水下静止及高速移动目标三维成像方法及成像系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种水下静止及高速移动目标三维成像方法及成像系统，为解决现有技术测量精度低问题，包括激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、精密丝杠、精密导轨、高速振镜、高清高速摄像机、AUV水密舱a、AUV水密舱b、计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器、同步通信控制系统的系统利用投影输出二维正弦光强靶标对水下目标照射的同时，再利用高清高速摄像机对所述被照射水下目标变形图像同步采集，计算机及软件处理系统将采集的变形图像进行相应的图像、图形计算，完成对待测水下目标的三维成像及模式识别处理，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取或者适时将数据通过无线方式传输至基站。具有测量精度高，利于大面积测量的优点。
【专利说明】
水下静止及高速移动目标三维成像方法及成像系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种水下目标成像方法，特别是涉及一种水下静止及高速移动目标三维成像方法及成像系统。
【背景技术】
[0002]水下地形、地貌的探测，主要是利用声呐发出的超声波，并探测地形的反射回波，但是，这一方法不仅不能探测凸起于海床上的礁石或岩石，而且测量精度、测量点密度难以达到目前国际水文测绘的精度要求标准，满足不了进行符合水文测绘标准的大范围海床水文地理测绘的要求，其他，还有合成孔径声呐技术，精度有所提高，但不适合高精度的水下测量。现在，正在发展的水下蓝绿激光探测技术，探测精度优于声呐探测技术。主要有利用二维振镜的脉冲激光测深仪，以及利用一维振镜的激光光束线扫描探深技术，扫描视场和扫描面积均受制于振镜的扫描速度，扫描范围和扫描效率相对较低。
[0003]专利号200510016796.0专利是最相近专利。该专利中，有四项关键技术未能解决。第一，对关键核心部件矩形光栅的选择没有针对性，单纯利用矩形光栅的制作误差，实现的二级光谱输出，不具有可控性；第二，占有输入能量70%以上的零级频谱不能有效利用，且只能降低输出正弦光强靶标图像的对比度；第三，傅立叶变换透镜及变倍率镜头为通用设计，没有针对单一波长光的针对性设计，输出的正弦光强靶标图像像场像差较大，是测量精度提高的一大障碍；第四，平行光输出，限制了测量的视场范围，不利于大面积测量。
【发明内容】
[0004]本发明目的在于克服现有技术的上述缺陷，提供一种测量精度高，利于大面积测量的水下静止及高速移动目标三维成像方法，本发明目的还在于提供用于实现该方法的成像系统。
[0005]为实现上述目的，本发明水下静止及高速移动目标三维成像方法是利用投影输出二维正弦光强靶标图像对水下目标照射的同时，再利用高清高速摄像机对所述被照射水下目标变形图像同步采集，计算机及软件处理系统将采集的变形图像进行相应的图像、图形计算，完成对待测水下目标的三维成像及模式识别处理，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取或者适时将数据通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站；
[0006]激光束是利用波片、矩形光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生任意空间频率的二维正弦光强靶标结构光。具有测量精度高，利于大面积测量的优点。
[0007]作为优化，所述二维正弦光强靶标的结构光使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦光强靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差；
[0008]通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出。
[0009]作为优化，采用可直接进行小范围投影测量的平行光投影输出正弦光强靶标图像；中等视场使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦光强靶标图像实现；大视场，则调整单色变倍率镜头，输出大角度非平行光正弦光强靶标图像实现；或者使用高速振镜，大幅度扩大视场范围；高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦光强靶标图像投影。
[0010]高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦光强靶标图像投影。
[0011]作为优化，在下列系统上实现，所述系统包括激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、精密丝杠、精密导轨、高速振镜、高清高速摄像机、AUV水密舱a、AUV水密舱b、计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器、同步通信控制系统:
[0012]光束整形系统位于激光器的后面对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上；高速振镜位于单色变倍率镜头后面，用以大幅度扩大视场范围；上述元器件全部位于精密丝杠和精密导轨上，并置于AUV水密舱a中；
[0013]高清高速摄像机以及计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器置于AUV水密舱b中；计算机及软件分析系统对高清高速摄像机获取的图像进行识别判断，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取；无线发射器实时，或者适时将数据通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站；
[0014]AUV水密舱a和AUV水密舱b的相对位置，构成测量基线，根据三角形定位原理，需要根据目标的距离确定；距离比较远的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b构成的测量基线要远一些；测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，可以合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区；同步通信控制系统(17)实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行；
[0015]同步通信控制系统实现投影输出和拍摄动作同步进行。
[0016]作为优化，水下三维成像过程如下:
[0017]a.首先调整激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、高速振镜等器件置于精密丝杠和精密导轨上；并全部置于AUV水密舱a中，整个光路系统均按照同轴等高原则；计算机及软件分析系统、数据存储器和无线发射器置于AUV水密舱a中；安装调试计算机及软件处理系统、数据存储器、无线发射器和同步通信控制系统；
[0018]b.激光器选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量及补偿，及单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头；
[0019]c.光束整形系统，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；
[0020]d.矩形光栅，要求占空比不等于1: 1，便利使用I级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可；
[0021]e.单色傅立叶变换透镜和单色变倍率镜头，均需配合激光器的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；
[0022]f.频谱选择器，包括电、磁或光寻址空间光调制器、数字式微反射镜器件、机械式小孔均可，以方便选择I级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；
[0023]g.波片，配合激光器的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择I级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进I级、2级或3级频谱，提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量；
[0024]h.高速振镜，大幅度扩大视场范围，高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦光强靶标图像投影；
[0025]1.AUV水密舱a保护激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、高速振镜等器件采用蓝宝石耐压窗口，输出正弦光强靶标图像；
[0026]j.高清高速摄像机采集经待测水下目标反射的变形图像，并传输至计算机及软件处理系统；
[0027]k.AUV水密舱b保护高清高速摄像机、计算机及软件分析系统、数据存储器和无线发射器等器件采用蓝宝石耐压窗口，接收变形图像；
[0028]1.测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区，配合正弦光强靶标图像输出和接收变形图像，采用2块蓝宝石耐压窗口 ；
[0029]m.计算机及软件处理系统接收高清高速摄像机采集的变形图像，并进行相应的图像、图形计算，完成对待测水下目标的三维成像及模式识别处理，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取；
[0030]η.无线发射器实时或者适时将探测数据及分析结果通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站；
[0031]ο.同步通信控制系统控制实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行，可采用声呐通信，近距离可采用蓝绿激光通信。
[0032]用于实现本发明所述方法的成像系统包括激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、精密丝杠、精密导轨、高速振镜、高清高速摄像机、AUV水密舱a、AUV水密舱b、计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器、同步通信控制系统:
[0033]光束整形系统位于激光器的后面对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上；高速振镜位于单色变倍率镜头后面，用以大幅度扩大视场范围；上述元器件全部位于精密丝杠和精密导轨上，并置于AUV水密舱a中；
[0034]高清高速摄像机以及计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器置于AUV水密舱b中；计算机及软件分析系统对高清高速摄像机获取的图像进行识别判断，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取；无线发射器实时，或者适时将数据通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站；
[0035]同步通信控制系统实现投影输出和拍摄动作同步进行。具有测量精度高，利于大面积测量的优点。
[0036]作为优化，AUV水密舱a和AUV水密舱b的相对位置，构成测量基线，根据三角形定位原理，需要根据目标的距离确定；
[0037]距离比较远的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b构成的测量基线要远一些；测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，可以合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区；同步通信控制系统实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行；
[0038]精密丝杠和精密导轨上的元器件综合功能是利用波片、矩形光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生任意空间频率的二维正弦光强靶标结构光。
[0039]作为优化，所述二维正弦光强靶标的结构光使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦光强靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差；
[0040]通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出。
[0041]作为优化，采用可直接进行小范围投影测量的平行光投影输出正弦光强靶标图像；中等视场使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦光强靶标图像实现；大视场，则调整单色变倍率镜头，输出大角度非平行光正弦光强靶标图像实现；或者使用高速振镜，大幅度扩大视场范围；高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦光强靶标图像投影。
[0042]作为优化，经过如下步骤进行三维成像:
[0043]a.首先调整激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、高速振镜等器件置于精密丝杠和精密导轨上；并全部置于AUV水密舱a中，整个光路系统均按照同轴等高原则；计算机及软件分析系统、数据存储器和无线发射器置于AUV水密舱a中；安装调试计算机及软件处理系统、数据存储器、无线发射器和同步通信控制系统；
[0044]b.激光器选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量及补偿，及单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头；
[0045]c.光束整形系统，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；
[0046]d.矩形光栅，要求占空比不等于1: 1，便利使用I级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可；
[0047]e.单色傅立叶变换透镜和单色变倍率镜头，均需配合激光器的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；
[0048]f.频谱选择器，包括电、磁或光寻址空间光调制器、数字式微反射镜器件、机械式小孔均可，以方便选择I级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；
[0049]g.波片，配合激光器的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择I级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进I级、2级或3级频谱，提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量；
[0050]h.高速振镜，大幅度扩大视场范围，高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦光强靶标图像投影；
[0051]1.AUV水密舱a保护激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、高速振镜等器件采用蓝宝石耐压窗口，输出正弦光强靶标图像；
[0052]j.高清高速摄像机采集经待测水下目标反射的变形图像，并传输至计算机及软件处理系统；
[0053]k.AUV水密舱b保护高清高速摄像机、计算机及软件分析系统、数据存储器和无线发射器等器件采用蓝宝石耐压窗口，接收变形图像；
[0054]1.测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区，配合正弦光强靶标图像输出和接收变形图像，采用2块蓝宝石耐压窗口 ；
[0055]m.计算机及软件处理系统接收高清高速摄像机采集的变形图像，并进行相应的图像、图形计算，完成对待测水下目标的三维成像及模式识别处理，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取；
[0056]η.无线发射器实时或者适时将探测数据及分析结果通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站；
[0057]ο.同步通信控制系统控制实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行，可采用声呐通信，近距离可采用蓝绿激光通信。
[0058]其是针对【背景技术】中激光束点扫描的脉冲激光测深仪，每次单个点记录，激光束线扫描技术，每次记录一行，这两类技术效率普遍较低的问题。本发明使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差；通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅；使用输出二维正弦光强靶标的结构光，进行投影探测，大幅度提高扫描范围和扫描效率；使用动力船、AUV、浮标或潜标的搭载方式，方便对于水下目标探测成像。属于结构光水下探测成像领域，涉及利用波片、矩形光栅或正弦光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生任意空间频率的二维正弦光强靶标结构光，结合高清高速摄像机以及AUV水密舱结构，使用动力船、AUV、深潜器、浮标或潜标的搭载方式，对水下目标，使用二维正弦光强靶标结构光投影探测成像的方法和装置。
[0059]光束整形系统位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上；上述元器件全部位于精密丝杠和精密导轨组上，并置于AUV水密舱a中，AUV水密舱a设计蓝宝石耐压窗口 ；高清高速摄像机，以及计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器等置于AUV水密舱b中，AUV水密舱b设计蓝宝石耐压窗口，计算机及软件分析系统对高清高速摄像机获取的图像进行识别判断，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取；无线发射器实时，或者适时将数据通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站；AUV水密舱a和AUV水密舱b的相对位置，构成测量基线，根据三角形定位原理，需要根据目标的距离确定，距离比较远的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b构成的测量基线要远一些；测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，可以合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区；同步通信控制系统实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行。
[0060]本发明的优点是:本发明针对【背景技术】中矩形光栅的精确制作问题，频率填充，零级频谱能量利用率低，通用镜头选择，以及测量视场受限等问题。本发明使用占空比精确制造的矩形光栅空间分频，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦光强靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅；使用高清高速摄像机，方便水下高速运动目标及高速动态过程的三维立体测量；使用动力船、AUV、浮标或潜标的搭载方式，方便对于水下目标探测成像；本发明主要适用于水下高精度的所有静态及高速运动目标和高速动态过程的三维探测，如:水下地形、地貌、水下考古、坝体裂纹和渗流、水下搜救、水下管线、高速水下航行器、湍流、螺旋桨动态工作过程等。
【附图说明】
[0061]图1是用于实现本发明水下静止及高速移动目标三维成像方法的本发明目的成像系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0062]本发明水下静止及高速移动目标三维成像方法是利用投影输出激光束对水下目标照射的同时，再利用高清高速摄像机对所述被照射水下目标进行变形图像同步采集，计算机及软件处理系统将采集的变形图像进行相应的图像、图形计算，完成对待测水下目标的三维成像及模式识别处理，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取或者适时将数据通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站；
[0063]激光束是利用波片、矩形光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生任意空间频率的二维正弦光强靶标结构光。
[0064]所述二维正弦光强靶标的结构光使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦光强靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差;
[0065]通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修下便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出。
[0066]采用可直接进行小范围投影测量的平行光投影输出正弦光强靶标图像；中等视场使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦光强靶标图像实现；大视场，则调整单色变倍率镜头，输出大角度非平行光正弦光强靶标图像实现；或者使用高速振镜，大幅度扩大视场范围；
[0067]AUV水密舱a和AUV水密舱b的相对位置，构成测量基线，根据三角形定位原理，需要根据目标的距离确定；距离比较远的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b构成的测量基线要远一些；测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，可以合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区；同步通信控制系统实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行；
[0068]高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦光强靶标图像投影。
[0069]在下列系统上实现，所述系统包括激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、精密丝杠、精密导轨、高速振镜、高清高速摄像机、AUV水密舱a、AUV水密舱b、计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器、同步通信控制系统:
[0070]光束整形系统位于激光器的后面对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上；高速振镜位于单色变倍率镜头后面，用以大幅度扩大视场范围；上述元器件全部位于精密丝杠和精密导轨上，并置于AUV水密舱a中；
[0071]高清高速摄像机以及计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器置于AUV水密舱b中；计算机及软件分析系统对高清高速摄像机获取的图像进行识别判断，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取；无线发射器实时，或者适时将数据通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站；
[0072]AUV水密舱a和AUV水密舱b的相对位置，构成测量基线，根据三角形定位原理，需要根据目标的距离确定；距离比较远的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b构成的测量基线要远一些；测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，可以合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区；同步通信控制系统实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行；
[0073]同步通信控制系统实现投影输出和拍摄动作同步进行。
[0074]三维成像过程如下:a.首先调整激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、高速振镜等器件置于精密丝杠和精密导轨上；并全部置于AUV水密舱a中，整个光路系统均按照同轴等高原则；计算机及软件分析系统、数据存储器和无线发射器置于AUV水密舱a中；安装调试计算机及软件处理系统、数据存储器、无线发射器和同步通信控制系统；
[0075]b.激光器选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量及补偿，及单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头；
[0076]c.光束整形系统，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；
[0077]d.矩形光栅，要求占空比不等于1: 1，便利使用I级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可；
[0078]e.单色傅立叶变换透镜和单色变倍率镜头，均需配合激光器的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；
[0079]f.频谱选择器，包括电、磁或光寻址空间光调制器、数字式微反射镜器件、机械式小孔均可，以方便选择I级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；
[0080]g.波片，配合激光器的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择I级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进I级、2级或3级频谱，提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量；
[0081]h.高速振镜，大幅度扩大视场范围，高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦光强靶标图像投影；
[0082]1.AUV水密舱a保护激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、高速振镜等器件采用蓝宝石耐压窗口，输出正弦光强靶标图像；
[0083]j.高清高速摄像机采集经待测水下目标反射的变形图像，并传输至计算机及软件处理系统；
[0084]k.AUV水密舱b保护高清高速摄像机、计算机及软件分析系统、数据存储器和无线发射器等器件采用蓝宝石耐压窗口，接收变形图像；
[0085]1.测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区，配合正弦光强靶标图像输出和接收变形图像，采用2块蓝宝石耐压窗口 ；
[0086]m.计算机及软件处理系统接收高清高速摄像机采集的变形图像，并进行相应的图像、图形计算，完成对待测水下目标的三维成像及模式识别处理，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取；
[0087]η.无线发射器实时或者适时将探测数据及分析结果通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站；
[0088]ο.同步通信控制系统控制实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行，可采用声呐通信，近距离可采用蓝绿激光通信。
[0089]总之，该方法是利用空间光学傅里叶分析方法，产生正弦光强靶标输出，投影至水下目标表面，测量获得变形光栅条纹，辅以计算机三维成像及模式识别分析，获得水下目标三维立体像及模式特征；若为水下高速目标，高速振镜大视场扫描配合高清高速摄像机实现动态三维过程捕捉。
[0090]本发明的优点是:本发明针对【背景技术】中矩形光栅的精确制作问题，频率填充，零级频谱能量利用率低，通用镜头选择，以及测量视场受限等问题。本发明使用占空比精确制造的矩形光栅空间分频，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅；使用高清高速摄像机，方便水下高速运动目标及高速动态过程的三维立体测量；使用动力船、AUV、浮标或潜标的搭载方式，方便对于水下目标探测成像；本发明主要适用于水下高精度的所有静态及高速运动目标和高速动态过程的三维探测，如:水下地形、地貌、水下考古、坝体裂纹和渗流、水下搜救、水下管线、高速水下航行器、湍流、螺旋桨动态工作过程等。
[0091]如图所示，用于实现本发明所述方法的成像系统包括激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3 (或者正弦光栅)、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、精密丝杠8-1和精密导轨8-2、高速振镜9、待测水下目标10、高清高速摄像机IUAUV水密舱al2、AUV水密舱bl3、计算机及软件分析系统14、数据存储器15、无线发射器16、同步通信控制系统17。光束整形系统2位于激光器I的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅3位于光束整形系统2的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜4的前焦平面上；波片6及频谱选择器5位于单色傅立叶变换透镜4的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头7的前焦平面上；高速振镜9位在单色变倍率镜头7后面，用以大幅度扩大视场范围；上述元器件全部位于精密丝杠8-1和精密导轨8-2上，并置于AUV水密舱al2中，AUV水密舱al2设计蓝宝石耐压窗口 ；高清高速摄像机11以及计算机及软件分析系统14、数据存储器15、无线发射器16等置于AUV水密舱bl3中，AUV水密舱bl3设计蓝宝石耐压窗口，计算机及软件分析系统14对高清高速摄像机11获取的图像进行识别判断，并将数据及分析结果存储于数据存储器15中，便于适时读取；无线发射器16实时，或者适时将数据通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站；AUV水密舱al2和AUV水密舱bl3的相对位置，构成测量基线，根据三角形定位原理，需要根据目标的距离确定；距离比较远的情况下，AUV水密舱al2和AUV水密舱bl3构成的测量基线要远一些；测量距离比较近的情况下，AUV水密舱al2和AUV水密舱bl3，可以合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区；同步通信控制系统17实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行。
[0092]精密丝杠和精密导轨上的元器件综合功能是利用波片、矩形光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生任意空间频率的二维正弦光强靶标结构光。
[0093]所述二维正弦光强靶标的结构光使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差;
[0094]通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出。
[0095]采用可直接进行小范围投影测量的平行光投影输出正弦光强靶标图像；中等视场使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦光强靶标图像实现；大视场，则调整单色变倍率镜头，输出大角度非平行光正弦光强靶标图像实现；或者使用高速振镜，大幅度扩大视场范围；
[0096]采用平行光投影输出正弦光强靶标图像，可直接进行小范围投影测量；中等视场，使用单色变倍率镜头7输出小角度非平行光正弦光强靶标图像，即可实现；大视场测量，调整单色变倍率镜头7，输出大角度非平行光正弦光强靶标图像，可以实现；或者，使用高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦光强靶标图像投影。
[0097]当采用本发明系统对水下目标进行三维成像时:a.首先调整激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件置于精密丝杠8-1和精密导轨8-2上；并全部置于AUV水密舱al2中，整个光路系统均按照同轴等高原则调整；计算机及软件分析系统14、数据存储器15和无线发射器16置于AUV水密舱al3中；如图1位置配置，安装调试计算机及软件处理系统14、数据存储器15、无线发射器16和同步通信控制系统17 ;
[0098]b.激光器I选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量及补偿，及单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7的单色匹配设计。当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜4、波片6、单色变倍率镜头7 ;
[0099]c.光束整形系统2，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅3的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器I的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺；
[0100]d.矩形光栅3，要求占空比不等于1: 1，便利使用I级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器5即可；
[0101]e.单色傅立叶变换透镜4和单色变倍率镜头7，均需配合激光器I的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求；
[0102]f.频谱选择器5，包括电、磁或光寻址空间光调制器(SLM)、数字式微反射镜器件(DMD)、机械式小孔均可，以方便选择I级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅3，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉；
[0103]g.波片6，配合激光器I的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择I级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进I级、2级或3级频谱，提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量；
[0104]h.高速振镜9，大幅度扩大视场范围，高速振镜9定位于单色变倍率镜头7后面，用以输出正弦光强靶标图像投影；
[0105]1.AUV水密舱al2，保护激光器1、光束整形系统2、矩形光栅3、单色傅立叶变换透镜4、频谱选择器5、波片6、单色变倍率镜头7、高速振镜9等器件，设计蓝宝石耐压窗口，输出正弦光强靶标图像；
[0106]j.高清高速摄像机11采集经待测水下目标10反射的变形图像，并传输至计算机及软件处理系统14 ；
[0107]k.AUV水密舱bl3，保护高清高速摄像机11、计算机及软件分析系统14、数据存储器15和无线发射器16等器件，设计蓝宝石耐压窗口，接收变形图像；
[0108]1.测量距离比较近的情况下，AUV水密舱al2和AUV水密舱bl3，合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区，配合正弦光强靶标图像输出和接收变形的正弦光强靶标图像，设计2块蓝宝石耐压窗口 ；
[0109]m.计算机及软件处理系统14，接收高清高速摄像机11采集的变形图像，并进行相应的图像、图形计算，完成对待测水下目标10的三维成像及模式识别处理，并将数据及分析结果存储于数据存储器15中，便于适时读取；
[0110]η.无线发射器16，实时，或者适时将探测数据及分析结果通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站；
[0111]0.同步通信控制系统17，控制实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行，可采用声呐通信，近距离可采用蓝绿激光通信。
[0112]其是针对【背景技术】中激光束点扫描的脉冲激光测深仪，每次单个点记录，激光束线扫描技术，每次记录一行，这两类技术效率普遍较低的问题。本发明使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差；通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅；使用输出二维正弦光强靶标的结构光，进行投影探测，大幅度提高扫描范围和扫描效率；使用动力船、AUV、浮标或潜标的搭载方式，方便对于水下目标探测成像。属于结构光水下探测成像领域，涉及利用波片、矩形光栅或正弦光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生任意空间频率的二维正弦光强靶标结构光，结合高清高速摄像机以及AUV水密舱结构，使用动力船、AUV、深潜器、浮标或潜标的搭载方式，对水下目标，使用二维正弦光强靶标的正弦光强靶标投影探测成像的方法和装置。
[0113]光束整形系统位于激光器的后面，对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上；上述元器件全部位于精密丝杠和精密导轨组上，并置于AUV水密舱a中，AUV水密舱a设计蓝宝石耐压窗口 ；高清高速摄像机，以及计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器等置于AUV水密舱b中，AUV水密舱b设计蓝宝石耐压窗口，计算机及软件分析系统对高清高速摄像机获取的图像进行识别判断，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取；无线发射器实时，或者适时将数据通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站；AUV水密舱a和AUV水密舱b的相对位置，构成测量基线，根据三角形定位原理，需要根据目标的距离确定，距离比较远的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b构成的测量基线要远一些；测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，可以合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区；同步通信控制系统实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行。
[0114]本发明的优点是:本发明针对【背景技术】中矩形光栅的精确制作问题，频率填充，零级频谱能量利用率低，通用镜头选择，以及测量视场受限等问题。本发明使用占空比精确制造的矩形光栅空间分频，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦图像靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差，通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出；矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅；使用高清高速摄像机，方便水下高速运动目标及高速动态过程的三维立体测量；使用动力船、AUV、浮标或潜标的搭载方式，方便对于水下目标探测成像；本发明主要适用于水下高精度的所有静态及高速运动目标和高速动态过程的三维探测，如:水下地形、地貌、水下考古、坝体裂纹和渗流、水下搜救、水下管线、高速水下航行器、湍流、螺旋桨动态工作过程等。
【主权项】
1.一种水下静止及高速移动目标三维成像方法，其特征在于利用投影输出二维正弦光强靶标图像对水下目标照射的同时，再利用高清高速摄像机对所述被照射水下目标变形图像同步采集，计算机及软件处理系统将采集的变形图像进行相应的图像、图形计算，完成对待测水下目标的三维成像及模式识别处理，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取或者适时将数据通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站； 激光束是利用波片、矩形光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生任意空间频率的二维正弦光强靶标结构光。2.根据权利要求1所述成像方法，其特征在于所述二维正弦光强靶标的结构光使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦光强靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差； 通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出。3.根据权利要求1所述成像方法，其特征在于采用可直接进行小范围投影测量的平行光投影输出正弦光强靶标图像；中等视场使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦光强靶标图像实现；大视场，则调整单色变倍率镜头，输出大角度非平行光正弦光强靶标图像实现；或者使用高速振镜，大幅度扩大视场范围； 高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦光强靶标图像投影。4.根据权利要求1所述成像方法，其特征在于在下列系统上实现，所述系统包括激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、精密丝杠、精密导轨、高速振镜、高清高速摄像机、AUV水密舱a、AUV水密舱b、计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器、同步通信控制系统: 光束整形系统位于激光器的后面对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上；高速振镜位于单色变倍率镜头后面，用以大幅度扩大视场范围；上述元器件全部位于精密丝杠和精密导轨上，并置于AUV水密舱a中； 高清高速摄像机以及计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器置于AUV水密舱b中；计算机及软件分析系统对高清高速摄像机获取的图像进行识别判断，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取；无线发射器实时，或者适时将数据通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站； AUV水密舱a和AUV水密舱b的相对位置，构成测量基线，根据三角形定位原理，需要根据目标的距离确定；距离比较远的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b构成的测量基线要远一些；测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，可以合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区；同步通信控制系统实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行； 同步通信控制系统实现投影输出和拍摄动作同步进行。5.根据权利要求1-4任意所述成像方法，其特征在于水下三维成像过程如下: a.首先调整激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、高速振镜等器件置于精密丝杠和精密导轨上；并全部置于AUV水密舱a中，整个光路系统均按照同轴等高原则；计算机及软件分析系统、数据存储器和无线发射器置于AUV水密舱a中；安装调试计算机及软件处理系统、数据存储器、无线发射器和同步通信控制系统； b.激光器选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量及测量，及单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头； c.光束整形系统，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺； d.矩形光栅，要求占空比不等于1: 1，便利使用I级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可； e.单色傅立叶变换透镜和单色变倍率镜头，均需配合激光器的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求； f.频谱选择器，包括电、磁或光寻址空间光调制器、数字式微反射镜器件、机械式小孔均可，以方便选择I级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉； g.波片，配合激光器的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择I级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进I级、2级或3级频谱，提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量； h.高速振镜，大幅度扩大视场范围，高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦光强靶标图像投影；i.AUV水密舱a保护激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、高速振镜等器件采用蓝宝石耐压窗口，输出正弦光强靶标图像； j.高清高速摄像机采集经待测水下目标反射的变形图像，并传输至计算机及软件处理系统； k.AUV水密舱b保护高清高速摄像机、计算机及软件分析系统、数据存储器和无线发射器等器件采用蓝宝石耐压窗口，接收变形图像； l.测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区，配合正弦光强靶标图像输出和接收变形图像，采用2块蓝宝石耐压窗口 ； m.计算机及软件处理系统接收高清高速摄像机采集的变形图像，并进行相应的图像、图形计算，完成对待测水下目标的三维成像及模式识别处理，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取； η.无线发射器实时或者适时将探测数据及分析结果通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站； o.同步通信控制系统控制实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行，可采用声呐通信，近距离可采用蓝绿激光通信。6.一种用于实现权利要求1所述方法的成像系统，其特征在于包括激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、精密丝杠、精密导轨、高速振镜、高清高速摄像机、AUV水密舱a、AUV水密舱b、计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器、同步通信控制系统: 光束整形系统位于激光器的后面对激光束扩束、准直、整形；矩形光栅位于光束整形系统的后面，并使矩形光栅定位在单色傅立叶变换透镜的前焦平面上；波片及频谱选择器位于单色傅立叶变换透镜的后焦平面上，并定位于单色变倍率镜头的前焦平面上；高速振镜位于单色变倍率镜头后面，用以大幅度扩大视场范围；上述元器件全部位于精密丝杠和精密导轨上，并置于AUV水密舱a中； 高清高速摄像机以及计算机及软件分析系统、数据存储器、无线发射器置于AUV水密舱b中；计算机及软件分析系统对高清高速摄像机获取的图像进行识别判断，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取；无线发射器实时，或者适时将数据通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站； 同步通信控制系统实现投影输出和拍摄动作同步进行。7.根据权利要求6所述成像系统，其特征在于AUV水密舱a和AUV水密舱b的相对位置，构成测量基线，根据三角形定位原理，需要根据目标的距离确定； 距离比较远的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b构成的测量基线要远一些；测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，可以合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区；同步通信控制系统实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行； 精密丝杠和精密导轨上的元器件综合功能是利用波片、矩形光栅、滤光片及光学空间滤波器，进行空间分频、合成，产生任意空间频率的二维正弦光强靶标结构光。8.根据权利要求7所述成像系统，其特征在所述二维正弦光强靶标的结构光使用占空比精确控制制造的矩形光栅，进行空间分频，结合频谱选择器，同级次频谱合成，利用波片将零频光能量转移到奇数次频谱，提高高空间频率正弦光强靶标的对比度，结合针对单一波长设计的单色专用镜头，有效降低波像差； 通过对输出波面的标定，实现从低频到高频，高对比度，像场修正便捷，适合大视场范围测量的正弦光强靶标图像连续输出。9.根据权利要求7所述成像系统，其特征在于采用可直接进行小范围投影测量的平行光投影输出正弦光强靶标图像；中等视场使用单色变倍率镜头输出小角度非平行光正弦光强靶标图像实现；大视场，则调整单色变倍率镜头，输出大角度非平行光正弦光强靶标图像实现；或者使用高速振镜，大幅度扩大视场范围； 高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦光强靶标图像投影。10.根据权利要求6-9任一所述成像系统，其特征在于经过如下步骤进行三维成像: a.首先调整激光器、光束整形系统、矩形光栅或者正弦光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、高速振镜等器件置于精密丝杠和精密导轨上；并全部置于AUV水密舱a中，整个光路系统均按照同轴等高原则；计算机及软件分析系统、数据存储器和无线发射器置于AUV水密舱a中；安装调试计算机及软件处理系统、数据存储器、无线发射器和同步通信控制系统； b.激光器选择圆光斑输出的单模激光器，便于波面测量及补偿，及单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头的单色匹配设计；当选择不同波长的激光器时，需要对应设计相匹配的单色傅立叶变换透镜、波片、单色变倍率镜头； C.光束整形系统，采用激光扩束器设计方式，降低入射到矩形光栅的功率密度，降低光栅损伤，便于提高激光器的功率；激光束腰位置的小孔，要求优于微米级的圆度，且无毛刺； d.矩形光栅，要求占空比不等于1: 1，便利使用I级、2级及3级频谱，充分利用其倍频关系，快速提高空间频率；为方便测试，矩形光栅也可方便的更换为正弦光栅，以及其他透明的图像靶标，此时，去掉频谱选择器即可； e.单色傅立叶变换透镜和单色变倍率镜头，均需配合激光器的波长设计，实现空间光学傅里叶变换，同时兼顾孔径和视场要求； f.频谱选择器，包括电、磁或光寻址空间光调制器、数字式微反射镜器件、机械式小孔均可，以方便选择I级、2级及3级频谱，并对零级频谱略有衰减即可；在不使用矩形光栅，以及不需要频谱选择的条件下，可去掉； g.波片，配合激光器的波长选择波长，放置在零级频谱位置，配合选择I级、2级及3级频谱，对应选择1/4波片或1/2波片，将零级频谱耦合进I级、2级或3级频谱，提高输出正弦光强靶标的对比度，有效利用零级频谱能量； h.高速振镜，大幅度扩大视场范围，高速振镜定位于单色变倍率镜头后面，用以输出正弦光强靶标图像投影；i.AUV水密舱a保护激光器、光束整形系统、矩形光栅、单色傅立叶变换透镜、频谱选择器、波片、单色变倍率镜头、高速振镜等器件采用蓝宝石耐压窗口，输出正弦光强靶标图像； j.高清高速摄像机采集经待测水下目标反射的变形图像，并传输至计算机及软件处理系统； k.AUV水密舱b保护高清高速摄像机、计算机及软件分析系统、数据存储器和无线发射器等器件采用蓝宝石耐压窗口，接收变形图像； l.测量距离比较近的情况下，AUV水密舱a和AUV水密舱b，合二为一，内部功能区域需要划分为正弦光强靶标投影输出区和高速摄像、存储分析及信号发射区，配合正弦光强靶标图像输出和接收变形图像，采用2块蓝宝石耐压窗口 ； m.计算机及软件处理系统接收高清高速摄像机采集的变形图像，并进行相应的图像、图形计算，完成对待测水下目标的三维成像及模式识别处理，并将数据及分析结果存储于数据存储器中，便于适时读取； n.无线发射器实时或者适时将探测数据及分析结果通过无线方式，传输至水面、空中，或者陆地基站； l.同步通信控制系统控制实现正弦光强靶标的投影输出和拍摄动作同步进行，可采用声呐通信，近距离可采用蓝绿激光通信。
【文档编号】G01B11/25GK105890544SQ201410757223
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2014年12月10日
【发明人】李宏升, 岳军, 邓剑平, 陈冰泉, 李延娥
【申请人】青岛理工大学