专利名称：水下激光差频扫描三维光学测量装置的制作方法
一种用于机器人视觉系统的水下激光差频扫描三维光学测量装置。
本发明属于水下激光观察测量装置。
已有的激光二维扫描装置(激光电视)，如带宽视角水下激光能量接收器(专利号85106659.3)的激光二维扫描装置仅适用于二维图象观察和激光照明目标位置的二维计算。又目前，机器人在工业生产、太空探索、水下作业和军事设施等方面发挥重要作用。在水下机器人能够完成海底测绘、勘探、打捞、导航、排除水雷等任务，在海洋研究和开发中大显身手。自动化和智能化的发展，越来越要求机器人能够感知、识别和适应它所在的环境，以使执行规定的操作更可靠、安全，其中至关重要的首要问题是机器人的视觉问题，即解决其三维信息的获取方法，研究出机器人三维视觉系统。已有技术大多采用立体视差法，由于存在同各点匹配问题，数据量太庞大，速度太慢，使实时测量难以实施。1980年前后用激光同步扫描法和时间间隔法获取的二维图象，并实时测出图象中每点的方向和距离的方法，被认为是机器人三维视觉系统的发展方向，具体分析上述时间间隔法的优点是远距离测量精度高，但只能对设定的特定距离前后进行测量，且景深较小，近距离(1米内)测量难以实现;同步扫描法则属三角测距法，远距离测量精度差，近距离测量精度较高。上述两种方法帧频都不太高，因此实时显示仍存在困难。考虑到水下激光的后向散射问题，时间间隔法因发射和接收同轴，在水下无法使用，而上述同步扫描法则受接收口径、视场和水下观察距离等参数的限制，其基线不能拉得过长，这势必影响消散射性能而难以实际应用。
本发明的目的是提供一种宽视场、全景深、信息处理速度快、实时显示性能好、消散射性能好，测量精度能满足要求的高性能三维测量装置，以利发展新一代水下智能化机器人和水下遥控潜器。
为了便于理解本发明，给出该装置的空间坐标示图(见
图1)和测量方法的计算法-三角法。图中S为狭缝扫描镜轴中心，F为二维扫描装置帧扫描镜转轴中心，取F为座标系原点，FX为X轴，帧扫描镜转轴方向为Y轴，XOZ平面为激光倾角为零度时的水平扫描面，AB为狭缝空间方向，M为狭缝扫描平面，虚线SS′为M平面与XOZ平面交线。设任意点P恰好被扫描激光照明，其反射光又同时被扫描狭缝接收，则可得P点三座标计算公式如下X= (So tgβ cos α)/(tg β cosα - c ·gν tg β+sinα)Y= (So tgβ tgν)/(tgβ cosα - c ·gν tgβ+sinα) ，Z= (So tgβsinα)/(tg β cosα - c ·gν tg β+sinα) , C= 1/(tgθ)
式中α＝φF-ωFt，ν＝φL-ωLt，β＝φS-ωStωF激光帧水平扫描速度(1/秒)，φFα初始位置(度)ωL激光行垂直扫描速度(1/秒)φLν初始位置(度)ωS狭缝水平扫描速度(1/秒)φSβ初始位置(度)θS狭缝对水平面倾斜角(度)C倾斜系数So基线长度t时间(秒)本发明是在已有的激光二维扫描装置，即一般的激光扫描电视的基础上研制而成。主要由三部分组成由带宽视角水下激光能量接收器的激光二维扫描装置;狭缝能量接收器与同步信号发生器两者构成的狭缝扫描装置;以及与之相适配用于处理上述两装置提供的信息进行三维计算的数据处理装置(见附图2)，图中激光器发出的激光经行、帧扫描镜对目标在行、帧方向均扫描照明，从目标反射之光束则分别被宽视角激光能量接收器和狭缝能量接收器接收。狭缝能量接收器主要是由狭缝扫描镜，一个透镜及其焦面上的狭缝，狭缝后则为光电转换器。图2中的M1-M5分别为放大各种信号的放大器，由此输出的A、B、C、D、E分别为行同步信号，帧同步信号，视频信号，狭缝同步信号和狭缝信号。
本发明的详细结构还将结合附图给出具体实施例。
附图1本装置利用三角计算法的空间坐标示图;
附图2本装置总体结构框示图;
附图3光路结构示图。
其中，1激光二维扫描装置，2狭缝扫描装置，3数据处理装置，4激光器，5行扫描镜，6帧扫描镜，7光敏二极管，8光敏三极管，9宽视角水下激光能量接收器，10狭缝扫描镜，11狭缝，12光电转换器件，13光源，14孔栏，15半透半反镜，16光敏管，17控制显示器，18目标物。
由图1和图3，已有的激光二维扫描装置〔1〕与狭缝扫描装置〔2〕可以根据实际测量精度和使用的方便有一定光轴距So，实现以三角法进行三维计算。这里必须保证激光二维扫描装置〔1〕中的帧扫描镜〔6〕的轴与狭缝扫描装置〔2〕中的狭缝扫描镜〔10〕的轴相互平行。这也是为便于远距离、高精度测量时将上述激光二维扫描装置〔1〕和狭缝扫描装置〔2〕分别设置空间相距甚远时应该保证的条件。
狭缝扫描装置〔2〕内的可调接收狭缝〔11〕通过狭缝扫描镜〔10〕对空间目标逐行进行扫描或观察。其中狭缝能量接收器是由依次排列于同一光轴上的狭缝扫描镜〔10〕，聚焦透镜t3，可调狭缝〔11〕，和光电转换器件〔12〕组成，光电转换器件〔12〕为一高量子效率低噪声的光电倍增管，其产生的目标反射光的电信号送入数据处理装置〔3〕，狭缝〔11〕位于透镜t3焦面上，且垂直于激光帧扫描面放置，并使能量接收器光轴通过狭缝〔11〕中心，其光轴应位于狭缝扫描镜〔10〕的反射镜面的上部。
狭缝同步信号发生器，则由光源〔13〕，透镜t1，孔栏〔14〕，半透半反镜〔15〕，透镜t2和两只反射镜f、g，狭缝扫描镜〔10〕以及置于透镜t2通过半透半反镜〔15〕反射后的焦点上的光敏管〔16〕依次排列而成，由该光敏管〔16〕产生的狭缝同步信号同时送入数据处理装置〔3〕，透镜t1和孔栏〔14〕使光源〔13〕成点光源，且透镜t1前焦点与透镜t2后焦点重合于孔栏〔14〕中心，反光镜f和g的位置应保证狭缝同步信号发生器的光轴垂直于狭缝扫描镜轴，并位于狭缝扫描镜〔10〕反射镜面之下部。
考虑到激光二维扫描装置〔1〕的行扫描镜〔5〕，帧扫描镜〔6〕和狭缝扫描装置〔2〕的狭缝扫描镜〔10〕均以一定转速扫描，其结果是狭缝能量接收器将不能收到完整一行的信号，为了实现接收整行的信号，必须使狭缝扫描装置〔2〕中的狭缝〔11〕可以在光轴垂直的平面中倾斜一定角度，该狭缝〔11〕倾角由行、帧、缝扫描镜三者的转速确定。为了提高测量速度，实现实时测量，行扫描镜〔5〕、帧扫描镜〔6〕和狭缝扫描镜〔10〕三者的扫描周期TL、TF和TS与激光扫描每帧的行数N之间的关系为TF±KTL=XTS± (Kt2)/(N) ,其中K＞0，X是不为整数的系数，该关系即为本装置差频扫描的含义和条件。
综上所述，根据上述构织而成的本发明，具有宽视场、全景深、结构简单、实时性能好、计算机处理系统简单，并能克服水下激光后向散射等优良性能，不仅对第二代智能化机器人机械手操作和水下遥控潜器的发展具有重要意义，而且也适用于任意空间，长距离、高精度的激光三维观察和测量。
权利要求
1.一种水下激光差频扫描三维光学测量装置，其特征在于它是由数据处理装置[3]，具有宽视角水下激光能量接收器的激光二维扫描装置[1]和狭缝扫描装置[2]组成，且A、激光二维扫描装置[1]中的帧扫描镜[6]的轴与狭缝扫描镜[10]的轴应保证相互平行，激光二维扫描装置[1]与狭缝扫描装置[2]根据需要有一定光轴距So，实现以三角法进行三维计算。B、狭缝扫描装置[2]由狭缝能量接收器和狭缝同步信号发生器构成，上述狭缝能量接收器是由依次排列于同一光轴上的狭缝扫描镜[10]，聚焦透镜t3，可调狭缝[11]和光电转换器件[12]组成，光电转换器件[12]产生的反射光的电信号送入数据处理装置[3]，狭缝[11]位于透镜t3焦面上，且垂直于激光帧扫描面放置，并使能量接收器光轴通过狭缝中心，其光轴应位于狭缝扫描镜[10]的反射镜面的上部，上述狭缝同步信号发生器，则由光源[13]，透镜t1，孔栏[14]，半透半反镜[15]，透镜t2和两只反射镜f、g，狭缝扫描镜[10]以及置于透镜t2通过半透半反镜[15]反射后的焦点上的光敏管[16]依次排列而成，由该光敏管[16]产生的狭缝同步信号同时送入数据数理装置[3]，透镜t1和孔栏[14]使光源[13]成点光源，且透镜t1前焦点与透镜t2后焦后重合于孔栏[14]中心，反光镜f、g的位置应保证狭缝同步信号发生器的光轴垂直于狭缝扫描镜轴，并位于狭缝扫描镜[10]反射镜面的下部，C、上述数据处理装置为一台微型计算机。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于狭缝扫描装置中的狭缝〔11〕可以在与光轴垂直的平面中倾斜一定的角度。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于帧扫描镜〔6〕，行扫描镜〔5〕和狭缝扫描镜〔10〕三者的扫描周期与激光扫描每帧行数N之间的关系是TF±KTL=XTS± (Kt2)/(N) ，其中K＞0，X是不为整数的系数。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于为便于高精度，远距离测量，上述激光二维扫描装置〔1〕和狭缝扫描装置〔2〕可以分开设置。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于上述光电转换器〔12〕为一只低噪声、高量子效率的光电倍增管。
全文摘要
一种可以用于机器人视觉系统的水下激光差频扫描三维光学测量装置。它由具有宽视角水下激光能量接收器的激光二维扫描装置，狭缝扫描装置和数据处理装置组成，激光二维扫描装置和狭缝扫描装置可以成一体或分开设置。本发明的特点是狭缝扫描装置的设置和其中的狭缝若在光轴垂直的平面中倾斜一定的角度，则可实现实时三维水下激光的观察和测定，具有宽视角、全景深、结构简单、数据处理系统简单，并能克服水下激光后向散射等性能。
文档编号G01B11/02GK1056574SQ90103579
公开日1991年11月27日 申请日期1990年5月15日 优先权日1990年5月15日
发明者郑国星, 谭锐, 袁君毅 申请人:青岛海洋大学