包括：

步驟1)所述控制處理單元17接收無人潛器25的控制命令，根據(jù)控制命令設置工作模式；所述工作模式的類型為前視模式或后視模式；

步驟2)如果工作模式為前視模式，轉(zhuǎn)入步驟3)；如果工作模式為后視模式，轉(zhuǎn)入步驟4)；

步驟3)縱搖伺服機構5通過剛性支架21將橫滾伺服機構6負載的光學成像模組14的光軸方向調(diào)節(jié)至運載器1的航向方向上，通過橫滾伺服機構6的實現(xiàn)橫向面陣掃描成像；

步驟4)縱搖伺服機構5通過剛性支架21將橫滾伺服機構6負載的光學成像模組14的光軸指向地心；縱搖伺服機構5和橫滾伺服機構6配合進行面陣掃描成像；

步驟5)控制處理處理單元17的圖像處理子單元接收選通成像傳感器9發(fā)送的圖像，對圖像進行拼接合成刈寬度為nα的全景圖；

步驟6)控制處理處理單元17的通信子單元向無人潛器25上傳圖像數(shù)據(jù)信息。

上述技術方案中，所述步驟3)中的橫滾伺服機構6的實現(xiàn)橫向面陣掃描成像的具體過程為：

橫滾伺服機構6沿橫向步進n-1次，每次橫向步進量為α，通過橫向掃描實現(xiàn)橫向n幀掃描，掃描刈寬度為nα，其中α是水下距離選通成像單次成像橫向視場，在此過程中，縱搖伺服機構5和橫滾伺服機構6根據(jù)組合慣導16給出的運載器1的姿態(tài)參數(shù)產(chǎn)生與干擾力矩大小相等、方向相反的控制力矩，對縱向和橫向兩個自由度進行補償，抵消洋流和涌的擾動，使瞄準線能夠在選通成像傳感器9積分時間內(nèi)保持給定指向，從而實現(xiàn)橫向掃描獲得的n幀圖像的連續(xù)拼接，進而實現(xiàn)運載器1前方刈寬度為nα的寬場掃描。

上述技術方案中，所述步驟4)中的縱搖伺服機構5和橫滾伺服機構6配合進行面陣掃描成像的具體過程為：

橫滾伺服機構6沿橫向步進n-l次，每次橫向步進量為α，通過橫向掃描實現(xiàn)橫向的n幀掃描，掃描刈寬度為nα，縱搖伺服機構5進行運載器航速補償，沿縱向步進補償n-l次，每次縱向步進補償量為β/(n-1)；其中β是水下距離選通成像單次成像縱向視場；縱搖伺服機構5的航速補償與橫滾伺服機構6的橫向掃捕同步完成步進.到達指定瞄準線位置后停留te；te為選通成像傳感器9積分時間，瞄準線步進周期為縱搖伺服機構5和橫滾伺服機構6機械步進時間與選通成像傳感器9積分時間之和；縱搖伺服機構5和橫滾伺服機構6根據(jù)組合慣導16給出的運載器1的姿態(tài)參數(shù)產(chǎn)生與干擾力矩大小相等、方向相反的控制力矩，對縱向和橫向兩個自由度進行補償，抵消洋流和涌的擾動，使瞄準線能夠在選通成像傳感器9積分時問內(nèi)保持給定指向，從而可實現(xiàn)橫向掃描獲得的n幀圖像的連續(xù)拼接，進而實現(xiàn)運載器l下方刈寬度為nα的寬場掃描。

本發(fā)明帶來的優(yōu)勢在于：

1、本發(fā)明的裝置中照明鏡頭與照明激光器分離，伺服機構不搭載較大尺寸的照明激光器，大幅度降低了縱搖伺服機構和橫滾伺服機構的負載要求，伺服機構更容易實現(xiàn)高精度伺服控制精度和掃描控制速度，使得面陣掃描得以實現(xiàn)；

2、本發(fā)明的裝置中照明鏡頭與照明激光器分離，伺服機構不搭載較大尺寸的照明激光器，大幅度減小了縱搖伺服機構和橫滾伺服機構的回轉(zhuǎn)半徑和質(zhì)量，不僅有效降低了伺服機構所需功耗，更重要的是能有效減小整個系統(tǒng)的體積，降低整個系統(tǒng)的重量，有利于耐壓殼體的制造，有利于在中小型無人潛器中集成推廣使用；

3、本發(fā)明的裝置中的成像鏡頭、照明鏡頭和接收鏡頭緊密布置在一起，不僅擴大了裝置的觀測范圍，而且還大幅度減小了耐壓光學窗口的尺寸和厚度；耐壓光學窗口厚度的減小，減小了耐壓光學窗口對發(fā)射出去的激光和反射回鏡頭的激光的吸收，提高了整個裝置的探測性能；耐壓光學窗口尺寸的減小，能實現(xiàn)制造抗更深水壓力的耐壓結構和耐壓光學窗口，工程可實現(xiàn)性更高。

4、本發(fā)明的裝置中利用搜索引導與測距模塊為距離選通成像提供目標距離信息，使選通成像模塊根據(jù)該距離信息自動設置距離選通成像工作時序，不需要選通成像模塊滑動選通時間進行目標搜索，因此，本發(fā)明能實現(xiàn)對目標的大范圍搜索和自動選通成像，獲得目標的高分辨率三維圖像和目標的三維空間位置，提高了搜索和成像效率，也就提高了系統(tǒng)的可用性和實用性。

附圖說明

圖1a為本發(fā)明的實施例1的水下面陣掃描激光成像裝置的示意圖；

圖1b為本發(fā)明的實施例2的水下面陣掃描激光成像裝置的示意圖；

圖1c為本發(fā)明的實施例3的水下面陣掃描激光成像裝置的示意圖；

圖2a為本發(fā)明的前視模式下的水下面陣掃描激光成像裝置側視削面圖；

圖2b為本發(fā)明的前視模式下的水下面陣掃描激光成像裝置的正視截面圖；

圖3為本發(fā)明的前視模式下的水下面陣掃描激光成像裝置的掃描示意圖；

圖4a為本發(fā)明的后視模式下的水下面陣掃描激光成像裝置的掃描示意圖；

圖4b為本發(fā)明的運動補償掃描方案；

圖4c為本發(fā)明的圖像拼接方案。

附圖標識：

1、運載器2、插頭3、下視光學窗口4、前視光學窗口

5、縱搖伺服機構6、橫滾伺服機構7、成像鏡頭

8、濾光片9、選通成像傳感器10、照明鏡頭

11、傳能光纖12、接收鏡頭13、光電探測器

14、光學成像模組15、照明激光器16、組合慣導

17、控制處理模塊18、成像模塊19、電學模塊

20、反射鏡21、剛性支架22、安裝板

23、工作纜24、轉(zhuǎn)接板25、無人潛器

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步詳細的說明。

實施例1

如圖1a所示，一種水下面陣掃描激光成像裝置，所述裝置包括：運載器l、電學模塊19和成像模塊18；

所述運載器1是整個裝置的外殼，滿足水下工作耐壓要求，并可通過插頭2連接線纜與無人潛器25進行信息交互及電力供應；運載器1整體外觀呈圓柱形，頭部呈球形，頭部具有前視光學窗4，載體腹部具有下視光學窗口3；

所述電學模塊19包括照明激光器15、組合慣導16和控制處理單元17；如圖2a所示，所述電學模塊19的各部件固定在圓形安裝板22兩側，通過安裝板22與運載器1的外殼固定；

所述成像模塊18包括縱搖伺服機構5、橫滾伺服機構6和光學成像模組14，其中，光學成像模組14包括成像鏡頭7、濾光片8、選通成像傳感器9和照明鏡頭l0；如圖2b所示，所述縱搖伺服機構5通過轉(zhuǎn)接板24與運載器1固定，所述縱搖伺服機構5利用剛性支架21負載橫滾伺服機構6，所述橫滾伺服機構6直接負載光學成像模組14。

所述照明激光器15為藍綠光脈沖激光器，能夠產(chǎn)生納秒級激光脈沖實現(xiàn)對水下目標照明，所述照明激光器15發(fā)射的激光通過傳能光纖11傳輸至照明鏡頭10；

所述組合慣導16，用于獲得運載器1的姿態(tài)參數(shù)，包括質(zhì)心的實時平移矢量、航向、縱搖和橫滾姿態(tài)角信息，并將這些信息傳輸至制處理單元17；

所述控制處理單元17包括：通信子單元、圖像處理子單元和伺服控制子單元；

所述通信子單元，用于接收通過插頭2傳入的上位機的控制命令，向上位機上傳圖像處理子單元生成的圖像數(shù)據(jù)信息；

所述伺服控制子單元，用于接收組合慣導16發(fā)送的信息，產(chǎn)生控制縱搖伺服機構5和橫滾伺服機構6的控制命令；

所述圖像處理子單元，用于接收選通成像傳感器9的圖像信息，進行圖像拼接合成全景圖；

所述橫滾伺服機構6，用于負載光學成像模組14，實現(xiàn)橫向掃描和橫向修正瞄準線；

如圖2b所示，所述縱搖伺服機構5，通過剛性支架21負載橫滾伺服機構6，用于實現(xiàn)縱向掃描和縱向修正瞄準線功能，并通過縱搖不同角度實現(xiàn)前視模式和下視模式的切換。

所述成像鏡頭7，用于接收來自目標的激光回波信號，收集光信號至選通成像傳感器9；

所述濾光片8：用于濾除激光回波信號以外的背景光及干擾光，提高圖像信噪比。

所述選通成像傳感器9為整個裝置的成像器件，由選通像增強器經(jīng)光錐耦合至而陣圖像傳感器選通構成，用于將成像鏡頭7接收的目標激光回波信號轉(zhuǎn)換成電信號，并輸出二維圖像至控制處理模塊17的圖像處理子單元；選通成像傳感器9所采用的面陣圖像傳感器為ccd或cmos，對應形成兩種選通成像傳感器iccd和icmos，其中，選通iccd由選通像增強器經(jīng)光錐耦合至ccd構成，選通icmos由選通像增強器經(jīng)光錐耦合至cmos構成。

所述照明鏡頭10，用于對激光進行整形實現(xiàn)目標照明。

實施例2

裝置的結構示意圖如圖1b所示，與實施例1的裝置相似，不同之處在于，所述成像模塊18還包括反光鏡20，負載于橫滾伺服機構6上，布置在光學成像模組14前，將照明鏡頭10發(fā)出的激光反射到指定方向上，將從目標反射回的激光反射到成像鏡頭7上，也就是將光學成像模組的光軸指向指定方向上。

實施例3

裝置的結構示意圖如圖1c所示，與實施例1相似，不同之處在于，所述成像模塊18還包括搜索引導與測距單元，用于對目標進行測距，并將距離信息反饋給所述控制處理單元17；所述搜索引導與測距單元包括接收鏡頭12和光電探測器13，照明激光器15為搜索引導與測距單元提供納秒級激光脈沖，通過時延信息進行測距；

所述控制處理單元17還包括測距處理子單元，用于接收搜索引導與測距單元傳入的目標距離信息，并將距離信息換算成延時信息，產(chǎn)生控制選通成像傳感器9和照明激光器15的工作時序，實現(xiàn)水下距離選通成像。

基于實施例1的裝置，本發(fā)明提供了一種水下面陣掃描激光成像方法，所述方法包括：

步驟1)所述控制處理單元17接收無人潛器25的控制命令，根據(jù)控制命令設置工作模式；所述工作模式的類型為前視模式或后視模式；

步驟2)如果工作模式為前視模式，轉(zhuǎn)入步驟3)；如果工作模式為后視模式，轉(zhuǎn)入步驟4)；

步驟3)縱搖伺服機構5通過剛性支架21將橫滾伺服機構6負載的光學成像模組14的光軸方向調(diào)節(jié)至運載器1的航向方向上，通過橫滾伺服機構6的實現(xiàn)橫向面陣掃描成像；

如圖3所示，具體過程為：橫滾伺服機構6沿橫向步進n-1次，每次橫向步進量為α，通過橫向掃描實現(xiàn)橫向n幀掃描，掃描刈寬度為nα，其中α是水下距離選通成像單次成像橫向視場，在此過程中，縱搖伺服機構5和橫滾伺服機構6根據(jù)組合慣導16給出的運載器1的姿態(tài)參數(shù)產(chǎn)生與干擾力矩大小相等、方向相反的控制力矩，對縱向和橫向兩個自由度進行補償，抵消洋流和涌的擾動，使瞄準線能夠在選通成像傳感器9積分時間內(nèi)保持給定指向，從而實現(xiàn)橫向掃描獲得的n幀圖像的連續(xù)拼接，進而實現(xiàn)運載器1前方刈寬度為nα的寬場掃描。

步驟4)縱搖伺服機構5通過剛性支架21將橫滾伺服機構6負載的光學成像模組14的光軸指向地心；縱搖伺服機構5和橫滾伺服機構6配合進行面陣掃描成像；

如圖4a、圖4b和圖4c所示，具體過程為：橫滾伺服機構6沿橫向步進n-l次，每次橫向步進量為α，通過橫向掃描實現(xiàn)橫向的n幀掃描，掃描刈寬度為nα，縱搖伺服機構5進行運載器航速補償，沿縱向步進補償n-l次，每次縱向步進補償量為β/(n-1)；其中β是水下距離選通成像單次成像縱向視場；縱搖伺服機構5的航速補償與橫滾伺服機構6的橫向掃捕同步完成步進.到達指定瞄準線位置后停留te；te為選通成像傳感器9積分時間，瞄準線步進周期為縱搖伺服機構5和橫滾倒服機構6機械步進時問與選通成像傳感器9積分時間之和；縱搖伺服機構5和橫滾伺服機構6根據(jù)組合慣導16給出的運載器1的姿態(tài)參數(shù)產(chǎn)生與干擾力矩大小相等、方向相反的控制力矩，對縱向和橫向兩個自由度進行補償，抵消洋流和涌的擾動，使瞄準線能夠在選通成像傳感器9積分時問內(nèi)保持給定指向，從而可實現(xiàn)橫向掃描獲得的n幀圖像的連續(xù)拼接，進而實現(xiàn)運載器l下方刈寬度為nα的寬場掃描；

步驟5)控制處理處理單元17的圖像處理子單元接收選通成像傳感器9發(fā)送的圖像，對圖像進行拼接合成刈寬度為nα的全景圖；

步驟6)控制處理處理單元17的通信子單元向無人潛器25上傳圖像數(shù)據(jù)信息。

為了舉例說明本發(fā)明的實現(xiàn)，描述了上述具體實施例，但本發(fā)明的其他變化和修改，對本領域技術人員是顯而易見的，本發(fā)明并不限于所描述的具體實施方式。因此，在本發(fā)明所公開的內(nèi)容的真正實質(zhì)和摹本原則范同內(nèi)的任何/所有修改、變化或等效變換，不屬于本發(fā)明的權利要求保護范圍。