一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像装置及方法与流程
本发明属于水下光电成像探测技术领域，主要涉及一种水下扫描成像装置及方法，尤其涉及一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像装置及方法。
背景技术：
随着科学技术的发展，人类已经进入开发和利用海洋的时代。随着水下机器人技术的快速发展，水下探测技术，尤其是水下快速探测，以及对水下特定目标的清晰成像应用得到广泛关注。目前广泛应用的高灵敏度水下摄像机，在非常干净的水中可以拍摄到大约十几米左右的景物，探测距离较近，探测效率低，难以满足大范围水下快速探测的需求。在亮度较暗或者无光的海底环境，还需要照明才可以成像，所以运动载体即水下机器人的耐压壳体表面需要安装透明导流罩和照明灯罩。
摄像机通过水下机器人耐压壳体上安装的透明导流罩对观察的物体进行成像，同时导流罩起到密封耐压壳体的作用。目前应用的透明罩是球扇形透明罩，球扇形的透明罩不会产生因不同波长的光在不同介质交界处产生的折射所引起的畸变和色散，在水下受力均匀，可以承受较高的压力，但是此种透明罩加工困难，成本高，尤其是大口径的加工和成本会更高。
技术实现要素：
由于海水对波长在0.47～0.58μm波段内的蓝绿光比对其他光波段的衰减要小很多，所以应用蓝绿激光的水下探测系统作用距离远，用于水下目标的探测识别可以获得比声呐更高的测距、定位和成像精度。因此可以将蓝绿激光扫描成像系统搭载于水下机器人或无人潜航器(uuv)，用于水下成像，利用波长532nm的蓝绿激光为照射光源，通过距离选通型iccd接收目标反射信号成像。
但距离选通型iccd光学成像系统的探测视场较小，在水下动平台行进的同时，iccd需要水下动平台绕横滚轴在一定角度范围内往返步进扫描，以获得连续的多帧图像，存储并进行图像拼接，从而实现视场的扩展。因此本发明针对水下动平台适应性搭载快速大区域范围搜索扫描成像和近距离识别的需求，提供一种适用于水下动平台成像探测和高分辨率识别的蓝绿激光成像装置及方法。在充分发挥水下蓝绿激光距离选通成像技术优点的同时通过步进扫描扩展成像探测视场，并通过步进扫描、航速补偿与扰动隔离共同作用，避免扫描区域出现遗漏，以及因载体运动产生的成像模糊、错帧等问题。
本发明的技术方案为：
所述一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像装置，其特征在于：包括前视窗口组件、头罩、垂扫窗口组件、中筒、后罩、伺服转动框架和传感器系统；
所述头罩主体部分采用球面结构，头罩后部圆形接口与中筒前端密封固定连接；在头罩前部下方具有开口，开口内密封安装有前视窗口组件；所述中筒为空心圆柱壳体，在中筒的底部壁面上具有开口，开口内密封安装有垂扫窗口组件；所述后罩为两端开口的中空结构，后罩前端与中筒后端密封固定连接，后罩后端与水下动平台载体密封固定连接；
所述中筒内部安装有伺服转动框架，所述传感器系统固定安装在伺服转动框架上；所述传感器系统为距离选通成像传感器系统；所述伺服转动框架包括纵摇环架和横滚环架；横滚环架能够带动传感器系统的光轴在垂直于水下动平台载体横滚轴的平面内摆动，纵摇环架能够带动传感器系统的光轴在垂直于水下动平台载体纵摇轴的平面内摆动。
进一步的优选方案，所述一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像装置，其特征在于：所述传感器系统包括激光发射器、iccd成像镜头及iccd、陀螺，激光发射器、iccd成像镜头及iccd、陀螺均安装在光具座上，光具座固定在横滚环架上。
进一步的优选方案，所述一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像装置，其特征在于：所述后罩后端与水下动平台载体连接接口的台阶面通过密封圈密封，且在后罩后端端面与水下动平台载体连接接口台阶面上，通过沿周向均匀分布的若干轴向销钉实现定位；当后罩后端端面与水下动平台载体连接接口台阶面配合定位后，配合的侧面形成一圈梯形凸起，采用具有梯形槽的活动卡箍将后罩后端与水下动平台载体连接接口紧固连接。
进一步的优选方案，所述一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像装置，其特征在于：所述中筒两端与前罩和后罩分别通过沿周向均匀分布的一圈轴向紧固螺钉紧固连接，在紧固螺钉接口处涂有硅橡胶，且在配合面上采用密封圈密封。
进一步的优选方案，所述一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像装置，其特征在于：前视窗口组件以及垂扫窗口组件中，窗口玻璃与开口本体之间采用硅橡胶密封，且通过橡胶垫和压紧圈将窗口玻璃压紧固定在开口本体内。
一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像方法，其特征在于：包括垂扫工作模式和前视工作模式；垂扫工作模式下，传感器系统与动平台进行航速匹配并通过垂扫窗口对水下目标大范围快速搜索；前视工作模式下，传感器系统通过前视窗口对需要靠近观察的目标进行近距离成像。
进一步的优选方案，一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像方法，其特征在于：垂扫工作模式下，横滚环架带动传感器系统的光轴绕载体横滚轴做往返步进扫描，横向扩展视场，获得垂直于航向的图像序列，同时纵摇环架带动传感器系统的光轴沿载体航行的反方向调转，进行航速补偿，以隔离载体运动对光轴的扰动，使光轴在距离选通成像传感器曝光时间t1内稳定于大地坐标系下的当前位置。
进一步的优选方案，一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像方法，其特征在于：垂扫工作模式下，传感器系统与动平台进行航速匹配并通过垂扫窗口对水下目标大范围快速搜索的具体过程为：
步骤1：通过横滚环架带动传感器系统光轴调转至横向步进扫描起始位置；
步骤2：距离选通成像传感器系统开始曝光，在曝光时间t1内，通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的反方向匀速调转，调转角速度为ω；
步骤3：距离选通成像传感器系统曝光结束，完成一帧成像；
步骤4：判断是否完成一个刈宽b内的步进次数，如果完成，则进入步骤6，否则进入步骤5；所述刈宽b为扩展视场的横向宽度，b＝n×a，a为横向步进角度，n为一个刈宽内的图像帧数量；
步骤5：通过横滚环架带动传感器系统光轴绕载体横滚轴横向步进1次，步进角度为a，步进时间为t2
其中a为距离选通成像传感器探测视场的横向尺寸，t为步进扫描完成一个刈宽的时间，t3为扫描完一刈后，传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转补偿角度c的设定时间；
且在步进过程中，通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的反方向匀速调转，调转角速度为ω；然后返回步骤2；
步骤6：通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转补偿角度c＝ωt；调转完成后，此时光轴位置作为下一个刈宽步进扫描的起始位置，且步进扫描的方向为上一个刈宽扫描的反方向；
步骤7：根据指令判断是否停止扫描成像，若停止则转入步骤8，继续则返回执行步骤2；
步骤8：扫描成像工作结束。
进一步的优选方案，一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像方法，其特征在于：步骤2和步骤5中通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的反方向匀速调转的角速度ω满足
其中b为距离选通成像传感器探测视场的纵向尺寸。
进一步的优选方案，一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像方法，其特征在于：步进扫描完成一个刈宽的时间t满足
其中l为选通成像距离，v为载体航行速度。
进一步的优选方案，一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像方法，其特征在于：前视工作模式下，传感器系统通过前视窗口对需要靠近观察的目标进行近距离成像的具体过程为：
步骤a：通过纵摇环架带动传感器系统光轴调转至前视窗口；
步骤b：通过横滚环架带动传感器系统光轴调转至横向步进扫描起始位置；
步骤c：距离选通成像传感器系统曝光，完成一帧成像；
步骤d：判断是否完成一个刈宽b内的步进次数，如果完成，则进入步骤f，否则进入步骤e；所述刈宽b为扩展视场的横向宽度，b＝n×a，a为横向步进角度，n为一个刈宽内的图像帧数量；
步骤e：通过横滚环架带动传感器系统光轴横向偏转步进1次，步进角度为a，满足
其中a为距离选通成像传感器探测视场的横向尺寸；然后返回步骤c；
步骤f：通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转角度b，b为距离选通成像传感器探测视场的纵向尺寸；调转完成后，此时光轴位置作为下一个刈宽步进扫描的起始位置，且步进扫描的方向为上一个刈宽扫描的反方向；
步骤g：根据指令判断是否停止扫描成像，若停止则转入步骤h，继续则返回执行步骤c；
步骤h：扫描成像工作结束。
有益效果
本发明产生的有效效果包括：
(一)使用同一套伺服机构实现垂扫和前视二种工作模式。其中，垂扫模式通过与动平台航速匹配垂直扇扫对水底快速成像，可用于水下地貌勘测绘图；海底石油管线、光缆维护勘测；寻找水下失事船只、飞机残骸。而前视模式通过抵近目标成像，可用于锚雷、沉底雷成像辨识；反蛙人、uuv、auv；大型水面舰船水下船体损伤勘查以及维修效果评估和高经济价值水上平台、港口的水下警戒，所以该装置在海洋探测领域，应用前景广泛。
(二)距离选通成像传感器的视场通常较小，用于对水下目标成像探测时效率很低，本发将扫描技术与距离选通结合，利用步进扫描扩展对水下目标蓝绿激光距离选通成像的探测视场，同时保证距离选通的成像距离和成像质量，以此提高探测效率。
(三)距离选通成像视场小且曝光时间较长，于是瞄线在曝光时间内稳定于大地坐标系下当前位置的时间较长，而载体处于行进状态，因此，本发明在垂扫模式时，步进扫描扩展视场的同时进行航速补偿，以保证步进扫描的成像帧序列垂直于横滚轴。
(四)该装置充分发挥水下蓝绿激光距离选通成像技术优点的同时通过步进扫描扩展成像探测视场，并通过步进扫描、航速补偿与扰动隔离共同作用，避免扫描区域出现遗漏，以及因载体运动产生的成像模糊、错帧等问题。
附图说明
图1：蓝绿激光扫描成像装置的安装图；
图2：后罩与水下动平台载体密封固定连接示意图；
图3：活动卡箍示意图；
图4：蓝绿激光扫描成像装置结构组成图；
图5：蓝绿激光扫描成像装置的密封示意图；
图6：蓝绿激光扫描成像装置工作模式示意图；
图7：垂扫与前视工作模式示意图；(a)垂扫模式，(b)前视模式；
图8：垂扫模式工作流程图；
图9：大地坐标系下垂扫模式光轴的运动指向示意图；
图10：垂扫模式扫描成像帧映射示意图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步详述。
本发明中提出的一种适用于水下动平台的蓝绿激光距离选通扫描成像装置，包括前视窗口组件1、头罩2、垂扫窗口组件3、中筒4、后罩5、伺服转动框架8和传感器系统。
所述头罩主体部分采用球面结构，头罩后部圆形接口与中筒前端密封固定连接；在头罩前部下方具有开口，开口内密封安装有前视窗口组件；所述中筒为空心圆柱壳体，在中筒的底部壁面上具有开口，开口内密封安装有垂扫窗口组件；所述后罩为两端开口的中空结构，后罩前端与中筒后端密封固定连接，后罩后端与水下动平台载体密封固定连接。
所述中筒内部安装有伺服转动框架，所述传感器系统固定安装在伺服转动框架上；所述传感器系统为距离选通成像传感器系统；所述伺服转动框架包括纵摇环架8-1和横滚环架8-2；纵摇环架8-1和横滚环架8-2分别用永磁直流力矩电机驱动。横滚环架能够带动传感器系统的光轴在垂直于水下动平台载体横滚轴的平面内摆动，纵摇环架能够带动传感器系统的光轴在垂直于水下动平台载体纵摇轴的平面内摆动。
所述传感器系统包括激光发射器14、iccd成像镜头15及iccd16、陀螺17，激光发射器、iccd成像镜头及iccd、陀螺均安装在光具座13上，光具座固定在横滚环架上。
该装置的水密位置共有5处，分别是窗口位置m1、m2，前后舱接口m3、m4及与运动载体的机械接口m5。
所述后罩5后端与水下动平台载体连接接口9的台阶面通过密封圈6-3密封，且在后罩后端端面与水下动平台载体连接接口台阶面上，通过沿周向均匀分布的若干轴向销钉11实现定位；当后罩后端端面与水下动平台载体连接接口台阶面配合定位后，配合的侧面形成一圈梯形凸起，采用具有梯形槽的活动卡箍10将后罩后端与水下动平台载体连接接口紧固连接。
活动卡箍由上卡箍(10-1)、下卡箍(10-2)，活动连接段(10-3)及紧固螺钉(10-4)组成。卡箍内圈为梯形凹槽，与后罩跟载体连接段的梯形凸起斜面切合，通过旋紧紧固螺钉，活动卡箍拉紧，卡箍与后罩及载体连接段的切合斜面受到径向压力，使成像装置与载体固定连接，并挤压o型密封圈保持水密。
所述中筒两端与前罩和后罩分别通过沿周向均匀分布的一圈轴向紧固螺钉7紧固连接，在紧固螺钉接口处涂有硅橡胶，且在配合面上采用密封圈6密封。
前视窗口组件以及垂扫窗口组件中，窗口玻璃m-1与开口本体之间采用硅橡胶密封，且通过橡胶垫m-2和压紧圈m-3将窗口玻璃压紧固定在开口本体内，窗口玻璃用橡胶垫(m-2)和压紧圈(m-3)使用螺钉(m-4)压紧。
上述装置成像装置的工作模式主要有垂扫模式和前视模式，并使用同一套伺服机构实现垂扫和前视两种工作模式；其中，垂扫模式通过与动平台航速匹配垂直扇扫对水底快速成像，用于水下快速大范围搜索；前视模式通过载体抵近目标微扫成像，用于目标识别。
对于垂扫模式，本发明提出一种无遗漏扫描方法，在发挥水下蓝绿激光距离选通成像优点的同时，通过步进扫描扩展成像探测视场，并通过步进扫描、航速补偿与扰动隔离共同作用，避免扫描区域出现遗漏，以及因载体运动产生的成像模糊、错帧等。通过将步进扫描方法与距离选通相结合，既发挥了距离选通成像距离远、质量高，有效抑制后向散射的优点，同时通过转台机构扩展了探测视场，进行航速补偿并隔离扰动，实现大地坐标系下的连续无遗漏扫描，从而提高探测效率。
下面给出具体的符号定义：
本发明通过转台(伺服转动框架)使光轴绕载体横滚轴做往返步进扫描，横向扩展视场，获得垂直于航向的图像序列，随着载体的航行形成带状图像，距离选通成像传感器的探测视场为a(横向)×b(纵向)，步进角度为a，扩展视场的横向宽度为刈宽b(b＝n×a)，n为一个刈宽内的图像帧数量，选通成像距离为l；通过转台使光轴沿载体航行的反方向调转，进行航速补偿；隔离载体姿态变化对光轴的扰动，使光轴在距离选通成像传感器曝光时间t1内稳定于大地坐标系下的当前位置。
具体包括以下步骤：
步骤1：通过横滚环架带动传感器系统光轴调转至横向步进扫描起始位置。
步骤2：距离选通成像传感器系统开始曝光，在曝光时间t1内，通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的反方向匀速调转，调转角速度为ω，满足
其中b为距离选通成像传感器探测视场的纵向尺寸，t为步进扫描完成一个刈宽的时间，满足
其中l为选通成像距离，v为载体航行速度。在整个过程中，步进扫描完成一个刈宽的时间
t＝nt1+(n-1)t2+t3
其中n为一个刈宽内的图像帧数量，t2为步进一次所需的时间，t3为扫描完一刈后，传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转补偿角度c的设定时间。
以此避免载体航行导致光轴与目标的交点产生位移而造成图像模糊，即实现航速补偿，同时通过转台隔离载体姿态变化带来的扰动，使光轴在距离选通成像传感器曝光时间t1内稳定在大地坐标系下的当前位置；
步骤3：距离选通成像传感器系统曝光结束，完成一帧成像。
步骤4：判断是否完成一个刈宽b内的步进次数，如果完成，则进入步骤6，否则进入步骤5；所述刈宽b为扩展视场的横向宽度，b＝n×a，a为横向步进角度，n为一个刈宽内的图像帧数量。
步骤5：通过横滚环架带动传感器系统光轴绕载体横滚轴横向步进1次，步进角度为a，步进时间为t2，满足
其中a为距离选通成像传感器探测视场的横向尺寸，t为步进扫描完成一个刈宽的时间，t3为扫描完一刈后，传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转补偿角度c的设定时间；
且在步进过程中，通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的反方向匀速调转，调转角速度为ω；并且通过转台隔离载体姿态变化扰动。该步骤中步进扫描、航速补偿与扰动隔离三者耦合。
然后返回步骤2。
步骤6：通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转补偿角度c＝ωt，以避免光轴持续反向转动造成的拖尾，角度c为步进扫描一个刈宽的过程中，光轴做航速补偿所连续调转的角度在载体纵剖面上的投影角度。调转完成后，此时光轴位置作为下一个刈宽步进扫描的起始位置，且步进扫描的方向为上一个刈宽扫描的反方向。
步骤7：根据指令判断是否停止扫描成像，若停止则转入步骤8，继续则返回执行步骤2；
步骤8：扫描成像工作结束。
本发明提供的水下激光成像无遗漏扫描方法的工作流程如图8所示。随着载体航行，光轴在大地坐标系下的指向如图9所示，步进扫描所形成的光轴在大地坐标系图像中心的交点轨迹，先后顺序按照箭头所示方向排列；圆圈表示调转到位后，光轴在iccd曝光时间内停留当前位置并保持稳定。
对于某一具体例子而言，距离选通成像的照射光源采用高重频的纳秒级脉冲蓝绿激光，距离选通成像传感器采用选通型iccd。转台包括横滚、纵摇两个有限角度回转环架机构，均采用永磁直流力矩电机直接驱动负载有限回转，配置角位置编码器与光纤陀螺，通过伺服控制光轴稳定指向目标。
光轴的运动主要包括绕横滚轴的步进扫描i(由横滚伺服机构完成)以及垂直于纵摇轴的航速补偿ii(由纵摇伺服机构完成)。步进扫描i的作用是将横滚方向相邻的单帧小视场图像“拼接”成横向的“列”，以增加图像的横向幅宽(即刈宽)，航速补偿ii的作用是消除系统航行带来的光轴移位，将扇扫运动i形成的“列”沿航向进行“行”排列，增加瀑布图的长度。
在本优选实施例中，各参数为：
本优选实施例的详细步骤如下：
步骤1：通过横滚环架带动传感器系统光轴调转至横向步进扫描起始位置。
步骤2：iccd开始曝光，通过转台控制光轴绕载体纵摇轴向载体航行的反方向匀速调转做航速补偿，调转角速度为3.11°/s，同时通过转台隔离扰动，使光轴在曝光时间0.05s内稳定在大地坐标系下的当前位置；
步骤3：iccd曝光结束，完成一帧成像。
步骤4：判断是否完成一个刈宽b内的步进次数，如果完成，则进入步骤6，否则进入步骤5；所述刈宽b为扩展视场的横向宽度，b＝n×a，a为横向步进角度，n为一个刈宽内的图像帧数量。
步骤5：通过横滚环架带动传感器系统光轴绕载体横滚轴横向步进1次，步进角度为4°，步进时间为为0.139s，且在步进过程中，通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的反方向匀速调转，调转角速度为3.11°/s；并且通过转台隔离载体姿态变化扰动。该步骤中步进扫描、航速补偿与扰动隔离三者耦合。
然后返回步骤2。
步骤6：通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转补偿角度3°，以避免光轴持续反向转动造成的拖尾，调转时间0.139s。调转完成后，此时光轴位置作为下一个刈宽步进扫描的起始位置，且步进扫描的方向为上一个刈宽扫描的反方向。
步骤7：根据指令判断是否停止扫描成像，若停止则转入步骤8，继续则返回执行步骤2；
步骤8：扫描成像工作结束。
扫描所形成的图像横向扩展视场为20°，随载体运动成像的各帧图像投影映射如图10所示。
而在前视工作模式下，不需要进行航行补偿，所以传感器系统通过前视窗口对需要靠近观察的目标进行近距离成像的具体过程为：
步骤a：通过纵摇环架带动传感器系统光轴调转至前视窗口；
步骤b：通过横滚环架带动传感器系统光轴调转至横向步进扫描起始位置；
步骤c：距离选通成像传感器系统曝光，完成一帧成像；
步骤d：判断是否完成一个刈宽b内的步进次数，如果完成，则进入步骤f，否则进入步骤e；所述刈宽b为扩展视场的横向宽度，b＝n×a，a为横向步进角度，n为一个刈宽内的图像帧数量；
步骤e：通过横滚环架带动传感器系统光轴横向偏转步进1次，步进角度为a，满足
其中a为距离选通成像传感器探测视场的横向尺寸；然后返回步骤c；
步骤f：通过纵摇环架带动传感器系统光轴沿载体航行的正方向调转角度b，b为距离选通成像传感器探测视场的纵向尺寸；调转完成后，此时光轴位置作为下一个刈宽步进扫描的起始位置，且步进扫描的方向为上一个刈宽扫描的反方向；
步骤g：根据指令判断是否停止扫描成像，若停止则转入步骤h，继续则返回执行步骤c；
步骤h：扫描成像工作结束。
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