专利名称：基于日盲紫外光信号的引航仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及船舶引航靠泊的技术，具体的说，涉及一种基于日盲紫外光信号的引航仪。
背景技术：
日盲紫外波段是指紫外UVC波段中波长范围为190—290nm的部分。太阳发出的日盲紫外波段光点在穿越地球大气层的过程中受到臭氧层的强烈吸收，完全无法到达地面，因此日常情况下在地球表面附近完全没有日盲紫外波段的光信号。日盲紫外波段的探测器有很高的增益，又不受太阳光背景的影响，因此相比较可见光或红外光波段而言，日盲紫外探测器可以探测到更远更微弱的信号。同时日盲紫外波段的图像较为简单，完全没有环境背景，所拍摄到的图像几乎都为特定信号，这样大大降低了后续图像处理的工作量。日盲紫外波段有着很好的破雾能力，这已经在相关文献里得到了证实。我们经过实测也证实了日盲紫外探测技术可以实现能见度为100多米的雾天下定位600米外的日盲紫外光源。这是日盲紫外特性用于船舶破雾弓I航靠泊的基础。在水运领域，雾天严重影响着水运航道的通畅。不同港口和航道的水文条件有所差别，但是通常能见度小于I海里时船舶要减缓航行；能见度小于IOOOm时大型船舶应当停止航行，因此雾天不仅影响着船舶航行的安全，也严重影响着水运航道和港口物流的通畅(见《上海港长江口水域交通管理规则》第十条)。雾天下由于能见度较低，常常发生诸如大型船舶撞毁桥墩等严重事故，同时船舶过坝时也受到雾天的影响，雾天时船舶必须停止过坝。目前国内外常见的水运导航技术主要有么1 ^、6 5、六153015、雷达等。但对于水路运输而言，恶劣天气的 影响是巨大的。如在雾天，ARPA雷达引航的准确性大大下降，特别是在船舶靠泊的过程中，由于雷达系统架设在船舶上的较高位置，在工作时只能探测较远处的情况而无法探测到和船舶距离越来越近的港口处的情况，因而无法进行引航和靠泊。这就意味着一旦出现大雾等恶劣天气，船舶引航员肉眼无法观察前进路线情况时，港口只能采取封航的措施。长期以来引航员一直采用目视这种最直观的定位手段，通过观察岸标、浮筒等来判断船舶是否航行在航道中，但是目视瞭望往往受能见度和灯标亮度等条件影响，引航受到很大限制。引航员迫切需要更具有直观、便捷、适应引航要求的装备。因此，若能在船舶引航靠泊的过程中很好的应用日盲紫外光的“日盲”特性和破雾特性，将很好的解决上述问题，填补现有技术所存在的空缺。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是将日盲紫外波段光出色的破雾性能与水运领域相结合，提供基于日盲紫外光信号的引航仪，解决雾天下水运引航靠泊的安全问题，实现船舶的安全航行与靠泊。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为: 基于日盲紫外光信号的引航仪，由三轴电子罗盘、光学成像模块和信息处理终端组成；所述三轴电子罗盘与光学成像模块相连，获取所述光学成像模块在转动时的各角度信息，并将角度信息传送给信息处理终端； 所述光学成像模块由分光镜、可见光或红外光成像通道和日盲紫外光成像通道组成；所述分光镜将入射光线按一定比例或波长分成两束，使其分别进入所述可见光或红外光成像通道和日盲紫外成像通道，所述可见光或红外光成像通道接收可见光信号或红外光信号，输出可见光或红外光视频数字信号，所述日盲紫外光成像通道接收日盲紫外光信号，输出日盲紫外光视频数字信号，所述信息处理终端用于根据两路视频的数字信号，计算船舶的航行姿态数据和输出合成信息至所述显示系统。
作为本发明的进一步改进，所述引航仪中还设有视频采集模块；所述可见光或红外光成像通道接收可见光信号或红外光信号，输出可见光或红外光视频模拟信号至视频采集模块，所述日盲紫外光成像通道接收日盲紫外光信号，输出日盲紫外光视频模拟信号至视频采集模块，所述视频采集模块采集上述两路通道的模拟视频信息，并将其转换成数字信号的视频，传送给所述信息处理终端。此时，所述可见光或红外光成像通道和日盲紫外光成像通道输出的是视频模拟信号。
所述合成信息可以是可见光或红外光和日盲紫外光合成视频、船舶的航行姿态数据及辅助设备信息合成显示，也可以是将日盲紫外视频数字信号、可见光或红外光视频数字信号、计算所得航行姿态数据和水运电子海图或三维电子海图相结合，通过虚拟现实技术得到的仿真实景图。
作为本发明的进一步改进，所述红外光成像通道为短波红外成像通道，其可以为日盲紫外图像提供更清晰的背景参考信息。
作为本发明的进一步改进，所述的短波红外成像通道为InGaAs材料的面阵探测器或附着近红外滤光片的(XD/CM0S器件。
作为本发明的进一步改进，所述分光镜和入射光轴成45度夹角放置，所述可见光或红外光成像通道和日盲紫外光成像通道两个通道中的一个通道的光学镜头与入射光轴平行，另一个通道的光学镜头与入射光轴垂直设置。
作为本发明的进一步改进，所述光学成像模块中还设有反射镜，所述分光镜和入射光轴成45度夹角放置，所述可见光或红外光成像通道和日盲紫外光成像通道两个通道中的一个通道的光学镜头与入射光轴平行，所述分光镜将分光后的一束光透射至其中一个通道中；反射镜与所述分光镜平行，将分光后的另一束光反射至另一通道中。
作为本发明的进一步改进，所述引航仪中还设有辅助设备，辅助设备输出航行信息至信息处理终端。辅助设备包含AIS、船载雷达、GPS等装置，它们可以提供船舶在水文环境中的地理位置经纬度、船舶航行时的速度、航向、吃水深度以及水运电子海图或三维电子海图等航行信息。
所述信息处理终端执行如下步骤:对日盲紫外光信号进行日盲紫外光源位置计算，获得船舶和码头处日盲紫外光源的相对方位及相对距离，并对所有获取的信息进行合成输出。
所述进行日盲紫外光源位置计算具体包括:[ 1)首先系统初始化，获取日盲紫外视频数字信号；
[2)通过设置阈值对日盲紫外图像上的噪声点进行强度或形态过滤；
[3)基于过滤掉噪声点后的日盲紫外视频的图像，判断日盲紫外光源的个数K，设置K个初始日盲紫外光源位置作为初始中心；
[4)将日盲紫外图像上所有的光点，根据它们与上述K个初始中心的距离，按光点和一个集合的初始中心较近的原则，分配给各初始中心，形成K个含有若干光点的集合；
[5)计算每个集合中各光点和初始中心之间的相对位置误差，并将所有集合中光点和初始中心之间的相对位置误差的总和作为第一误差值；
[6)计算每个集合的新中心，新中心位置为该集合中所有光点位置的均值； [7)计算每个集合中各光点和新中心的之间的相对位置误差，并将所有集合中光点和新中心的之间的相对位置误差的总和作为第二误差值；
[8)进行误差收敛判别:将第一误差值和第二误差值进行比较，若两者的差值小于设定值，则视为误差收敛，保存数据，将新中心位置作为各日盲紫外光源的位置；若两者的差值不小于设定值，判断对第一误差值和第二误差值进行比较的计算次数，若计算次数小于设定的计算次数N则将新中心作为初始中心，返回步骤4)，形成新的K个日盲紫外光源位置的集合，如此循环，若计算次数不小于设定的计算次数N，则说明误差不收敛，此时返回步骤3)。所述“获得船舶和目标处日盲紫外光源的相对方位及相对距离”具体包括如下步骤:
O首先计算码头处日盲紫外光源在日盲紫外成像通道坐标系中的坐标U。，yc, zc):根
据
权利要求
1.基于日盲紫外光信号的引航仪，其特征是，所述引航仪由三轴电子罗盘、光学成像模块和信息处理终端组成；所述三轴电子罗盘与光学成像模块相连，获取所述光学成像模块的在转动时的各角度信息，并将角度信息传送给信息处理终端；所述光学成像模块由分光镜、可见光或红外光成像通道和日盲紫外光成像通道组成；所述分光镜将入射光线按一定比例或波长分成两束，使其分别进入所述可见光或红外光成像通道和日盲紫外成像通道，所述可见光或红外光成像通道接收可见光信号或红外光信号，输出可见光或红外光视频数字信号，所述日盲紫外光成像通道接收日盲紫外光信号，输出日盲紫外光视频数字信号，所述信息处理终端用于根据两路视频的数字信号，计算船舶的航行姿态数据和输出合成信肩、O
2.根据权利要求1所述的引航仪，其特征是，所述引航仪中还设有视频采集模块；所述可见光或红外光成像通道接收可见光信号或红外光信号，输出可见光或红外光视频模拟信号至视频采集模块，所述日盲紫外光成像通道接收日盲紫外光信号，输出日盲紫外光视频模拟信号至视频采集模块，所述视频采集模块采集上述两路通道的模拟视频信息，并将其转换成数字信号的视频，传送给所述信息处理终端。
3.根据权利要求1或2所述的引航仪，其特征是，所述分光镜和入射光轴成45度夹角放置，所述可见光或红外光成像通道和日盲紫外光成像通道两个通道中的一个通道的光学镜头与入射光轴平行 ，另一个通道的光学镜头与入射光轴垂直设置。
4.根据权利要求1或2所述的引航仪，其特征是，所述光学成像模块中还设有反射镜，所述分光镜和入射光轴成45度夹角放置，所述可见光或红外光成像通道和日盲紫外光成像通道两个通道中的一个通道的光学镜头与入射光轴平行，所述分光镜将分光后的一束光透射至其中一个通道中；反射镜与所述分光镜平行，将分光后的另一束光反射至另一通道中。
5.根据权利要求1或2所述的引航仪，其特征是，所述引航仪中还设有辅助设备，辅助设备输出航行信息至信息处理终端。
6.根据权利要求1或2所述的引航仪，其特征是，所述红外光成像通道为短波红外成像通道。
7.根据权利要求5所述的引航仪，其特征是，所述信息处理终端执行如下步骤:对日盲紫外光信号进行日盲紫外光源位置计算，获得船舶和码头处日盲紫外光源的相对方位及相对距离，并对所有获取的信息进行合成输出。
8.根据权利要求6所述的引航仪，其特征是，所述的短波红外成像通道为InGaAs材料的面阵探测器或附着近红外滤光片的(XD/CMOS器件。
9.根据权利要求7所述的引航仪，其特征是，所述进行日盲紫外光源位置计算具体包括: O首先系统初始化，获取日盲紫外视频数字信号； 2)通过设置阈值对日盲紫外图像上的噪声点进行强度或形态过滤； 3)基于过滤掉噪声点后的日盲紫外视频的图像，判断日盲紫外光源的个数K，设置K个初始日盲紫外光源位置作为初始中心； 4)将日盲紫外图像上所有的光点，根据它们与上述K个初始中心的距离，按光点和一个集合的初始中心较近的原则，分配给各初始中心，形成K个含有若干光点的集合；5)计算每个集合中各光点和初始中心的之间的相对位置误差，并将所有集合中光点和初始中心之间的相对位置误差的总和作为第一误差值； 6)计算每个集合的新中心，新中心位置为该集合中所有光点位置的均值； 7)计算每个集合中各光点和新中心的之间的相对位置误差，并将所有集合中光点和新中心的之间的相对位置误差的总和作为第二误差值； 8)进行误差收敛判别:将第一误差值和第二误差值进行比较，若两者的差值小于设定值，则视为误差收敛，保存数据，将新中心位置作为各日盲紫外光源的位置；若两者的差值不小于设定值，判断对第一误差值 和第二误差值进行比较的计算次数，若计算次数小于设定的计算次数N，则将新中心作为初始中心，返回步骤4)，形成新的K个日盲紫外光源位置的集合，如此循环，若计算次数不小于设定的计算次数N，则返回步骤3)。
10.根据权利要求7所述的引航仪，其特征是，所述“获得船舶和目标处日盲紫外光源的相对方位及相对距离”具体包括如下步骤: O首先计算码头处日盲紫外光源在日盲紫外成像通道坐标系中的坐标U。，yc, zc):根 据
11.根据权利要求7所述的引航仪，其特征是，所述“对所有获取的信息进行合成输出”具体包括如下步骤: 1)获取经日盲紫外光源位置计算的日盲紫外视频和可见光或红外光视频数字信号，进行可见光或红外光视频/日盲紫外视频的合成，得到同一场景下的实时视频合成信息； 2)获取上述三轴电子罗盘转动时的角度，结合上述经日盲紫外光源位置计算的日盲紫外视频数字信号进行计算，得到船舶的航行姿态数据，航行姿态数据包括船舶航行时和码头处日盲紫外光源的相对方位以及船舶与码头处日盲紫外光源的相对距离； 3)将上述相对方位以及相对距离的信息叠加至上述可见光或红外光/日盲紫外合成视频上； 4)从辅助设备获取所述航行信息，将所述航行信息叠加到上述已经合成的包含有船舶航行姿态数据的可见光或红外光/日盲紫外合成视频上。
12.根据权利要求7所述的引航仪，其特征是，所述“对所有获取的信息进行合成输出”具体包括如下步骤: 1)获取经日盲紫外光源位置计算的日盲紫外视频数字信号和可见光或红外光视频数字信号; 2)获取上述三轴电子罗盘转动时的角度，并对上述获取的经日盲紫外光源位置计算的曰盲紫外视频数字信号进行计算，得到船舶的航行姿态数据，航行姿态数据包括船舶航行时和码头处日盲紫外光源的相对方位以及船舶与码头处日盲紫外光源的相对距离； 3)从辅助设备获取水运电子海图或三维电子海图； 4)将日盲紫外视频数字信号、可见光或红外光视频数字信号、计算所得航行姿态数据和水运电子海图或三维电子海图相结合，通过虚拟现实技术输出引航的仿真实景图。
全文摘要
基于日盲紫外光信号的引航仪，由三轴电子罗盘、光学成像模块和信息处理终端组成；所述三轴电子罗盘与光学成像模块相连，获取所述光学成像模块的在转动时的各角度信息，并将角度信息传送给信息处理终端；光学成像模块由分光镜、可见光或红外光成像通道和日盲紫外光成像通道组成；分光镜将入射光线按一定比例或波长分成两束，使其分别进入所述可见光或红外光成像通道和日盲紫外成像通道，可见光或红外光成像通道接收可见光信号或红外光信号，输出可见光或红外光视频数字信号，日盲紫外光成像通道接收日盲紫外光信号，输出日盲紫外光视频数字信号，信息处理终端用于根据两路视频的数字信号，计算船舶的航行姿态数据和输出合成信息。
文档编号G01C21/00GK103175523SQ20121055070
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月18日 优先权日2012年12月18日
发明者李想, 张亮, 潘巍松, 孔夏丽, 王军, 闫峰 申请人:江苏五维电子科技有限公司