一种水下面阵扫描激光成像装置及方法与流程

本发明涉及水下成像技术领域，具体涉及一种水下面阵扫描激光成像装置及方法。

背景技术：

高分辨率、大视场水下成像在水下地形地貌测绘、海底石油管线及光缆维护勘测、水下失事船只及飞机残骸搜索、水雷探测等领域具有重要的民用及军用意义。

声呐成像是利用声波判断海洋中物体的存在、位置及类型，具有视野宽、测距范围大等优点。但是由于水声信道复杂，受环境影响较大(如海洋温跃层)，与光学图像相比，水声图像的分辨率低、噪声严重，图像质量不高，且在近距离存在盲区，无法有效探测小目标，不利于石油管线及光缆等小目标的识别。

光学成像则是直接获取目标的光学图像，具有信息量大、灵敏度高、测量精度高、响应快、抗电磁场干扰能力强、非接触探测等优点，在较近距离内也具有很高的分辨率，所获得的信息丰富，识别精度比较高，利于小目标探测识别。

目前水下光学成像主要是主动成像，即采用蓝绿光或白光光源进行照明，采用ccd或cmos作为成像器件采集照明视场内目标的信息。水下主动光学成像主要有两种：一是连续光照明的水下成像技术，如中国海洋大学提出了一种环形激光照明的水下成像装置(中国发明专利，申请号：201010293845.6)；一种是脉冲光照明的距离选通成像技术，如北京理工大学提出一种基于电子快门的水下距离选通成像方法(中国发明专利，专利号zl201010238852.6)。连续光照明的水下光学成像作用距离较近，一般为1～2倍衰减长度，主要原因是水的后向散射影响了工作距离：相比于连续光照明的水下成像，水下距离选通成像可有效的抑制水的后向散射，将工作距离提到5～7倍衰减长度。虽然水下距离选通成像提高了水下探测距离，但是，成像视场小，当搭载水下潜航器等动平台进行水下作业时易丢失目标，当进行水下地形地貌勘测或管线勘察维护等作业时，不利于大视场作业，从而带来扫描路径规划难及工作效率低等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服目前水下扫描技术存在的上述缺陷，提出了一种水下面阵扫描激光成像装置，该装置能够解决水下远距离大视场光学成像难的问题，能够实现水下大视场三维成像。

为了实现上述目的，本发明提供了一种水下面阵扫描激光成像装置，所述装置包括：运载器l、电学模块19和成像模块18；

所述运载器1是整个装置的外壳，所述电学模块19包括照明激光器15、组合惯导16和控制处理单元17；所述电学模块19的各部件固定在安装板22两侧，通过安装板22与运载器1固定；

所述成像模块18包括纵摇伺服机构5、横滚伺服机构6和光学成像模组14，所述纵摇伺服机构5通过转接板24与运载器1固定，所述纵摇伺服机构5利用刚性支架21负载横滚伺服机构6，所述横滚伺服机构6直接负载光学成像模组14；所述横滚伺服机构6用于实现横向扫描和横向修正瞄准线；所述纵摇伺服机构5用于实现纵向扫描和纵向修正瞄准线功能，并通过纵摇不同角度实现前视模式和下视模式的切换；

所述光学成像模组14包括成像镜头7、滤光片8、选通成像传感器9和照明镜头l0；所述照明激光器15发射的激光通过传能光纤11传输至照明镜头10。

上述技术方案中，所述运载器1上设有插头2连接线缆，实现与无人潜器25进行信息交互及电力供应；运载器1整体外观呈圆柱形，头部呈球形，头部具有前视光学窗4，腹部具有下视光学窗口3。

上述技术方案中，所述组合惯导16，用于获得运载器1的姿态参数，包括质心的实时平移矢量、航向、纵摇和横滚姿态角信息，并将这些信息传输至制处理单元17。

上述技术方案中，所述控制处理单元17包括：通信子单元、图像处理子单元和伺服控制子单元；

所述通信子单元，用于接收通过插头2传入的上位机的控制命令，向上位机上传图像处理子单元生成的图像数据信息；

所述伺服控制子单元，用于接收组合惯导16发送的信息，产生控制纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6的控制命令；

所述图像处理子单元，用于接收选通成像传感器9的图像信息，进行图像拼接、三维图像处理和合成全景图。

上述技术方案中，所述选通成像传感器9为整个装置的成像器件，由像增强器经光锥耦合至面阵图像传感器构成，用于将成像镜头7接收的目标激光回波信号转换成电信号，并输出二维图像至控制处理模块17的图像处理子单元；选通成像传感器9所采用的面阵图像传感器为ccd或cmos，对应形成两种选通成像传感器iccd和icmos，其中，选通iccd由选通像增强器经光锥耦合至ccd构成，选通icmos由选通像增强器经光锥耦合至cmos构成。

上述技术方案中，所述成像模块18还包括反光镜20，负载于横滚伺服机构6上，布置在光学成像模组14前，将照明镜头10发出的激光反射到指定方向上，将从目标反射回的激光反射到成像镜头7上，也就是将光学成像模组的光轴指向指定方向上。

上述技术方案中，所述成像模块18还包括搜索引导与测距单元，用于搜索探测照明激光器15发出的激光照射区域的目标并测量目标的距离，然后将距离信息反馈给所述控制处理单元17；所述搜索引导与测距单元包括接收镜头12和光电探测器13，照明激光器15为搜索引导与测距单元提供纳秒级激光脉冲，通过时延信息进行测距；

所述控制处理单元17还包括测距处理子单元，用于接收搜索引导与测距单元传入的目标距离信息，并将距离信息换算成延时信息，产生控制选通成像传感器9和照明激光器15的工作时序，实现水下距离选通成像。

基于上述水下面阵扫描激光成像装置，本发明还提供了一种水下面阵扫描激光成像方法，所述方法包括：

步骤1)所述控制处理单元17接收无人潜器25的控制命令，根据控制命令设置工作模式；所述工作模式的类型为前视模式或后视模式；

步骤2)如果工作模式为前视模式，转入步骤3)；如果工作模式为后视模式，转入步骤4)；

步骤3)纵摇伺服机构5通过刚性支架21将横滚伺服机构6负载的光学成像模组14的光轴方向调节至运载器1的航向方向上，通过横滚伺服机构6的实现横向面阵扫描成像；

步骤4)纵摇伺服机构5通过刚性支架21将横滚伺服机构6负载的光学成像模组14的光轴指向地心；纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6配合进行面阵扫描成像；

步骤5)控制处理处理单元17的图像处理子单元接收选通成像传感器9发送的图像，对图像进行拼接合成刈宽度为nα的全景图；

步骤6)控制处理处理单元17的通信子单元向无人潜器25上传图像数据信息。

上述技术方案中，所述步骤3)中的横滚伺服机构6的实现横向面阵扫描成像的具体过程为：

横滚伺服机构6沿横向步进n-1次，每次横向步进量为α，通过横向扫描实现横向n帧扫描，扫描刈宽度为nα，其中α是水下距离选通成像单次成像横向视场，在此过程中，纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6根据组合惯导16给出的运载器1的姿态参数产生与干扰力矩大小相等、方向相反的控制力矩，对纵向和横向两个自由度进行补偿，抵消洋流和涌的扰动，使瞄准线能够在选通成像传感器9积分时间内保持给定指向，从而实现横向扫描获得的n帧图像的连续拼接，进而实现运载器1前方刈宽度为nα的宽场扫描。

上述技术方案中，所述步骤4)中的纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6配合进行面阵扫描成像的具体过程为：

横滚伺服机构6沿横向步进n-l次，每次横向步进量为α，通过横向扫描实现横向的n帧扫描，扫描刈宽度为nα，纵摇伺服机构5进行运载器航速补偿，沿纵向步进补偿n-l次，每次纵向步进补偿量为β/(n-1)；其中β是水下距离选通成像单次成像纵向视场；纵摇伺服机构5的航速补偿与横滚伺服机构6的横向扫捕同步完成步进.到达指定瞄准线位置后停留te；te为选通成像传感器9积分时间，瞄准线步进周期为纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6机械步进时间与选通成像传感器9积分时间之和；纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6根据组合惯导16给出的运载器1的姿态参数产生与干扰力矩大小相等、方向相反的控制力矩，对纵向和横向两个自由度进行补偿，抵消洋流和涌的扰动，使瞄准线能够在选通成像传感器9积分时问内保持给定指向，从而可实现横向扫描获得的n帧图像的连续拼接，进而实现运载器l下方刈宽度为nα的宽场扫描。

本发明带来的优势在于：

1、本发明的装置中照明镜头与照明激光器分离，伺服机构不搭载较大尺寸的照明激光器，大幅度降低了纵摇伺服机构和横滚伺服机构的负载要求，伺服机构更容易实现高精度伺服控制精度和扫描控制速度，使得面阵扫描得以实现；

2、本发明的装置中照明镜头与照明激光器分离，伺服机构不搭载较大尺寸的照明激光器，大幅度减小了纵摇伺服机构和横滚伺服机构的回转半径和质量，不仅有效降低了伺服机构所需功耗，更重要的是能有效减小整个系统的体积，降低整个系统的重量，有利于耐压壳体的制造，有利于在中小型无人潜器中集成推广使用；

3、本发明的装置中的成像镜头、照明镜头和接收镜头紧密布置在一起，不仅扩大了装置的观测范围，而且还大幅度减小了耐压光学窗口的尺寸和厚度；耐压光学窗口厚度的减小，减小了耐压光学窗口对发射出去的激光和反射回镜头的激光的吸收，提高了整个装置的探测性能；耐压光学窗口尺寸的减小，能实现制造抗更深水压力的耐压结构和耐压光学窗口，工程可实现性更高。

4、本发明的装置中利用搜索引导与测距模块为距离选通成像提供目标距离信息，使选通成像模块根据该距离信息自动设置距离选通成像工作时序，不需要选通成像模块滑动选通时间进行目标搜索，因此，本发明能实现对目标的大范围搜索和自动选通成像，获得目标的高分辨率三维图像和目标的三维空间位置，提高了搜索和成像效率，也就提高了系统的可用性和实用性。

附图说明

图1a为本发明的实施例1的水下面阵扫描激光成像装置的示意图；

图1b为本发明的实施例2的水下面阵扫描激光成像装置的示意图；

图1c为本发明的实施例3的水下面阵扫描激光成像装置的示意图；

图2a为本发明的前视模式下的水下面阵扫描激光成像装置侧视削面图；

图2b为本发明的前视模式下的水下面阵扫描激光成像装置的正视截面图；

图3为本发明的前视模式下的水下面阵扫描激光成像装置的扫描示意图；

图4a为本发明的后视模式下的水下面阵扫描激光成像装置的扫描示意图；

图4b为本发明的运动补偿扫描方案；

图4c为本发明的图像拼接方案。

附图标识：

1、运载器2、插头3、下视光学窗口4、前视光学窗口

5、纵摇伺服机构6、横滚伺服机构7、成像镜头

8、滤光片9、选通成像传感器10、照明镜头

11、传能光纤12、接收镜头13、光电探测器

14、光学成像模组15、照明激光器16、组合惯导

17、控制处理模块18、成像模块19、电学模块

20、反射镜21、刚性支架22、安装板

23、工作缆24、转接板25、无人潜器

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

实施例1

如图1a所示，一种水下面阵扫描激光成像装置，所述装置包括：运载器l、电学模块19和成像模块18；

所述运载器1是整个装置的外壳，满足水下工作耐压要求，并可通过插头2连接线缆与无人潜器25进行信息交互及电力供应；运载器1整体外观呈圆柱形，头部呈球形，头部具有前视光学窗4，载体腹部具有下视光学窗口3；

所述电学模块19包括照明激光器15、组合惯导16和控制处理单元17；如图2a所示，所述电学模块19的各部件固定在圆形安装板22两侧，通过安装板22与运载器1的外壳固定；

所述成像模块18包括纵摇伺服机构5、横滚伺服机构6和光学成像模组14，其中，光学成像模组14包括成像镜头7、滤光片8、选通成像传感器9和照明镜头l0；如图2b所示，所述纵摇伺服机构5通过转接板24与运载器1固定，所述纵摇伺服机构5利用刚性支架21负载横滚伺服机构6，所述横滚伺服机构6直接负载光学成像模组14。

所述照明激光器15为蓝绿光脉冲激光器，能够产生纳秒级激光脉冲实现对水下目标照明，所述照明激光器15发射的激光通过传能光纤11传输至照明镜头10；

所述组合惯导16，用于获得运载器1的姿态参数，包括质心的实时平移矢量、航向、纵摇和横滚姿态角信息，并将这些信息传输至制处理单元17；

所述控制处理单元17包括：通信子单元、图像处理子单元和伺服控制子单元；

所述通信子单元，用于接收通过插头2传入的上位机的控制命令，向上位机上传图像处理子单元生成的图像数据信息；

所述伺服控制子单元，用于接收组合惯导16发送的信息，产生控制纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6的控制命令；

所述图像处理子单元，用于接收选通成像传感器9的图像信息，进行图像拼接合成全景图；

所述横滚伺服机构6，用于负载光学成像模组14，实现横向扫描和横向修正瞄准线；

如图2b所示，所述纵摇伺服机构5，通过刚性支架21负载横滚伺服机构6，用于实现纵向扫描和纵向修正瞄准线功能，并通过纵摇不同角度实现前视模式和下视模式的切换。

所述成像镜头7，用于接收来自目标的激光回波信号，收集光信号至选通成像传感器9；

所述滤光片8：用于滤除激光回波信号以外的背景光及干扰光，提高图像信噪比。

所述选通成像传感器9为整个装置的成像器件，由选通像增强器经光锥耦合至而阵图像传感器选通构成，用于将成像镜头7接收的目标激光回波信号转换成电信号，并输出二维图像至控制处理模块17的图像处理子单元；选通成像传感器9所采用的面阵图像传感器为ccd或cmos，对应形成两种选通成像传感器iccd和icmos，其中，选通iccd由选通像增强器经光锥耦合至ccd构成，选通icmos由选通像增强器经光锥耦合至cmos构成。

所述照明镜头10，用于对激光进行整形实现目标照明。

实施例2

装置的结构示意图如图1b所示，与实施例1的装置相似，不同之处在于，所述成像模块18还包括反光镜20，负载于横滚伺服机构6上，布置在光学成像模组14前，将照明镜头10发出的激光反射到指定方向上，将从目标反射回的激光反射到成像镜头7上，也就是将光学成像模组的光轴指向指定方向上。

实施例3

装置的结构示意图如图1c所示，与实施例1相似，不同之处在于，所述成像模块18还包括搜索引导与测距单元，用于对目标进行测距，并将距离信息反馈给所述控制处理单元17；所述搜索引导与测距单元包括接收镜头12和光电探测器13，照明激光器15为搜索引导与测距单元提供纳秒级激光脉冲，通过时延信息进行测距；

所述控制处理单元17还包括测距处理子单元，用于接收搜索引导与测距单元传入的目标距离信息，并将距离信息换算成延时信息，产生控制选通成像传感器9和照明激光器15的工作时序，实现水下距离选通成像。

基于实施例1的装置，本发明提供了一种水下面阵扫描激光成像方法，所述方法包括：

步骤1)所述控制处理单元17接收无人潜器25的控制命令，根据控制命令设置工作模式；所述工作模式的类型为前视模式或后视模式；

步骤2)如果工作模式为前视模式，转入步骤3)；如果工作模式为后视模式，转入步骤4)；

步骤3)纵摇伺服机构5通过刚性支架21将横滚伺服机构6负载的光学成像模组14的光轴方向调节至运载器1的航向方向上，通过横滚伺服机构6的实现横向面阵扫描成像；

如图3所示，具体过程为：横滚伺服机构6沿横向步进n-1次，每次横向步进量为α，通过横向扫描实现横向n帧扫描，扫描刈宽度为nα，其中α是水下距离选通成像单次成像横向视场，在此过程中，纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6根据组合惯导16给出的运载器1的姿态参数产生与干扰力矩大小相等、方向相反的控制力矩，对纵向和横向两个自由度进行补偿，抵消洋流和涌的扰动，使瞄准线能够在选通成像传感器9积分时间内保持给定指向，从而实现横向扫描获得的n帧图像的连续拼接，进而实现运载器1前方刈宽度为nα的宽场扫描。

步骤4)纵摇伺服机构5通过刚性支架21将横滚伺服机构6负载的光学成像模组14的光轴指向地心；纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6配合进行面阵扫描成像；

如图4a、图4b和图4c所示，具体过程为：横滚伺服机构6沿横向步进n-l次，每次横向步进量为α，通过横向扫描实现横向的n帧扫描，扫描刈宽度为nα，纵摇伺服机构5进行运载器航速补偿，沿纵向步进补偿n-l次，每次纵向步进补偿量为β/(n-1)；其中β是水下距离选通成像单次成像纵向视场；纵摇伺服机构5的航速补偿与横滚伺服机构6的横向扫捕同步完成步进.到达指定瞄准线位置后停留te；te为选通成像传感器9积分时间，瞄准线步进周期为纵摇伺服机构5和横滚倒服机构6机械步进时问与选通成像传感器9积分时间之和；纵摇伺服机构5和横滚伺服机构6根据组合惯导16给出的运载器1的姿态参数产生与干扰力矩大小相等、方向相反的控制力矩，对纵向和横向两个自由度进行补偿，抵消洋流和涌的扰动，使瞄准线能够在选通成像传感器9积分时问内保持给定指向，从而可实现横向扫描获得的n帧图像的连续拼接，进而实现运载器l下方刈宽度为nα的宽场扫描；

步骤5)控制处理处理单元17的图像处理子单元接收选通成像传感器9发送的图像，对图像进行拼接合成刈宽度为nα的全景图；

步骤6)控制处理处理单元17的通信子单元向无人潜器25上传图像数据信息。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述具体实施例，但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，本发明并不限于所描述的具体实施方式。因此，在本发明所公开的内容的真正实质和摹本原则范同内的任何/所有修改、变化或等效变换，不属于本发明的权利要求保护范围。