水下圆筒状网箱模型测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水下物体测量技术领域，特别是涉及一种水下圆筒状网箱模型测量方 法。
【背景技术】
[0002] 在鱼类的养殖生产中，将养殖的鱼类放入网箱，再将网箱置入自然水体的方式称 之为网箱养殖，网箱养殖是一种重要的养殖方式。网箱由网片和框架组成，外形有长方体、 圆筒状、椎体状等形状。由于网箱在自然水体中，水流的的冲击会导致箱体变形，使其容积 减小，从而导致养殖鱼体密度增大，不利于养殖生产。因此，在进行网箱设计时，需要了解其 在不同流速的水流冲击下网箱的体积变化。一般通过在设计阶段制作按比例缩小的网箱模 型，测量其在不同流速的水流中的体积，从而外推到真实网箱在不同水流情况下的体积变 化。
[0003] 对水下物体的测量一般采用声纳方法进行。由于网箱模型的线径细、网孔大，造成 普通水下测量用声纳回波信号噪声大，测量精度差，目前没有专用的水下网箱体积和形状 的测量工具。
[0004] 在大气中，以激光作为测量媒介的测距和3D扫描技术比较成熟，具有精度高、测 量快的特点。采用准直激光的三角测距法，是其中的一种，其原理如图1 :
[0005] 三角激光测距设备包括一个准直激光器和一个焦距已知的摄像头，二者相距为s， 安装在一个固定支架上，激光器发出的激光与二者的连线成β角，其中β〈90°。
[0006] 激光照射到物体上时形成一个亮斑Α，在摄像头感光元件（(XD)面上成像为一个 像点a，当物体移动到Α1时，像点移动到al，像点a的位置与物体（亮斑Α)到激光器或者 基线的距离有关，测量出a点的位置就可以计算出距离d。
[0007] β:激光器夹角、s:激光器中心与摄像头中心点距离、f:摄像头的焦距、X:实际像 点离无穷远成像点的之间的距离，则：
[0008] 由几何关系，计算可得：d=fs/(xsin(0 ))
[0009] 在上式中，f、s、β已知，x可根据成像中光点的位置和像素尺寸计算出，从而可以 计算出距离d。这就是激光三角测距的基本原理。
[0010] 利用准直激光器，一次可以测量物体上一点到激光器之间的距离。为一次测量更 多的距离，可将准直激光器换成一字线激光器，一字线激光器发出的光在一个方向发散，出 光为扇形面，光照射到与激光器垂直的平面上为一条直线。一字线激光器一次可以测量一 条亮线上所有点到基线的距离。
【发明内容】
[0011] 本发明所要解决的技术问题是提供一种水下圆筒状网箱模型测量方法，能够准确 对水下网箱模型的形状和体积进行测量。
[0012] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种水下圆筒状网箱模型测量 方法，包括以下步骤：
[0013] (1)在网箱模型上方设置一个防水的电机，电机的转轴竖直向下并位于网箱模型 中心轴线的延长线上；
[0014] ⑵将长杆与电机的转轴连接，长杆伸入网箱模型内部；
[0015] (3)选择一字线激光器和摄像头，并对一字线激光器和摄像头作防水处理；
[0016] (4)将一字线激光器和摄像头分别固定在一根横杆的两端，调节一字线激光器至 发射扇形激光与横杆垂直，测量一字线激光器与摄像头之间的距离；
[0017] (5)将横杆的一字线激光器端垂直安装在长杆的下端，一字线激光器的出光口位 于长杆的中心轴线位置；
[0018] (6)沿竖直方向调节一字线激光器的出射仰角至激光可照射网箱模型的整个侧面 高度，形成一条从侧面上边缘到下边缘竖直亮线；
[0019] (7)调节摄像头至拍摄到网箱模型侧面的整条亮线；
[0020] (8)根据需要测量的距离范围，选取定标基准，在所述定标基准位置设置竖直板， 标出定标坐标点，调节摄像头至定标坐标点的成像位于摄像头感光元件的中心；
[0021] (9)控制电机匀速转动一周，根据图片的张数算出相应图片的转动角度；
[0022] (10)处理摄像头获得的成像，利用公式计算每幅图片上的亮线中各点的柱坐标；
[0023] (11)对测量参数进行校准；
[0024] (12)利用校准后的数据计算模拟网箱模型的形状、计算网箱模型的体积。
[0025] 所述电机安装于一个固定的防水箱子内，防水箱子固定在网箱模型的支架上。
[0026] 所述电机采用转速可调的步进电机。
[0027] 所述定标基准选取设计量程的中间距离。
[0028] 所述一字线激光器选用波长为532nm的绿色激光。
[0029] 所述一字线激光器的激光发散角不小于90°。
[0030] 所述摄像头采用1280*720以上的高清摄像头，帧速为30帧/秒。
[0031] 所述摄像头感光元件像素宽边的延伸方向与亮线平行。
[0032] 所述步骤（11)中测量参数的校准方法是在系统安装完毕后、系统量程范围内设 置标有间距的网格板，网格板竖直放置，一字线激光器发出的激光投射到网格板上，记录此 时摄像头的成像以及网格板与长杆中心轴线之间的距离，建立两者之间的对应关系作为对 计算公式的修正数据。改变网格板与长杆之间的距离，重复上述做法，得到整个量程内的矫 正数据。
[0033] 有益效果
[0034] 本发明将三角激光测距的原理运用到测量水下网箱模型的体积，一字线激光器在 网箱模型侧面形成贯穿的亮线，该方法中需要设定一个已知的基准距离作为定标基准，再 根据摄像头的成像可以计算出亮线上各点的位置，本发明的一字线激光器出光口位于网箱 模型内部的中心轴线上，通过电机匀速旋转带动一字线激光器和摄像头旋转一周扫描网箱 模型的整个侧面，摄像头从而记录下一周中不同转动角度亮线的像，不同成像转动的角度 容易推算，从而可以计算出网箱模型不同角度侧面点的坐标，进而可以模拟出网箱模型的 形状，根据这些坐标也可以计算出网箱模型的体积。本发明采用激光出射口位于转动轴心 的布局方式，减小了湍流对光路的扰动，提高了测量精度。另外，利用电机匀速转动和摄像 头等时间间隔拍摄的特性，很容易对不同成像电机转动角度进行推算，避免了复杂的硬件 伺服系统。
【附图说明】
[0035] 图1为激光三角测距原理示意图。
[0036] 图2为本发明改进的水下激光三角测距示意图。
[0037] 图3为本发明三角测距公式推导图。
[0038] 图4为本发明所用设备的三维结构示意图。
【具体实施方式】
[0039] 下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人 员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定 的范围。
[0040] 如图2所示为改进的水下激光三角测距示意图，将准直激光器的出光口移动到系 统的转动中心位置。空气中的一字线激光三角测距法并不适用于水下测量，原因在于水对 光的折射率远大于空气，当激光器在水中转动时，由于搅动水体造成的湍流对光线传播影 响远大于空气湍流，将引起光线的抖动和扭曲，使其不再沿直线传播，激光三角测距原理中 光线直线传播的基本假设不再完全成立，造成测量误差增大。为减小系统转动导致的湍流 影响，对传统一字线激光三角测距作出改动，将激光器的出光点移动到系统转动中心，减小 激光器相对水体的运动速度，从而降低湍流的影响。
[0041] 本发明方法的原理如下：
[0042] 将图2中的准直激光器换成一字线激光器2,并让一字线激光器2发出的扇形光面 与BC垂直，BC是摄像头3和一字线激光器2的连线，一字线激光器2发出的光照射到物体 上就是一条竖直的亮线。系统以过B点的竖直线为轴，旋转一周就可以扫描周围的物体，光 路图如图3所示。
[0043] 建立柱坐标系（r，Φ，z)，其z轴为过B点的系统旋转轴，B为z轴的原点，z轴的方 向为竖直向上，利用激光测距系统计算出坐标的r和z，通过计算电机旋转角度可得到Φ， 这样就可以得到一点在柱坐标系中的位置。系统需要选择一个已知的基准距离r。作为定标 基准，这个距离一般可选择设计测距量程的中间值，如设计系统量程为距离激光器1米到5 米处，基准距离取1·。= 3米，在柱坐标系中，基准距离构成一个1·。= 3的一个柱面，取其中 坐标为（3,0,0) -点为A点。如图3, 一字线激光器2发出的激光照射到基准点A，在基准 面所成亮线为ML，图3中过基准点A的光线BA就是图2中准直激光器发出的光线BA。
[0044] 一字线激光器2的激光照射到待测一个竖直平面上，如图3,所成亮线为NK，其中 过基准点A的光线在待测平面上的点为E，下面计算